建筑结构试验实验指导书 土木工程(完整)

建筑结构试验09级实验指导书

说明

一、试验报告必须用墨水笔工整书写，原始记录不得涂改，每个学生必须按时独立完成试验报告，(包括预习思考题及试验作业题)。

二、严格遵守实验室规则：

1．做好试验课前的预习。

2不得动用与本次实验无关的仪器设备。

3试验完毕，清理整理所用仪器设备及环境卫生，填好实验使用登记本，并交给任课老师后方可离开实验室。

4如有仪器设备损坏，按学校有关规定处理。

三、实验指导书所列试验方法均以现行国标和规范为依据。

编者：陈高

2012年5月

目录

实验一等强度梁实验 (1)

一、实验目的： (1)

二、实验原理 (1)

三、实验步骤 (2)

四、实验记录 (3)

实验二纯弯梁实验 (4)

一、实验目的 (4)

二、实验原理 (4)

三、实验步骤 (5)

四、实验结果 (6)

五、实验记录表格 (7)

实验三同心拉杆实验 (8)

一、实验目的 (8)

二、实验原理 (8)

三、实验步骤 (9)

四、实验记录表格 (9)

实验四：偏心拉杆实验 (10)

一、实验目的 (10)

二、实验原理 (10)

三、实验步骤 (12)

四、实验结果处理 (12)

实验五典型桁架结构静载实验 (14)

一、实验目的 (14)

二、实验原理 (14)

三、实验操作步骤简介 (15)

四、实验记录 (16)

实验六混凝土无损检测实验 (18)

一、实验目的 (18)

二、实验仪器 (18)

三、试验方法及步骤 (18)

四、实验报告 (18)

五、思考题 (18)

实验一 等强度梁实验

一、实验目的：

1、学习应用应变片组桥，检测应力的方法

2、验证变截面等强度实验

3、掌握用等强度梁标定灵敏度的方法

4、学习静态电阻应变仪的使用方法 二、实验原理

1、电阻应变测量原理

电阻应变测试方法是用电阻应变片测定构件的表面应变，再根据应变—应力关系（即电阻-应变效应）确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是以粘贴在被测构件表面上的电阻应变片作为传感元件，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，利用电阻应变仪将此电阻值的变化测定出来，并换算成应变值或输出与此应变值成正比的电压（或电流）信号，由记录仪记录下来，就可得到所测定的应变或应力。

2、测量电路原理

通过在试件上粘贴电阻应变片，可以将试件的应变转换为应变片的电阻变化，但是通常这种电阻变化是很小的。为了便于测量，需将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）信号，再通过电子放大器将信号放大，然后由指示仪或记录仪指示出应变值。这一任务是由电阻应变仪来完成的。而电阻应变仪中电桥的作用是将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）信号。

3、电桥电路的基本特性

a ）在一定的应变范围内，电桥的输出电压U ∆与各桥臂电阻的变化率

R

R ∆或相应的应变片所感受的（轴向）应变)

(n ε成线性关系；

b ）各桥臂电阻的变化率R

R ∆或相应的应变片所感受的应变)(n ε对电桥输出电压的变化U ∆的影响是线形叠加的,其叠加方式为: 相邻桥臂异号, 相对桥臂

同号。

充分利用电桥的这一特性不仅可以提高应变测量的灵敏度及精度，而且可以解决温度补偿等问题。

c)温度补偿片

温度的变化对测量应变有着一定的影响，消除温度变化的影响可采用以下方法。实测时，把粘贴在受载荷构件上的应变片作为R1，以相同的应变片粘贴在材料和温度都与构件相同的补偿块上，作为R2，以R1和R2组成测量电桥的半桥，电桥的另外两臂R3和R4为测试仪内部的标准电阻，则可以消除温度影响。利用这种方法可以有效地消除了温度变化的影响，其中作为R2的电阻应变片就是用来平衡温度变化的，称为温度补偿片。

三、实验步骤

1、把等强度梁安装于实验台上，注意加载点要位于等强度梁的轴对称中心。

2、将传感器连接到BZ 2208-A测力部分的信号输入端，将梁上应变片的导线分别接至应变仪任1-3通道的A、B端子上，公共补偿片接在公共补偿端子上。检查并纪录各测点的顺序。

3、打开仪器，设置仪器的参数，测力仪的量程和灵敏度。

4、本实验取初始载荷P0=20N，Pmax=100N，ΔP=20N，以后每增加载荷20N，记录应变读数εi，共加载五级，然后卸载。再重复测量，共测三次。取数值较好的一组，记录到数据列表中。

5、未知灵敏度的应变片的简单标定：沿等强度梁的中心轴线方向粘贴未知灵敏度的应变片,焊接引出导线并将引出导线接4通道的A、B端子，重复以上3.4 步。

6、实验完毕，卸载。实验台和仪器恢复原状。

四、实验记录

灵敏度测定表格

实验二 纯弯梁实验

一、实验目的

1、测定梁在纯弯曲时某一截面上的应力及其分布情况。

2、观察梁在纯弯曲情况下所表现的虎克定律，从而判断平面假设的正确性。

3、进一步熟悉电测静应力实验的原理并掌握其操作方法。

4、实验结果与理论值比较,验证弯曲正应力公式σ=My/I z 的正确性。

5、测定泊松比μ。 二、实验原理

为了测量应变随试样截面高度的分布规律，应变片的粘贴位置如图所示。这样可以测量试件上下边缘、中性层及其他中间点的应变，便于了解应变沿截面高度变化的规律。

原始参数表

由材料力学可知，矩形截面梁受纯弯时的正应力公式为

式中：M 为弯矩；

y 为中性轴至欲求应力点的距离；

纯弯梁受力图

z

I y

M ⋅=

理σ

)

12(3bh I z =为横截面对z 轴的惯性矩。

本实验采用逐级等量加载的方法加载，每次增加等量的载荷⊿P ，测定各点相

应的应变增量一次，即：初载荷为零，最大载荷为4kN ，等量增加的载荷⊿P 为500N 。分别取应变增量的平均值(修正后的值)

实

ε∆，求出各点应力增量的平均值

实

σ∆。

把测量得到的应力增量

实

σ∆与理论公式计算出的应力增量

理

σ∆加以比

较，从而可验证公式的正确性，上述理论公式中的M ∆按下式求出：

材料力学中还假设梁的纯弯曲段是单向应力状态，为此在梁上（或下）表面横向粘贴6＃应变片，可测出ε，根据

式中μ：梁材料的泊松比可由（ε横/ε纵）计算得到μ，从而验证梁弯曲时近似于单向应力状态。材料的弹性模量E 值和泊松比μ值。 三、实验步骤

1、确认纯弯梁截面宽度 b=20mm,高度 h=40mm,载荷作用点到梁两侧支点距离c=100mm 。

2、将传感器连接到BZ 2208-A 测力部分的信号输入端，将梁上应变片的公共线接至应变仪任意通道的A 端子上，其它接至相应序号通道的B 端子上，公共补偿片接在公共补偿端子上。检查并纪录各测点的顺序。

a

P M ⋅=∆∆2

1

z

I y

M ⋅=

∆σ∆理实

实ε∆σ∆⋅=E 纵

横纵εεμε∆∆=

∆∆=

A

P E

3、打开仪器，设置仪器的参数，测力仪的量程和灵敏度设为传感器量程、灵敏度。

4、本实验取初始载荷P0=0.5KN （500N ），Pmax=2.5KN(2500N)，ΔP=0.5KN(500N)，以后每增加载荷500N ，记录应变读数εi ，共加载五级，然后卸载。再重复测量，共测三次。取数值较好的一组，记录到数据列表中。

5、实验完毕，卸载。实验台和仪器恢复原状。 四、实验结果

1、求出各测量点在等量载荷作用下，应变增量的平均值测

ε∆。

2、以各测点位置为纵坐标，以修正后的应变增量平均值实

ε∆为横坐标，画出

应变随试件截面高度变化曲线。

3、根据各测点应变增量的平均值

实

ε∆，计算测量的应力值

实

实ε∆σ∆E =。

4、根据实验装置的受力图和截面尺寸，先计算横截面对z 轴的惯性矩z I ，再应用弯曲应力的理论公式，计算在等增量载荷作用下，各测点的理论应力增量值

Z

I y

M ⋅=

∆理。

5、比较各测点应力的理论值和实验值，并按下式计算相对误差

%

e 100⨯-=

理

实

理σ∆σ∆

在梁的中性层内，因00==理理σ∆σ,，故只需计算绝对误差。

6、比较梁中性层的应力。由于电阻应变片是测量一个区域内的平均应变，粘贴时又不可能正好贴在中性层上，所以只要实测的应变值是一很小的数值，就可认为测试是可靠的。

五、实验记录表格

表1 测点位置

表2实验记录

表3实验结果

实验三 同心拉杆实验

一、实验目的

1．测定低碳钢的弹性模量E 。 2．验证虎克定律（最大载荷4KN ） 二、实验原理

低碳钢弹性模量E 的测定

由材料力学可知，弹性模量是材料在弹性变形范围内应力与应变的比值，即

ε

σ=E

因为A

P

=σ，所以弹性模量E 又可表示为

εA P

E =

式中：

E — 材料的弹性模量 σ— 应力，ε— 应变，

P — 实验时所施加的载荷，A —以试件截面尺寸的平均值计算的横截面面积 对于两端铰接的同心拉杆，加力点都位于拉杆纵向轴线上，所贴应变片也位于拉杆纵向轴线上，此时该测点的应力状态可认为是单向应力状态，即只有一个主应力，满足虎克定律，由于材料在弹性变形范围内，σ与ε成正比，所以当试件受到载荷增量△P 与应变增量△ε 的比值即为E ：

∆∆=A P E

所以，用游标卡尺测量试件的截面尺寸可计算出横截面面积A ，由拉压力传感器接测力仪即可得到所加载荷增量△P 的大小，再把应变片引线与应变仪相连，就可得到该截面处以加载荷增量△P 变化时应变增量△ε。这样就可计算出弹性模量E 。

注意：实验过程中应保证同心拉杆处于自由悬垂状态,否则将导致实验结果

有较大误差，甚至错误。

三、实验步骤

1.将拉压力传感器与测力仪连接, 接通电源, 打开仪器开关，设置测力仪

参数，测力仪量程、灵敏度（设为传感器量程、灵敏度）。

2.将试件上应变片接至应变仪一通道的A端子上，公共补偿片接在公共补

偿端子上。

3.设置应变仪，然后转入测量状态。

4.本实验取初始载荷P0=200N，P max=1000N，ΔP=200N，以后每增加载荷

ε，共加载五级，然后卸载。实验台和仪器恢复原状。200N，记录应变读数dui

四、实验记录表格

实验记录

实验四：偏心拉杆实验

一、实验目的

1．分别测量偏心拉伸试样中的由拉力和弯矩所产生的应力

2．熟悉电阻应变仪的电桥接法，及其测量组合变形试样中某一种内力因素的一般方法。测定偏心拉伸试样的杨氏模量E 和偏心距e 。 二、实验原理

由电测原理知：

1234du εεεεε=-+-

式中du ε为仪器读数。从此式看出：相邻两臂应变符号相同时，仪器读数互相抵销；应变符号相异时，仪器读数绝对值是两者绝对值之和。相对两臂应变符号相同时，仪器读数绝对值是两者绝对值之和；应变符号相异时，仪器读数互相抵销。此性质称为电桥的加减特性。利用此特性，采取适当的布片和组桥，可以将组合载荷作用下各内力产生的应变成份分别单独测量出来，且减少误差，提高测量精度。从而计算出相应的应力和内力。——这就是所谓内力素测定。

R a 和R b 的应变均由拉伸和弯曲两种应变成份组成，即

偏心拉杆贴片图

() ()a F M b F M a b εεεεεε=+=-

式中F ε和M ε分别为拉伸和弯曲应变的绝对值。

若全桥方式组桥，则由上式得

2du a b F εεεε=+=

若半桥方式组桥，则得

2du a b M εεεε=-=

通常将仪器读出的应变值与待测应变值之比称为桥臂系数。故上述两种组桥方法的桥臂系数均为2。

为了测定弹性模量E ，并等增量加载，即P i =P 0+i·△P(i=1,2,···,5)，末级载荷P 5不应使材料超出弹性范围。初载荷P 0时将应变仪调零，

每级加载后记录仪器读数dui ε，用最小二乘法计算出弹性模量E ：

∑∑==⋅

∆P

⋅=

E 5

1

5

1

2

i dui

i i i

bt

ε

α

式中α为桥臂系数。

为了测定偏心距e ，可按图7-5方式组桥。初载荷P 0时应变仪调平衡，载荷增加△P ’后。记录仪器读数du ε。据虎克定律得弯曲应力为：

Z

Z M du

M M W e P W M E E '∆==

⋅==σαεεσ

由上式得

α

εdu

Z P EW e ⋅

'∆=

全桥方式组桥

半桥方式组桥

三、实验步骤

1．实验台换上拉伸夹具，安装试样。应变片电阻R=120Ω，灵敏系数K=2.00。

2．打开仪器电源,将力传感器与仪器测力部分连接,设置参数。

3．测弹性模量E

将有关应变片接入所选BZ2208A的应变仪通道。每增加载荷200N记录应变

ε，共加载五级，然后卸载。数据列表记录。

读数dui

4．测偏心距e

将有关应变片接入所选BZ2208A的应变仪通道。对所选通道设置为半桥。

5．本实验取初始载荷P0=0.5KN（500N），P max=2.5KN(2500N)，Δ

ε，共加载五级，然后P=0.5KN(500N)，以后每增加载荷500N，记录应变读数dui

卸载。再重复测量，共测三次。取数值较好的一组，记录到数据列表中。6．卸载。实验台和仪器恢复原状。

R a和R b为两侧平面沿纵向粘贴的应变片，其余三片在横向四等分位置处，另外有两枚粘贴在与试样材质相同但不受载荷的试件上的应变片，供全桥测量时组桥之用。尺寸b=30mm，t=5mm。

注意：偏心拉杆共贴片5枚，以上只用其中的2枚，其余3枚接成不同方式电桥也可验证结果，方法与上述类似。

注意：实验过程中应保证同心拉杆处于自由悬垂状态,否则将导致实验结果有较大误差，甚至错误。

四、实验结果处理

1．计算弹性模量E

将三组数据参考表1作初步处理，从中找出线性关系最好的一组。

表1

注：1(1,2,,5)dui dui dui i εεε-∆=-=

表2 弹性模量E 数据处理列表

2．计算偏心距e

表3 偏心距e 数据处理列表

实验五 典型桁架结构静载实验

一、实验目的

1、认识桁架结构在节点荷载作用下的内力分布规律。

2、验证桁架结构中的零杆。 二、实验原理

1、梯形桁架示意图

梯形桁架示意图

分析图示梯形桁架根据上述受力特点，可在实际测试时选择测量各腹杆及弦杆的实测值是否和理论值相符，结构内力是否对称分布以及对称轴上的竖腹杆是否为零杆。已知杆件由2404∠⨯等边角钢焊接而成，材料的弹性模量210E GPa =，在下弦杆距离中间结点125mm 的截面上粘贴电阻应变片，贴片位置见图。

2、桁架结构数据测试分析原理

结构力学的实验最终结果是要将实测值与理论值相比较，对桁架实验而言两者比较的项目为轴力及节点位移。轴力及节点位移的理论值利用几何求解器可直接得到，但在实际测试时我们可以测得节点位移及杆件上某一点的应变，却无法

直接得到杆件上轴力。对于轴力，我们是通过在杆件同一截面对称位置粘贴电阻应变片的方法来测量测量的。由于实测应变的平均值由轴力引起，经计算分析可得到该截面的轴力大小。另外，桁架结构会不可避免的产生附加弯矩产生的次应力，通过同一截面两应变的差值可以分析次应力的大小。

三、实验操作步骤简介

1、测量、收集原始参数，调整杆的安装尺寸

（1）收集到实验得到的原始参数包括杆件的弹性模量E、外径D及壁厚δ，

填入相应的计算表格。当采用可调杆件时，应注意调整可调杆件两固定孔的长度至设计值。

（2）收集荷载传感器、位移传感器的灵敏度系数及电阻应变片的阻值、灵敏度系数、导线电阻等。

2、连接测试线路、设置测试参数及测试窗口参见实验一。

3、加载测试

（1）检查试件与试验装置，装上仪表。加4kN荷载，作预载试验，测取度数，检查装置、试件和仪表工作是否正常，然后卸载。如发现问题应及时排除。仪表调零，记取初读数，作好记录和描绘试验曲线的准备。

（2）正式试验。采用5级加载，每级3kN，每级停歇10min，停歇的中间时间度数。

600，满载后分二级卸载，（3）满载为15kN，应保杆件的最大应变不超过με

并记下度数。

（4）正式试验重复三次。

4、分析实验数据

（1）绘出各级荷载下桁架整体变形图，并分别绘出各级荷载下H、C点的荷载-挠度曲线及理论曲线。比较满载条件下H、C、D点的挠度实测值与理论值的差异并分析其原因。

（2）从杆件的实测应变值求出内力值，与理论计算值进行比较。根据试验

结果与理论计算的比较，讨论理论计算的准确性，

（3）分析数据

在测得所施加的荷载及杆件不同位置的应变以后，结合以前实验得到的杆件原始参数，便可以还原出结构的内力分布图。对比分析实测内力图与理论内力图可得到实验误差，查找误差来源。

四、实验记录

（1）梯形桁架受力分析图

图1 梯形桁架轴力图

图2 梯形桁架弯矩图

（2）各级荷载下桁架整体变形图

（3）绘制挠度曲线图（理论与测试数据）

（3）实验数据记录