建筑结构试验

建筑结构试验何文辉土木与交通学院应用1．建设工程质量监督站、试验室2．建筑工程管理处、房屋鉴定单位3．建筑公司、市政公司、建筑桩基公司4．各级工程检测、鉴定机构，材料试验室5．各级建委（建设局）、旧城改造管理单位6．各建设监理公司、各工程建设单位、施工企业7．各建筑构（配）件生产企业、商品混凝土公司、建材试验室8．各建筑科研、设计院（所）内容构成1.绪论2.结构试验设计原理3.结构静载试验4.结构动载试验5.结构非破损检测与鉴定6.结构模型试验7.试验数据的处理与分析3第一章绪论4课程的特点结构试验是研究试验规律、试验方法、测量数据和数据分析处理的学科，课程的特点是：涉及的知识面广，实践性强.因而在学习方法上需注意：一方面重视相关理论知识和技术的学习；另一方面也必须重视实验环节、试验技术与技能方面的训练。课程介绍建筑结构试验以实验技术为手段，测量能反映结构或构件实际工作性能的有关参数，为判断结构的承载能力和安全储备提供重要根据。本课程是土木工程专业的一门专业课，主要介绍结构试验的理论和方法。本课程的任务是使学生掌握结构试验的基本原理和基本技能，能够进行一般建筑结构试验的设计与实施。67作用（荷载或其他因素）试验对象仪器设备和测试技术变形、挠度、位移、应变、振幅、频率……评价结构的实际工作性能，检验和发展结构的计算理论。8走出理论分析的困境——试验方法理论分析只能解决一些有限的简单问题。对于复杂结构、复杂荷载、应力集中和非匀质材料结构，仅靠理论解析方法求解十分困难，有时得不出结果，只有借助于试验方法得出计算的公式。9结构试验与电算的关系走出计算机数字分析的困境——试验方法有限元数值方法几乎可以分析所有的计算问题，但必须保证建立正确数学模型和输入正确的材料特性参数。对于非匀质材料模型和某些特种结构者必须要试验验证或提供必要的参数。10受弯梁截面应力分布研究过程1638年，伽里略提出截面应力均匀分布1684年，德国数学家莱布尼兹提出三角形分布。1713年，法国巴朗提出中性层分布，认为截面上同时存在拉应力和压应力。111767年，法国容格密里首次试验证明梁断面上压应力的存在，人们誉称为“路标试验”。硬木垫块容格密里木梁试验1821年，法国科学院院士拿维叶理论推导出材料力学上的受弯公式，σ=My/I。1841，法国阿莫列恩试验验证上述公式。1.1结构试验的目的科研性试验鉴定性试验（又称生产性试验或检验性试验）12科研性试验特点：具有研究、探索、开发的性质。所解决的问题：1、验证或创立结构理论及有关假定、推论2、制定工程技术标准13鉴定性试验特点：非探索性、有比较成熟的计算理论所解决的问题：1、检验结构、构件和部件的施工质量2、确定已建结构承载力3、验证结构设计的安全度4、鉴定受损或接近使用寿命的结构健康度，为改造、加固提供技术依据1415162020/1/23172020/1/2318192021222324251.2结构试验的分类按试验对象：原型试验和模型试验按加载方式：静载试验和动载试验按试验时间：短期荷载试验和长期荷载试验按试验场合：实验室试验和现场试验按破坏程度：破坏性试验和非破坏性试验26原型试验和模型试验原型试验模型试验试验对象：实际结构或足尺试件优点：完全反应结构真实特性，结论可靠缺点：投资大、周期长、加载设备复杂试验对象：缩尺试件优点：实施方便、投资小、多参数、多试件缺点：相似条件难以严格实现，有尺寸效应27静载试验和动载试验静载试验动载试验单调加载、低周往复加载优点：加载设备简单、试验观测方便缺点：不能反映结构动力性能疲劳试验、振动台试验、风洞试验、动力特性试验优点：真实反映结构动力特性和动力响应缺点：加载设备和测试手段复杂28短期荷载试验和长期荷载试验短期荷载试验长期荷载试验一般试验过程从几秒钟到几天一般试验过程持续几个月、几年到数十年主要研究结构与时间相关的特性，如：混凝土的收缩、徐变和碳化、钢筋锈蚀、预应力筋松弛、结构健康监控等29破坏性试验和非破坏性试验破坏性试验非破坏性试验多为实验室试验和短期荷载试验多为现场试验和长期荷载试验3031梁的两点加载32加载后破坏1.3结构试验技术的发展大型和超大型试验装备基于网络的远程协同试验作动器阵列、振动台阵列、大型风洞和离心机等美国NEES（NetworkforEarthquakeEngineeringSimulation）日本E-Defense英国UK-NEES和新西兰NZNEES中国台湾ISEE（Internet-basedSimulationforEarthquakeEngineering）中国大陆NetSLab（NetworkedStructuralLaboratories)331.3结构试验技术的发展现代测试技术计算机与结构试验新型高性能传感器数据采集技术试验控制数字信号与分析计算机仿真341.4结构试验课程的特点土木工程专业的一门专业课专门技术标准以建筑结构专业知识为基础，融合了多门专业课程要求掌握加载设备和仪器仪表的原理和使用，多学科交叉电子计算机的使用实践性35第二章结构试验设计原理362.1概述试验规划与设计试验技术准备试验实施过程试验数据分析与提出结论结构试验的一般过程：372.2结构试验设计基本原理真实模拟结构所处环境和所受荷载消除次要因素的影响将结构反应视为随机变量合理选择试验参数统一测试方法与评价标准降低试验成本与提高试验效率382.3测试技术基本原理传感器技术直接测量间接测量测量系统的标定测量标准电测法392.4试验设计与规划试验目的试件设计与制作要求试件装置与加载方案设计量测要求安全措施人员分组与进度计划经费预算、耗材用量和设备仪表清单辅助性试验内容最为重要的阶段，关系到整个试验的成败402.4试验准备阶段试件制作试件安装加载设备安装量测仪表的安装、调试辅助性试验记录表格的设计与准备对重要试验数据进行预先估算确定加载制度最为耗时的阶段，工作量最大412.5试验实施阶段记录试件初始状态按预先制定的制度加载采集与记录试验数据监控、观察与记录试件反应特征试件破坏后的工作整个试验过程的中心环节422.6试验数据分析与总结原始资料收集整理与完善归档数据处理和分析，得出试验结论包括两部分工作：43思考题1.科研性试验与鉴定性试验有何异同？2.结构试验如何分类？3.试验方法有何重要性？举例说明，若试验方法不当将产生什么后果？4.结构试验一般过程有哪些阶段？为何说试验规划阶段最重要？具体规划哪些内容？5.对安装加载设备有哪些基本要求？44第三章结构静载试验45测试系统的组成46荷载系统→测量系统→显示记录荷载系统：液压、重力、气压、杠杆、弹簧测量系统：传感器、中间变换、测量电路信号处理系统：对输出信号的处理显示和记录系统显示记录器和分析处理仪多被计算机取代。3.1静载试验加载设备符合试件受力方式和边界条件要求。加载值稳定，不受试验环境或结构变形的影响。加载设备应有足够的强度和刚度，并有足够的安全储备。应能方便调节和分级加（卸）载，以便控制加（卸）载速率。尽量采用先进技术，提高试验效率及质量。须满足以下要求：473.1.1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。3.1.1重力加载直接重力加载避免形成拱作用而改变荷载分布历史最久、也是最方便的加载方法，在很多场合广为应用。杠杆重力加载变形后荷载不变，但无法自行卸载493.1.1重力加载预应力钢-混凝土组合梁长期荷载试验50用重物作均匀加载实验1.重物2.试件3.支座4.支墩用水作均匀加载的试验装置1.水2.防水布3.斜撑4.试件不同荷载的特点（1）散状材料:防止拱效应（2）块体材料:堆放要求（3）吸湿材料：注意容重变化（4）液体材料：可以进行抗渗漏观测，但仪表难布置,构件变形会改变作用方式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堆载实验3.1.2液压加载移动式同步液压加载装置液压千斤顶液压试验机电液伺服液压试验系统是最常见的加载方法，可适用于静载和动载试验，吨位可大可小。54单、双向作用液压加载器图1.端盖2.进油出油口3.油封装置4.活塞杆5.活塞6.工作油缸7.固定环液压千斤顶1、杠杆式油压千斤顶（多点加载时难以同步）2、常用的油压千斤顶：液压加载系统组成：油箱，油泵、加载器，测力装置，各类阀门、操纵台。特点:多点加载、同步。液压千斤顶电动泵5657大型结构试验机适用于更大吨位，与计算机、数据采集系统组成智能化压力试验机。3.1.2液压加载广州西塔巨型斜交网格空间相贯节点试验58电液伺服液压系统实验技术的重要进展，适用于地震模拟1.电液伺服加载系统的工作原理2.电液伺服阀的工作原理伺服阀：控制流量和流向电液伺服液压系统的基本闭环回路1.指令信号2.调整放大系统3.油源4.伺服阀5.加载器6.传感器7.反馈系统10000kN竖向加载油缸10000kN大型多功能试验机系统横梁紧缩机构竖向伺服跟动装置水平伺服跟动装置横梁升降机构球铰及微动探测装置3000kN水平加载装置1500kN水平加载装置60地震模拟振动台（结构动载试验）特点：计算机+伺服系统+数据采集系统振动台台体结构：钢结构，模型质量/台身质量之比2液压驱动和动力系统：低频率产生巨大的推力控制系统：模拟方法或者数字方法测试和分析系统：位移计、速度计、加速度计频率的选择与系统、结构要求有关地震模拟振动台加速度控制系统图a、b、c表示加速度、速度、位移信号输入(a)、(b)、(c)表示加速度、速度、位移信号反馈1.信号输入控制器2.油源3.试件4.伺服放大器5.伺服阀6.加载器7.振动台8.位移传感器9.加速度传感器633.1.3机械加载螺旋式千斤顶、螺杆-弹簧装置、手动葫芦、绞盘、卷扬机等优点：设备简单、集中力方向便于控制缺点：荷载较小、加卸载速度慢，荷载作用点的变形会引起荷载值的较大改变。多应用于鉴定性试验或现场试验。64卷扬机、绞车加载P=φ·n·K·p拉力测力装置布置图卷扬机花篮螺丝螺旋千斤顶弹簧加载弹簧加载测试的原理是虎克定律，用于持久加载;加载要注意结构的徐变和本身的松弛倒链加载加载简单，适用于野外作业,并且可以改变荷载方向,但是荷载值不大，作用点变形会引起荷载的改变3.1.4气压加载正压加载：利用压缩空气加载负压加载：利用抽真空产生负压加载优点：加、卸载方便，荷载稳定、安全，结构破坏时能够自动卸载缺点：加载面无法观测适合于板壳结构的均布加载693.2试验装置的支座设计支座试验台座反力刚架703.2.1铰支座支墩：简易支座，钢或钢筋砼制作，现场试验多采用砖砌体支座作用形式：活动铰支座、固定铰支座、球铰支座对铰支座的基本要求：用来模拟简支边界，由支座和支墩组成保证结构在支座处的自由转动保证结构在支座处力的传递铰的上下垫板要有足够刚度滚轴长度，一般与试件支承面截面宽度相等滚轴直径可按表选用，并验算其强度71支座设计的基本要求：（1）必须保证结构在支座处能自由转动和结构在支座处能正确地传递力。支承垫板的长度l可按下式进行计算：（2）铰支座处的上下垫板要有一定刚度。垫板厚度d可按下式计算：（3）滚轴强度的要求。并按下式进行强度验算滚轴直径选用表（4）滚轴的长度一般取支承处截面宽度铰支座的形式和构造3.2.2固定边界条件的实现四连杆机构顶部约束螺栓连接通常需与反力架、台座等支承装置共同实现743.2.3试验台座自平衡式