结构加载设备和试验装置

建筑结构试验为了察看某事的结果或某物的性能而从事某种活动。第2章结构试验的加载设备和试验装置学习目的和要求：P247本章解决是如何把荷载加到试验对象上，即介绍结构试验的加载设备和试验装置。课程内容分9节来讲，即：概述、重力加载法、液压加载法、机械力加载法、气压加载法、惯性力加载法、电磁加载法、其它加载法及结构试验装置和试验台座。进行结构试验时，应在试验结构上再现要求的荷载，即试验荷载。试验荷载绝大多数是模拟荷载，而产生这些模拟荷载的方法很多，一般都通过加载设备和试验装置产生，可用于结构试验的加载设备有重物、气压、机械机具、液压、动力激振以及与它们相匹配的各种试验装置等。合理地选择加载设备，正确进行加载方案设计，可以保证结构试验的顺利完成，提高试验精度，节约试验经费。若加载方案设计不当，加载设备选择不合理，往往会影响试验工作顺利进行，或者达不到试验的目的，甚至导致试验失败，严重时还会发生安全事故。第2章结构试验的加载设备和试验装置?一、荷载选用原则二、荷载的分类三、产生荷载的方法与加载设备种类四、结构试验对加载设备的要求五、荷载图式与试验荷载制度六、荷载系统第2章结构试验的加载设备和试验装置第一节概述一、荷载选用原则1.试验用的荷载形式、大小、加载方式等都是根据试验的目的要求，以如何能更好地模拟原有荷载等因素来选择。2.在决定试验荷载时，还应该根据试验室的设备条件和现场所具备的试验条件的具体情况进行。第2章结构试验的加载设备和试验装置第一节概述二、荷载的分类：直接作用：自重、活荷、雪、灰、施工、风等；间接作用：温度、收缩、偏差、沉降、地震等；分布；集中；短期；长期；静；动；由模拟荷载实现第一节概述动力试验荷载1.惯性力或电磁系统激振;第一节概述三、产生荷载的方法与加载设备种类2.比较先进的设备是由自动控制、液压装置与计算机相结合而组成的电液伺服加载系统和由此作为振源的地震模拟振动台加载设备等施加的荷载；3.人工爆炸和利用环境随机激振（脉动法）的方法。车辆以较高速度行驶过桥梁时，由于桥面或轨面的不平整、车轮不圆，以及发动机的抖动或机车的偏心作用等原因，会引起桥梁结构的振动，这种动力效应通常称为冲击作用。4.车辆动态荷载（1）跳车荷载；（2）刹车荷载；（3）跑车荷载。第一节概述三、结构试验荷载的类别动力试验四、结构试验对加载设备的要求P9：⑴试验荷载的图式所产生的内力值完全一致或极为接近；⑵荷载值准确；荷载传力方式和作用点明确，产生的荷载数值要稳定；⑶荷载分级符合要求，同时必须满足试验量测的精度要求；⑷加载装置要有足够的安全性和可靠性，强度、刚度满足要求；⑸加载设备的操作要方便，便于加载和卸载，能控制加载速度；⑹采用现代化先进技术。第一节概述五、荷载图式与试验荷载制度1．荷载图式荷载在试验结构构件上的布置形式（荷载的类型、分布方式等）称为荷载图式。2．试验荷载制度试验荷载制度指的是试验进行期间荷载与时间的关系。⑴荷载程序。一般结构静力试验的加载分为预载、标准荷载（正常使用荷载）、破坏荷载三个阶段。加载分级；卸荷分级和一次性卸荷两种。⑵荷载大小。在试验的不同阶段有不同的试验荷载值。第一节概述第二节重力加载法重力加载：就是利用物体本身的重量将物体施加于试验结构上作为荷载的加载方式。重物可以直接加在试验结构或构件上，也可以通过杠杆间接加在结构或构件上。二、重力直接加载图重物堆放作均布荷载试验图l－重物；2－试验板；3－支座；4－支墩一、重力加载的概念第二节重力加载法二、重力直接加载注：当利用吊盘施加集中荷载时，每个荷载盘要分开，使结构所受荷载明确第二节重力加载法二、重力直接加载适用大面平板结构试验，对于水池、油库等结构水是理想的试验荷载，既符合结构的实际使用条件。还可检验其抗裂抗渗性。优点：杠杆原理，将荷载放大作用于结构上。杠杆制作方便，荷载值稳定不变，当结构有变形时，荷载可以保持恒定，对于作持久荷载试验尤为合适，尤其是集中力。第二节重力加载法三、杠杆加载优缺点及注意事项：（1）试验荷载可就地取材，可重复使用，针对试验结构或试件的变形而言，可保持恒载，可分级加载，容易控制；（2）但加载过程中需要花费较大的劳动力，占据较大的空间，安全性差，试验组织难度大；（3）散装或块体材料要注意起拱；（4）注意材料的吸湿性。第二节重力加载法第三节液压加载法一、液压加载器（俗称千斤顶）加载原理：液压加载的工作原理是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。FpA式中F—荷载值；p—液压油压强；A—活塞工作面积静力试验液压加载用千斤顶可分为手动液压千斤顶和电动液压千斤顶。电动液压加载装置的构成与手动分体式加载装置类似，用电动油泵取代手动油泵，由电动机提供能源，组成电动液压加载装置。液压千斤顶电动泵第三节液压加载法一、液压加载器（俗称千斤顶）加载第三节液压加载法一、液压加载器（俗称千斤顶）加载类型：液压加载器是液压加载系统中的主要部件，由活塞、油缸和密封装置等构成。分单向作用和双向作用千斤顶。单作用式千斤顶油缸只有一个供油口，如图(a)所示。双作用式千斤顶有前后两个工作油腔及两个供油口，如图(b)所示。特点：荷载大，操作简单，可实现低周反复荷载。需反力设备，多点同步加载卸载比较困难。第三节液压加载法一、液压加载器加载液压加载试验装置液压加载器标定第三节液压加载法一、液压加载器加载第三节液压加载法二、液压加载系统加载液压加载系统主要是由储油箱、高压油泵、液压加载器、测力装置和各类阀门通过高压油管连接组成的操纵台。图液压加载系统图示特点：对大吨位、大挠度、大跨度的结构更为适用，它不受加荷点数的多少、加荷点的距离和高度的限制，并能适应均布和非均布、对称和非对称加荷的需要。为在试验室里进行大型结构构件的试验，可以将大吨位的液压千斤顶制作成专门的液压加载系统。该系统由液压操作台、液压千斤项、试验机架和管路系统组成，是集液压加载、反力机构、控制与测量于一体的比较完善的专用加载系统，如图所示的长柱结构试验机就是最典型的实例。三、大型结构试验机大吨位、高行程第三节液压加载法主要用于对结构构件进行单向负荷的压力及弯曲疲劳试验。在一定范围内产生周期性的单向脉冲动荷载，实现正弦波的动态疲劳试验。试验机由液压脉冲器、控制系统和液压加载器组成。脉冲加载器有50、100、250、500和1000kN等规格。三、大型结构试验机结构疲劳试验机第三节液压加载法脉冲频率：根据试验要求在100——500次/分范围内任意选择。四、电液伺服液压系统第三节液压加载法电液伺服阀工作原理：指令发生器发出的信号经放大后输入伺服阀，转换成大功率的液压信号，将来自液压源的液压油输入加载器，使加载器按输入信号的规律对结构施加荷载。电液伺服阀根据输入电流的极性控制液压油的流向，根据输入电流的大小控制液压油的流量，且其流量与输入电流基本成比例变化。四、电液伺服液压系统液压源（油源）控制系统电液伺服作动器(加载器)四、电液伺服液压系统第三节液压加载法•系统主要由电液伺服加载器、控制系统、液压源等三大部分组成。•电液伺服系统的工作原理是利用自动控制和液压技术相结合的电液伺服闭环系统控制试验加载。•用于模拟地震、海浪等荷载对结构的作用，进行抗震结构的静力或动力试验。。控制系统及记录显示电液伺服作动器(加载器)液压源（油源）试验结构第三节液压加载法•振动台台面与基础•运动参数：位移、速度、加速度及使用频率最大日本:（15米☓20米）三向六自由度第三节液压加载法第四节机械力加载法（1）卷扬机、绞车加载----可改变作用力的方向和拉力大小图利用卷扬机加载图示（2）螺旋千斤顶加载---加载值的大小可用测力计测定。机械力加载是利用简单的机械原理对结构试件加载，结构试验中采用的有卷扬机加载法、吊链加载法、绞车加载法、花篮螺丝加载法、机械千斤顶加载法及弹簧加载法等。（3）螺旋、弹簧加载----弹簧加载法常用于构件的持久荷载试验。第四节机械力加载法机械力加载法特点及注意事项：1.设备简单，容易实现；2.通过索具加载时，很容易改变荷载作用方向；3.工作应在线弹性范围内；4.缺点是荷载值不大，荷载作用点产生变形时，会引起荷载值的改变。第四节机械力加载法利用气体压力对结构加载有两种方式：一种是利用压缩空气加载；另一种是利用抽真空产生负压对结构构件施加荷载。由于气压加载所产生的是均布荷载，对于平板或壳体试验尤为适合。第五节气压加载法气压加载的特点和要求气压加载的特点：能真实地模拟面积大、外形复杂结构的均布受力状态；加卸载方便可靠；荷载值稳定易控；需要采用气囊或将试件制作成密封结构，试件制作工作量大；施加荷载值不能太大；构件内表面无法直接观测；气温变化易引起荷载波动。气压加载的要求：气囊或真空内腔需采用适当方法进行密封处理，接缝以及构件与基础之间须密封；基础、反力架等要有足够的强度；为防气温变化引起荷载波动，应增加恒压控制装置，使气体压力保持在允许的控制范围内。第五节气压加载法第五节惯性力加载法1、冲击力加载冲击力加载的特点：荷载作用的时间极为短促，在它的作用下被加载结构产生自由振动，适用于进行动力特性的试验。初位移加载法（张拉突缷法）：使结构变形而产生一个人为的初始强迫位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位置附近作自由振动。惯性力加载分为冲击力加载和离心力加载。张拉突卸法特点：结构自振时荷载已经不再依附在结构上，适用于刚度不大的结构，用较小的力使结构产生振动。注意：加载时在一个平面内，避免在另一个面内产生振动。利用摆锤或落重的方法使结构在瞬时内受到水平或垂直的冲击，产生一个初速度，同时使结构获得所需的冲击荷载。初速度加载法（突加荷载法）第五节惯性力加载法第五节惯性力加载法2、离心力加载离心力加载是根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。其特点：运动具有周期性，作用力的大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。由偏心质量产生的离心力：P=mωr第七节电磁加载法在磁场中通电的导体要受到与磁场方向垂直的作用力，电磁加载就是根据这个原理，在磁场中放入动圈，通以交流电，就可使固定于动圈上的顶杆等部件作往复运动，对试验对象施加荷载。组成：电磁式激振器由磁系统（励磁线圈、铁芯、磁极板）、动圈（工作线圈）、弹簧、顶杆等部件组成。1、电磁式激振器工作原理：在励磁线圈中通入稳定的直流电，使在铁芯与磁极板的空隙中形成一个强大的磁场。与此同时，由低频信号发生器输出一个交变电流，经功率放大器放大后输入工作线圈，这时工作线圈即按交流的谐振规律在磁场中运动并产生一电磁感应力，使顶杆推动试件产生振动。第七节电磁加载法2、电磁振动台电磁振动台由信号发生器、振动自动控制仪、功率放大器、电磁振动器和台面组成。第七节电磁加载法反冲击激振法是利用反冲击激振器对结构施加动荷载，也称“火箭激振”。它适用于现场结构试验，小型反冲击激振器也可用于试验室内构件试验。第八节其它加载方法1、反冲激振器加载原理：动量守恒定律特点：不依附于结构，力比较小。第八节其它加载方法2、人工爆炸加载大量炸药爆炸时，在邻近区域引起的地面运动加速度，在大小和其它方面的特征都可与天然地震时的地面运动相比拟，因此，可利用地面或地下爆炸的方法产生地面运动的瞬时动力效应，模拟某一烈度的天然地震对结构的影响。人工爆炸产生地面运动的基本特点：地面加速度的峰值随炸药量的增加面增大；峰值离爆心愈近则愈高；加速度持续时间离爆心距离愈远而愈长。要使人工爆炸接近天然地震对结构的影响，要求炸药量大，试验对象离爆心距离远。第八节其它加载方法3、人工振动加载人们可以利用自身在结构物上有规律的活动，产生足够大的人力惯性力，就有可能形成适合作共振试验的振幅。这对于自振频率比较低的大型结构来说，完全有可能被激振到足可进行量测的程度。举例：一个体重约70kg的人使其质量中心作频率为1Hz、双振幅为15cm的左右运动时，将产生大约0.2kN的惯性力。由于在1％临界阻尼的情况下共振时的动力放大系数高达50，这意味着作用于建筑物上的有效激振力大约为1