搜索
第二章土木工程结构试验设计2.1土木工程结构试验的一般过程2.2土木工程结构试验的试件设计2.3试验荷载方案设计2.4结构试验观测方案设计2.5结构试验与材料力学性能的关系2.6试验大纲及其他文件•讨论：•1、结构试验包括哪些主要环节？•2、结构试验设计的定义为？•3、生产性试验的试件数目的确定原则是什么？•4、采用什么方法确定多因素科研试验的试件参数？•5、简述模型设计中主要的相似要求。•6、确定相似条件的方法有哪两种，试对比分析。•7、试列出不考虑自重荷载的静力试验模型的相似条件。•8、阐述结构试验荷载的分类。•9、何谓结构试验的加载制度。•10、简述试验测点选择与布置的原则。•任务：参照一些成熟的实验，设计并讲解一个完整试验。2.1土木工程结构试验的一般过程土木工程结构试验包括结构试验设计、试验准备、试验实施和试验分析等主要环节，每个环节的工作内容和它们之间的关系如下图所示：结构试验目的结构试验设计结构试验准备结构试验实施结构试验分析结构试验结论试验总结报告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件制作与安装试验人员组织分工仪器设备的检验与率定材料力学性能试验试件设计试验荷载设计试验观测设计试验误差控制措施试验安全措施调查研究、搜集有关资料确定试验的性质与规模设计试件的形状和尺寸确定试件的数量设计构造措施确定试验荷载图示设计试验加载装置选择试验方法及设备设计试验加载制度确定试验观测项目确定测点布置位置与数目选择测试仪器与设备•以简支梁试件设计为对象说明试验设计的主要内容：•(1)试件设计•确定试验参数，结合试验经费与时间，进行试件设计。•如适筋梁试验：强剪弱弯原则、板的抗剪问题、梁截面尺寸的确定、经济配筋率问题。•(2)加载设计。•支承条件、加载方式（等弯矩段）、加载设备、加载制度（荷载与位移混合控制）。•(3)观测设计。•P-Δ、挠度、裂缝、应变、曲率等。尽可能多地测量内容，充分利用试验。2.1.1概述土木工程结构试验设计是整个试验中极为重要的并且带有全局性的一项工作，它的主要内容是对所要进行的结构试验工作进行全面的设计与规划，从而使设计的计划与试验大纲能对整个试验起着统管全局和具体指导作用。•2.1.2土木工程结构试验准备•工程结构试验准备工作十分繁琐，不仅牵涉面广，而且工作量很大，一般准备工作约占全部试验工作量的1/2～1/3以上，试验准备阶段的工作质量直接影响到试验结果的准确程度，有时还关系到试验能否进行到底。试验准备阶段的主要工作有：1．试件的制作。2．试件质量检查。3．试件安装就位。4．安装加载设备。5．仪器仪表的率定。6．作辅助试验。7．仪表安装，连线试调。8．记录表格的设计准备。9．算出各加载阶段试验结构特征部位的内力及变形值．以备在试验时判断及控制。10．在淮备工作阶段和试验阶段应每天记工作日志。2.1.3土木工程结构试验实施1.加载试验。加载试验是整个试验过程的中心环节，应按规定的加载程序和量测顺序进行。参加试验的每个工作人员应各就各位，各尽其职，做好本岗工作。重要的量测数据应在试验过程中随时整理分析并与事先估算的数值比较，发现有反常情况时应查明原因或故障，把问题弄清楚后才能继续加载。2.试验资料整理。试验资料的整理是将所有的原始资料整理完善，其中特别要注意的是试验量测数据记录和记录曲线，都作为原始数据经负责记录人员签名后，不得随便涂改。经过处理后得到的数据不能和原始数据列在同一表格内。2.1.4土木工程结构试验数据处理与分析1．试验数据处理。因为从各个仪表获得和量测的数据和记录曲线一般不能直接解答试验任务所提出的问题，它们只是试验的原始数据，需对原始数据进行科学的运算处理才能得出试验结果。2．试验结果分析。试验结果分析的内容是分析通过试验得出了哪些规律性的东西，揭示了哪些物理现象。最后，应对试验得出的规律和一些重要的现象做出解释，分析它们的影响因素，将试验结果和理论值进行比较，分析产生差异的原因，并做出结论，写出试验总结报告。总结报告中应提出试验中发现的新问题及进一步的研究计划。2.2土木工程结构试验的试件设计试件设计应包括:试件形状选择试件尺寸与数量试件构造措施等2.2.1试件的形状试件设计的基本要求，是构造一个与实际受力相一致的应力状态，当从整体结构中取出部分构件单独进行试验时，特别是对在比较复杂的超静定体系中的构件，必须要注意其边界条件的模拟，使其能反映该部分结构构件的实际工作状态。框架结构中梁柱和节点试件形状(a)(b)(c)(f)(g)(d)(e)(h)(i)•2.2.2试件尺寸•工程结构试验所用试件的尺寸和大小，总体上分为原型和模型两类。•生产鉴定性试验中的试件一般为实际工程中的构件，即原型构件，如屋面板、吊车梁等。•基本构件性能研究的试件大部分采用缩小比例尺的小构件，压弯构件的截面为(16cm×16cm)～(35cm×35cm)，矩形柱(偏压剪)为(15cm×15cm)～(50cm×50cm)，双向受力构件为(10cm×l0cm)～(30cm×30cm)。剪力墙单层墙体试件的外形尺寸为(80cm×100cm)～(178cm×274cm)，多层的剪力墙为原型的1/10～1/3。砖石及砌块的砌体试件一般取为真型的1/4～1/2。国内曾进行过多幢砖石和砌块多层房屋结构的足尺房屋实验。框架试件截面尺寸为原型的1/4～1/2。框架节点一般为原型的1/2～1，做足尺模型试验一般要求反映有关节点的配筋与构造特性，国内曾先后进行过装配式混凝土和空心混凝土大板结构的足尺房屋试验。实践证明，试件尺寸将受到尺寸效应、构造要求、试验设备和经费条件等因素的制约。2.2.3试件数目在进行试件设计时，试件数目即试验量的设计是一个不可忽视的重要问题，因为试验量的大小直接关系到能否满足试验的目的、任务以及整个试验的工作量问题，同时也受试验研究、经费和时间的限制。生产性试验：按试验任务的要求来确定试件数量。科研性试验：(1)单因素根据因素的水平数来确定试件数量；(2)多因素采用正交试验设计法来进行试验设计并对试验结果进行科学分析。多因素试验存在的问题：(1)全面试验的次数（试件数量）与实际可行的试验次数之间的矛盾。n个因素，m个水平，则全面试验次数mn。(2)实际所做的少数试验与全面掌握内在规律的要求之间的矛盾。2.2.3试件数目试验数量的设计方法有4种，这4种方法是四门独立的学科。优选设计法因子设计法正交设计法均匀设计法1.优选设计法针对不同的试验内容，利用数学原理合理地安排试验点，用步步逼近，层层选优的方式以求迅速找到最佳试验点的试验方法叫优选法。单因素问题设计方法中的0.618法是优选法的典型代表。优选法对单因素问题试验数量设计的优势最为显著，其多因素问题设计方法已被其他方法所代替。1.优选设计法做馒头，碱放少了馒头会酸，碱放多了馒头会变黄、变绿且带有碱味，碱放多少才合适呢？这是一个优选问题；为了加强钢的强度，要在钢中加入碳，加入太多太少都不好，究竟加入多少碳，钢才能达到最高强度呢？这也是一个优选问题．在日常生活中和生产中，我们常常会遇到优选问题。可见，碱的多少与馒头好坏之间的关系，碳的多少与钢的强度之间的关系，如果不能简单地用数学式子表示出来，那么，应该如何解决呢？我们不妨观察一下炊事员蒸馒头的过程：这次碱放多了，下次放少一点，下次碱放少了，再下次放多一点，以此类推，试验效果一次比一次好，最终获得碱的合适加入量，做出好馒头太妙了！炊事员给了我们一个启示：用试验的办法来解决！1.优选设计法解答一个优选问题，往往需做若干次试验．安排这些试验的方法，选择时必须讲究科学．例如，对钢中加入多少碳的优选问题，假设已估计出每吨加入量在1000克、1002克、…为试验点，共需做一千次试验．若按一天做一次试验计算，则需花将近三年的时间才能完成，太费时了！这种安排方法显然不可取，有更科学的安排方法吗？能否减少次数，迅速找到最佳点呢？为此，数学家们设计了运用数学原理科学地安排试验的方法，这就是人们所说的“优选法”．数学大师华罗庚（1910年～1985年）从1964年起，走遍大江南北的二十几个省（市），推广优选法，他在单位因素优选问题中，用得最多的是0.618法。0.618法是根据黄金分割原理设计的，所以又称之为黄金分割法．1.优选设计法用0.618法来安排上述的优选碳的加入量的试验：①第一个试验点：0.618法确定第一个试验点是在试验范围的0.618处，这点的加入量可由下面公式算出：第一点=(大-小)×0.618+小。=(2000-1000)×0.618+1000=1618（克）②第二次试验点：在第一点的对称点处做第二次试验，这一点的加入量可用下面公式计算（此后各次试验点的加入量也按下面公式计算）：第二点=大-中+小=2000-1618+1000=1382（克）。如下图：1.优选设计法③第三次试验点：比较两次试验结果，如果第二点比第一点好，则去掉1618克以上的部分；如果第一点较好，则去掉1382克以下部分。假定试验结果第二点较好，那么去掉1618克以上的部分，在留下部分找出第二点的对称点做第三次试验．第三点=1618-1382+1000=1236（克）。图下图1.优选设计法④第四次试验点：再将第三次试验结果与第二点比较，如果仍然是第二点好些，则去掉1236克以下的部分，如果第三点好些，则去掉1382克以上的部分。假设试验结果是第二点较好，那么在留下部分找出第二点的对称点做第四次试验．第四点=1618-1382+1236=1472（克）。图下图1.优选设计法第四次试验后，再与第二次比较，并取舍，在留下部分用同样方法继续试验，直到找到最佳点为止。一次又一次试验，一次又一次比较取舍，从第二次试验起，每次能去掉相应范围的382/1000，试验范围逐步缩小，最佳点逐步接近，因此，0.618法能以较少的试验次数，迅速找到最佳点．不少工厂在配比配方、工艺操作条件等方面，用0.618法解决了优选问题，从而提高了质量，增加了产量，降低了消耗，取得了很好的经济效益。例如，粮食加工通过优选加工工艺，一般可以提高出米率1～3。2.因子设计法因子是对试验研究内容有影响的发生着变化的因素，因子数则为可变化因素的个数，水平即为因子可改变的试验档次，水平数则为档次数。因子设计法又叫全面试验法或全因子设计法，试验数量等于以水平数为底，以因子数为次方的幂函数，即试验数＝水平数因子数2.因子设计法因子设计法试验数的设计值见下表。因子数水平数234512345249162538276412541681256625532243102431253.正交设计法试验工作者在试验设计中经常采用一种解决多因素问题的试验设计方法——正交试验设计法，它主要是将参数组合与试验结果合并在一起考虑、应用均衡分散、整齐可比的正交理论编制的正交表来进行整体设计和综合比较的。均衡分散：试验点在试验范围内散布均匀整齐可比：试验点在试验范围内排列规律整齐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，即解决了实际所作小量试验与要求全面掌握内在规律之间的矛盾。现仍以钢筋混凝土柱剪切强度基本性能研究问题为例，用正交试验法做试件数目设计。如果同前面所述主要影响因素为5，而混凝土只用一种强度等级C20，这样实际因子数只为4，当每个因子各有3个档次，即水平数为3。详见下表：主要分析因子因子档次数代号因子名称123A钢筋配筋率0.40.81.2B配箍率0.20.330.5C轴向应力2060100D剪跨比234E混凝土强度等级C2013.5MPa钢筋混凝土柱剪切强度试验分析因子与水平数钢筋混凝土柱受剪承载力试验分析因子与水平数L9(34)，试件主要因子组合如下表试件数量ABCDE配筋率配箍率轴向应力剪跨比混凝土强度1230.40.40.40.20.330.52060100234C20C20C204560.80.80.80.20.330.520