建筑结构试验pp课件

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1、建筑结构试验建筑结构试验教材：建筑结构试验 同济大学出版社1996年9月第1版第一章 结构试验概论w理论w计算w试验 1.1 科学研究的三大手段 1.2 结构试验的目的w1.2.1 工程应用型试验建设工程质量或构件质量检测及验收受损结构的评估和鉴定已建或改建结构的可靠性和耐久性评估w1.2.2 科学研究型试验验证和修正理论公式验证结构计算分析模型为发展和推广新型结构、新材料、新工艺提供实践经验。用于制定各类工程应用规范、规程和标准1.3 结构试验的分类w1.3.1 按试验对象的复杂程度分类材料构件节点局部结构（构件组）整体结构w1.3.2 按试验对象对原型的模拟程度分类真型试验（足尺1：1）模

2、型试验（缩尺或扩尺）真型试验的试验对象是实际结构（实物）或者是按实物结构足尺复制的结构或构件模型是仿制真型（真实结构）并按照一定比例关系复制而成的试验代表物，具有实际结构的全部或部分特征，但尺寸缺比原型小得多的缩尺结构w1.3.3 按荷载性质分类w（1） 静力试验单调加载低周反复加载拟动力试验疲劳试验w（2） 动力试验冲击荷载试验爆炸试验（人工地震试验）振动合试验场地捕捉地震试验地脉动测试w1.3.4 按结构材料分类钢筋混凝土钢结构复合和组合材料其它金属材料：钛合金、铝合金等砌体材料木结构w1.3.5 按荷载作用的时间长短分类短期荷载试验常期荷载试验（徐变、松驰、腐蚀）w1.3.6 按试验时工

3、作条件分类桌面试验室内试件加工现场工程现场（工地）w1.3.7 其他分类方法第二章第二章 结构试验设计结构试验设计w2.1 2.1 结构试验设计概述结构试验设计概述w2.1.1 结构试验内容l试验设计l试验准备l试验实施l试验结果分析w2.1.2 结构试验前期准备工作反复研究试验目的调研国内外同类试验状况了解试验条件（场地、人员、设备仪器、安排时间等）确定试验内容、方案试验全过程组织设计2.2 2.2 试件设计试件设计 按试验条件、试验目的、试验经费确定试验手段（设备和仪器）、试验规模（加载制度和采集通道数等）、试件大小（比尺）、满足试验目的的最小试件数等。w2.2.1确定试件形状和尺寸的条件

4、能模拟真实结构或构件的实际工作状况及受力性质能模拟实际的边界条件考虑了尺寸效应和细部构造的影响保证实施试验（由试验有关人员共同讨论确定）2.2.2试件数目（1）工程应用型试验： 按规范要求的取样率取样（与试验方法、数据处理方法等有关）（2）科研型试验： 在保证达到试验目的的前提下，按研究参数的多少进行组合（水平数和因子数）2.3 2.3 比尺模型的相似关系比尺模型的相似关系2.3.1 相似关系（相似准则、基本量导出量）2.3.2 设计模型的相似关系2.3 2.3 比尺模型的相似关系比尺模型的相似关系2.3.1 相似关系（相似准则、基本量导出量）w模型/原型，m：modal p：prototyp

5、e（1）几何相似w 长度 w 面积w 惯性矩w 位移 （2）质量相似w 质量 （3）物理相似w 弹性模量w应力w刚度 2.3 2.3 比尺模型的相似关系比尺模型的相似关系2.3.1 （4）荷载相似w 集中力 w 线荷载w 面荷载（5）时间相似w 时间 w 频率 （6）边界条件相似（7）初始条件相似（8）响应或反应量相似速度 加速度 应变 应力 位移 2.3 2.3 比尺模型的相似关系比尺模型的相似关系2.3.2设计模型的相似关系（1）相似准则（强制假定）（2）基本量相似关系 SE 、S 、Sl 、St（人为确定）推导量相似关系相似关系：在参与研究对象各物理量的相似常数之间必定满足一定的组合关系

6、，当这相似常数的组合关系式等于1时，模型和真型相似，因此这种等于1的相似常数关系式即为模型的相似条件。例题作业题 教材：表2.4、表2.52.4 2.4 结构试验荷载设计结构试验荷载设计2.4.1 集中力n千斤顶、砝码、砖块、黄沙包2.4.2 线荷载n多点集中力模拟（各点荷载大小相同、通过刚性梁传递）2.4.3 面荷载n多点集中力模拟（通过多级分配梁）n气囊加载n黄砂、水等堆载2.4.4 反复或疲劳荷载n电液伺服作动器、疲劳机等2.4.5 模拟地震作用n振动台2.4.6 加载制度设计试验加载制度：是指结构试验进行期间控制荷载与加载时间的关系。l单调静载 预先计算屈服荷载及极限荷载，设计最大试验

7、荷载、加载速率、荷载分级、每级荷载增量等；l低周反复 预计算屈服荷载及极限荷载，设计最大试验荷载、加载速率、荷载分级数、每级荷载增量等； 除以上外，设计加荷的波形、每级荷载的反复次数、加载频率，以及由位移控制还是力控制加载；l抗震动力试验 设计所采用的地震波形、地震波的PGA分级。2.4.6 加载装置设计l强度要求；l满足刚度要求 l受力条件、边界条件和变形条件l构造简单，经济节约 2.5 2.5 结构试验的观察和测试设计结构试验的观察和测试设计在测试方案中确定：l按整个试验的目的和要求，确定测试项目参数l选择相应测点位置控制测点、校核性测点l选择测试设备、传感器、测定方法2.5.1 观测项目

8、的确定（1）一般静力试验：l测试：位移（挠度）、转角、应变、相对滑移l观察：裂缝开展，破坏形态（2）一般动力试验：l测试：加速度、速度、位移、应变，压力l观察：破坏形态，破坏构件的位置（3）产品试验：结构和功能2.5.2 仪器选择与测读第三章第三章 结构试验的加载设备结构试验的加载设备3.1 3.1 概述概述3.1.1 常用加载方法w重力加载法、液压加载法、机械加载法、其它特殊加载方法3.1.2 选用合适加载方法和设备的原则（1） 选用的和计算的相一致（2） 加荷大小在加载设备能力的2080%之间（3） 等效模拟加载应按观测参数考虑，如：挠度、应 变、弯矩、3.2 3.2 重力加载法重力加载法

9、3.2.1 重力直接加载法：堆载、吊载3.2.2 杠杆加载方法：荷载值稳定3.3 3.3 液压加载法液压加载法3.3.1 普通液压千斤顶 单向作用（单顶式）、双向作用（推、拉式）、穿心式3.3.2 多千斤顶加载系统3.3.3 大型结构试验机 压力机、万能机、万吨水压机3.3.4 电液伺服液压加载系统（配计算机数控、数据采集等）（1） 单顶（Actuator作动器）（2） 多顶：MTS振动台、SCHENCK机、INSTRON机等3.4 3.4 机械加载法机械加载法w吊链、卷扬机、绞车、花蓝螺丝、螺旋千斤顶、弹簧等3.5 3.5 其它加载方法其它加载方法3.5.1 重物冲击加载3.5.2 张拉突卸

10、法3.5.3 反冲火箭激振法3.5.4 离心力3.5.5 电磁力3.5.6 脉动法：环境噪声第四章第四章 结构试验的数据采集和结构试验的数据采集和测量仪器测量仪器4.1 4.1 概述概述w传感器：能感受被测量参数（如力、位移、应变、加速度等）的变化，并把它们转换成可记录、显示的信号（主要是电信号）的部件。w结构试验测量仪器设备的主要技术性能指标:l刻度值、量程l灵敏度、分辩率l线性度l稳定性、重复性l频响特性（动测）结构试验对仪器设备的使用要求: P694.2 4.2 传感器（传：传递；感：感应）传感器（传：传递；感：感应）4.2.1 传感器标定的概念标定：用高精度等级同类参数测定仪器予以校准

11、的过程4.2.2 电阻应变片导线电阻 （*）R：金属丝的电阻（）P：金属丝的电阻率（mm2/m）L：金属丝的长度（m）A：金属丝的截面积（mm2）*注：4.2.3见word文档和教材4.2.4 测力传感器 机械式（杠杆放大式）、电阻式、压电式4.2.5 线位移传感器4.2.6 角位移传感器4.2.7 裂缝测量仪4.2.8 测振传感器：测动位移、速度、加速度（1）基本原理：由惯性振子的反应量反推振动体的振动参数（2）磁电式速度传感器 B：磁感应强度（3） 压电式加速度传感器 利用压电效应:E F KX(振子) a(被测物加速度)4.3 4.3 记录、显示器记录、显示器lXY记录仪（双通道、多通道

12、）l光电示波器l磁带记录仪l计算机硬盘、显示器4.4 4.4 数据采集系统数据采集系统l见Word文档第五章第五章 结构单调加载静力试验结构单调加载静力试验几个概念介绍：加载制度：试验进行期间荷载的时间过程基本构件：梁、柱、板、墙扩大构件：由若干基本构件组成的，如框架、连续梁、单层厂房的排架、屋架、网架、壳体、折板等（含节点）支座位移：试件支撑处的位移，应予以测量并扣除破坏（开裂）荷载：试件进入塑性屈服阶段的荷载最大荷载：试件在试验过程中所能承受的最大荷载极限位移：判断试件完全失效时的最大位移等效荷载：在特定试验加载方式下所能得到的相同测量参数的荷载第六章第六章 结构低周反复加载静力试验结构低

13、周反复加载静力试验6 61 1概述概述6.1.1 建筑结构抗震研究的内容 结构物在模拟地震的荷载作用下进行试验，以观测结构的强度、变形、非线性性能破坏过程以及最终的破坏形态。6.1.2 伪静力试验的发展历史 50年代后期：开始进行结构和构件的恢复力特性试验； 6070年代：从耗能角度进行模拟地震作用的滞回特 性试验。6.1.3 静力试验和动力试验的本质区别 试件在荷载作用下的反应（响应）是否与结构的动力特性有关或者是否考虑结构的动力特性。6.1.4 低周反复加载的加载制度力控制加载位移控制加载混合控制加载6.1.5 低周反复加载静力试验的目的低周反复加载静力试验的目的（1）试件在反复荷载作用下

14、（模拟地震作用）的恢复力特性，通过滞回曲线可以计算等效阻尼比、骨架曲线（与一次加载曲线相接近）、结构初始刚度和刚度退化参数等；（2）从强度、变形和能量三个方面判别和评定结构的抗震耗能能力；（3）试验研究结构的破坏机理，为改进现行抗震设计方法和修改抗震设计规范提供依据。6.2 6.2 结构低周反复加载静力试验的加载制度结构低周反复加载静力试验的加载制度6.2.1 一维反复加载（每一荷载级中有多个循环）l位移控制反复加载：变幅加载、等幅加载、变幅等幅混合加载l力控制反复加载：变幅加载、等幅加载、变幅等幅混合加载l混合控制反复加载：最常用方法，先是力控制，在试件开裂时或极限荷载前转换成位移控制，转换

15、点的判断很重要。6.2.2 二维反复加载制度lX、Y轴双向同步加载lX、Y轴双向非同步加载6.2.3 多点载及多点多向加载制度 两层试件的二点加载；6.3 6.3 结构低周反复加载静力试验（伪静力试验）结构低周反复加载静力试验（伪静力试验）6.3.1 墙片抗震性能试验（1）粘土砖墙片及FRP加固粘土砖墙片（用于旧房改造加固）（2）新墙体材料墙片抗震性能试验（用于新建工程）,含不同材料、不同构造措施、不同施工方法等等。普通粉煤灰砌块加气砌块混凝土砌块配筋砌体芯柱砌体构造柱砌体模卡砌体等等6.3.2 钢筋混凝土框架节点组合体的抗震性能试验n试件型式：十字梁柱节点、梁柱板节点（中柱、边柱、角柱）n试

16、件材料：高强混凝土，型钢混凝土、组合混凝土、预应力混凝土等n研究目的：新型材料、新型结构、新型构造、加固性能n加固方法及材料：扩大截面加固法、外包型钢加固法，粘贴钢板加固法，复合材料加固法（碳纤维、钢纤维片材、布等） 6.4 6.4 拟动力试验拟动力试验6.4.1 拟动力试验的特点v属于静力加载的范畴；v模拟结构基底或楼层处地震作用下（拟合真实地震波）结构物的地震响应；v试件相对较大（相对于振动台）；v加载过程中力和位移的大小由计算和实测分析得出，并非事先设定；v此试验技术尚处在不断发展和成熟过程当中，有广阔应用前景。6.4.2 6.4.2 拟动力试验的定义拟动力试验的定义 无需事先假定结构（

17、试件）的恢复力特性，每一加载间隔的恢复刚度值由试验实测和计算机分析得到，以确定下一步加载值大小的试验方法，能模拟地震作用下结构物的响应，是一种半数值半实测的非线性地震反应试验研究方法。第七章第七章 结构动力特性试验（测试）结构动力特性试验（测试）7.1 7.1 概述概述7.1.1 结构动力特性参数：自振频率、阻尼系数、振型 结构动力特性参数与外荷载无关，便受外载作用损伤后会有变化。结构动力特性测试只反映某一时刻结构的动力特性参数，是时间函数。如要了解动力特性的变化情况，应进行多次测试。7.1.2 7.1.2 结构动力测试的目的结构动力测试的目的（1）在进行结构动力分析（地震反应分析）前应先进行

18、结构动力特性计算。已建结构的动力特性的测试结果可以验证计算分析模型的正确与否，同便修正计算分析模型。（2） 在进行结构隔震、减震或结构物内设备的隔震、减震设计、施工时，要先计算或测试结构物的动力特性；（3） 对于处于振动源附近的结构物，测试结构动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止动荷载作用产生的干扰共振现象；（4）结构动力特性测试可以为检测、诊断结构的损作积累提供可靠的资料和数据。7.1.2 结构动力特性测试的方法人工激振法（自由振动法和强迫振动法）地脉动法7.2 7.2 人工激振法测试结构动力特性人工激振法测试结构动力特性(见Word文档)7.2.1 结构自振频率测量（1） 自由振动

19、（峰峰值： ，一阶举例）（2） 强迫振动：扫频法7.2.2 结构阻尼的测量（1）自由振动法（单自由度举例）（2）强迫振动法（单自由度举例）7.2.3 7.2.3 振型测量步骤振型测量步骤预分析结构的振型实测结构的自振频率f1、f2按实测的自振频率f1、f2进行激振，测得相应的振型一般注意：n激振源不放在振型的不动节点上n测点一般布置在质量主节点上，如建筑楼、屋面7.3 7.3 地脉动法测试结构动力特性地脉动法测试结构动力特性定义以环境随机振动噪声作为振源来测试结构动力特性的方法。地脉动源参数：i波型：随机波i振幅：10m(0.01mm)以下i周期：0.10.8s7.3.1 模态分析法前提假设

20、建筑物地脉动是一种各态历径的平稳随机过程，只要有足够长的记录时间，就可以用单个样本函数来描述随机过程的所有特性。功率谱密度函数 （脉动源）、 （结构反应）的关系： ：圆频率传递函数（单自由度系统）：7.3.2 建筑结构动力特性地脉动法测试的应用 结构工程师对已经存在的结构能精确分析的前提是知道M、K、C，（含数值大小及空分布）h已有房屋质量检测及抗震鉴定 (用实测的f及对计算模型加以修正)h结构抗震加固、加层或改建h整体结构地震模拟振动台试验 通过原型实测值和模型试验值的比较分析，可以验证试验结果的有效性，进行试验模型模拟方法的改进、可以进行试验理论的研究（如动力相似关系）。第八章第八章 结构

21、抗震动力试验结构抗震动力试验8.1 8.1 概述概述8.1.1 结构抗震动力试验的目的（1） 测定结构在线弹性阶段的动力特性；（2） 研究结构的非线性性能：滞回特性、延性性能、耗能能力、破坏机理和破坏特征。8.1.2 结构抗震动力试验的分类： 原型 现场 模型 试验室8.1.3 动力试验与静力试验的区别 结构地震响应的影响因素：地震作用（含能级、频谱特性）及结构动力特性本身。定义（1）静力试验：结构动力特性对结构反应的影响很小或认为可忽略，只与外加荷载有关的试验。（2）动力试验：考虑结构动力特征对结构响应的影响的试验。（3）加载速率：加载速率的大小影响试验结果，但不影响上述性质。8.2 8.2

22、 结构抗震周期性加载动力试验结构抗震周期性加载动力试验8.2.1 特定频率的稳态正弦激振 如用共振频率激振，以求结构在共振激振下的反应。因为荷载形式简单，易于同理论分析比较、验证。8.2.2 变频正弦激振（扫频激振）8.3 8.3 结构抗震非周期性加载动力试验结构抗震非周期性加载动力试验8.3.1 常用的试验方法n模拟地震振动台试验n人工地震试验（人工爆炸）n天然地震试验8.4 8.4 地震模拟振动台试验地震模拟振动台试验8.4.1 常用于振动台试验的地震波（1） 1940年EL-Centro波（频谱特性丰富，有代表性）（2） 1952年Taft波（3） 1976年天津波（4） 场地时程或反应

23、谱（由地震研究给出）8.4.2 白噪声介绍（扫频，测动力特性f） 由f的下降知道结构的损伤积累、破坏程度8.4.3 地震模拟振动台试验的应用n研究结构的动力特性、破坏机理及震害原因n验证抗震计算理论和计算模型的正确性n研究动力相似理论，为模型试验提供理论依据n为结构抗震静力试验提供试验荷载值n考核产品质量，为提高其抗震性能提供试验依据8.5 8.5 人工地震模拟动力试验（人工爆炸）人工地震模拟动力试验（人工爆炸） 人工地震产生的地震波与天然地震波一般有以下差异：l人工地震（炸药爆破）加速度的幅值高、衰减快、破坏范围小l人工地震的主频区高于天然地震（单越频率区段）l人工地震的主震持续时间一般在几

24、十毫秒至几百毫秒，比天然地震的持续时间短得多8.6 8.6 天然地震结构动力试验天然地震结构动力试验8.6.1 强震观测（用强震仪） 地面运动观测试验室（土木工程防灾国家重点实验室分室之一）8.6.2 对比研究和抗震研究 在高烈度区或地震高发区建试验性建筑（真型结构），进行以下工作：l不同结构型式的比较研究l抗震构造措施或多种加固方案效果的比较和选用第九章第九章 结构现场检测技术结构现场检测技术9.1 9.1 概述概述9.1.1 现场检测的目的l新建工程的质量评估、验收l质量事故原因的认定、受灾结构的评估l已建结构的质量检测、可靠性鉴定和诊断l改建和扩建结构的鉴定评估9.1.2 9.1.2 结

25、构现场检测常用方法结构现场检测常用方法（1） 按对结构的破损情况分：u无损检测u局部破损检测（2） 按结构材料分:钢筋混凝土：回弹性、取芯法、超声法等钢结构：超声波砌体：回弹法，原位测试9.2 9.2 混凝结构现场检测的常规项目和技术混凝结构现场检测的常规项目和技术9.2.1 回弹法测混凝土强度9.2.2 超声脉冲法检测混凝土强度9.2.3 钻芯取样法测混凝土强度9.2.4 超声回弹综合法检测混凝土强度9.2.5 取芯回弹综合法检测混凝土强度9.2.6 拔出法（预留式和后装式）检测混凝土强度9.2.7 超声法测混凝土缺陷9.2.8 钢筋数量、尺寸及保护层厚度检测9.2.9 钢筋锈蚀程度检测9.

26、3 9.3 砌体结构现场检测的常规项目和技术砌体结构现场检测的常规项目和技术9.3.1 回弹法测定砌体和砂浆强度9.3.2 冲击法测定砌体强度9.3.3 推出法测定砌体强度9.3.4 砌体强度（抗剪、轴心抗压）的原位测试9.4 9.4 钢结构现场检测的常规项目和技术钢结构现场检测的常规项目和技术9.4.1 布氏硬度计测钢材强度9.4.2 超声法检测钢材和焊缝缺陷9.5 9.5 其他需在现场进行结构检测的项目和技术其他需在现场进行结构检测的项目和技术9.5.1 堆载法检测楼板承载力和变形9.5.2 千斤顶加荷检测梁承载力和变形9.5.3 振动测试（振动超标）9.5.4 结构动力特性测试9.5.5

27、 其它构件承载力现场检测第十章第十章 结构试验的数据处理结构试验的数据处理10.1 10.1 概述概述（1）数据处理：对试验采集到的原始进行整理换算、统计分析和归纳演绎，以得到代表结构性能参数的公式、图像、表格、数学模型和数值等的过程。（2）数据处理的内容和步骤： 真假数据的甄别和筛选“去伪存真”； 数据的整理和换算； 数据的统计分析； 数据的误差分析； 数据的表达及由数据给出判据。10.2 10.2 数据的整理和换算数据的整理和换算10.2.1 试验数据需“去伪存真”处理的原因l人工读数失误l环境因不比引起（湿度、水、电、煤）l测量仪器或部分通道在试验过程中或试验后发觉失效l需说明的是，有些

28、“不良”数据可以事后修正、补救10.2.2 试验结果数据的修约整理 按GB数值修约规则10.2.3 10.2.3 试验结果数据的换算和修正试验结果数据的换算和修正 采集到的数据有时需进行换算，才能得到试验报告所要求的物理量，常使用的换算和修正有：l应变换算成应力l测点方向的应变计算主应力和方向角或换算成指定方向的应变l多点（同截面均布各点）应力折算成力或力矩l位移、速度、加速度三者之间的积分或微分换算l按传感器的灵敏度系数（标定系数）以及桥路按线方式进行计算l按实测的支座位移（线位移和转角）进行测点挠度数据修正l考虑试件和试验设备自重的影响，进行数据修正10.3 10.3 数据统计分析数据统计

29、分析 使用统计分析工具，可以从众多试验数据中找到一个或若干个代表值，也可以对试验数据的离散程度进行分析，给出误差。（1）算术平均值 几何平均值 加权平均值 Wi是有一定物理意义和表达式的与对应的权值。（2）标准差，如标准差过大，可能表明数据失效。 含“权”的标准差（3）变异系数 （4）常用概率分布函数：正态分布10.4 10.4 误差分析误差分析10.4.1 误差的分类（1）系统误差（准确度）方法误差工具误差 环境误差 操作误差 主观误差（2）随机误差（精确度）（3）过失误差（正确度）10.4.2 误差计算10.4.3 误差传递见Word文档10.4.4 10.4.4 误差的消除法则误差的消除

30、法则l系统误差消除：采用更高一级计量标定法定期或不定期检测修正。l随机误差消除：采用多样本试验，规定最小样本数。l过失误差消除：采用取消几个最大值和几个最小值方法。10.4.5 10.4.5 应用到产品检测上，采用随机取样，通常有以下应用到产品检测上，采用随机取样，通常有以下几种判据方法：几种判据方法：（1） 少样本（三个样本）全部合格为合格；（2） 少样本（三个样本）二个合格为合格；（3） 多样本：去掉几个最大值和几个最小值后，计算 和。值合格为合格。 K为视不同试验取用的不同系数：10.5 10.5 试验报告中数据的表达试验报告中数据的表达10.5.1 表格方式10.5.2 图形方式：曲线图、直方图、陷饼（Pie）图10.5.3 公式：各个参数及其组合