结构试验原理

建筑结构试验第一章一、结构试验的任务结构试验是一门试验科学土木工程结构试验是一项科学实践性很强的活动，是研究和发展结构新材料、新体系、新工艺以及探索结构设计新理论的重要手段。

同时，也可通过试验对具体结构作出正确的技术结论。

实践性: 结构设计过程中，工程技术人员必须掌握在各种作用下结构的实际工作状态，了解结构构件的承载力、刚度、受力性能以及实际所具有的安全储备。

1）传统的理论计算方法；2）结构试验应力分析方法。

电子计算机技术的应用1）数学模型方法计算分析技术；2）计算机控制的结构试验技术。

结构试验主要内容1）工程结构静力试验和动力试验的加载模拟技术；2）工程结构变形参数的量测技术；3）试验数据的采集、信号分析及处理技术；4）对试验对象作出科学的技术评价或理论分析。

结构试验的任务工程结构试验的任务就是在结构物或试验对象（实物或模型）上，利用设备仪器为工具，采用各种实验技术为手段，在荷载（重力、机械扰动力、地震作用、风力……）或其他因素（温度、变形）作用下，通过量测与结构工作性能有关的各种参数（变形、挠度、应变、振幅、频率……），从强度（稳定性）、刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判断结构的实际工作性能，估计结构的承载能力，确定结构对使用要求的符合程度，并用以检验和发展结构的计算理论。

二、工程结构试验的目的科学研究性试验目的：验证结构设计的某一理论，或验证各种科学的判断、推理、假设及概念的正确性，或者是为了创造某种新型结构体系及其计算理论。

对象：对象即试件，具体结构或抽象模型。

研究问题：1）验证结构计算理论的假定。

2）为制订设计规范提供依据。

3）为发展和推广新结构、新材料与新工艺提供实践经验。

生产鉴定性试验目的：检验结构构件是否符合结构设计规范及施工验收规范的要求，并对检验结果作出技术结论。

对象：一般是真实的结构或构件。

应用：1）检验结构的质量，说明工程的可靠性。

2）检验构件或部件的结构性能，判定构件的设计及制作质量。

3）判断旧结构的实际承载力，为改造、扩建工程提供数据。

4）检验和鉴定已建结构物的可靠性。

5）为处理工程事故提供依据。

三、工程结构试验分类按试验对象分类原型试验：实际结构或是按实物结构足尺复制的结构或构件。

模型试验：按原型结构缩小的模型，又分为相似模型试验和缩尺模型试验。

模型试验模型是仿照原型并按照一定比例关系复制而成的试验代表物，它具有实际结构的全部或部分特征。

模型的设计制作及试验是根据相似理论、用适当的比例和相似材料制成与原型几何相似的试验对象，在模型上施加相似力系，使模型受力后重演原型结构的实际工作，最后按照相似理论由模型试验结果推算实际结构工作。

按荷载性质分类静力试验和动力试验。

按试验时间分类短期荷载试验和长期荷载试验。

按试验场合分类试验室试验和现场试验。

四、工程结构试验设计第二章结构试验荷载模拟技术作用于工程结构上的荷载荷载又称为作用，可分为直接作用和间接作用。

直接作用（结构自重，建筑物面的活荷载，机械设备的振动荷载，地震等荷载）间接作用（温度变化，混凝土收缩，支座沉降等）荷载模拟技术通过一定的设备与仪器，以最接近真实的模拟荷载再现各种荷载结构的作用。

荷载模拟方法主要有重物直接加载法、液压加载法、机械加载法、惯性力加载和电磁激振加载方法等。

加载设备基本要求1）试验荷载的作用，应符合实际荷载作用的传递方式，能使被试验结构、构件再现其实际工作状态的边界条件，使截面或部位产生的内力与设计计算等效。

2）产生的荷载值应当明确，满足试验的准确度，除模拟动力作用之外，荷载值应能保持相对稳定，不会随时间、环境条件的改变和结构的变形而变化。

3）加载设备本身应有足够的承载力和刚度，并有足够的储备，保证使用安全可靠。

4）加载设备不应参与结构工作，以致改变结构的受力状态或使结构产生次应力。

5）应能方便调节和分级加(卸)载，易于控制加(卸)载速率，分级值应能满足精度要求。

6）尽量采用先进技术，满足自动化的要求，减轻劳动强度，方便加载，提高试验效率和质量。

二、重力模拟荷载重力加载利用物体本身的重量施加于结构作为荷载，又分为直接重力加载和间接重力加载。

加载物体1）实验室：标准铸铁砝码、混凝土立方试块、水等；2）现场：砂、石、砖块等或钢锭、铸铁、废构件等。

直接重力加载法1）直接放在结构表面上形成均布荷载；2）重物置于荷载盘上，通过吊盘形成集中荷载；3）借助钢索和滑轮导向，对结构施加水平荷载；4）大面积平板结构，可采用水作试验荷载。

间接重力加载法利用杠杆将荷重放大后作用在结构上。

重力加载系统优缺点：优点：设备简单、取材方便、荷载恒定及加载形式灵活。

缺点：荷载量不能很大，操作笨重而费工。

三、液压模拟加载组成加荷千斤顶（加载器）、油泵控制台和荷载架等。

液压加载器液压加载系统（试验机，千斤顶加载系统）1、千斤顶液压加载系统1）手动液压加载系统2）同步（异荷）液压加载系统2、试验机加载系统1）材料万能试验机2）结构长柱试验机组成：液压操纵台、大吨位液压加载器和试验机架。

3）卧式结构试验机4）结构疲劳试验机组成：脉动发生系统控制系统和千斤顶工作系统。

脉动工作原理：飞轮带动曲柄动作时，使脉动器上下移动而产生脉动油压。

电液伺服液压加载系统1）系统工作原理组成：液压源、控制系统和执行系统。

系统可将荷载、应变和位移等物理量作为控制参数，实行自动控制。

液压加载器：单缸双油腔结构，尾座内腔和活塞前端分别装有位移和荷载传感器，能自动记量和发出反馈信号。

2）电液伺服阀的工作原理电液伺服阀直接安装于液压加载器上。

当电液伺服闭环回路中的电信号输入线圈时，衔铁发生偏转，带动一挡板偏移，两边喷嘴油流量失去平衡，压力改变，高压油进入加载器的油腔使活塞工作，滑阀的移动带动反馈杆偏转，使另一挡板反方向偏转，同时产生恢复力，当偏转力和恢复力相等时，滑阀停止移动。

3）优缺点优点：响应快、灵敏度高、量测与控制精度好，出力大、波形多、频带宽、可与计算机联机等。

缺点：投资较大、维护费用高，使用受到一定限制。

4）应用可以做静态、动态、低周疲劳和地震模拟振动台试验及利用造波机用于海洋结构试验等。

2.4 其他加载技术机械机具加载机械加载机具：绞车、卷扬机、倒链、花篮螺丝、螺旋千斤顶及弹簧等。

绞车、卷扬机和倒链葫芦：通过绳索远距离对高耸结构等施加拉力。

花篮螺丝：加载值较小时使用。

弹簧和螺旋千斤顶：适用于施加长期荷载。

机械机具加载设备简单、索具加载时易改变方向。

但荷载值较小。

气压模拟加载1）用空气压缩机对气包充气，给试件施加均匀荷载。

2）用真空泵抽出试件与台座围成的封闭空间的空气，形成大气压力差对试件施加均匀荷载。

优缺点优点：加、卸载方便，荷载稳定，安全构件破坏时能自动卸载，构件外表面便于观察与安装仪表。

缺点：内表面无法直接观察。

2.5 结构试验荷载支承装置支座与支敦1）支座：按作用方式不同可分为滚动铰支座、固定铰支座球铰支座和刀口支座。

铰支座一般用钢材制作。

铰支座的基本要求：1）必须保证结构在支座处能自由转动。

2）必须保证结构在支座处力的传递。

简支构件和连续梁支座：一端为固定铰支座，其它为滚动铰支座。

安装时各支座轴线应彼此平行并垂直于试件构件的纵轴线，各支座间的距离取为构件的计算跨度。

2）支敦材料：钢材或钢筋混凝土，现场常用砖砌成。

反力装置1）竖向反力装置组成：垂直加荷架、千斤顶连接件和试验台座等。

(1) 加荷架：包括立柱、横梁、大梁、地脚锚栓等。

移动式：千斤顶可挂在横梁上，横梁可上下移动，架子底部设置有四个滚轮，可自由行走。

组合式：(2) 试验台座基本要求:①具有足够的强度和整体刚度。

②动力试验台座还应有质量和耐疲劳强度。

③静力台座和动力台座同时存在时，两者应分离设置。

按结构构造不同分类:①槽式试验台座②地锚式试验台座③箱形试验台座④槽、锚式试验台座⑤抗弯式试验台座⑥空间桁架式试验台座(3) 加载器连接件静力试验时，只要使千斤顶与试件给加荷架之间保持稳定即可。

抗震试验时，千斤顶与横梁之间需安装滚动辊轴。

2）水平反力装置组成：反力墙（架）与千斤顶水平连接件。

(1) 反力墙（反力架）固定式反力墙：多采用钢筋混凝土或预应力混凝土结构，和试验台座刚性连接。

移动式反力墙：一般采用钢结构，通过螺栓与试验台座的槽轨锚固。

(2) 加载器与反力墙连接件连接方式：纵向滑轨式锚栓连接、螺孔式锚栓连接、纵横向滑轨式锚栓连接。

第三章结构试验测量技术3.1 概述对输入与输出数据的量测、采集和分析处理。

输入数据：试件所受到的外部作用，如力、位移和温度等。

输出数据：试件的反应，如应变、应力、裂缝、位移、速度、加速度等。

数据的量测与采集方法人工测量、人工记录；仪器测量、人工记录；仪器测量、仪器记录。

自动化采集系统测量、记录、处理仪器设备分类：按功能和使用情况：传感器、放大器、显示器、记录仪、分析仪器、数据采集仪和数据采集系统等。

按仪器用途：应变计、位移传感器、测力传感器、倾角传感器、频率计和测振传感器等。

量测仪表主要性能指标量程：仪表所能量测的最小至最大的量值范围。

最小分度值：仪表的指示所能指出的最小测量值。

精确度：仪表的指示值与被测值的符合程度。

灵敏度：被测量的单位变化引起仪表示值的变化值。

滞后：恒定环境条件下，起始值到最大值来回输出的最大偏差值。

3、电阻应变片粘贴技术（1）粘贴要求：1）测点基底平整、清洁、干燥；2）粘结剂的电绝缘性、化学稳定性及工艺性能良好，蠕变小，粘贴强度高，温湿度影响小；3）同一组应变计规格型号应相同；4）应变片的粘贴应牢固，方位准确，不含气泡；5）粘贴前后阻值不改变；6）粘贴干燥后，敏感栅对地绝缘电阻一般不低于500MΩ；7）应变线性好，保证应变能正确传递。

（2）应变电测法优点：优点：感受元件重量轻，体积小；信号传递迅速、灵敏度高；可遥测，便于与计算机联用及实现自动化。

缺点：连续长时间测量会出现漂移；粘贴技术比较复杂，工作量大；不能重复使用，消耗量也较大。

3.3 位移与变形测量结构线性位移测量结构位移：指构件的挠度、侧移、转角、支座偏移等。

1、接触式位移计组成：测杆、齿轮、指针和弹簧等机械零件。

性能指标：刻度值、量程和允许误差。

3.4 力的测量结构静载试验所需测定的力，主要是荷载与支座反力，其次有预应力施力过程中钢绳（丝）的张力等。

测量力的仪器分为机械式和电测式两种。

电测仪器具有体积小、反应快、适应性强等优点。

1、荷载和反力测定荷载传感器形式：拉伸型、压缩型和通用型。

核心部件：厚壁筒放大系数：2、拉力与压力的测定测力计基本原理：钢制弹簧、环箍或簧片受力后产生弹性变形，变形通过机械放大后，用指针度盘或位移计来反应力的数值。

3.5 裂缝测定裂缝检测裂缝检测方法：1）放大镜或肉眼观测；2）读数显微镜；3）裂缝标准宽度板；4）裂缝塞尺5）裂纹扩展片；6）脆漆涂层；7）声发射技术；8）光弹贴片。