第二章 试验荷载及其设备n§2.1 概述 n一、 结构上作用的分类 n二、 结构试验对仪器设备的要求一、结构上作用的分类n结构上的作用分为直接作用和间接作用n直接作用：主要是指荷载的作用，包括结构自重和 作用在结构上的外力，分为静荷载作用和动荷载作 用两类n间接作用：引起结构附加变形和约束变形的原因二、结构试验对仪器设备的要求n1）选用的试验荷载图式应与结构设计计算的荷载图式所产生的内力值相 一致或极为接近，即使截面或部位产生的内力与设计计算等效n2）荷载传递方式和作用点要明确，产生的荷载值要稳定，满足试验的准 确度，特别是静力荷载应不随加载时间、外界环境和结构的变形而变化 n3）荷载分级的分度值要满足试验量测的精度要求n4）加载装置本身要安全可靠，不仅要满足强度要求，还必须按变形条件 来控制加载装置的设计，即应满足刚度要求有足够的强度储备，防止对 试件产生卸荷作用而减轻结构实际承担的荷载n5）加载设备要操作方便，便于加载和卸载，并能控制加载速度，还能适 应同步加载或先后加载的不同要求n6）加载设备不应参与结构工作，导致改变结构的受力状态或使结构产生 次应力n7）尽量采用先进技术，减轻劳动强度，提高试验效率和质量。
§2-2 重力加载n重物加载是利用物体本身的重量施加在 结构上作为荷载n在实验室内可以采用的重物有专门制作的标准铸铁砝 码，混凝土立方试块、水箱等；在现场试验可以就地 取材如砖、砂、石、袋装水泥等建筑材料，或废构件 、钢锭等重物可以直接加在试验结构上，也可以通 过杠杆系统间接加在试件上2-2-1 重力直接加载n1．重物加载的形式n重物荷载可直接堆放于结构表面（如板的试验）作为 均布荷载（图2-1）或置于荷载盘上通过吊杆挂在结构 上形成集中荷载（图2-2），此时吊杆与荷载盘的自重应计入第一级荷载 图2-1 用重物做均布荷载直接加载试验图2-2 用重物做集中荷载加载试验2-2-1 重力直接加载n2．加载应注意的几个问题n（1）当使用砂石等松散颗粒材料加载时，如果将材料直接堆放于结 构表面，将会造成荷载材料本身的起拱，而对结构产生卸荷作用，为 此最好将颗粒材料置于一定容量的无底箱框之中，然后叠加于结构之 上，在试验构件跨度方向施加的箱框数量不应少于两个n（2）当采用型体较为规则的块状材料加载，如砖块、铸铁块、钢锭 等，则要求叠放整齐，每堆重物的宽度≤L/6（L为试验结构的跨度） ，堆与堆之间应有一定间隔（约50～100mm）。
n（3）如果利用钢锭作用载重，为了加载的方便与安全，要求每块质 量不大于20kgn（4）当利用吊杆荷载盘施加集中荷载时，每个荷载盘应分开或通过 静定的分配梁体系作用于试验对象上，使结构所受的荷载明确2-2-1 重力直接加载n3.优、缺点n优点：试验用的重物容易取得，不影响结构的 自由变形，特别适用于长期荷载和均布荷载试 验n缺点：加载过程中需要花费较大的劳动力，此 外，利用砂石、砖块等材料作为荷载，它们的 容重常随大气温度、湿度改变而发生变化即由 于其含水率的变化，以致荷载不易恒定，使荷 载值产生误差 2-2-1 重力直接加载n利用水作均布荷载试验，如图2-3所示是一种 简易方便而且又十分经济的加载方法加载时 可以直接用自来水管放水，水的比重为1，从 标尺上的水深就可知道荷载值的大小，卸载也 方便，可采用虹吸管原理放水卸载，特别适用 于网架结构和平板结构加载试验n缺点是全部承截面被水掩盖，不利于布置仪表 和观测当结构产生较大变形时，要注意水荷 载的不均匀所产生的影响 32-2-2 杠杆加载n1．加载形式n当利用重物作集中荷载时，经常会受到荷载量的限制，常 采用杠杆原理将荷载值放大，将荷重放大作用于结构上。
如图（2-4） 图2-4 杠杆加载2-2-2 杠杆加载n2．特点n杠杆制作方便，荷载值稳定不变，当结构有变形时， 荷载可以保持恒定，对于做持久荷载试验尤为适合n杠杆加载的关键是要有牢固稳妥的支承反力装置n3．加载应注意的问题n杠杆比例不宜过大支点、力点和加载点位置必须明 确，并应在同一直线上n杠杆应有足够的强度、刚度，防止自身的总体失稳 §2-3 液压加载法 n液压加载是目前最常用的试验加载方法 n优点：利用油压使液压千斤顶产生较大的荷 载，试验操作安全方便n对于大型结构试验，当要求荷载点数多，采用多点同 步加载更为合适尤其是电液伺服技术在液压加载设 备中得到广泛应用后，为结构模拟地震荷载试验创造 了有利条件2-3-1 液压加载器n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其主要工作原理 是用高压油泵将具有一定威力的液压油 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 2-3-2 液压加载系统n液压加载系统的组成n储油箱、高压油泵、测力装置和各类阀 门组成的操纵台，通过高压油管同时并 联连接若干个液压加载器组成n必须配置各种支承系统，来承受液压器对结构加载时 产生的反作用力。
2-3-3 大型结构 试验机n1．结构长柱试验机n结构长柱试验机如右 图所示，用以进行梁 、柱、墙板、砌体结 构等的受压和受弯试 验这种设备的构造 和加载原理与一般材 料试验机相同压力传感器立柱控制器下承压板上承压板2．结构疲劳试验机n结构液压试验机主要用于对各种结构构件进行单向负荷的压力及弯曲疲 劳试验在一定范围内产生周期性的单向脉动荷载，实现正弦波的动态 疲劳试验n由液压脉动器、控制系统和液压脉动加载器三部分组成n液压脉动器是疲劳机的核心部分，其结构原理：当脉动器中的飞轮带动 曲柄连杆转动时，脉动器活塞上下移动而产生脉油压，传至加载器形成 正弦波形的脉动荷载调整脉动器中曲柄连杆的固定位置，可改变活塞 冲程，从而改变脉动量的大小n频率可根据试验的不同要求在100～500次/分范围内任意调节选用疲 劳次数可由频率指示器自动记录，并可按预选的疲劳次数自动停机n疲劳试验机应满足2级试验机的精度要求测力不值相对误差应为 ±2.0%荷载量程应同时满足最大荷载和最小荷载的要求2-3-4 电液伺服液压系统n电液伺服液压系统可以较为精确地模拟 试件所受的实际荷载，产生真实的受力 状态，在结构试验中，用以模拟地震、 海浪等荷载对结构物的作用，是比较理 想的试验设备，特别适用于进行结构抗 震研究的伪静力试验和拟动力试验。
3． 电液伺服液压系统n（1）组成由电液伺服加载器或称伺服千斤顶、控制系统和液压源等 三大部分组成n（2）作用它可以将荷载、应变、位移等不同力学参量直接作为控制 参数，实行自动控制，并在试验过程中进行控制参量的转 换2-3-4 电液伺服液压系统n1.电液伺服系统的工作原理n利用自动控制和液压技术相结合的电液伺服闭环控制试验加载（见下页图）n由电液伺服加载器或称伺服液压加载器、控制系统和 液压源等三大部分组成n加载系统中的关键部件是电液伺服阀 电液伺服闭环控制回路指令信号调整放大系 统比较器加载器传感器油源伺服阀反馈系统闭环闭环控制回路图2-3-5 地震模拟振动台n地震模拟振动台是再现各种地震波对结构进行 动力试验的一种先进设备，其特点是具有自动 控制和数据采集及处理系统，采用了电子计算 机和闭环伺服液压控制技术，并配合先进的振 动测量仪器，可以在实验室内进行结构物的地 震模拟试验，以求得地震反应对结构的影响2-3-5 地震模拟振动台n1.振动台台体结构n2.液压驱动和动力系统n3.控制系统n4.测试和分析系统 §2-4 其他加载方法n2-4-1 惯性力加载n1.冲击力加载n特点：荷载作用时间极为短促，使结构产生自由振动 ，适用于进行结构动力特性试验。
n（1）初位移加载法（张拉突卸法）n借助外力使结构产生一定的初位移，然后突然卸去荷 载，利用结构的弹性使其产生自由振动n优点：结构自振时荷载已不存在于结构，没有附加质 量的影响，但仅适应于刚度不大的结构2-4-1 惯性力加载mm突加荷载法 突卸荷载法2-4-1 惯性力加载n（2） 初速度加载法（突加荷载法）利用摆锤或落重的方法使结构在瞬时内受到水平或垂直的冲 击，产生一个初速度，同时使结构获得所需的冲击荷载n优点：较小的荷载产生较大的振幅n缺点：荷载将附着于结构一起振动，并且落重的跳动又会影响结 构自振阻尼振动，同时有可能使结构受到局部损伤这时冲击力 的大小要按结构强度计算，不致使结构产生过度的应力和变形2-4-1 惯性力加载n（3）反冲激振器（火箭激振）加载n工作原理：当点火装置内的点火药被点燃后，很快使 主装火药到达燃烧温度，主装火药开始在燃烧室中进 行平稳的燃烧，产生的高温高压气体便从喷管口以极 高的速度喷出按动量守恒定律得到反冲力，即为作 用在被测结构上的脉冲力 2.离心力加载n离心力加载的原理根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载n特点具有周期性，作用力的大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。
3.机械加载n常用的机械力加载机具有吊链、卷扬机、绞车、花篮螺丝、螺旋 千斤顶和弹簧等n吊链、卷扬机、绞车和花篮螺丝等主要配合钢丝或绳索对结构施 加拉力，还可与滑轮组联合使用，改变作用力的方向的拉力大小 连接测力计或拉力传感器可以测量其加载值n螺旋千斤顶是利用蜗轮蜗杆机构传动的原理加力，使用时需要用 力传感器测定其加载值，设备简单，使用方便n弹簧常用于构件的持久荷载试验，产生的荷载相对比较稳定弹 簧加载采用千分表量测弹簧的压缩长度的变化量确定弹簧的加载 值弹簧变形与力值的关系一般通过压力试验机标定来确定 3.机械加载n优点：设备简单，容易实现，当通过索具加载时，很容 易改变荷载作用的方向，故在建筑物、柔性构筑物的 实测或大尺寸模型试验中，常用此法施加水平集中荷 载n缺点荷载值不大，当结构在荷载作用点产生变形时， 会引起荷载值的改变 4.气压加载法n气压加载法主要利用空气压力对试件施加荷载它所产生的是垂直于试件或结构 模型表面的均布荷载n气压加载分为正压加载和负压加载两种，正压加载是利用压缩空气的压力对结构 施加荷载n负压加载是利用真空泵将试验结构物的下面密封室内的空气抽出，使之形成真空 ，结构的外表面受到的大气压，就成为施加在结构上的均布荷载，由真空度可得 出加载值。
一般很少用n优缺点：气压加载、卸载方便，荷载稳定，直接通过压力表就可反映加载值n缺点：试件受力面无法观测，利用真空加载时试件周边密封要求较高另外，由 于荷载垂直于试件受载面，所以壳体试验时荷载是均匀分布的压力而不是重力荷 载，当壳体曲率较大时会有一定误差，同时模拟局部荷载作用会有一定困难5.电磁加载法n电磁加载的原理在磁场中通电的导体将受到与磁场方向相垂直的作 用力在磁场（永久磁铁或激磁线圈中）放入动圈，通 以交变电流，就可使固定于动圈上的顶杆等作往复运 动，对试验对象施加荷载若在动圈上通以一定方向 的直流电，则可产生静荷载5.电磁加载法n一、电磁式激振器n电磁式激振器是由磁系统（包括励磁线圈、铁芯、磁极板）、动 圈（工作线圈）、弹簧、顶杆等n当激振器工作时，在励磁线圈中通入稳定的直流电，使在铁芯与 磁极板的空隙中形成一个强大的磁场与此同时，由低频信号发 生器输出一交变电流，经功率放大器放大后输入工作线圈，这时 工作线圈即按交变电流的谐振规律在磁场中运动并产生一电磁感 应力，使顶杆推动试件产生振动5.电磁加载法n二、电磁振动台n电磁振动原理基本上与电磁激振器一样，实际上是由 电磁激振器来推动一个活动的台面而构成。
n电磁振动台通常由信号发生器、振动自动控制仪、功 率放大器、电磁激振器和台面组成n电磁振动台是按闭环振动试验要求设计的6.人激振动加载n在结构动力试验的加载方法中，一般都需要比较复杂 的设备，这些在实验室内尚可满足，而在野外现场试 验时，往往受到各方面条件的限制难于实现因此人 们设法寻求更简单的试验方法，即可以获得有关结构 动力特性的资料和数据，而又无需复杂的设备n人激振动的关。