結(jié)構(gòu)模型試驗

1、關(guān)于量綱分析法的若干說明n對某一問題用量綱分析法求相似判據(jù)時，要正確認定哪些物理量與研究問題有關(guān)，并在量綱分析時將它們都考慮到；n對一個復(fù)雜的物理問題，必須進行深入的研究，有比較正確的了解，才能進行量綱分析；n對物理方程未知的物理現(xiàn)象，量綱分析是求得相似判據(jù)的唯一方法；n量綱分析法沒有考慮物理現(xiàn)象的單值條件，由判據(jù)方程得出的相似條件是使現(xiàn)象相似的必要條件。相似第三定理n兩個現(xiàn)象相似的必要和充分條件在幾何相似系統(tǒng)中，如兩現(xiàn)象由文字結(jié)構(gòu)相同的物理方程描述，它們的單值條件相似，單值量對應(yīng)成比例，且單值量的判據(jù)相等，則兩現(xiàn)象相似。n所謂單值條件是在同一類的一群現(xiàn)象中，把一個具體現(xiàn)象區(qū)分出來的那些條件（

2、幾何性質(zhì)、初始狀態(tài)、邊界條件、重要的物理參數(shù)）。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計n模型的分類1.彈性模型試驗?zāi)康墨@得原型結(jié)構(gòu)在彈性階段的資料2.強度模型試驗?zāi)康氖穷A(yù)計原型結(jié)構(gòu)的極限強度以及在各級荷載直到破壞荷載時的性能彈性模型n用以驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的正確性，為設(shè)計提供某些參數(shù)n模型材料不一定與原型完全相似n不能預(yù)計原型結(jié)構(gòu)在荷載作用下的非線性性能（混凝土開裂、鋼筋屈服后的性能）強度模型n較多用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非彈性性能研究n試驗的成功與否取決于模型材料與原型材料的相似程度n對于小比例模型只能做到不完全相似（材料相似難以滿足）相似常數(shù)的確定n先確定SL，然后確定SE和S ，再確定其它相似常數(shù)。n靜力彈性模型先確

3、定SL和SE，其它常數(shù)是SL和SE的函數(shù)，或等于1。n強度模型對材料相似要求嚴(yán)格（-曲線）n動力模型要求考慮材料密度相似和時間相似，對模型材料的E和要求嚴(yán)格，在Sg =1時， Em p(要求采用附加質(zhì)量的方法解決材料密度相似）模型設(shè)計步驟1.根據(jù)任務(wù)明確試驗的具體目的，選擇模型的類型2.在對研究對象進行理論分析和初步估算的基礎(chǔ)上，用方程式分析法或量綱分析法確定相似判據(jù)（）3.假定模型的幾何尺寸，定出相似常數(shù)SL4.根據(jù)相似判據(jù)確定各有關(guān)的相似常數(shù)5.設(shè)計繪制模型施工圖結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ蚽結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨埔髇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨苙磚石結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨旗o力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨埔?/p>

4、n物理條件相似要求模型與原型的相應(yīng)各點應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系相同（法向應(yīng)力、彈性模量、法向應(yīng)變、剪應(yīng)力、剪切彈性模量、剪切應(yīng)變、泊松比）n幾何條件相似要求模型與原型各相應(yīng)部位的長度互成比例（長度、位移、應(yīng)變）n邊界條件相似要求模型與原型在與外界接觸的區(qū)域內(nèi)的各種條件保持相似靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨浦笜?biāo)n根據(jù)物理相似n根據(jù)幾何相似1SSSE1SSSG1S1SSSlx1lEKSSS1lGKSSS靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨浦笜?biāo)n根據(jù)邊界條件相似集中力或剪力線荷載面荷載彎矩或扭矩12lPSSS1lwSSS1SSq13lMSSS鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨苙受集中荷載的受彎構(gòu)件1.模型應(yīng)力與原型應(yīng)力相等 荷載 彎矩

5、 剪力 撓度pmplmPSP2plmMSM3plmVSV2pmplmfEESf鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨苙受集中荷載的受彎構(gòu)件2. 模型撓度與原型撓度相等 荷載 彎矩 剪力 應(yīng)力pmffplpmmPSEEP plpmmMSEEM2plpmmVSEEV plpmmSEE1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨苙結(jié)構(gòu)自重影響1.模型應(yīng)力與原型應(yīng)力相等 則 因為 所以模型材料密度必須比原型高，這是模型試驗中的困難，可采用增加恒載的方法來補足密度。 pmplmS11lS鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨苙結(jié)構(gòu)自重影響2.模型采用與原型相同的材料 則 因為 所以模型中的應(yīng)力和撓度比原型小得多，要求提高測量

6、精度。 pmplmS1lSpmEE plmfSf2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨苙材料的相似關(guān)系 當(dāng)模型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在所有的應(yīng)力-應(yīng)變水平上都相似于原型材料時 pppmmmESSSSEpmSSSSEpmS鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨苙受集中荷載的受彎構(gòu)件 應(yīng)力 荷載 彎矩 剪力 撓度pmSplmPSSP2plmMSSM3plmVSSV2plmfSSSf鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨苙理想的鋼筋混凝土模型材料應(yīng)具有相似的-曲線，并在極限強度下的變形c、s相等n上述情況很難滿足，除非即模型與原型采用完全相同的材料SSScsEE1SSScsEE鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨苙討論

7、的情況 （鋼筋和混凝土粘結(jié)良好，變形協(xié)調(diào)，應(yīng)變相等）混凝土鋼筋SSEESspsmsEcpcmScpcmSspEspspsmsmsSSEESspsmSsplspsmsplsmASSSAEESSSAs221鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨苙在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，只有當(dāng)模型與原型采用相同強度和變形的材料時，才能滿足應(yīng)力應(yīng)變曲線的相似。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力模型的相似常數(shù)類型物理量量綱一般模型實用模型材料性能混凝土應(yīng)力cFL-2S1混凝土應(yīng)變c-11混凝土彈性模量EcFL-2S1泊松比c-11質(zhì)量密度cFL-4T2S/Sl1/Sl鋼筋應(yīng)力sFL-2S1鋼筋應(yīng)變s-11鋼筋彈性模量EsFL-2S1粘結(jié)應(yīng)力uF

8、L-2S1幾何特性幾何尺寸lLSlSl線位移LSlSl角位移-11鋼筋面積A sL2Sl2Sl2荷載集中荷載PFS Sl2Sl2線荷載wFL-1SSlSl面荷載qFL-2S1力矩MFLS Sl3Sl3磚石結(jié)構(gòu)靜力模型的相似n對于磚石結(jié)構(gòu)，由于它是由磚石和砂漿兩種材料組成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此制作模型時在所有細節(jié)上都要按比例縮小，給制作帶來困難。n由于要求模型砌體具有與原型相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，實用的途徑是采用與原型相同的材料。磚石結(jié)構(gòu)靜力模型的相似常數(shù)類型物理量量綱一般模型實用模型材料性能砌體應(yīng)力mFL-2S1砌體應(yīng)變m-11砌體彈性模量EmFL-2S1砌體泊松比m-11砌體質(zhì)量密度mFL-4T

9、2S/Sl1/Sl幾何特性幾何尺寸lLSlSl線位移LSlSl角位移-11面積AL2Sl2Sl2荷載集中荷載PFS Sl2Sl2線荷載wFL-1SSlSl面荷載qFL-2S1力矩MFLS Sl3Sl3結(jié)構(gòu)動力試驗?zāi)Ｐ蚽動力模型的相似要求n動力模型相似條件的討論動力模型的相似要求n動力模型試驗除滿足靜力模型的三個條件外，還要滿足下列條件：1.質(zhì)點動力平衡方程式相似2.運動的初始條件相似1MtcSSS12MtKSSS動力模型相似條件的討論n在實際設(shè)計模型時，要全部滿足相似條件是很困難的，只有在模型比例較大時才能實現(xiàn)。n當(dāng)模型比例較小時，可根據(jù)試驗?zāi)康膶δＰ驮O(shè)計有所側(cè)重：1.當(dāng)試驗?zāi)康臑轵炞C一種新的

10、理論，這種理論適用于某一類型的結(jié)構(gòu)，而不是某一具體結(jié)構(gòu)，這時只要求模型表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的共同特點，要求在主要方面相似（幾何尺寸，動力性能）2.當(dāng)試驗?zāi)康臑榱藱z驗設(shè)計或提供設(shè)計依據(jù)，在設(shè)計比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或新結(jié)構(gòu)時，由于計算結(jié)果沒有把握，要求依靠模型試驗來判斷和檢驗，則要求模型與原型嚴(yán)格相似。尺寸效應(yīng)和加載速率n在模型的相似條件中，沒有考慮尺寸效應(yīng)和加載速率對材料力學(xué)性能的影響1.材料強度隨試件尺寸減小將逐漸提高；2.材料強度、剛度隨荷載頻率的提高而增加。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型相似問題的有關(guān)說明n模型相似條件1.模型與原型的應(yīng)變相同2.材料強度完全相似3.材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全過程相似n尺寸效應(yīng)和應(yīng)變速率的影響

11、1.當(dāng)模型比例大于1/4.5，模型能較準(zhǔn)確地反映原型的性能；2.當(dāng)粘結(jié)破壞是主要因素時，模型試驗結(jié)果通過相似關(guān)系不能正確反映原型的特性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型相似問題的有關(guān)說明n裂縫的模擬1.模型混凝土抗拉強度提高，導(dǎo)致裂縫推遲出現(xiàn)；2.不同的粘結(jié)特性導(dǎo)致不同的裂縫尺寸和間距，裂縫寬度隨模型尺寸的改變而變化，數(shù)量隨模型尺寸的減小而減少；3.裂縫間距可以不正比于小模型的有效保護層厚度。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型相似問題的有關(guān)說明n粘結(jié)力的模擬 對于小直徑鋼筋，總是可得到較高的粘結(jié)應(yīng)力，就粘結(jié)破壞而言，模型要比原型承擔(dān)相對高的荷載。n最大骨料尺寸的影響 隨著骨料的最大尺寸與模型比例尺寸比值的增加，模型強度有明

12、顯提高，隨著骨料尺寸的增加，強度可增加1015% 骨料尺寸也影響原型和模型的破壞形態(tài)以及裂縫的模擬。骨料實際尺寸比按比例縮小的尺寸大時，將會使裂縫數(shù)量減少，斜裂縫寬度增大，產(chǎn)生脆裂形態(tài)的破壞。模型材料n結(jié)構(gòu)模型試驗對材料的要求1.保證相似要求；2.保證試驗量測要求，能產(chǎn)生足夠大的變形，要求Em低一些；3.材料性能穩(wěn)定，不受溫度、濕度影響而變化；4.要求徐變小，對用作彈性模型的有機合成材料尤應(yīng)注意；5.便于加工制造。彈性模型材料n模型材料并不要求和原型完全相似n材料強度或屈服指標(biāo)無嚴(yán)格的相似要求n要求模型材料在試驗時保持彈性（滿足SE要求）彈性模型材料n塑料（環(huán)氧樹脂、有機玻璃等）1.優(yōu)點強度高

13、、彈性模量低、便于加工；2.缺點力學(xué)性能受應(yīng)變影響，彈性模量隨時間、溫度變化，徐變大，泊松比大；3.措施控制加載速度，控制試驗環(huán)境溫度，應(yīng)力控制在1/3極限強度。 當(dāng)應(yīng)變較小時，拉、壓的-曲線相同，拉壓彈性模量相同，但抗壓強度大于抗拉強度。彈性模型材料n常用塑料特性1.有機玻璃能產(chǎn)生較大的變形，但延性較差，無破壞前兆；2.聚氯乙烯有較好的延性；3.硝酸一基-曲線與鋼材相似，但無硬化段；4.環(huán)氧樹脂、聚脂樹脂在配置時可以改變固化劑的用量，或摻入不同填充料調(diào)整其性能，以滿足材料的相似要求例：環(huán)氧水泥水泥：環(huán)氧：砂：聚酰胺=0.5:1:2:0.7 E=5670N/mm2, fc=35N/mm2 ,

14、ft=9N/mm2彈性模型材料n石膏1.泊松比和混凝土接近，成本低，易加工；2.抗拉強度低，要獲得均勻和準(zhǔn)確的彈性特性比較困難；3.純石膏彈性模量較高，很脆，加工時凝結(jié)太快；4.使用時應(yīng)參入一定數(shù)量的摻合料（矽藻土、塑料或其他有機物）及緩凝劑，改善其力學(xué)及加工性能。彈性模型材料n金屬（鋼、銅、鋁合金）1.力學(xué)性能符合彈性理論假定；2.銅、鋁合金允許大應(yīng)變，導(dǎo)熱性能好、彈性模量低；3.泊松比在0.30左右，接近混凝土；缺點：1.試驗荷載大，加工困難。強度模型材料n微?；炷?.用作鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中模擬混凝土材料；2.微粒混凝土是用粗砂代替混凝土中的粗骨料，以細砂代替細骨料，按一定級

15、配組成的新型材料；3.微?；炷敛坏扔谏皾{，其力學(xué)性能與普通混凝土相似；4.影響微粒混凝土力學(xué)性能的主要因素是骨料級配和水灰比。強度模型材料n微?；炷良壟湓O(shè)計應(yīng)考慮的因素1.模型縮小比例2.微?；炷翉姸?.模型保護層厚度4.混凝土的和易性5.與模型鋼筋的粘結(jié)性能 一般首先滿足彈性模量和強度極限的要求，最大粒徑不大于截面最小尺寸的1/3，通過0.15mm篩孔的細骨料用量應(yīng)少于10%（和易性要求）強度模型材料n模型用鋼筋1.鋼筋的-特性是決定結(jié)構(gòu)非線性性能的主要因素；2.-曲線應(yīng)盡量與原型一致。3.模型鋼筋一般采用盤狀細鋼筋拉直而成，當(dāng)需模擬鋼筋與混凝土的粘結(jié)時，鋼筋表面需要冷加工改變了鋼筋的

16、-曲線，應(yīng)將鋼筋進行熱處理。強度模型材料n銅1.可模擬勁性混凝土中的型鋼2.-曲線與鋼材相似3.強度為210MPa，彈性模量為1.0 x105MPa模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題n模型制作的精度1.模型尺寸的不準(zhǔn)確是產(chǎn)生試驗誤差的主要原因之一（允許誤差一般為5%）2.模板制作和模板材料對尺寸有重要影響3.注意澆搗混凝土對鋼筋位置的影響4.模型最小尺寸 板3mm， 梁柱6mm模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題n試驗環(huán)境1.有機玻璃等塑料模型試驗時，溫度變化不應(yīng)超過1C2.混凝土模型因溫度變化會引起收縮和溫度應(yīng)力3.溫度影響遠非一般溫度補償能解決4.一般應(yīng)在控制溫度、濕度的條件下進行試驗?zāi)Ｐ驮囼灥木_

17、度及應(yīng)注意的問題n試驗荷載1.模型試驗的荷載必須事先仔細校正2.當(dāng)模型比例小，完全模擬實際荷載情況有困難時，應(yīng)改用作用明確的集中荷載，否則在結(jié)果整理時會引進很大的誤差。模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題n試驗量測1.測點與儀表安裝位置應(yīng)特別準(zhǔn)確；2.當(dāng)模型本身剛度較小時，應(yīng)注意測量儀表的重量；3.應(yīng)變片保護層將增加模型的局部剛度；4.接觸式儀表測桿的恢復(fù)力對模型產(chǎn)生附加荷載；5.當(dāng)模型比例較小時，必須選用精度較高的儀表測量變形。模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題n材料試件尺寸1.為消除尺寸效應(yīng)，模型材料性能試驗的試件尺寸應(yīng)與模型最小截面的大小相應(yīng)，2.注意材性試件的施工工藝、養(yǎng)護條件等的同一性3.對于

18、塑料應(yīng)測定徐變的影響范圍與程度模型試驗的相似誤差失真效應(yīng)n模型設(shè)計要按研究的具體對象和目的，本著突出主要矛盾的原則，對相似關(guān)系有所取舍，在試驗中允許有一定的失真效應(yīng)存在，并將失真的影響減低到最小程度，最后再充分估計失真效應(yīng)對預(yù)計原型反應(yīng)特性的影響。模型相似誤差n由于相似條件不能完全得到滿足，把模型試驗所得結(jié)果換算到原型上去所產(chǎn)生的誤差。（并非是由于試驗量測技術(shù)所引起的誤差）模型相似誤差n工程中描述原型結(jié)構(gòu)狀態(tài)的物理參數(shù)有兩類1.已知狀態(tài)參數(shù)幾何尺寸、材料強度、荷載等（特征參數(shù)P0)2.未知狀態(tài)參數(shù)結(jié)構(gòu)的極限強度、位移、動態(tài)反應(yīng)、加速度等（響應(yīng)參數(shù)P1)模型相似誤差n模型試驗的目的就是當(dāng)直接由原型在特征參數(shù)P0的狀態(tài)下，求原型響應(yīng)參數(shù)P1較困難的情況下，將原型特征參數(shù)經(jīng)相似關(guān)系的變換轉(zhuǎn)化為模型的特征參數(shù)M0，通過模型在特征參數(shù)M0狀態(tài)下所進行的實驗獲得模型的響應(yīng)參數(shù)M1，再由模型的相似關(guān)系變換將M1轉(zhuǎn)換為原型的響應(yīng)參數(shù)P1，從而間接地獲得原型結(jié)構(gòu)的響應(yīng)參數(shù)。模型相似誤差 和 是相似轉(zhuǎn)換矩陣，由嚴(yán)格滿足相似關(guān)系的相似常數(shù)組成。jjjjjjiiiiMSPMFMPSM)(111101000iiS0jjS1模型相似誤差n真實模型完全滿足全部相似關(guān)系的模型，特征參數(shù)為n失真模型違背一個或幾個相似關(guān)系的模型，特征參數(shù)為n兩者的差異表現(xiàn)為特征參數(shù)的差異（失真效應(yīng)）0M0M000MMM模