建筑结构试验 复习

建筑结构试验02448

第一章结构试验概论

结构试验的任务

1.简述结构试验的任务

建筑结构试验的任务：在结构物或实验对象上以各种仪器设备为工具利用实验技术手段，在荷载作用下通过测试与结构工作性能有关的参数（变形挠度位移应变振幅频率），从强度刚度抗裂性和破坏形态判断实际工作性能，估计承载能力，确定结构对使用要求的符合程度，用来检验发展结构的计算理论。

2.剑术结构试验在科学发展中的作用和意义

以实验方式测试有关数据。反映结构构件的工作性能、承载能力、可靠度，为结构的安全使用、设计理论提供依据。

结构试验的目的

结构试验从目的出发分为生产性试验和科研型试验。

A.生产性试验

1.具有直接生产的目的，以实际建筑物或者构件为试验鉴定对象，通过试验对结构作出正确的技术结论。

2.生产性试验可以解决哪些问题？

(1).综合鉴定重要工程和建筑物的设计与施工质量。

(2).鉴定预制构件的产品质量（比如生产的纲吉你混凝土预制构件出场或安装前必须用科学抽样试验的原则按照质量检验评定标准和试验规程推断其质量）

(3).既有结构可靠性检验推断和估计结构剩余寿命（大多采用非破损检测试验法，采用与实际结构相符的分析模型和分析方法进行评判）

(4).工程改建加固通过试验判断既有结构实际承载能力。

(5).处理受灾结构或者工程质量事故通过试验鉴定提供技术依据。

B.科研型试验

1.目的是验证结构设计计算的假定，通过制定各种设计规范发展新的设计理论并改进计算方法，为发展和推广新结构新材料新工艺提供理论依据和实践经验。

2.科研型试验可以解决哪些问题？

(1).验证结构计算理论的假定（对结构构件的计算图示和本构关系作简化假定，动力和静力分析中，本构关系模型化也是试验确定）

(2).为制定设计规范提供依据（钢混结构和砖石结构的计算理论全部以试验研究的直接结果为基础，题型了结构试验在发展设计理论和改进设计方

法上的作用）

(3).为发展和推广新结构新材料新工艺提供实践经验

结构试验的分类

一.按试验对象的尺寸分类

A.原型试验

1.对象：实际结构或者实际结构构件，一般用于生产性试验。

①.实物试验：用于生产性试验（比如泰山核电站安全壳加压整体性能试验、工业厂房结构刚度试验、楼盖承载力、高层建筑风振测试、环境随机振动测定结构动力特性等）

②.实际结构构件试验：对象是一根梁、板、一榀屋架等既可在实验室内又可在现场（比如机场建设中对跨度和下弦高强度钢缆的R2预应力钢屋架、江南造船厂屋架进行预应力张拉和足尺构件的荷载试验）

B.模型试验（仿照原型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，大部分是比原型小的缩尺结构或者1：1的足尺模型，因投资大周期长测量精度受环境影响，原型结构试验在物质或技术上有点困难，在结构设计的方案阶段进行初步探索或对设计理论计算方法进行探讨研究时多采用比原型结构小的模型进行试验）

①.相似模型试验

采用适当比例尺和相似材料制成与原型几何相似的试验对象按照相似理论进行模型设计制作与试验，这类模型要满足几何相似、力学相似、材料相似。注：相似力系=比例荷载施加后模型重演原型的实际工作状态。

②.缩尺模型

原型结构缩小几何比例尺寸的试验代表物，不用遵循相似条件，可用与原型结构相同的材料并按一般设计规范进行设计制造（在结构设计规范编制中大量利用此构件的试验提供数据、建立公司、制定条文）

③.足尺模型试验

对结构构造和构件之间的相互作用和结构整体刚度和结构破坏阶段的实际工作进行全面观测了解。

二.按试验荷载的性质分类

A.结构静力试验

1.是结构试验中最大量最常见的基本试验（绝大部分建筑承受的是静力荷载）

2.研究强度刚度抗裂性和破坏机理一般通过重力或加载设备来模拟和实现加载要求

3.静力记在试验的过程：荷载从0开始逐步递增一直加到试验某一预定目标或结构破坏为止（不长时间内完成试验加载全过程）

4.静力试验的优点：加载设备简单、荷载可逐步施加、可停止仔细观察结构变形发展、使人明确清晰破坏概念。注：动力试验前都先进行静力试验（如疲劳试验）

B.结构动力试验

1.概念：指研究结构在不同性质动力作用下结构动力特性和动力反应的试验

①.结构动力特性试验

1.概念：结构受动力何在时在结构自由震动或强迫震动情况下量测结构固定动力性能的试验（一般采用人工激振法中的自由和强迫振动法或者环境随机振动法或者量测自振频率周期、阻尼系数、结构振型等参数）

②.结构动力反应试验

1.概念：动力荷载下量测结构动力性能参数和动态反应的试验（如振幅、振动形态、频率、频谱曲线、加速度、动应变时呈曲线、动力系数）

2.根据动荷载特性才用不同的加载设备和试验方法（如风洞设备可进行抗风试验、模爆器内模拟爆炸冲击波对结构做抗爆试验、人工造波设备在水池造波、模拟海浪对海工结构做动力试验）

C.结构抗震试验

1.概念：地震或模拟地震荷载下研究构件抗震性能和抗震能力

2.低周反复加载静力试验偏重于抗震性能的评定和研究；非周期性的结构抗震试验偏重对抗震能力的评定和研究（如模拟地震振动台试验为非周期抗震动力试验，可在实验室内实验）。

①.低周反复加载静力试验

1.概念：以控制结构变形或控制施加荷载由小到大对结构构件多次低周期反复作用的结构抗震静力试验。

2.作用：(1).形成结构构件正反方向加载卸载过程(2).获得结构构件超过弹性极限后的荷载-变形工作性能（恢复力特性）和破坏特征(3).比较验证抗震构造措施的有效性和确定结构的抗震极限承载能力

3.此试验又称伪静力试验、周期性抗震静力试验、结构恢复力特性试验。因为加载周期大于自振周期所以为静力试验。

②.拟动力试验

1.概念：利用计算机和电液伺服加载器联机系统进行结构抗震试验

2.又称为伪动力试验、非周期性抗震静力试验、计算机加载器联机试验。

③.模拟地震振动台试验

1.概念：在模拟地震振动台上进行结构抗震动力试验。

2.优点：(1).根据人的意图要求再现各种地面运动加速度记录(2).模拟结构受地震作用从弹性到弹塑性到破坏倒塌的受力过程和结构物破坏现象

(3).评价结构抗震能力的一种有效试验方法。

D.结构疲劳试验

1.概念：结构构件在等幅稳定多次重复荷载下为测试疲劳性能进行的动力试验。

2.量测的参数：疲劳强度和疲劳寿命（量测结构在液压脉冲疲劳试验机施加多次重复荷载作用下疲劳破坏的强度值和荷载重复次数）对吊车梁、悬挂吊车的屋架、预应力构件锚具都要进行疲劳试验。

三.按试验时间长短分类

A.短期荷载试验

1.概念：结构试验时限、试验条件、试验时间或其他因素需及时解决，经常对实际承受长期荷载作用的结构构件，在实验时将荷载从0开始到最后结构破坏火某个阶段进行卸载。整个试验过程和时间尽在较短时间段内完成

2.整个加载过程只有几秒或者毫秒微秒，实际是一种瞬态冲击试验，属于动力试验范畴。所以短期荷载试验不能代表长年进行的长期荷载试验。

B.长期荷载试验

1.概念：长期荷载作用下研究结构变形随时间变化规律。又称持久试验、结构健康监测。连续进行几个月或几年时间。如混凝土结构徐变、预应力

结构钢筋松弛。

2.长期荷载试验一般在实验室内进行。

四.按试验所在场地分类

A.实验室结构试验

1.概念：进行结构构件试验而专门建设的场所。

2.实验室试验的对象可以是真型或模型，结构可以一直试验到破坏。实验室结构试验更适宜进行科学性研究试验。

B.现场结构试验

1.概念：在生产或施工现场进行的实际结构试验。多用于生产性试验

2.对象：正在生产使用的已建结构或将要投入使用的心结构

3.缺点：使用高精度高灵敏度观测仪表设备受限制，试验精度和准确度较差，若没有固定的加载设备和试验装置，对试验加载困难很大。

四.按试件是否破坏分类

A.结构破坏试验

1.概念：通过荷载试验了解结构从弹性到弹塑性再到极限破坏各个阶段工作性能的全过程，分析超载后的工作情况和破坏机制获得安全储备。适用于科研型试验。

B.结构非破坏试验

生产性试验的作用可用非破坏性试验。

1.刚度检验法：结构弹性阶段的性能检验为主，以30%-60%设计荷载进行加载，测得结构变形和材料的应变与理论计算结果对比，若符合则承认试验结构和材料可靠性。

2.承载力检验法：加载到小于极限荷载的某一预定荷载值，检测结构受载后的反应。因结构抗力分布随机性和实际加载可能有误差因此要注意可能接近极限荷载从而引起结构破坏的危险性。

补充：生产性试验多被用于原型试验中的实物试验、现场结构试验、结构非破坏试验。

科研型试验多诶用于结构破坏试验

第二章结构试验设计

结构试验设计概述

1.结构试验所有环节？

①.结构试验目的

②.结构试验设计：1.试件,荷载,观测的设计和误差控制，试验安全措施；

2.设计试件的形状尺寸以及试件数量和构造措施。

3.试验荷载图纸以及设计试验加载装置以及选择试验方法设备和加载制度。

4.试验观测项目和测

点部位数量以及选择测试仪器。

③.结构试验准备：试件制作与安装，人员组织分工，仪器设备检测率定，材料力学性能测定和试验。

④.结构试验实施：试验加载和反应观测与数据采集和试验变形裂缝破坏形态记录。

⑤.结构试验分析：试验观测与数据处理，参数识别，破坏机制分析,结构性能与承载能力分析。

⑥.结论

结构试验的试件设计

1.试件设计时要考虑哪些因素？

①.试件形状选择②.试件尺寸与数量③.构造措施④.结构受力的边界条件和试件破坏形态与加载条件的要求。

A.试件形状选择（最重要的是要造成和设计目的相一致的应力状态）

①.取部分构件特别是复杂超静定体系时注意边界条件模拟，要反应该部分结构的实际工作。

②.试件从整体结构中隔离出来，应采用容易模拟试件的边界受力状态。

③.砖块和砌体用于墙体试验。采用带翼缘或不带翼缘的单层单片墙，也

可以采用双层单片墙或开洞墙体的砌体试件。若是纵墙，因外墙窗口多可采用2个或1个窗间墙的双肢或单肢窗间墙试件。

B.试件尺寸

①.国内试验研究中的框架截面尺寸大约为原型的1／4-1／2,足尺轻板框架试验3-5层

②.静力试验取大比例尺。如砌体结构模型取1:1.动力试验因振动台等加载设备能力限制取小比例尺。如砌体结构1／10-1／4，混凝土结构1／40-1／4，（超）高层结构1／25-1／50，有机玻璃整体模型1／25-1／100.

C.试件数量

①.对于生产性试验，一般按照试验任务要求明确试验对象。《混凝土结构工程施工质量验收规范》用来确定工业民用建筑钢混和预应力混凝土预制构件的数量以及质量检验评定，其他的则按相关产品标准确定数量。②.对于科研型试验，按照研究要求专门设计制造。（钢混短柱抗剪强度试验影响参数有强度等级、受拉钢筋配筋率、配箍率、轴向应力和剪跨比统称为分析因子。注意剪跨比如=2,3,4….称为水平数。设计时必须相互结合起来研究各参数与其相应状态对试验的影响）综上所述。因子数和水平数越多则试件数量也增加。

③.正交试验设计：优点：只需要少量试件就可得到主要信息并对问题作出综合评价。缺点：不能提供某一因子的单值变化与试验目标之间的函数

关系

2.结构试验对试件设计的要求：必须考虑试件安装、加载、量测需要并作出必要的构造措施，特别是对科研型试验。以下举例：

⑴.混凝土试件支承点埋设钢垫板(2).屋架受集中荷载作用位置埋设钢板防止局部承压(3).加载面倾斜作出凸缘包住加载设备的稳定设置(4).钢混试验为了框架端部侧面施加反复荷载应设置预埋构件以便与加载用的液压加载器连接(5).设置加大截面的基础梁包住框架柱脚部分与试验台固接(6).砖石或者砌块的砌体试件中，上下预先浇捣混凝土垫块使垂直荷载均匀传递(7).墙体上下设置混凝土垫梁，下垫梁可模拟基础梁与试验台座固定，上垫梁模拟过梁传递竖向荷载(8)。钢混偏心受压试验，两端做成牛腿可增大端部承压面积并便于施加偏心荷载并在上下端加设分布钢筋网进行加强。

注意：为保证结构构件在预定部位破坏，得到必要测试数据，需对结构构件其他部位事先加固，为保证试验测量的可靠度和仪表安装方便，在试件内必须预设买件或预留空洞。比如：测定混凝土内部应力的预埋元件或专门的混凝土应变计一级钢筋应变计，应在浇注混凝土前按技术要求用专门的方法就位固定埋设在混凝土内部。

结构试验的荷载设计

A.试验加载图示的选择与设计

试验时荷载应使结构处于某一种实际可能的最不利工作状态。荷载图示与设计计算荷载图示一样。不一样有以下原因：

(1).设计计算采用的荷载图示合理性有所怀疑(2).试验条件限制。

解决方法：(1).采用某种接近结构实际受力情况的荷载布置方式。(2).为了加载方便和减少荷载量，不影响结构工作和试验结构分析的前提下改变加载图式。

举例：用几个集中荷载替代均布荷载，但集中荷载数量和位置尽可能符合均布荷载产生的内力值，试验荷载大小可根据相应等效条件（位移和应力等效）换算得到。此方法----等效荷载法（注意修正某些参数，比如构件满足强度等效，整体变形的挠度一般不等效）

B.试验加载装置的设计

保证试验正常进行，加载的设备装置也必须进行专门设计，使用试验室内现有设备也要按每项试验要求对装置的强度和刚度复核计算。以下注意事项：

(1).强度满足最大荷载量要求，保证足够的安全储备，考虑结构受载后使局部构件强度提高导致最大承载力比预计的大----------------------加载装置承载力要求至少提高70%，保证加载装置刚度。

(2).刚度不足，难以获得试件极限荷载后的变形和受力性能。

(3).加载装置要求符合结构受力条件，能模拟结构构件边界条件和变形条

件。

(4).注意试件的支承方式。梁抗剪试验中，加载点和支承点的摩擦力均会产生次应力使梁弯矩减小，支承反力增大，滚轴可能产生变形甚至塑性，摩擦力加大导致误差。

C.结构试验的加载制度

概念：结构试验进行期间控制荷载与加载时间的关系。包括加载速度快慢、加载时间间歇长短、分级荷载大小、加载循环次数。承载能力和变形性质与其所受荷载作用的时间特征有关。

结构试验的观测设计

A.确定观测项目时需要考虑哪些因素？

(1).结构整体工作和全貌整体变形.如挠度转角和支座偏移。(2).测量挠度可了解结构刚度、弹性或非弹性工作性质。(3).挠度不正常能反映结构某些特殊的局部现象(4).转角用来分析超静定连续结构。(5).结构局部工作状况的局部变形也要考虑，如应变、裂缝、钢筋滑移。(6).动力加载试验需测量加速度。

B.测点如何选择与布置？

(1).利用结构试验一起对结构物进行变形和应变测量时，在满足试验目标的前提下，测点宜少不宜多，都要服从结构分析的需要。

测点位置要有代表性，最大挠度和最大应力必须布置测点----控制测点。若不是说明局部缺陷影响则不应在有缺陷的截面布置测点。

(2).部分测量仪发生故障灯因素影响测量数据的正确性，为包住测量数据可靠，应布置一定数量的校核性测点-------可布置在结构物边缘凸角和零应力构件截面杆件，也可布置在理论计算比较有把握区域，利用结构本身和荷载作用的对称性在控制测点相对称的位置上布置校核测点。

C.仪器的选择与测读原则

(1).仪器符合量测所需的精度要求。相对误差不超过5%，仪表最小刻度值不大于5%为最大被测值。

(2).量测满足试验最大量测需要，最大被测值为满量程的1／5—2／3，最大被测值不超过仪表最大量程80%。

(3).测点数多且很高很远，采用电测仪表，对埋于结构内部的测点只能用电测仪表。

(4).首选数据自动采集设备，考虑到测读方便省时。

(5).为避免差错，同类参数量测仪器选用一用的型号规格，校核测点上使用另一种类型的仪器方便。

(6).动测试验使用的仪表，注意线性范围、频响特性、相位特性满足要求。

材料力学性能与结构试验的关系

.构件的受力和变形特点除了受荷载外还取决于其材料内部抵抗外力的性能。试验中按照结构构件材料性质不同必须测定相应的一些基本数据。比如科学性试验要了解材料的荷载-变形、应力-应变关系，需要测定弹性模量。

2.根据地震荷载作用特点，在结构上施加周期性反复荷载，结构进入非线性阶段工作，相应的材料试验也需要再周期性反复荷载下进行----------包辛格效应。比如混凝土材料的应力-应变曲线则要测定下降段。

.材料力学性能指标：钢材、钢筋、混凝土等分别制成的标准试样或试块进行试验结果的平均值。因材质不均匀会有波动。

2.（混凝土为例）强度指标影响因素：

(1).试件尺寸与形状的影响

①.混凝土材料强度测定用的试件有立方体和圆柱体。

②.测定抗压强度标准试件：150mmx150mmx150mm立方体

③.测定轴心抗压强度和弹性模量标准试件：h／a=2:1的150x150x150棱柱体

④.国外采用圆柱体，h／d=2:1的φ100X200或φ150x300

⑤.截面较小而高度较低的试件若抗压强度偏高则是因为试验方法和材

料自身原因

试验方法：试验机压板对试件承压面的摩擦力有箍紧作用，受压面积与周长比值不同，对小试件作用比大试件大。自身原因：内部存在裂缝分布，表面和内部硬化程度差异对不同试件有不同影响，随尺寸增大而增加。⑥.采用立方体或棱柱体优点：制作方便，受压面是模板面；平整度易于保证。缺点（采用圆柱体优点）：浇捣时棱角处由砂浆填充，所以混凝土拌合物颗粒分布不如圆柱体均匀。此外圆柱体外形与钻芯法从结构上钻取试样一致，但因圆柱体是立式成型，试件端面即是加载受压面，比较粗糙，所以抗压强度离散型大。

(2).试验加载速度的影响

测定材料力学性能时，加载速度越快（材料应变速率越高），强度和弹性模量相应提高。

钢筋强度随加载速度的提高而加大。

结构试验影响因素

结构试验的影响因素有哪些？

试件尺寸、材料性能、试件安装、试验设备、试验方法、试验数据分析1.试件尺寸的误差和解决方法？

原因：混凝土制作浇筑过程中产生模板尺寸误差，胀模引起外形尺寸误差；

绑扎钢筋和振捣引起钢筋位置和保护层厚度误差，钢筋尺寸也会产生误差；砌体试件因块材性质离散型和施工技术影响导致平整度和垂直度和实际尺寸误差；钢结构因购买材料尺寸误差和加工技术影响导致尺寸误差。

解决方法：试验前必须量测试件的外形尺寸及各部件截面尺寸并试验后打开试件量测内部主要部件尺寸，结果分析时采用试件实际尺寸。

2.材料性能的误差和解决方法？

原因：试件受力和变形除荷载因素外还取决于组成材料，材料力学性能直接影响其质量。由材料标准试件试验确定的材料强度、本构关系是名义上的，因本身的离散型和试验方法使试验得到的名义力学性能和实际值之间存在误差。

解决方法：确定材料性能的试块与结构试件具有同一性（比如：对混凝土，要求同一和相同的拌制，模板成型、振捣、养护条件、试件拆模和时间试验。对砌体，要求同一和相同块材、砂浆、工人、养护条件和时间试验。对钢材，同级同批同直径取样作代表，按主筋逐根取样。）

3.试件安装

原因------解决方法：受荷试件的试验跨度与计算见图不一致-------安装就位前仔细定出支座反力作用线位置。荷载偏心出现平面外破坏或额外附加力矩---------确定出荷载作用点位置。支座变形增加摩擦力，支承平面不平整引起扭转或变形倾覆--------------支座约束条件与计算严

格一致，产生次弯矩或局部应力集中

4,试验设备

原因：未定期计量标定或实验维护不当，产生荷载变形或传感器测试误差。解决方法：对加载设备定期计量标定，对测试设备进行定期标定，试验前校核。

5.试验方法

原因：加载速率不同，材料强度和弹性模量也不同。解决方法：测定材料力学性能时，对试件尺寸形状、加载设备和加载方法等按相应标准严格规定。

6.试验数据分析

有效数字和频响范围存在误差，建议采用更高解析率的方法。

第三章建筑试验设备和仪器

结构试验的加载设备

荷载设计和适合试验目的需要的加载设备是试验顺利的关键。试验荷载还取决于实验室设备和现场条件。结构试验分为静力加载和动力加载，试验设备分为静力加载设备和动力加载设备。

1.静力加载设备

(1).重力加载法(利用物体本身的重量施加于结构上作为荷载)

①.将重物荷载直接堆放在结构表面形成均布荷载或者置于荷载盘通过吊杆挂于结构上形成集中荷载（多用于现场屋架试验，注意避免重物形成拱而使均布荷载假定误差偏大）

②.水盛在水桶内用吊杆作用在结构上，作集中荷载可采用特殊盛水装置，作均布直接施加在结构表面。

③.当利用重物作为集中荷载受荷载量的限制时利用杠杆原理将荷重放大作用在结构上，杠杆加载的装置根据试验室或现场试验条件不同分为：利用试验台座、利用平衡重、利用墙身、利用桩（杠杆支点、力点、重物加载点位置必须明确，确定杠杆比例或放大率）

(2).液压加载法（利用液压加载装置进行加载）

①.最普通液压加载装置：液压千斤顶

工作原理：高压油泵将有压力的液压油压入液压加载器的工作油缸，使其推动活塞，对结构施加荷载。

②.根据帕卡斯原理，荷载值由油压表示值和加载器活塞受压面积求得或者液压加载器与荷载承力架直接的测力传感器直接测读和记录。

③.液压加载系统+试验机架=试验机----液压操纵台、大吨位液压加载器（2000吨以上）、机架（3m左右）三部分组成（比较典型的是结构长柱试验机，对柱墙板气体借点和梁受压受弯进行试验）