工程结构静力试验

土木工程结构试验讲稿长沙理工大学土木与建筑学院2009-5-1第三章工程结构静力试验3.1 概述结构试验就是利用各种手段对结构实际工作状态进行模拟，测定结构的工作性能，确定结构变形、内力承载能力等变化规律。

结构上的荷载按是否引起结构动力反应(如惯性力、加速度)分为静力荷载和动力荷载，因此，工程结构试验也分为静力试验和动力试验。

对结构施加静力荷载以模拟结构工作状态的试验称为结构静力试验。

所有结构都要承受静力荷载(如结构和固定设备自重等)，有些结构虽然承受动力荷载，但动力荷载引起的结构动力反应相对静力反应很小，可以忽略，或者不可忽略，但为方便计算，将动力计算转化为相当的静力计算，以冲击系数考虑动力荷载；或进行动力试验时，需要测定结构有关特性参数，或进行动、静力试验对比等等，由于这些因素，结构都需要进行静力试验。

由此可见，结构静力试验是结构试验中最为常见的、大量的试验，也是基本试验。

3.2 试验荷载系统结构静力试验是在对试验结构施加荷载下进行的，除少数在实际荷载下实测之外，绝大多数是在模拟荷载作用下进行。

产生模拟荷载的方法和设备很多，这些设备构成了试验荷载系统。

试验荷载系统必须满足以下基本要求：1、符合试件受力方式和边界条件要求，以保证试验的准确。

2、加载值稳定，不受试验环境或结构变形的影响，相对误差不超过 5％，以保证测试的准确度。

3、加载设备应有足够的强度和刚度，并有足够的安全储备。

4、应能方便调节和分级加（卸）载，以便控制加（卸）载速率。

不同的加载方法，使用不同的设备及装置，下面介绍各种加载方法、加载设备和加载装置。

3.2.1、加载方式3.2.2、支座、支墩支座、支墩是结构试验装置中模拟结构实际受力和边界条件的重要组成部分，必须保证结构在支座处的正确传力。

对于不同的结构形式，不同的试验要求，就要有不同的支座与之相适应，这是试验装置设计中应考虑的重要问题。

支墩常用钢或钢筋混凝土制作，现场试验多用砖块临时砌筑．支墩高度应一致，并且以方便观测和安装测量仪器为准，支墩面积大小应能保证强度及稳定性要求．支墩上部应有足够大的平整的支撑面，最好在顶面铺钢板，支墩底面按地耐力复核，以保证不发生过度变形．支座按自由度不同分为滚动铰支座、固定铰支座和球铰支座等。

支座一般用钢材制作，并且保证有足够的强度和刚度．如果混凝土结构在支撑处没有预埋支撑钢垫板，则在试验时必须另加垫扳．例如梁类构件，上垫板宽度应不小于梁的底面宽度，长度l 根据梁在支座处的强度按下式计算：cbf R l ≥式中：R ——支座反力（N ）；b ——上垫板宽度（mm ）；c f ——混凝土抗压强度设计值（MPa ）。

支座上垫板的厚度h 根据均布荷载下的内力分析按下式计算，下垫板的设计方法与上垫板类似。

fa f h c 22= 式中 a ——滚轴中心线至垫板边沿的距离(mm)；f ——垫板钢材的强度设计值(MPa)。

3.2.3、反力架、反力墙反力架主要有两种，其外形和作用有所不同．一种用于对结构施加竖向荷载，通常为门式或井式反力架；另一种用于对结构施加水平荷载，通常为三角形反力架，反力架一般用钢材制作，用地脚螺栓固定于试验台座上。

反力墙是与试验台座连成一体的钢筋混凝土墙体，用于对试验结构施加水平力，其强度与刚度都非常大，尤其适合于对试验结构施加大荷载，但不能像三角形反力架一样可以移动。

3.2.4、试验台座试验台座是结构试验室基本设施之一，它是一个整体式钢筋混凝土厚板(板式)或箱形(箱式)结构，台面用于固定试验构件、加载设备、反力设备，并承受试验荷载。

试验台座的台面一般与试验室内地面标高一致，以便室内物件运输。

为保证准确地测量结构变形、振动等参数，要求试验台座有足够的强度、足够的质量和极大的刚度。

因此，试验台座板厚达lm以上甚至几米，为提高整体刚度，降低板厚，可做成箱形结构．试验台座的台面形式有槽道式、地脚螺丝式、箱式或以上某几种相组合的形式。

槽道式、地脚螺丝式用于板式试验台。

3.3 试验测量设备3.3.1一、设备的选用试验数据是反映结构性能变化的重要指标，只有取得了可靠的数据和结构变化特征，才能对结构性能作出正确的技术性结论。

因此，结构试验不仅要观察结构变化特征，也要取得可靠试验数据。

要取得可靠试验数据，就必须了解各种测量仪器，并正确使用它们．一次试验要用哪些仪器要根据试验目的和测量项目来定．在选择测量仪器时①必须满足结构试验的要求，如精度、量程、灵敏度、使用环境等；②同一物理量测量仪器型号尽量相同，避免系统误差；③考虑测读时的方便、省时，尽量选用轻便的、可实现自动采集、分析的测试系统；④为保证测试数据的准确性、科学性，检查仪器是否按期标定。

1、精确度精确度简称精度，它是精密度和准确度的统称。

精密度是指多次测量所得数据的重复程度，重复性好即精密度高。

准确度是指测量值与实际值的接近程度，接近程度好准确度高。

2、量程量程是指仪器的测量上限值(最大值)与下限值(最小值)的代数差，即测量范围。

通常电测仪器的上限值与下限值附近测量误差整较大，不宜在该区段内使用．3、灵敏度灵敏度是指被测参数（输入量）的单位增量引起仪器读数（输出量）的增量，即输出增量与输入增量之比3.3.2、设备测试原理静力试验的测量项目不外乎是作用在结构上的力(如荷载及支座反力等)及结构作用效应(如应变、位移，曲率、裂缝等)．虽然静力试验测量仪器的种类繁多，原理各异，但按静力试验测量项目分，有应变、力、位移、曲率、裂缝等测量仪器。

（一）应变测量仪器1、电阻应变仪测量法电测法是将非电量(构件表面的应变)通过粘贴在其表面测点上的应变转换元件改变成电阻值的变化,再通过电桥、放大电路、A/D 转换电路按一定的比例关系转换成应变值。

① 电阻应变计的工作原理电阻应变计的种类很多，一般主要由基底、电阻丝、引出线、覆盖层用胶水粘贴而成。

基底和覆盖层主要起隔离、保护电阻丝的作用，引出线则起连接电阻丝与测量导线之作用。

常温应变片主要有丝绕式、箔式、半导体式等应变片。

金属丝受到拉伸（或压缩）时，电阻值会发生变化。

金属丝的电阻R 与其长度L 成正比，与其横截面积S 成反比，并与材料的电阻率有关，它们的关系式为AL R ρ= 为了求得电阻的变化，上式取对数后再微分，得AdA L dL d R dR -+=ρρ （1） 式中L dL ——金属丝长度的相对变化。

显然： ε=LdL （2） 金属丝处于单向受力状态，它的截面面积的相对变化和（2）式间的关系可根据泊松效应表示为μεμ2)(2-=-=LdL A dA （3） 将(2)、(3)式代入(1)式。

得 )21/(2μερρεμεερρ++=++=d d R dR （4）令 )21/(μερρ++=d K （5） 将（5）代入（4），则ε⋅=K RdR 若用电阻增量表示则有 ε⋅=∆K RR （6） 或 KR R /∆=ε 式中，K 称为电阻应变计的灵敏系数，与电阻丝的材料及绕制形状等因素有关，K 值一般由生产厂家抽样标定并在产品包装上标明。

② 静态电阻应变仪电阻应变仪首先是通过电桥把电阻应变计的电阻变化量转变成电压信号，经过放大，再把放大的电信号转变成应变显示出来的一种专门用于测试应变的仪器，目前应变仪大都采用惠斯顿电桥电路来测量应变计的阻值变化。

从图中我们可以知道，若桥臂DA CD BC AB 、、、均由因实验所需粘贴的电阻应变计4321R R R R 、、、联接而成，称之为全桥联接；若只有BC AB 、桥臂联接的是构件上的工作计、补偿计21R R 、，而DA CD 、桥臂联接的为仪器内部精密无感电阻r ，则称为半桥联接。

由电工学原理我们知道：DA BA U U U -==4211R I R I -V R R R R R R R R ))((43214231++-= （1） 如需0=U ，则 4231R R R R = （2）式（2）为惠斯顿电桥的平衡条件。

在电桥平衡后，现假定构件受力，四个桥臂上的电阻应变计均不同程度产生微小的电阻增量∆R 1、∆R 2、∆R 3、∆R 4，忽略二阶无穷小之后，（1）式可得：][444332211R R R R R R R R V U ∆-∆+∆-∆= （3）将KR R /∆=ε代入（3）： )(44321εεεε-+-=KV U （4） 上式中各项之间的关系可以用一句话进行总结：相邻的桥臂应变值互相抵消，相对的桥臂应变值叠加，其输出电压与各桥臂上应变计的应变代数和成正比关系。

这一特性即为电桥的加减特性。

③ 温度补偿技术贴有应变计的构件总是处在某一温度场中。

在电阻应变测量中，温度变化而引起电阻的变化概括起来包括两方面：（1）当温度发生变化时，由于敏感栅的线膨胀系数与构件有所不同，电阻丝因受到附加的拉伸（或压缩）而造成电阻值的变化；（2）敏感栅材料受温度影响阻值发生变化。

以上情况都将使所测得的应变中包含温度带来的影响，不能真实反映构件因受载荷引起的应变。

排除温度影响的措施叫做温度补偿。

目前消除温度影响的办法有两类：一是利用温度自补偿应变计补偿法；二是在常温中经常使用的桥路补偿法。

桥路补偿法又可分为补偿片补偿法和工作片补偿法。

a 、补偿片补偿法1R 为粘贴在准备测试的构件上的工作片，接入电桥的AB 桥臂上，当构件受力时，工作片反映出的应变包括：构件受力引起的应变p 1ε，温度变化引起的应变T 1ε。

补偿片2R 因为不受力，所以仅产生由温度引起的应变T 2ε即：T P 111εεε+=T 22εε=因被贴构件与补偿块的材料相同，所贴电阻应变计的K 相同，粘贴工艺相同，且被测构件与补偿块放置在同一温度场中，因此T T 21εε=。

另外两桥臂DA CD 、为仪器内部电阻，不反映应变变化，即043=-εε。

根据电桥的加减特性，P T T P 12114321εεεεεεεεε=-+=-+-=仪温度变化产生的虚假应变T ε，由于桥路中接入补偿片而被消除。

b 、工作片补偿法当应变计1R 与2R 均粘贴在被测构件上时，1R 、2R 所感受到的应变分别为：T P 111εεε+=T P 222εεε+=如果桥路补偿法的条件成立，则由于1R 、2R 分别接入电桥中相邻的两个桥臂，因此可以起到温度补偿的作用。

工作片补偿法常用的有以下两种情况：例如：在受拉的等截面直杆上，1R 沿杆的轴线方向粘贴，2R 垂直于杆的轴向粘贴，联接时，T p T P 11222εμεεεε+-=+= 根据电桥的加减特性，有P T P T P 1114321)1()(εμεμεεεεεεεε+=+--+=-+-=仪另外，在受弯曲的梁上，1R 和2R 沿梁的轴向分别粘贴在梁的中性层两侧的对称位置处，也属此情况：P T P T P 11143212)(εεεεεεεεεε=+--+=-+-=仪静态应变数据采集系统：具有采样通道多、采样数据量大、采样自动化等特点．数据采集系统适用于做大型结构静力试验。