结构静载试验-第1、2节加载设备与支座

土木工程综合性试验讲授人：郭昭胜E-mail：[e-mail]第三章结构静载试验第三章结构静载试验结构静载试验是最常规的试验之一。静载试验中使用的仪器、仪表和设备可分为加载设备、测试元件和仪表、放大仪和记录仪等仪器设备。试验中观测的物理量为力、位移、应变、温度、裂缝宽度与分布、破坏或失稳形态等。一、静载试验加载设备二、试验装置的支座设计三、应变测试技术四、静载试验用仪器仪表五、静载试验准备与实施六、结构静载试验示例一、静载试验加载设备静载试验加载设备必须满足的6个要求：1.试验荷载的作用方式必须使被试验结构或构件产生预期的内力和变形；2.加载设备产生的荷载应能够以足够的精度进行控制和测量；3.加载设备和装置不应参与结构工作，不改变结构或构件的受力状态；4.加载设备本身应有足够的强度和刚度。5.应能方便调节和分级加（卸）载，易于控制加（卸）载速率，分级值应能满足精度要求。6、尽量采用先进技术，满足自动化的要求，减轻劳动强度，方便加载，提高试验效率和质量3.1静载试验加载设备一般有两大类方法对结构施加静力荷载。一类是利用重力加载；另一类是利用液压或机械装置加载。具体实践中有4种方法：1、重力加载2、机械加载3、液压加载4、气压加载静载试验加载方法一、重力加载法——主要用于现场荷载试验定义：利用物体本身的重量加于结构上作为荷载。砝码、混凝土立方块、水箱、铁锭、废构件、水、汽车等砂，石，砖—荷载稳定—荷载不稳定重物1.直接重力加载;2.利用杠杆进行重力加载重力加载重物加载：在建筑结构试验和检验中是最经常使用的加载方法之一，是使用容重较大的又容易获得的物质对结构或构件施加重力荷载的方法。重物加载的优点是：1.适于长期的建筑结构试验，并能保持荷载值的稳定；2.荷载重物容易获取，加载方法简单方便，经济可靠。重物加载的缺点是：1、试验劳动强度较大；2、加载精度较低；3、易受到外界温度、湿度的影响；4、易受到加载空间的限制；5、不适宜施加很大的荷载。1.直接重力加载（均布荷载，集中荷载）用重物作均匀加载1.重物2.试件3.支座4.支墩施加均布荷载：一个简单的重物堆载试验重物堆载试验实例重物堆载试验实例图３.２用吊篮－重物作集中加载施加集中荷载图３.３用水作均匀加载的试验装置1.水2.防水布3.斜撑4.试件已建或新建桥梁的多加载试验大都采用载重汽车作为重物加载。图３.４杠杆加载装置2.利用杠杆进行重力加载注明：需要一个锚固点承受向上的反力。液压加载液压加载设备是结构实验室最普遍、最理想的加载设备。液压加载设备一般由液压泵源、液压管路、控制装置和加载油缸组成。液压油泵输出压力油，经控制装置对油的压力、流量调节后输送到加载油缸、推动油缸活塞运动，对结构施加荷载。1、移动式同步液压加载装置；2、液压千斤顶；3、液压试验机；4、电液伺服液压试验系统（增加了电液伺服阀）液压加载在建筑结构试验中是理想的加载方法之一，它不但可以对建筑结构物施加静荷载，也可施加动荷载。液压加载的原理清晰，加载设备操作简单方便、安全可靠，能产生较大的荷载，而且荷载容易控制准确稳定，并能实现多点同步加载，因而是目前建筑结构试验应用最广技术先进的加载方法之一。世界上最大的结构试验机的加载能力达到30000kN,国内最大的结构试验机的加载能力达到20000kN。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.固定环液压加载器28建筑结构试验液压加载系统：组成部分♦液压加载器♦液压控制台♦反力架♦台座适用于各类结构的静载试验（包括拟静力试验）建筑结构试验液压加载系统：5M钢桁架结构静力分析试验液压千斤顶手动油泵竖向反力架支墩液压千斤顶（常用于预应力张拉）扁式液压千斤顶电液式压力试验机液压加载器和反力架组合构成了压力试验机液压万能试验机2、液压千斤顶（P21～P23）手动液压千斤顶：（P23图3-11）无需电源，适合现场结构静载试验和实验室的试验。扁式液压千斤顶：砌体结构现场试验（P23图3-12）大型结构试验机(盘式支撑试验机)长柱试验机200t拉力试验机500t拉力试验机压剪试验机液压设备油路10000kN垂向加载油缸建筑结构试验结构试验机：水平伺服跟动装置球铰及微动横梁缩紧机构探测装置垂向伺服跟动装置3000kN水平加载装置横梁升降机构1500kN水平加载装置10000kN大型多功能试验机系统（同济大学建筑结构试验室）电液伺服液压试验系统它是动载试验的主要加载设备之一，也常常用于静载验。与常规液压加载设备的最大的区别是在它的液压控制装置中采用了电液伺服阀。中文名称：电液伺服阀英文名称：electro-hydraulicservovalve定义：实现电、液信号的转换和放大并对液压执行机构进行控制的装置。电液伺服阀是电液伺服控制中的关键元件，它是一种接受模拟电信号后，相应输出调制的流量和压力的液压控制阀。通常伺服机构是指利用反馈来控制该机构中运动部件的位置或运动状态的一种闭环系统，而反馈输入来自机构的运动部件。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.反馈系统电液伺服阀主要特点是：1、将电流信号转换为阀芯的机械运动，通过阀芯的机械运动调节电液伺服阀的输出和输入流量及压力。2、系统工作时，电液伺服阀根据控制装置发送的指令（电流）信号调节输入到加载油缸的压力油的流量和压力，驱动加载油缸活塞移动，安装在加载油缸活塞上的力传感器和位移传感器，负责检测加载油缸活塞所受到的压力和当前的位置，并将检测结果（反馈信号）传送至控制装置，控制装置将指令信号和反馈信号进行比较，根据两者之差产生调节指令信号，再发送到电液伺服阀，调节加载油缸活塞的位置和压力，如此循环，直到指令信号和反馈信号之差满足控制精度要求。在电液伺服液压试验系统中，控制装置由计算机和信号处理单元组成，其中，计算机产生指令信号并对系统实施数字控制，而信号处理单元则对信号进行转换、调节、放大。电液伺服加载系统的价格较高。也可采用电液比例控制方式，控制精度稍低，但价格便宜的多。机械加载机械式加载：机械式加载方法就是利用简单的机械设备对结构施加荷载，机械式加载对建筑结构可施加集中荷载。机械加载常用机具和设备：螺旋千斤顶加载、弹簧、手动葫芦、绞盘、卷扬机、螺杆-弹簧装置。机械式加载的特点是加载机械设备简单可靠，实现加载容易，便于改变集中荷载作用方向，适于施加水平集中荷载，但机械加载能力有限，荷载值不宜过大。并需要保证加载机械有足够的安全储备。一般需要配合测力计使用。将测力计串联在绳索中，可直接测定加载值螺旋式千斤顶手动葫芦卷扬机电动绞盘安装测力计，绞车或卷扬机加载气压加载1.气压加载适合对板壳结构施加均布荷载。2.加载方式：正压加载：在平板试件和试验台之间安装气囊，由空气压缩机对气囊充气实现均匀加载，通过气压表测量所施加的荷载。最大加载能力与气囊的结构和气囊的受力状态有关，一般可达到200kN/m2。负压加载：真空泵抽出结构或构件与试验台座之间形成的气密空间的空气，使之相对大气压形成负压，也就是被试结构受到大气的压力实现气压加载，由真空度来测量被试结构所受荷载，最大加载能力为50～100kN/m2。正压加载1.螺母2.压梁3.拼合木板4.气囊5.试件6.验支座负压加载1.试验壳体2.真空表3.进气阀4.单向阀5.接真空泵6.橡胶支撑密封垫气压加载的特点1、能真实地模拟面积大、外形复杂结构的均布受力状态；2、加卸载方便可靠；3、荷载值稳定易控4、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；5、施加荷载值不能太大；6、构件内表面无法直接观测；7、气温变化易引起荷载波动。二、试验装置的支座设计3.2.1试验装置的支座设计支座的工作状况是支座与试验结构表面接触，并支承着试验结构，支座的反力作用于试验结构，支座本身由支墩支承。支墩与地面接触，是支座的支承装置。试验室使用钢制或钢筋混凝土制的支墩，支墩可以自由移动。支座的设计思路有两种：一种是：试件的支座和边界条件尽可能与实际结构一致，以使结构性能得到真实的模拟。另一种是：试件的边界条件尽可能的理想化，受力条件明确并与结构设计所采用的计算简图一致，以便于对被试验结构的力学性能进行正确的分析。研究性试验中，支座一般按后一种思路设计。按作用方式不同，支座有：（1）滚动铰支座、（2）固定铰支座、（3）球铰支座（4）刀口支座(固定铰支座的一种特定形式)。铰支座一般都用钢材制作。铰支座支承在固定铰支座上的构件可自由转动和在一个方向上移动，提供一个竖向的支座反力。固定铰支座支承在固定铰支座上的构件可自由转动，但不能移动，嵌固端支座支承在嵌固端支座上的构件，既不可自由转动，也不能移动。对铰支座的基本要求如下：1.必须保证结构在支座处能自由转动2、结构在支座处能正确地传递力。如果试件在支承处没有预埋支承钢垫板，试验时必须另加垫板。其宽度一般不得小于试件支承处的宽度，支承垫板的长度2L可按下式计算：3.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：4.滚轴长度，一般取等于试件支承处截面宽度b。5.滚轴强度的要求。并按下式进行强度验算表1.1滚轴直径选用表对于不同的结构形式，要求有不同的支座形式，具体如下。(1)简支梁和连续梁支座这类试件一般一端为固定铰支座，其他为滚动支座。安装时各支座轴线应彼此平行并垂直于试件的纵轴线，各支座间的距离取为试件的计算跨度。当需要模拟梁的嵌固端支座时，在试验室内可利用试验台座用拉杆描固，如下图所示。只要保证支座与拉杆间的嵌固长度，即可满足试验要求。1.荷载2.荷载传感器3.垫块4.垫块5.支墩6.承载台7.试件8.垫块9.支座10.垫块11.分配梁受弯构件试验装置示意图活动铰支座实例(2)四角支承板和四边支承板的支座在配置四角支承板支座时应安放一个固定滚珠；对于四边支承扳，滚珠间距不宜过大，宜取板在支承处厚度的3～5倍。此外，对于四边简支板的支座应注意四个角部的处理。当四边支承板无边梁时，加载后四角会翘起。因此，角部应安置能受拉的支座。板、壳支座的布置方式图所示。1-滚轴；2-钢球；3-试件；4-固定球铰板壳结构的支座布置方式(3)受扭试件两端的支座对于梁式受扭构件试验，为保证试件在受扭平面内自由转动，支座形式可如所示。试件两端架设在两个能自由转动的支座上，支座转动中心应与试件转动中心相重合。两支座的转动平面应相互平行，并应与试件的切轴相垂直。(4)受压试件两端的支座在进行柱与压杆试验时，试件两端应分别设置球形支座或双层正交刀口支座。球铰中心应与加载点重合，双层刀口的支点应落在加载点上。受压构件（柱或墙）试验装置示意图1.荷载2.垫块3.荷载传感器4.支座5.试件6.承载台目前试验柱的对中方法有两种，即几何对中法和物理对中法。从理论上讲，物理对中法比较好，但实际上不可能做到整个试验过程中永远处于物理对中状态。因此，较实用的办法是，以柱控制截面处(一般等截面栓为柱高度的中点)的形心线作为对中线，或计算出试验时的偏心距，按偏心线对中。进行柱或压杆偏心受压试验时，对于刀口支座，可以用调节螺丝调整刀口与试件几何中线的距离，以满足不同偏心矩的要求。（二）固定边界条件的实现固定边界条件是指构件的端部不发生转动和移动，可以传递弯矩和剪力。四连杆机构螺栓连接（地脚螺栓）3.2.2试验装置的反力装置1、竖向反力装置（1）荷载架；（2）试验台座；（3）加载器（千斤顶）与荷载架连接件。2、水平反力装置（1）反力墙（反力架）（2）加载器（千斤顶）与反力墙连接1、竖向反力装置（1）荷载架；（2）试验台座1、试验台座台座设计时在其纵向和横向均应按各种试验组合可能产生的最不利受力情况进行验算与配筋，以保证具有足够的强度和整体刚度。用于动力试验的台座还应有足够的质量和耐疲劳强度，防止引起共振和疲劳破坏，尤其要注意局部预埋件和焊缝的疲劳破坏。目前国内外常见的试验台座，按结构构造不同可分为以下几种形式，分