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3结构静载试验3.1概述结构静载试验是应用最广的试验方法。它相对动载试验而言，技术与设备较简单，经济性好，实现容易。主要应用于：研究结构构件的的承载力、刚度、抗裂性、稳定等基本性能和破坏机制。结构静载试验方法包含一次单调加载试验、低周反复试验和拟动力试验。本章主要讲述内容为：（1）静载加载系统：加载设备、装置及加载方法（2）静载量测系统：量测仪器和量测方法（3）常见结构静载试验方法：梁板、柱、桁架、墙体和网架（4）静载试验数据修正与处理方法3.2静载试验荷载系统结构静载试验的荷载绝大多数采用的是模拟荷载，产生模拟荷载的荷载系统应满足以下基本条件：1）满足结构荷载图式和边界条件要求。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％。3）加载设备应有足够的强度和刚度，保证足够的安全储备。4）加载设备要操作方便，便于分级加载和卸载，并能控制加载速率。3.2.1重力加载重力加载：将物体本身的重力施加于结构上作为荷载。实验室试验：常用标准铸铁砝码、混凝土块、水箱现场试验：就地取材，常用砂、石、砖块等建筑材料，或是钢锭、铸铁、废构件等。重物可以直接施加或者通过杠杆间接施加于试验结构或构件上。特点：荷载容易取得，但加载费工费时；利用砂石、砖块加载时，荷载不易恒定。1、重力直接加载（1）用块状材料做均布加载装置1.重物2.试件3.支座≤l/650-100块状材料直接分垛堆放，垛宽度≤l/6,垛间距50—100mm；颗粒材料装袋或装无底箱。（2）用水做均布加载的试验装置特点：简易方便，经济适用（3）用吊篮施加集中荷载的加载装置1.试件2.支座3.重物4.吊篮5.分配梁特别适合于现场做屋架试验2、杠杆加载利用杠杆原理，将重物荷重放大加于结构上，减少重物数量，便于持久加载。现场试验杠杆加载的支承方法（a)墙洞支承(b)重物支承（b)反弯梁支承(c)桩支承3.2.2液压加载特点：结构试验中普遍采用的一种加载方法。它的最大优点是能产生较大的荷载，试验操作安全方便，加载速度快。特别是对于大型结构构件试验，当要求荷载点数多、吨位大时更为合适。尤其是电液伺服加载系统能模拟地震荷载、海浪波动等不同特性的动力荷载。原理：用高压油泵将具有一定压力的液压油压入液压加载器的工作油缸，使之推动活塞，对结构施加荷载。常用的液压加载设备有：手动液压加载器（千斤顶）、电动液压加载器、结构试验机和电液伺服加载器。一、液压加载器1）手动液压加载器手动液压加载器的构造原理见图。使用时先拧紧放油阀，掀动手动油泵的手柄，使储油缸中的油通过单向阀压入工作油缸，推动活塞上升。最大出力可到5000kN，行程200mm.2）电动液压加载器a）单作用加载器构造比较简单：由活塞和工作油缸两部分组成。而储油缸、油泵、阀门等另外单独配置。活塞行程较大，可倒置安装。可做多点加载：可用多个加载器组成同步加载系统，适应多点加载。b）双作用加载器为适应结构抗震试验施加低周反复荷载的需要，采用双向作用的液压加载器，它的特点是在油缸的两端各有一个送油孔，设置油管接头，可通过油泵与换向阀交替进行供油，由活塞对结构产生拉压双向作用施加反复荷载。二、液压加载系统液压加载系统主要由储油箱、高压油泵、测力装置和操纵台，通过高压油管同时并联连接若干个液压加载器组成，由操纵台控制，满足多点同步加载的要求。当使用液压加载系统加载试验时，还必须配置各种反力支承系统（如承力架、试验台座、分配梁等）。液压加载系统三、结构试验机加载比较典型的大型结构试验机是结构长柱试验机，由液压操纵台、大吨位的液压加载器（≥2000kN）和试验机架三部分组成。国内普遍使用的长柱试验机的是5000kN，试件最大高度可达6m，用以进行柱、墙板、砌体、节点和梁的受压与受弯试验。试验机应满足2级精度要求。四、电液伺服加载1.系统特点与构成电液伺服液压系统是一种比较理想的试验设备，它可以较为精确地模拟所受的实际荷载（静力荷载与动力荷载），如模拟地震、海浪等复杂荷载。特点：响应快，灵敏度高、量测和控制精度好、出力大、波形多、频带宽、可与计算机联机。投资大、维护费用高。系统主要由液压源、控制系统和电液伺服液压加载器等三大部分组成。2、工作原理:液压源加载器控制系统加载时，通过传感器（如荷载、位移、应变、加速度等传感器）量测某一物理量作为反馈信号，以电参量的方式实时与指令信号（试验要求控制达到的设定量）进行比较，从而自动修正电液伺服阀的工作状态，使液压加载器活塞的动作趋向于传感器量测的物理量并与指令信号相一致。因此，它可以精确模拟结构构件所承受的实际荷载。在结构抗震试验中的地震模拟振动台试验、结构拟动力试验和结构伪静力试验得到应用。指令伺服放大器电液伺服阀液压加载器试验对象传感器适调器计算机控制系统3.2.3机械力加载机械力加载常用的机具有倒链葫芦、卷扬机、绞车、花篮螺丝、螺旋千斤顶及弹簧等。优点是设备简单，容易实现。缺点是荷载值不大。葫芦、卷扬机、绞车和花篮螺丝等主要用于远距离或高耸结构加载。联结滑轮组可以改变作用力的方向和拉力大小。拉力大小通常用拉力测力计测定。弹簧与螺旋千斤顶均适用于施加长期荷载。螺旋千斤顶由涡轮蜗杆等组成，手动顶升采用类似普通手动液压千斤顶。通过旋动螺帽，靠弹簧的弹力加压，用百分表测其压缩变形确定其荷载。弹簧施加持久荷载3.2.4气压加载法气压加载法主要是利用空气压力对试件施加垂直于试件表面荷载，有正压加载（充气）和负压加载（抽真空）两种。气压加载特别适合于曲面结构加载。气压加载需要一个对试件无约束的密封容器或气囊。气压加载的优点是加载、卸载方便，荷载稳定；缺点是试件受力载面无法观测，利用真空加载时试件周边密封要求较高。正压加载：用空气压缩机对气囊充气，给试件施加荷载，压力可到180KPa。在试件上特制一个对试件无约束的密封容器（图2－21a），或在加载装置和试件之间设置一可充气的气囊（图2－21b），经充气后藉助容器或气囊将均布压力施加于试件表面。负压加载利用真空泵抽出试件与台座形成的封闭空间的空气，形成大气压力差对试件施加均布荷载（可到100KPa)，压力值用真空表测量。3.2.5加载装置（支承、分力、反力）一、支承装置支承和传力、模拟实际荷载图式和边界条件，通常由支座和支墩两部分组成。1.支座支座的型式和构造与试件类型、边界条件等因素有关，有铰支座和固定支座两种。1）铰支座：铰支座一般用钢材制作，其型式有滚轴式和刀铰式两种。板梁铰支座板壳结构铰支座铰支座的基本要求①保证结构在支座处自由水平移动和自由转动。②保证结构在支座处力的传递。③保证结构在支承处局部受压强度。④滚轴长度：一般取等于试件支承处截面宽度；⑤滚轴直径：参照下表选用，并进行强度验算。⑥垫板：上垫板宽度b与试件支撑宽度一致，长度L不小于R/bfc,厚度δ不小于0.7b√fcu/fy，并不小于宽度的1/6。滚轴受力kN/mm22～44～6直径D(mm)40～6060～8080～1002）固定支座对于柱或框架等构件，可用螺栓直接固定于试验台座。对于梁式构件，在实验室内可利用试验台座和拉杆锚定装置模拟固定端支座。柱端固定支座构造梁式构件固定端支座构造3）受压构件刀式铰支座对柱或墙板的试验时，构件两端均应采用刀铰支座。刀铰支座有单向铰和双向铰两种。双向刀铰支座适用于可能发生双向屈曲时使用。柱或墙板偏心受压试验：可以通过调节螺丝来调整刀口与试件几何中线的距离，满足不同偏心矩的要求。短柱轴压试验：如结构试验机上下压板之一已有球铰，则短柱两端可不设刀铰支座。受压构件刀铰支座2．支墩现场试验的支墩：多用砖块砌筑或用混凝土浇注而成，支墩上部应有足够平整并应垫钢板。支墩本身应有足够的强度和刚度，支承底面积要按地耐力进行复核验算，保证试验时各支墩不发生过度的变形或不均匀沉降。在试验荷载作用下，支墩和地基的总压缩变形不直超过试件挠度的1／10。若试验需要两个以上支墩时，各支墩的刚度均应相同。实验室试验的支墩：用钢材或钢筋混凝土制成专用支墩，支墩的高度一般在400～600mm，以满足仪表安装、观测和加卸荷载的要求，实验室内如有条件应采用支座高度可调支墩。二、荷载传递装置作用：将加载设备产生的荷载按试验荷载图式的要求传递到试验的结构上，同时满足荷载放大、分配和荷载作用形式转换的要求。有杠杆、分配梁和卧梁。1．杠杆利用放大原理，将施加的较小荷载，经过杠杆的传递而获得放大几倍的作用力，杠杆比例不宜大于1：6。当采用型钢单梁式杠杆时，其支点、力点和重点必须明确，并设有加肋，防止杠杆本身翘屈和失稳。2．分配梁将单一杠杆或液压加载器产生的荷载分配成两个或两个以上的多点集中荷载。分配梁一般均为单跨简支梁形式，不能用多跨连续梁的形式。单跨简支分配梁：一个集中荷载分为两个集中力，它们的数值即是分配梁的两个支座反力。分配梁层数不宜大于三层。不等比例的比例不宜大于1：4，且须将荷载分配比例大的一端设置在靠近固定铰支座的一边，以保证荷载的正确分配、传递和试验的安全。分配梁本身应有足够的强度和刚度。分配梁的设置3.卧梁卧梁的作用：是将若干个加载点的集中荷载转换成均布荷载施加于试件的端面，保证试件的受载截面获得均匀分布的应力状态。为了保证荷载的正确传递，卧梁必须有足够的强度和刚度。如需降低卧梁的刚度，应适当增加集中荷载的个数。卧梁安装时与试件端面之间应平整辅设砂浆垫层，砂浆强度不应低于试件混凝土强度等级的50%。对于承受集中荷载作用的试件表面应辅设钢垫板，防止局部受压破坏。对于柱与压杆试验，可在试件受压端增设钢柱帽，防止局部承压破坏。墙体轴向加载试验装置三、荷载支承装置（反力架、台座）1．反力架竖向反力架：装配式门型钢结构支架，立柱为H型或圆柱型，横梁一般为箱型。2．反力装置水平反力1）反力架：一般是由钢结构制成的可移动桁架式支架，液压加载器固定于反力架的立柱上。由于受强度和刚度控制，它能承受的荷载不大，一般适用于中小型试件试验使用。2）反力墙钢筋混凝土结构或钢结构制成。反力墙与试验台座连成整体，组成抗侧力试验台座。在反力墙纵横方向按一定距离设有锚孔，以便安装液压加载器，满足加载器在反力墙的任意位置对试件施加水平荷载的要求。四、试验台座1．抗弯大梁式台座和空间桁架式台座抗弯大梁式台座：中小型构件试验或混凝土制品检验的要求。一般用于试验中等跨度的构架及屋面大梁。空间行架台座2.试验台座试验台座是建于试验室内的板式或箱式钢筋混凝土结构，用以平衡施加在试验结构物上的荷载所产生的反力和固定横向支架。台座的刚度极大，承载能力一般为2OO～1000kPa。1）板式试验台座指台座为整体的钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土的厚板。由台座的自重和刚度来平衡结构试验时施加的荷载。槽式试验台座：目前国内用得较多的静力试验台座，试件安装就位的位置灵活。仅用于静力试验。地锚式试验台座：在台面上每隔一定间距设置一个地脚螺丝。可用于静力试验和动力试验。但螺丝受损后修理困难，试件安装就位的位置就受到限制。箱式试验台：在箱形结构的顶板上沿纵横两个方向按一定间距留有竖向贯穿的孔洞，便于沿孔洞连线的任意位置加载。实验测量与加载工作可在台座上面，也可在箱内进行。1122332-21111-13-3221422431（a）槽道式（b）地脚螺丝式（c）箱式图3.14试验台座1-台面；2-锚杆；3-槽道；4-地脚螺丝；5-箱式台顶板5箱式试验台座