{结构工程管理}第6章工程结构静载试验

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1、土木工程试验 TUMU GONGCHENG SHIYAN,王吉民,浙江科技学院建筑工程学院 2013年02月,1,第6章 工程结构静载试验,教学目标 熟悉结构静载试验的各项准备工作的内容和要求，掌握结构的试验安装、加载、荷载计算、挠度、裂缝、应变观测的内容；掌握受弯构件、受压构件、桁架构件等常见结构的加载方案设计和量测方案设计；掌握静载试验的数据处理及分析方法。,教学要求,2,6.1 概述,第6章 工程结构静载试验,单调加载静力荷载试验 拟静力试验 拟动力试验 结构动力特性试验 结构动力响应试验 结构疲劳试验 结构风洞试验 模拟地震试验台试验 天然地震试验,静载试验 动载试验,单调加载静力荷载

2、试验 结构动力特性试验 结构动力响应试验 结构疲劳试验 结构风洞试验 拟静力试验 拟动力试验 模拟地震试验台试验 天然地震试验,静载试验 动载试验 抗震试验,荷载的分类,3,6.1 概述,定义：单调加载静力试验是指在短时期内对试验对象进行平稳的一次连续施加荷载，荷载从“零”开始一直加到结构构件破坏，或是在短时期内平稳地施加若干次预定的重复荷载后，再连续增加荷载直到结构构件破坏 单调加载静力试验是最普遍的试验类型。 单调加载静力试验主要用于模拟结构承受静荷载作用下观测和研究结构构件的强度、刚度、抗裂性等基本性能和破坏机制。,4,6.2 加载与量测方案的设计,6.2.1 加载方案,单调静力荷载试验

3、是指试验荷载逐渐单调增加到结构破坏或预定的状态目标，研究结构受力性能的试验。 荷载图式：荷载在构件上的布置形式（类型和分布方式）; 设计原则：与理论计算图示一致或内力等效的荷载图示。,1.试验荷载图式,5,即试验期间荷载与试件的关系（或称荷载谱），包含荷载程序与荷载大小。,荷载程序三阶段,图6-2 静载试验加载程序,预加载 正式加载 卸载,2 试验荷载制度,6.2 加载与量测方案的设计,6.2.1 加载方案,6,1）预加载 预加载的目的是： 使试件各部分接触良好，进入正常工作状态，荷载与变形关系趋于稳定； 检验全部试验装置是否可靠； 检验全部量测仪表工作正常与否； 检查现场组织和人员的情况，使

4、他们熟悉自己的任务和职责，以保证试验工作顺利进行。 预加载一般分三级；三次；每级取标准荷载的20；脆性材料结构，不宜超过计算开裂荷载的70(含自重)。,6.2.1 加载方案,2 试验荷载制度,7,分级加载 分级加载目的： 加载速度易控制； 变形易观测及分析； 各点加载易协调。,图6-2 静载试验加载程序,2）正式加载,6.2.1 加载方案,2 试验荷载制度,8,2）正式加载 分级： 正常使用荷载之前，每级加载值不应大于正常使用荷载的20，一般分5级加至正常使用荷载；接近极限或开裂荷载时减小荷载范围增加次数。 满载时间 ： 标准短期荷载作用下的持续时间。混凝土及钢30min。 空载时间 ： 受载

5、结构卸载后到下一次重新开始受载之间的间歇时间称空载时间。 混凝土45分钟；钢30分钟。,6.2.1 加载方案,2 试验荷载制度,9,3）卸载 卸载一般可按加载级距进行，也可以放大1倍或分2次卸完。,6.2.1 加载方案,2 试验荷载制度,10,6.2 加载与量测方案的设计,6.2.2 量测方案,1. 确定量测项目,静荷载试验的基本量测内容如下：,(1) 结构的最大挠度和扭转变位，包括桥梁上、下游两侧的挠度差及水平位移等。,(2) 结构控制截面最大应力(或应变)，包括混凝土表面应力和最外缘钢筋应力等。,(3) 支点沉降、墩台位移与转角，活动支座的变位等。,(4) 桁架结构支点附近杆件及其他细长杆

6、件的稳定性。,(5) 裂缝的出现和扩展，包括初始裂缝的出现，裂缝的宽度、长度、间距、位置、方向和形状，以及卸载后的闭合状况。,(6) 温度变化对结构控制截面测点应力和变位的影响。,11,6.2.2 量测方案,1. 确定量测项目,根据桥梁调查和测算的深度，综合考虑结构特点和桥梁技术现状等，可适当增加以下观测内容： (1) 桥跨结构挠度沿桥长或沿控制截面桥宽的分布。 (2) 结构构件控制截面应变分布图，要求沿截面高度分布不少于5个应变测试点，包括最边缘和截面突变处的测点。 (3) 控制截面的挠度、应力(或应变)的纵向和横向影响线。 (4) 行车道板跨中和支点截面挠度或应变影响面。 (5) 组合构件

7、的结合面上、下缘应变。 (6) 支点附近结构斜截面的主拉应力。 (7) 控制断面的横向应力增大系数。,12,2. 测点的选择和布置,6.2.2 量测方案,静载试验的测点布设应满足分析和推断结构工作状况最低的需要，测点的布设不宜过多，但要保证观测质量。主要测点的布设应能控制结构最大应力(应变)和最大挠度(位移)。对重要的测点宜采用两种测试方法校对量测值。,1）挠度测点的布置,一般情况下，对挠度测点的布设要求能够测量结构的竖向挠度、侧向位移和扭转变形，应能给出受检跨及相邻跨的挠曲线和最大挠度。每跨一般需布设35个测点。挠度测试结果应考虑支点下沉修正，应观测支座下沉量、墩台的沉降、水平位移与转角、连

8、拱桥多个墩台的水平位移等。对于整体式梁桥，一般对称于桥轴线布置，截面设单测点时，布置在桥轴线上；对于多梁式桥，可在每梁底布置一个或两个测点。有时为了验证计算理论，需要实测控制截面挠度的纵向和横向影响线。对较宽的桥梁或偏载应取上下游平均值或分析扭转效应。,13,2）结构应变测点的布设,2. 测点的选择和布置,6.2.2 量测方案,应力应变测点的布设应测出内力控制截面沿竖向、横向的应力分布状态。对组合构件应测出组合构件的结合面上下缘应变。梁的每个截面的竖向测点沿截面高度应不少于5个测点，包括上、下缘和截面突变处，应能说明平截面假定是否成立。横向截面抗弯应变测点应布设在截面横桥向应力可能分布较大的部

9、位，沿截面上下缘布设，横桥向布设一般不少于3处，以控制最大应力的分布，宽翼缘构件应能给出剪力滞效应的大小。对于箱形断面，顶板和底板测点应布设“十”字应变花，而腹板测点应布设45应变花，T形断面下翼缘可用单向应变片。,14,3）混凝土结构应变测点的布设,2. 测点的选择和布置,6.2.2 量测方案,对于预应力混凝土结构，应变测点可用长标距(5150mm)应变片构成应变花贴在混凝土表面，而对部分预应力或钢筋混凝土结构，受拉区则应用小标距应变片测受拉钢筋的拉应变，可凿开混凝土保护层直接在钢筋上设置拉应力测点，但在试验完后必须修复保护层。,当采用测定混凝土表面应变的方法来确定钢筋混凝土结构中钢筋承受的

10、拉力时，考虑到混凝土表面已经和可能产生的裂缝对观测的影响，可用测定与钢筋同高度的混凝土表面上一定间距的两点间的平均应变来确定钢筋的拉应力。选择这两点的位置时，应使其标距大致等于裂缝的间距或裂缝间距的倍数。,可以根据结构受力后的三种情况进行选择：,（1）预计混凝土加载后不会产生裂缝情况时，可以任意选择测点位置及标距，但标距不应小于4倍混凝土最大粒径。,15,3）混凝土结构应变测点的布设,2. 测点的选择和布置,6.2.2 量测方案,（2）加载前未产生裂缝，加载后可能产生裂缝的情况时，如图6-3（a）所示，选择相连的20cm、 30cm两个标距。当加载后产生裂缝时可分别选用20cm、30cm或20

11、cm+30cm标距的测点读数来适应裂缝间距。,图6-3 混凝土结构应变测点布置示意图 1一梁体；2一千分表；3一标距；4裂缝,（3）加载前已经产生裂缝，为避免加载后产生新裂缝的影响，可根据裂缝间距选择测点位置及间距。图6-3（b）为用手持式应变仪时的测点布置图。为提高测试精度，也可增大标距，跨越两条以上的裂缝，但测点在裂缝间的相对位置仍应不变。,16,2. 测点的选择和布置,6.2.2 量测方案,4）剪切应变测点的布设,对于剪切应变测点一般采取设置应变花的方法进行观测。为方便起见，对于梁桥的切应力也可在截面中性轴处主应力方向设置单一应变测点来进行观测。梁桥的实际最大切应力截面应设置在支座附近而

12、不是支座上。具体位置：从梁底支座中心起向跨中作与水平线成45斜线，此斜线与截面中性轴高度线的交点即为梁最大切应力位置。可在这一点沿最大压应力或最大拉应力方向设置应变测点，距支座最近的加载点则应设置在45斜线与桥面的交点上。,5）温度测点的布设,在与大多数测点较接近的部位设置12处气温观测点。此外，根据需要可在结构主要控制截面布置结构温度测点，以观测结构温度变化对测点应力和变位的影响。布设于结构上的温度测点应能反映结构温度的内外表面差异、向阳与背阴面差异、迎风面与背风面差异以及上面与下面的差异。,17,2. 测点的选择和布置,6.2.2 量测方案,6）常用桥梁的主要测点布置,主要测点的布设应能控

13、制结构的最大应力(应变)和最大挠度(或位移)，测点的布设不宜过多，但要保证观测质量，几种常用桥梁体系的主要测点布设如下：,（1）简支梁桥：跨中挠度，支点沉降，跨中截面应变。,（2）连续梁桥：跨中挠度，支点沉降，跨中和支点截面应变。,（3）悬臂梁桥：悬臂端部挠度，支点沉降，支点截面应变。,（4）拱桥：跨中与L/4处挠度，拱顶、L/4和拱脚截面应变。,挠度观测测点一般布置在桥中轴线位置。截面抗弯应变测点应设置在截面横桥向应力可能分布较大的部位，沿截面上下缘布设，横桥向测点设置一般不少于3处，以控制最大应力的分布。,18,6.2.2 量测方案,3仪器的选择与测读原则,1）位移的量测,一般的梁、板、拱

14、、桁架结构的位移测定，主要是指挠度及其变形曲线的测定。,挠度的测试断面，一般在l/2跨、1/4跨、l/8跨、3/4跨、7/8跨等位置布设测点，以便能测出挠度变形的特征曲线。对梁或板宽大于或等于100cm的构件，应考虑在横截面两侧都布设测点，测值取两侧仪表读数的平均值。为了求得最大挠度值以及其变形特征曲线，测试中要设法消除支座沉降的影响。,常用的位移测量的仪器、仪表有各种类型的挠度计、百分表、位移传感器等。,在工程结构设计中的荷载横向分布系数，往往是以测定桥梁横断面各梁(或梁肋)挠度的方法推算出来的。具体做法是在特征断面(跨中或1/4跨断面)，所有各梁或梁肋布点测挠度，然后经过简单的数据处理，即

15、可得到该断面的荷载横向分布特征值。,19,6.2.2 量测方案,3仪器的选择与测读原则,2）应变的量测,试验结构的断面内力(弯矩、轴力、剪力、扭矩)和断面应力分布，一般都是通过应变测定来反映的，所以，应变值的正确测定是非常重要的。,应变的测量分为以下两种情况：,（1）已知工程结构主应力方向,（2）未知工程结构的主应力方向,3）裂缝的观测,对于钢筋混凝土梁，加载后受拉区及时发现第一条裂缝是十分重要的。测定裂缝的仪器、仪表有刻度放大镜、塞尺、应变计、电阻应变仪等。,20,6.3.1 受弯构件的试验,6.3 常见结构构件静载试验,1.试件的安装和加载方法 (1)简支座与固定支座的实现 (2) 应尽量

16、保证加载面与支承面平整（砂浆、垫沙层、橡胶+钢板） 加载方法：千斤顶+分配梁最常见 一般采用等效荷载的加载图式（按照所研究的界面位置）,21,6.3.1 受弯构件的试验,2. 试验项目和测点布置： 1) 挠度测量 梁的挠度f，Pf曲线、框架的P曲线、节点的P曲线 梁的真实挠度f a) 剔除支座位移； b) 对宽度较大的梁，两边对称贴片，以消除扭转的影响（支座偏心、加载点偏心）； c) 挠度的预计大小（选择仪器的量程）。,22,2) 应变测量 一般在以下几个截面上：M+max、M-max、l、y 或弯矩突变处； 贴片的原则：按应变梯度；受拉区少、压区密（如采用引伸仪则不用）；一般情况下多采用不均匀布置的方法。 a)单向应力测定：单向片 b)平面应力测定：多个单向片、应变花 c)箍筋和弯筋应力测量：预埋式和表面开槽式 d)翼缘与孔边应力测量：连续贴片（力学分析结果） e)校核测点：不受力位置，检验系统误差,6.3.1 受弯构件的试验,23,3）裂缝测量 裂缝包括：弯曲裂缝、剪切裂缝、弯剪裂缝。 基于力学分析，在裂缝位置的垂直方向布置测点。 裂缝永远与l垂直（事故处理常用原