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1、第三章 工程结构试验加载方法与设施 n概述n重力加载法n液压加载法n惯性力加载法n机械力加载法n气压加载法n电磁加载法n人工振动加载法n环境随机振动激振法n支座和荷载支承设备 概概 述述 n n作用于工程结构上的荷载种类很多。直接作用荷载有作用于工程结构上的荷载种类很多。直接作用荷载有 ：自重，活荷载等楼层荷载，设备、车辆振动荷载，：自重，活荷载等楼层荷载，设备、车辆振动荷载， 海浪冲击荷载，地震、爆炸荷载等；间接作用荷载有海浪冲击荷载，地震、爆炸荷载等；间接作用荷载有 ：温度、收缩、支座沉降等。：温度、收缩、支座沉降等。n n按作用范围有：分布荷载、集中荷载；按作用时间长按作用范围有：分布荷
2、载、集中荷载；按作用时间长 短有：短期荷载、长期荷载；按作用效应有：静力荷短有：短期荷载、长期荷载；按作用效应有：静力荷 载、动力荷载。载、动力荷载。n n除极少数工程结构试验是实测工程结构在实际受力工除极少数工程结构试验是实测工程结构在实际受力工 作状态下的结构反应，绝大多数工程结构试验都是模作状态下的结构反应，绝大多数工程结构试验都是模 拟工程结构在实际受力工作状态下的结构反应，因此拟工程结构在实际受力工作状态下的结构反应，因此 必须对试验对象施加荷载。必须对试验对象施加荷载。n n试验荷载的形式、大小以及加载方式等需要根据具体试验荷载的形式、大小以及加载方式等需要根据具体 试验目的来确定
3、。试验目的来确定。n n正确的荷载设计和选择合适的加载方法与荷载设备是正确的荷载设计和选择合适的加载方法与荷载设备是 保证整个试验工作顺利进行的关键之一。保证整个试验工作顺利进行的关键之一。选择试验荷载和加载方法应满足：选择试验荷载和加载方法应满足：n n试验的荷载图式应与结构设计计算的荷载图式所产生试验的荷载图式应与结构设计计算的荷载图式所产生 的内力值（即荷载效应）相一致或极为接近（等效）的内力值（即荷载效应）相一致或极为接近（等效） 。n n荷载传力方式和作用点应明确，产生的荷载数值要稳荷载传力方式和作用点应明确，产生的荷载数值要稳 定（特别是静力荷载）。定（特别是静力荷载）。n n荷载
4、分级的分度值要满足试验量测的精度要求，加载荷载分级的分度值要满足试验量测的精度要求，加载 设备要有足够的强度储备。设备要有足够的强度储备。n n加载装置本身要安全可靠，不仅要满足强度要求，还加载装置本身要安全可靠，不仅要满足强度要求，还 要满足刚度要求，即还必须按变形条件来控制加载装要满足刚度要求，即还必须按变形条件来控制加载装 置的设计，以防止对试件产生卸荷作用而减轻了结构置的设计，以防止对试件产生卸荷作用而减轻了结构 实际承担的荷载。实际承担的荷载。n n加载设备要操作方便，便于加载和卸载，并能控制加加载设备要操作方便，便于加载和卸载，并能控制加 载速度，又能适应同步加载或先后加载的不同要
5、求；载速度，又能适应同步加载或先后加载的不同要求；n n试验加载方法要力求采用现代化先进技术，减轻体力试验加载方法要力求采用现代化先进技术，减轻体力 劳动，提高试验质量。劳动，提高试验质量。 重力加载法重力加载法n n重力加载就是利用物体本身的重量加于试验对重力加载就是利用物体本身的重量加于试验对 象上作为荷载。象上作为荷载。重重 力力 直直 接接 加加 载载 方方 法法杠杠 杆杆 加加 载载 方方 法法液压加载法液压加载法n n液压加载就是使用液压加载器（千斤顶）对试液压加载就是使用液压加载器（千斤顶）对试 验对象产生荷载。验对象产生荷载。n n液压加载法是目前工程结构试验中比较普遍采液压加
6、载法是目前工程结构试验中比较普遍采 用而且较为理想的一种加载方法。用而且较为理想的一种加载方法。n n最大优点是利用油压使液压加载器产生较大的最大优点是利用油压使液压加载器产生较大的 荷载，试验操作安全方便。尤其适合大型结构荷载，试验操作安全方便。尤其适合大型结构 构件试验对荷载点数多、吨位大的要求。构件试验对荷载点数多、吨位大的要求。n n基于液压加载的电液伺服系统，可模拟地震荷基于液压加载的电液伺服系统，可模拟地震荷 载、海浪波动等不同特性的动力荷载，使结构载、海浪波动等不同特性的动力荷载，使结构 动力试验中的动力加载技术发展到了一个新的动力试验中的动力加载技术发展到了一个新的 高度。高度
7、。液压加载器（千斤顶）液压加载器（千斤顶）n n液压加载器（俗称千斤顶）是液压加载设备中液压加载器（俗称千斤顶）是液压加载设备中 的一个主要部件。的一个主要部件。n n液压加载器的工作原理是用高压油泵将具有一液压加载器的工作原理是用高压油泵将具有一 定压力的液压油压入液压加载器的工作油缸，定压力的液压油压入液压加载器的工作油缸， 使之推动活塞，对结构施加荷载。使之推动活塞，对结构施加荷载。n n荷载值由油压表示值和加载器活塞受压底面积荷载值由油压表示值和加载器活塞受压底面积 求得，也可由液压加载器与荷载承力架之间所求得，也可由液压加载器与荷载承力架之间所 置的测力计直接测读；或用传感器将信号输
8、给置的测力计直接测读；或用传感器将信号输给 电子秤显示或由记录器直接记录。电子秤显示或由记录器直接记录。n n结构试验中常用的液压加载器有普通工业用的结构试验中常用的液压加载器有普通工业用的 手动液压加载器，有专门为结构试验设计的单手动液压加载器，有专门为结构试验设计的单 向作用及双向作用的液压加载器。向作用及双向作用的液压加载器。 液压加载器（千斤顶）液压加载器（千斤顶）普普 通通 工工 业业 用用 手手 动动 液液 压压 加加 载载 器器单单 向向 作作 用用 液液 压压 加加 载载 器器双向作用液压加载器双向作用液压加载器液压加载系统液压加载系统n n液压加载系统主要是由储油箱、高压油泵
9、、液液压加载系统主要是由储油箱、高压油泵、液 压加载器、测力装置和各类阀门组成的操纵台压加载器、测力装置和各类阀门组成的操纵台 通过高压油管连接组成。通过高压油管连接组成。n n当使用液压加载系统进行加载时还必须配置当使用液压加载系统进行加载时还必须配置 支承系统，作为平衡力系。支承系统，作为平衡力系。大型结构试验机大型结构试验机n n大型结构试验机本身就大型结构试验机本身就 是一种比较完善的液压是一种比较完善的液压 加载系统。加载系统。n n是结构试验室内进行大是结构试验室内进行大 型结构试验的一种专门型结构试验的一种专门 设备。如结构长柱试验设备。如结构长柱试验 机，用以进行柱、墙板机，用
10、以进行柱、墙板 、砌体、节点与梁的受、砌体、节点与梁的受 压与受弯试验。压与受弯试验。n n其构造和原理与一般材其构造和原理与一般材 料试验机相同，由液压料试验机相同，由液压 操纵台、大吨位的液压操纵台、大吨位的液压 加载器和试验机架三部加载器和试验机架三部 分组成。分组成。结构长柱试验机结构长柱试验机电液伺服液压系统电液伺服液压系统n n5050年代中期，电液伺服液压系统开始应用于材年代中期，电液伺服液压系统开始应用于材 料试验，是材料试验机技术的一个重大进展。料试验，是材料试验机技术的一个重大进展。n n电液伺服液压系统能较为精确地模拟试件所受电液伺服液压系统能较为精确地模拟试件所受 的实
11、际外力，产生真实的试验状态，在近代试的实际外力，产生真实的试验状态，在近代试 验加载技术中被广泛的采用。验加载技术中被广泛的采用。n n电液伺服液压系统可用以模拟并产生各种振动电液伺服液压系统可用以模拟并产生各种振动 荷载，特别是地震、海浪等荷载对结构物的影荷载，特别是地震、海浪等荷载对结构物的影 响，对结构构件的实物或模型进行加载试验，响，对结构构件的实物或模型进行加载试验， 以研究结构的强度及变形特性。以研究结构的强度及变形特性。n n电液伺服液压系统是目前工程结构试验研究中电液伺服液压系统是目前工程结构试验研究中 一种比较理想的试验设备，特别是用来进行抗一种比较理想的试验设备，特别是用来
12、进行抗 震结构的静力或动力试验。震结构的静力或动力试验。电液伺服液压系统电液伺服液压系统n n电液伺服液压系统电液伺服液压系统采用闭环控制，主要由电液伺采用闭环控制，主要由电液伺 服加载器、控制系统和液压源等三部分组成。服加载器、控制系统和液压源等三部分组成。液压源液压源控制系统控制系统电液伺服加载器电液伺服加载器电液伺服液压系统电液伺服液压系统n n电液伺服液压系统的基本闭环回路包括输入指令电液伺服液压系统的基本闭环回路包括输入指令 信号、反馈信号和误差信号，以便连续地调节反信号、反馈信号和误差信号，以便连续地调节反 馈使与指令相等，完成对试件的加载要求。馈使与指令相等，完成对试件的加载要求
13、。电液伺服液压系统的基本闭环回路电液伺服液压系统的基本闭环回路电液伺服液压系统电液伺服液压系统n n电液伺服加载器是电液伺服液压系统中的关键电液伺服加载器是电液伺服液压系统中的关键 设备，是带有电液伺服阀的液压加载器设备，是带有电液伺服阀的液压加载器 。1. 1.铰支基座铰支基座 2. 2.位移传感器位移传感器 3. 3.电液伺服阀电液伺服阀 4. 4.活塞杆活塞杆 5. 5.荷载传感器荷载传感器 6. 6.螺旋垫圈螺旋垫圈 7. 7.铰支接头铰支接头电液伺服加载器电液伺服加载器电液伺服液压系统电液伺服液压系统n n电液伺服阀电液伺服阀是电液伺服液压系统是电液伺服液压系统 中的心脏部分，安装在
14、液压加载中的心脏部分，安装在液压加载 器上。器上。n n指令发生器发出的信号经放大后指令发生器发出的信号经放大后 输入伺服阀，转换成大功率的液输入伺服阀，转换成大功率的液 压信号，将来自液压源的液压油压信号，将来自液压源的液压油 输入加载器，使加载器按输入信输入加载器，使加载器按输入信 号的规律对结构施加荷载，同时号的规律对结构施加荷载，同时 由伺服阀及结构上量测的荷载、由伺服阀及结构上量测的荷载、 应变、位移等信号通过伺服控制应变、位移等信号通过伺服控制 器作反馈控制。器作反馈控制。n n电液伺服阀能根据输入电流的极电液伺服阀能根据输入电流的极 性控制油的流向，根据输入电流性控制油的流向，根
15、据输入电流 的大小控制液压油的流量。的大小控制液压油的流量。电液伺服阀电液伺服阀电液伺服液压系统电液伺服液压系统n n电液伺服液压系统可将荷载、应变、位移等物电液伺服液压系统可将荷载、应变、位移等物 理量直接作为控制参数，实行自动控制。理量直接作为控制参数，实行自动控制。n n电液伺服液压系统可与电子计算机配合联机使电液伺服液压系统可与电子计算机配合联机使 用，使整个系统实现程序控制，从而扩大了系用，使整个系统实现程序控制，从而扩大了系 统的功能：统的功能：可以输出各种波形信号；可以输出各种波形信号；可以进行数据采集和数据处理；可以进行数据采集和数据处理；可以控制试验的各种参数；可以控制试验的
16、各种参数；可以进行试验情况的快速判断。可以进行试验情况的快速判断。 地震模拟振动台地震模拟振动台n n7070年代以来，国外先后建成了一批大中型的地年代以来，国外先后建成了一批大中型的地 震模拟振动台，在试验室内进行工程结构的地震模拟振动台，在试验室内进行工程结构的地 震模拟试验。震模拟试验。n n地震模拟振动台是再现各种地震波对工程结地震模拟振动台是再现各种地震波对工程结 构进行动力试验的一种先进的试验设备。构进行动力试验的一种先进的试验设备。n n地震模拟振动台的特点是具有自动控制和数据地震模拟振动台的特点是具有自动控制和数据 采集及处理系统，采用电子计算机和闭环伺服采集及处理系统，采用电子计算机和闭环伺服 液压控制技术，使用先进的振动测量仪器，使液压控制技术，使用先进的振动测量仪器，使 结构动力试验水平提到了一个新的高度。结构动力试验水平提到了一个新的高度。n n地震模拟振动台有单向（水平或垂直）、双向地震模拟振动台有单向（水平或垂直）、双向 （水平（水平- -水平或水平水平或水平- -垂直）或三向（二向水
