第2章建筑结构试验设计

第2章建筑结构试验设计2.1概述2.2结构试件设计2.3结构试验荷载设计2.4试验观测方案设计2.5材料力学性能试验2.6建筑结构试验大纲及其他文件2.7本章小结2.1概述建筑结构试验全过程包括：试验设计、试验准备、试验实施和试验分析等几部分。◆结构试验设计（1）定义对结构试验进行全面的设计与规划；试验计划和试验大纲对试验起着统管全局和具体指导的作用；是整个结构试验中极为重要的全局性的一项工作。（2）试验设计的主要内容（以简支梁试件为例说明）①结合试验经费与时间，进行试件设计有时还要考虑其他因素？②加载设计支承条件、加载方式、加载设备、加载制度（荷载与位移混合控制）。③观测设计荷载、挠度、裂缝、应变，等；观测点的位置；采用的仪器设备。尽可能多地测量内容。④保证试验安全和控制试验误差的措施试验过程中保证人员和仪表的安全，非实验人员不得入内。各种机械式量测仪表，如千分表、百分表，当结构进入破坏阶段时，由于变形过大或试件表面材料酥松，可能导致仪表发生松动，甚至跌落。所以当试验荷载达到极限荷载的85%左右时，可将大部分仪表拆除，留下少量起控制作用的仪表。试验中可能跌落的千斤顶、荷载分配梁，用保护绳悬吊在附近的固定点上。◆结构试验准备试件制作与安装；试验人员组织分工；仪器设备的检测与标定；材料力学性能试验。◆试验实施试验加载；试验反应观测和数据采集；试件变形、裂缝和破坏形态记录。◆试验分析试验观测和采集数据处理；结构参数识别；结构破坏机制分析；结构性能与承载力分析。2.2结构试件设计（一）模型试验缩尺模型必须满足严格的相似条件。（二）试件设计的内容及要求内容：试件形状的选择、试件尺寸与数量的确定、构造措施等；要求：满足结构受力的边界条件、试验的破坏特征、试验的加载条件。返回1、试件形状基本原则：受力条件和边界条件的模拟。例1：在进行板柱节点试验时，试件可取如图所示的形状。板柱节点试件例2：在框架试验中，有时设计成支座固接的单层单跨框架。单层单跨钢筋混凝土框架例3：剪力墙是抗震结构的重要构件，剪力墙的试件形式多种多样。无框剪力墙的墙体是一块钢筋混凝土平板。有框剪力墙分为两种：一种是与框架整体相连的钢筋混凝土板；另一种是在框架内设置钢筋混凝土剪力撑。钢筋混凝土剪力墙例4：水平荷载作用下框架结构应力分析。（图a）框架结构中的梁柱和节点试件（1）对图示A-A部位的柱脚部分试验采用试件的形状如图b所示。（2）对图示B-B部位的试验采用试件的形状如图c所示。（3）对于梁，C-C部位和D-D部位进行试验，试件设计成如图d、e的形状。（4）梁柱节点承受轴力、弯矩和剪力的作用，主要发生剪切变形，将发生剪切破坏。避免在试验过程中梁柱部分先于节点而破坏。试件可以选取图f所示得十字形试件，两侧梁柱的长度一般均取1/2梁跨和1/2柱高。边柱节点可采用T字形试件。可以采用图g所示的X形试件。2、试件尺寸试件尺寸将受到构造要求、试验设备条件、经费条件和尺寸效应等因素的影响。工程结构试验的试件可以是真型，也可以是按一定比例缩小的模型，真型的尺寸与实际结构物一样大小，而模型的尺寸应按一定的相似条件确定。下一页小尺寸试件难以满足构造上的要求。比如钢筋混凝土构件的钢筋搭接长度，节点部位箍筋加密将影响混凝土的浇捣，砌体结构的灰缝，等。试验设备条件指的是试验室的净空尺寸、吊车的起重能力、试验加载设备的加载能力，等。尺寸效应反映结构构件和材料强度随试件尺寸的改变而变化的性质。试件尺寸越小，表现出相对强度提高越大强度的离散性也越大的特征。同时小尺寸试件难以满足试件构造上的要求。（1）框架结构整体试验，框架截面尺寸大约为真型的1/4—1/2，也有做足尺框架试验的。（2）框架节点试验，节点的尺寸都比较大，一般为真型比例的1/2—1。（3）基本结构构件性能试验，压弯构件试件的截面尺寸一般为16cm×16cm—35cm×35cm，短柱试件的截面尺寸一般为15cm×15cm—50cm×50cm。双向受力构件试件的截面尺寸一般为10cm×10cm—30cm×30cm。（4）剪力墙性能试验，剪力墙尺寸一般为真型的1/10—1/3，也有进行足尺试验的。（5）砖石砌体结构试验，砌体试件尺寸一般取为真型的1/4—1/2，也有进行足尺试验的。因此，对于静力试验局部性的试件尺寸可取为真型的1/4—1，整体结构试验试件可取真型的1/10—1/4。（6）地震模拟振动台试验，模型比例一般为1/50—1/4。举例返回下一页3、试件数量（1）生产鉴定性试验：按照试验任务的要求有明确的试验对象。试件数量应执行相应结构构件质量检验评定标准。对于预制构件的质量检验和评定，按《预制混凝土构件质量检验评定标准》(GBJ321—90)进行。（2）科研性试验：其试验对象是按照研究要求而专门设计的，这类结构的试验往往是属于某一研究专题工作的一部分。特别是对于结构构件基本性能的研究，由于影响构件基本性能的参数较多，所以要根据各参数构成的因子数和水平数来决定试件数目，参数多则试件的数目也会增加。试验数量的设计方法有因子设计法、正交设计法。返回因子数：影响结构构件某种性能的因素的个数。水平数：试验中每个因素的不同取值，也称为档次数。返回①因子设计法试验数=水平数因子数由表可知，因子数和水平数稍有增加，试件的个数就极大地增多，所以因子设计法在结构试验中不常采用。返回②正交设计法正交设计法，是一种解决多因素问题的试验设计方法，它主要是应用正交表来进行整体设计和综合比较的。它科学地解决了各因子和水平数相对结合可能参与的影响，也妥善地解决了试验所需要的试件数与实际可行的试验试件数之间的矛盾。以钢筋混凝土柱剪切强度性能研究为例，用正交设计法做试件数目设计。常用的正交表有：L9(34)、L12(31×24）、L4(23)，L表示正交设计，其它数字的含义参见下式：L试验数(水平数1相应因子数×水平数2相应因子数）返回返回返回正交表的特点返回钢筋混凝土柱剪切强度的基本性能试验研究中，主要影响因素有5个：混凝土强度、配筋率、配箍率、轴向应力和剪跨比；混凝土强度等级取为C20，那么实际的影响因素（因子数）有4个，每个因子有3个水平数。见下表。根据正交表L9(34)，试件主要因子组合如下表所示。这一问题通过正交设计法进行设计，试件为9个，试验数正好等于水平数的平方。返回试件数量设计是一个多因素问题、在实践中我们应该使整个试验的数目少而精，切忌盲目追求数量；要使所设计的试件尽可能做到一件多用，即是以最少的试件、最小的人力、经费，得到最多的数据；要使通过设计所决定的试件数量，经试验得到的结果能反映试验研究的规律性，满足研究目的的要求。返回4、构造措施在试件设计中，当确定了试件形状、尺寸和数量后，在每一个具体试件的设计和制作过程中，还必须同时考虑试件安装、加载、量测的需要，在试件上作出必要的构造措施。（1）例如混凝土试件的支承点应预埋钢垫板以及在试件承受集中荷载的位置上应埋设钢板，以防止试件局部承压而破坏（如图所示）。（2）如果试件加荷面倾斜时，应作出凸缘，以保证加载设备的稳定（如图所示）。（3）在钢筋混凝土框架作恢复力特性试验时，为了框架端部侧面施加反复荷载的需要，应设置预埋构件以便与加载用的液压加载器或测力传感器联接，为保证框架柱脚部分与试验台的固接，一般均设置加大截面的基础梁（如图所示）。返回返回试件考虑施加荷载时的构造措施返回试件考虑施加荷载时的构造措施返回试件考虑施加荷载时的构造措施2.3结构试验荷载设计（一）荷载设计的一般要求（二）试验的荷载图式（三）试验加载装置（四）试验加载程序设计2.3结构试验荷载设计（一）荷载设计的一般要求（1）选用的试验荷载的图式应与结构设计计算的荷载图式所产生的内力值完全一致或极为接近；试验荷载在试件上的布置形式称为加荷图式。（2）荷载值要准确；（3）荷载传力方式和作用点明确，产生的荷载数值要稳定，特别是静力荷载要不随加载时间、外界环境和结构的变形而变化；（4）荷载分级的数值要参考相应试验结构试验方法的技术要求，同时必须满足试验量测的精度要求；（5）加载装置本身要有足够的安全性和可靠性，要满足强度要求和刚度要求。（6）加载设备的操作要方便，便于加载和卸载，并能控制加载速度，又能适应同步加载或先后不同步加载的要求；（7）试验加载方法要力求采用现代化先进技术，减轻体力劳动，提高试验质量。返回2.3结构试验荷载设计（二）试验的荷载图式一般要求加荷图式与理论计算简图相一致。但是，由于条件限制无法实现或者为了加载的方便而采用不同于计算所规定的荷载图式时，可根据试验的目的和要求．采用与计算简图等效的荷载图式。等效荷载是指加在试件上，使试件产生的内力图形与计算简图相近，使控制截面的内力值相等的荷载。看下面这个例子。返回图a所示的简支梁，要测定内力Mmax与Vmax。因受加载条件限制，无法用均布荷载施加至破坏，必须采用集中荷载。（1）采用图b二分点一集中荷载加载形式，则Vmax虽相同，但Mmax不相等；（2）采用图c、d的四分点两集中荷载、八分点四集中荷载加载方法，效果则更趋近理论要求。集中荷载点越多，结果越接近理论计算简图。返回返回等效荷载示意图返回等效荷载示意图2.3结构试验荷载设计（三）试验加载装置（1）加载装置的强度首先应满足试验最大荷载量的要求，保证有足够的安全储备，同时要考虑到结构受载后有可能使局部构件的强度有所提高。如图所示的结构。因此，在试验设计时，加载装置的承载能力必须比试验最大荷载值要大，一般要求提高70％左右。下一页（2）试验加载装置还必须有足够的刚度。例如：在混凝土应力一应变关系曲线下降段的测试试验中，加载装置刚度不足将难以获得达到极限荷载后混凝土的性能。（3）试验加载装置必须符合结构构件的受力条件，要求能模拟结构构件的边界条件和变形条件，否则就失去了受力的真实性。看下面的例子。返回例：在砖石或砌块的承重墙体水平荷载试验中，图a所示的加载装置中，施加竖向荷载的拉杆对墙体的横向变形会产生约束，对墙体的横向变形有较大的影响；而图b较好地符合墙体的实际受力情况。返回2.3结构试验荷载设计（四）试验加载程序设计荷载种类和荷载图式确定后，还要按一定的程序加载。加载程序可以有多种，根据试验的目的和要求不同而选择，一般结构试验的加载程序分预加载、标准荷载、破坏荷载三个阶段。图为一种典型的静载试验加载程序。对非破坏性试验只加至标准荷载即正常使用荷载，试验后的试件还可以使用。对破坏性试验，当加载到标准荷载后，不卸载即直接进入破坏阶段试验。下一页返回1、预加载在试验前对试件进行预加载，其目的是：（1）使试件各部分接触良好，进入正常工作状态。经过若干次预加载，使荷载与变形关系趋于稳定。（2）检查全部试验装置是否可靠。（3）检查全部测试仪器仪表是否正常工作。（4）检查全体试验人员的工作情况，使他们熟悉自己的任务和职责以保证试验工作顺利进行。预载一般分三级进行，每级取标准荷载的20％，然后分2—3级卸载。对于混凝土试件，预载值不宜超过开裂荷载值的70％。2、荷载分级荷载分级的目的：一方面是控制加荷度，另一方面是便于观察结构变形，为读取各类试验数据提供必要的时间。一般的结构试验，荷载分级为：（1）标准荷载前，每级加载值不应大于标准荷载（包含自重）的20％，分五级加至标准荷载。（2）标准荷载后，每级加载值不宜大于标准荷载的10％。（3）当荷载加至计算破坏荷载的90％后，每级应取不大于标准荷载的5％，直至试件破坏。（4）对于混凝土试件，加载至计算开裂荷载的90％后．每级取不大于标准荷载的5％，直至试件开裂，然后按（2）、（3）加载。3、荷载持续时间为了使试件在荷载作用下的变形得到充分发挥和达到基本稳定，同时观察试件在荷载作用时的各种变形，每级荷载加完后应有一定的持续时间。一般结构试验的持续时间为：(1)钢结构一般不少于10min；(2)钢筋混凝土结构不应少于15min；(3)标准荷载时不应少于30min；(4)对检验性试验，在抗裂检验荷载下宜持续10—15min；对使用阶段不允许出现裂缝的结构构件的抗裂研究性试验，在开裂荷载计算值