搜索
第4章结构动载试验4.1概述各种类型的工程结构，在实际使用过程中除了承受静荷载作用外，常常还要受各种动荷载作用。如地震作用、风振动作用、大型机械设备运转产生的振动和冲击作用、核爆炸等产生的瞬时冲击作用等，因此，需要研究这些动荷载对工程结构的影响，以达到在结构设计时消除或减小动荷载不利影响的目的。一、振动振动是一种自然现象。不利的振动：汽车、火车驶过桥梁，引起桥梁的振动，飞机飞行过程中，遇到气流的变化，机翼和机身也会产生较剧烈的振动。有利的振动：声音是物体振动时产生的；风、地震、爆炸、撞击，动荷载（移动的车过桥梁的振动）均可对敏感结构形成破坏,危害相当巨大。天津旭日化工厂高26米的水塔研究振动的目的就是消除或减少不利的振动，合理利用振动效应为我们服务。二、动载试验的作用1.结构抗震性能评价2.工业厂房机械设备振动对结构、构件或精密仪表和精密机床的影响3.高层结构、高耸构筑物、道路桥梁、堤坝的风荷载或移动荷载4.建筑物抗爆和振动（见图4.1和4.2）三峡工程三期围堰爆破试验场景图在24个深13.5米、直径105毫米的地孔内填充3吨炸药，爆破方量5000方。此次是为了检测现场混装乳化炸药车的性能和数码雷管的网络连接技术以及混合炸药的装填、联网、起爆等生产程序的全过程,为后期围堰爆破拆除打下基础。模型进行地震模拟振动台试验图二、动载试验的几种情况1.结构物在实际使用时的振动水平（频率、振幅）及性状；如：动力机械作用下厂房结构的振动；移动荷载作用下桥梁的振动；地震时建筑结构的振动；2.激振后，结构或模型的振动特性；如：地震振动台、正弦激振、随机自然激振3.结构构件的疲劳试验，疲劳试验机。注：结构中遇到的动载有两类：振动荷载与移动荷载。地震模拟器图框架结构结构动载试验的分类：1、爆炸或冲击荷载试验2、结构抗震试验：1）低周反复荷载试验2）结构拟动力试验3）地震模拟振动台试验3、结构疲劳试验4、结构振动试验：风洞试验动载试验和静载试验的不同之处：1、在动载试验中，施加在结构上的荷载随着时间连续变化。2、结构在动荷载作用下的反应与结构自身的动力特性密切相关。3、动力条件下，结构的承载能力和使用性能的要求发生变化。4、冲击和爆炸作用下，结构在很短的时间内达到其极限承载能力。4.2动载试验的仪器仪表一、动态信号测试基本概念量测动态信号的基本原理与量测静态信号的基本原理有相同之处。图4.5动态信号量测系统组成二、结构动载试验中的传感器图4.6测振传感器力学原理（1）冲击力加载图4.7用张拉突卸法对结构施加冲击力荷载1.结构物2.钢拉杆3.保护索4.钢丝绳5.绞车6.实验模型7.钢丝8.滑轮9.支架10.重物11.减振垫层三、结构动载试验的加载设备与方法1.惯性冲击力加载（2）离心力加载图3.6机械式激振器的原理图（3）直线位移惯性力加载图3.7直线位移惯性力加载系统图3.8电磁振动台组成系统图1.信号发生器2.自动控制仪3.功率放大器4.电磁激振器5.振动台台面6.测振传感器7.记录系统8.试件9.台坐2、电磁加载电磁式振动台4.3结构振动测试结构动力特性是结构固有的特性，包括固有频率、阻尼、振型。它们只与结构的质量、刚度和材料有关。结构振动测试的目的是：1、通过振动测试，掌握结构的动力特性，为结构动力分析和结构动力设计提供试验依据。2、通过结构振动测试，掌握作用在结构上的动荷载特性。3、采用结构振动信号对已建结构进行损伤诊断和健康监控。一、方法1.自由振动法2.强迫振动法3.随机荷载激振法图3.9有阻尼自由振动衰减曲线图3.10结构受强迫振动时的共振曲线04.11.22晚23时至23日6时,华科大工程结构检测中心人员对海南省海口和平桥进行了一次全方位“体检”—动静载试验。动载试验含脉动、跑车、刹车、跳车4项内容。刹车试验中,试验车辆在通过桥一定断面时突然刹车,通过此方式来采集当时桥梁反应,包括桥梁上、下部结构的反应。试验前技术员已在桥底设置100多个传感器和应变计。桥上中间一侧的人行道上,密密麻麻布满了连着桥底感应器和应变计的一些黑色线。实验车队排成一条长龙图3.11有阻尼自由振动波形图图3.12无零线的有阻尼自由振动波形图图3.13动力系数曲线图4.4结构抗震试验一、周期性动力荷载试验的加载制度1.强迫振动共振加载。2.有控制的逐级动力反应测试试验。二、非周期性动力荷载试验的加载设计1.地震模拟振动台动力反应测试试验的荷载设计。2.人工地震模拟动力荷载测试试验的荷载设计。3.对于天然地震，则是在频繁发生地震的地区等待天然地震对结构的动力影响。三、强震观测地震发生时，用仪器观测地面运动的过程和建筑物的动力反应。结构物在强震过程中的振动记录。自动触发启动，蓄电池供电【美国洛衫矶】凡新建六层以上、面积超过6000平方英尺的建筑物必须设置强震仪3台。【杨浦大桥和金茂大厦】已安装了强震记录网络，仅金茂就安装了6台。上海计划在十五期间普及更多，通过立法，达到10层以上的建筑都安装。【浦东机场深井群】安放了深度不同的地震记录仪,最浅30米,最深300多米,其他还有50米、100多米及200多米,这些井群可测量到不同深度接收到的不同地震波强度。表4.1伪静力试验与拟动力试验的比较(1)伪静力试验和拟动力试验四、伪静力试验与拟动力试验的加载制度为了求得结构抗震基本性能，评定结构抗震能力而做的试验。(2)伪静力试验(亦称低周反复荷载试验)加载方法a)控制位移加载法：变幅加载；等幅加载；混合加载图3.14单向控制位移的图3.15单向控制位移的等变幅加载制度幅加载制度图3.16控制位移的变幅等幅混合加载制度图3.17一种专门设计的变幅等幅混合加载制度b)控制作用力加载法注明：力控制加载是在加载过程中，以力作为控制值，按照一定的力幅值进行循环加载。因为时间屈服后难以控制加载的力，所以这种加载制度较少单独使用。图3.18控制作用力的加载方案c)控制作用力和控制位移的混合加载法试验装置图3.19几种典型的伪静力试验加载装置图3.20几种典型的伪静力试验加载装置(3)拟动力试验加载方法图3.21计算机数值分析控制试验加载（联机试验系统原理图）3.5结构疲劳试验结构物或构件在重复荷载作用下，达到破坏时的应力比其静力强度要低得多。这种现象称为疲劳。试验目的：了解重复荷载作用下，结构的性能及其变化规律。图3.22疲劳应力与荷载次数关系图一、疲劳测试项目1鉴定性试验①抗裂性及开裂荷载②裂缝宽度及发展③最大挠度及其变化幅度④疲劳强度2科研性疲劳试验①各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律②抗裂性及开裂荷载③裂缝宽度、长度、间距及发展④最大挠度及其变化规律⑤疲劳强度的确定⑥破坏特征分析二、疲劳测试荷载1.疲劳测试荷载取值上限荷载：最大标准荷载最不利组合下产生的弯距计算下限荷载：根据疲劳试验设备的要求而定。国内多采用等幅匀速荷载图3.23等幅匀速荷载2.疲劳测试的荷载频率荷载频率影响材料的塑性变形和徐变，频率过高对试验设施有影响，使构件在实际工作时受力状态一致，构件与荷载架不能发生共振。荷载频率θ与结构固有频率ω之比应满足：3.疲劳循环次数经受所确定控制次数的疲劳荷载作用后，其抗裂性、刚度、强度等必须满足规范中有关规定。中级制吊车梁重级制吊车梁图3.24疲劳测试步骤示意三、疲劳测试程序1.加载程序可归纳为两种；①为求得疲劳极限而对构件从头到尾施加重复荷载；②静荷载与疲劳荷载交替施加。2.疲劳试验过程中要进行的四种形式试验（1）预加载：预加载值为最大荷载的20%，以消除支座等连接件之间的不良接触，检查仪器工作是否正常。（2）静载试验：静载试验的最大荷载按正常使用的最不利组合选取。试验方法按结构静载试验各章介绍的方法进行，观测项目可适当简化。在正常情况下，如果出现裂缝，应与静载试验一样描述裂缝开裂情况。（3）疲劳试验：首先调整最大、最小荷载，待稳定后开始记数，直到需做静载试验的次数。在运行过程中，需要做动态挠度与动应变测量。（4）破坏试验：构件在达到要求的疲劳次数后，一般需做破坏试验。这时加载情况有两种：第一种加载情况是继续做疲劳试验直至破坏，构件出现疲劳极限标志，得出疲劳荷载的极限次数，这需要很长时间，甚至构件不能破坏；第二种是做静载破坏试验，得到疲劳后的承载力极限荷载。3．受弯构件的疲劳破坏标志（1）正截面疲劳破坏标志：纵向主筋疲劳断裂，这是当配筋率正常或较底时可能发生的；受压区混凝土疲劳破坏，这是当配筋率过高或倒T形截面时可能发生的。（2）斜截面疲劳破坏标志：与临界斜裂缝相交的腹筋疲劳断裂，这是当腹筋配筋率正常或较低时可能发生的；混凝土剪压疲劳破坏，这是当腹筋配筋率很高时可能发生的；与临界斜裂缝相交的主筋疲劳断裂，这是当纵向配筋率较底时可能发生的。（3）钢筋与混凝土锚固疲劳破坏：这种情况常发生在采用热处理钢筋、冷拔低碳钢丝、钢绞线配筋的预应力混凝土结构中。第5章结构动载试验5.1概述应用：评定结构构件的质量。诊断已建结构构件的承载能力和耐久性，评定已建结构的可靠度等级和估算剩余寿命。加强施工管理，控制饰工进度。一、混凝土强度的非破损检测技术回弹法超声法回弹超声综合法钻芯法拔出法局部破损检测技术非破损检测技术5.2混凝土结构的非破损检测技术回弹法1、回弹法的基本原理：定义：采用回弹仪弹击混凝土表面，测量混凝土的表面硬度（用回弹值表示）来推算其抗压强度。原理：利用弹性模量和强度之间的相关性。回弹法测定混凝土强度均采用试验归纳法，建立混凝土强度与回弹值R之间的一元回归公式，或建立混凝土强度与回弹值R及主要影响因素（如混凝土表面的碳化深度d)之间的二元回归公式。回弹法适合于龄期为14～1000d，抗压强度为10～60MPa的混凝土强度的检测。回弹仪构造图图5.1回弹仪构造图1-试验构件表面；2-弹击杆；3-拉力弹簧；4-套筒；5-重锤；6-指针；7-刻度尺；8-导杆；9-压力弹簧；10-调整螺丝；11-按钮；12-挂钩回弹值%`100LLN混凝土强度ccufmCdBmccuARf10式中：——弹击弹簧的初始拉伸长度；——重锤反弹位置或重锤回弹时弹簧的拉伸长度。`LL式中：——某测区混凝上的强度换算值；——该区平均回弹值；——该区平均碳化深度；A，B，C——常数项，按原材料条件等因宝不同而变化。ccufmdmR回弹法2、检测技术•单个检测：适用于单个结构或构件的检测；•批量检测：适用于在相同的生产工艺条件下，强度等级相同，原材料、配合比、条件养护基本一致且龄期相近的同类结构或构件。按批进行检测的构件，抽检数量不得少于同批构件总数的30％且构件数不得少于10件。此外，抽检构件时，应严格遵守“随机”抽样的原则，并使所选构件具有代表性。回弹法测区布置：测区数量：每一结构或构件其测区数量应不少于10个，对于某一方向尺寸小于4.5m且另一方向尺寸小于0.3m的构件，其测区数量可适当减少，但不应少于5个。测区的大小不宜大于0.04m2，一般取为4X4的网格，网格大小为50mmX50mm。测区间距：相邻两测区的间距应控制在2m以内，测区离构件端部或施工缝边缘的距离不宜大于0.5m，且不宜小于0.2m.2、检测技术回弹法测区布置测区位置：测区应优先考虑布置在混凝土浇筑的侧面。不能满足时，则可选在混凝土浇筑的表面或底面。测区宜选在构件的两个对称可测面上，也可选在一个可测面上，且应均匀分布。在结构或构件的受力部位、薄弱部位以及容易产生缺陷的部位，必须布置测区，并应避开预埋件。测区表面：测区表面应清洁、平整、干燥，不应有接缝、饰面层、粉刷层、浮浆、油垢和蜂窝麻面等。必要时可采用砂轮清除疏松层和杂物，且不应有残留的粉末或碎屑。2、检测技术回弹法回弹值测量:检测时，回弹仪应始终垂直于结构或构件的混凝土检测面，缓慢施压，准确读数，快速复位。测点在测区内均匀布置，测点间距不宜小于20mm。测点距外露钢筋、预埋件的距离不小于30mm。测点不应在气孔或外露石子上，同一测点只允许弹击一次。每一测区应记取16