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1、土木工程试验,罗维刚,兰州理工大学土木工程学院 2010年03月01日,E-mail: ,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,第5章 常见结构试验类型,单调加载静力荷载试验 伪静力试验 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 桥梁结构原位荷载试验,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1单调加载静力试验,5.1.1荷载图式的选择与设计,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,单调静力荷载试验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：
2、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。,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。,1.荷载程序三阶段,图5.1.1 静载试验加载程序,预载 标准荷载（正常使用荷载） 破坏荷载,5.1单调加载静力试验,5.1.2荷载制度,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,2.荷载大小 预载 预载的目的在于： 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； 检验全部试验装置的可靠性； 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，起演习作用。 一般分三级；三次；每级取
3、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)。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1单调加载静力试验,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5.1.1 静载试验加载程序,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1单调加载静力试验,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问 。混凝土及钢30min。 空载时间 ： 受
4、载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。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1单调加载静力试验,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。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1单调加载静力试验,5.1.3试验装置,5.1单调加载静力试验,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,受弯构件的试验 加载方案,(a) (b) (c) 图5.1.2 简支梁试验等效荷载加载图示,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. L
5、UT.,5.1单调加载静力试验,受弯构件的试验 量测方案 挠度测量布置,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1单调加载静力试验,受弯构件的试验 量测方案 应变测量,梁正截面应变分布的测点布置 （a）截面最大纤维应变； （b）测量中和轴的位置和应变分布规律,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1单调加载静力试验,受弯构件的试验 量测方案 裂缝观测,混凝土受拉区抗裂测点布置 17-混凝土应变片测点,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1单调加载静力试验,受弯构件的试验 量测方案裂缝观测,（a
6、） （b） 图5.1.10 混凝土斜截面裂缝测点布置,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1单调加载静力试验,受压构件的试验 测点布置,偏压短柱试验测点布置 1试件；2铰支座；3应变计； 4应变仪测点；5挠度计,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1单调加载静力试验,伪静力试验又称低周反复荷载试验，属于工程结构抗震试验。其基本原理是用低周往复循环加载的方法对结构构件进行静力试验，试验中控制结构的变形值或荷载量，使结构构件在正反两个方向反复加载和卸载，用以模拟结构在地震作用下的受力过程。,伪 静 力 试 验 pseudo-s
7、tatic testing,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,（1）变形控制加载法(位移控制) A：变幅加载：恢复力模型、强度、变形、滞回特性、破坏机理等； B：等幅加载：强度及刚度退化等； C：变幅等幅混合加载：二次加载或加载历史对性能的研究。,图5.2.4 变幅加载 图5.2.5 等幅加载,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,5.2.1单向反复加载制度,(a) (b) 图5.2.6混合加载,（2）荷载控制加载法 （3）荷载变形双控制加载法先控制力，屈服之后控制位移,SCHOOL OF
8、CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,（1）x、y轴双向同步加载 （2）x、y轴双向非同步加载,图5.2.7 双向低周反复加载制度,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,5.2.2双向反复加载制度,(a) (b) 梁柱节点试验装置与变形特征,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,5.2.3试验装置,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,以剪切变形为主的构件低周反复试验装置,SCHOOL OF CIVIL ENGNIE
9、ERING. LUT.,5.2 伪静力试验,5.2 伪静力试验,以弯剪变形为主的构件低周反复试验装置,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,1荷载及支座反力 2荷载变形曲线 3塑性铰区段曲率或转角 4节点核心区剪切角 5梁柱纵筋应力 6核心区箍筋应力 7钢筋滑移 8裂缝,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,观测方案,梁柱节点测点布置,1,4,3,2,5,3,2,2,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,滞回曲线 是结构伪静力试验中，以试验荷载为
10、纵坐标，以结构变形为横坐标的连续曲线。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,5.2.4几个常用概念,结构荷载 （1）开裂荷载 （2）屈服荷载和屈服变形 （3）极限荷载 （4）破坏荷载和极限变形,5.2.10 荷载-变形关系曲线,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,5.2.4几个常用概念,结构刚度 （1）初次加载刚度 （2）卸载刚度 （3）反向加载、卸载刚度和重复加载刚度 （4）等效刚度,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,5.2.4几个常用
11、概念,骨架曲线 在伪静力试验所得荷载-变形滞回曲线中，取所有每一级荷载第一次循环的峰点（卸载顶点）连接的包络线作为骨架曲线，它是每次循环的荷载-变形曲线达到最大峰点的轨迹。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,5.2.4几个常用概念,延性系数 延性系数是试验结构构件塑性变形能力的一个指标， 按下式计算： -在荷载下降段相应于破坏荷载的变形； -相应于屈服荷载的变形。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,退化率 强度退化率反映试验结构构件抗力随反复加载次数增加而降低的指标。 当研究刚度退化时，
12、即在位移不变条件下，随反复加载次数的增加而刚度降低的情况，用环线刚度表示并按下式计算：,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,能量耗散 结构构件吸收能量能力的好坏，可由滞回曲线(结构或构件在反复荷载作用下的力与非弹性变形间的关系曲线)所包围的滞回环面积和它的形状来衡量。由滞回曲线的面积可以求得等效黏滞阻尼系数 ：,5.2.11 等效黏滞阻尼系数计算,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,受弯钢筋凝土构件的滞回曲线,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力
13、试验,1 水平集中力模拟地震力，为等效静力；由静力的方法验证结构部分动力性能。 2 试验荷载谱人为设计，试验频率低；不能体现地震的动力特性。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 伪静力试验,伪静力试验的特点与不足,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 拟动力试验,5.3.1拟动力试验,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 拟动力试验,5.3.1概念,数值计算与拟动力试验之间的比较,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 拟动力试验,加载装置 拟
14、动力试验的加载设备一般由计算机、加载装置与加载控制系统等组成。 计算机是加载过程的控制和试验数据采集都由计算机来实现，同时对试验结构的其他反应参数，如应变、位移等进行演算和处理。 加载装置与加载控制系统其功能是根据该时刻由计算机传来的位移指令转换为电压信号输入，用于电液伺服系统，使加载器按指定指令工作。拟动力试验可采用与静力试验或拟静力试验一样的加载装置。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 拟动力试验,试验步骤 （1）在计算机系统中输入地震加速度时程曲线，并按一定的时间间隔数字化。 （2）把各时刻的地震加速度值代入运动方程，解出时刻的地震反应位移值。
15、（3）由计算机控制电液伺服加载系统，将施加到结构上，实现这一步的地震反应。 （4）量测此时试验结构的反力，并代入运动方程，按地震反应过程的加速度进行时刻的位移的计算，量测试验结构反力。 （5）重复上述步骤，按输入时刻的地震加速度值，求解位移和结构反力，连续进行加载试验，直到试验结束。,输入地震波的加速度时程曲线,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 拟动力试验,拟动力试验的特点与局限性 特点 1）拟动力试验是将地震实际反应所产生的惯性力作为荷载加在试验结构上； 2）加载过程完全可以看成是静态的，试验结构重现地震作用的反应也就可以人为的缓慢进行，特别是破坏过
16、程，更利于观察和研究。 局限性 1）不是实时的试验分析过程 ； 2）要求有一定的设备和技术条件； 3）拟动力试验是用静力试验方法来重现；,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 拟动力试验,5.3.2 地震模拟振动台试验,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 拟动力试验,1 振动台台体结构 2 液压驱动和动力系统 3 控制系统 4 测试和分析系统,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3.2 地震模拟振动台试验,5.3 拟动力试验,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 拟动力试验,结构的动力特性反映结构本身所固有的动力特性。包括结构的自振频率、阻尼系数（比）、振
