建筑結(jié)構(gòu)模型試驗設(shè)計

1、摘要：在工程實踐和理論研究中，結(jié)構(gòu)試驗的對象大多是實際結(jié)構(gòu)的模型。對于工程結(jié)構(gòu)中的構(gòu)建或結(jié)構(gòu)的某一局部，如梁、柱、板、墻，有可能進行足尺的結(jié)構(gòu)試驗。但對于整體結(jié)構(gòu)，除進行結(jié)構(gòu)現(xiàn)場靜動載試驗外，受設(shè)備能力和經(jīng)濟條件的限制，實驗條件下的結(jié)構(gòu)試驗大多為縮尺比例的結(jié)構(gòu)模型試驗。關(guān)鍵詞：相似理論，靜力結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，動力結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，熱力結(jié)構(gòu)模型設(shè)計模型一般是指按比例制成的小物體，它與另一個通常是更大的物體在形狀上精準(zhǔn)的相似，模型的性能在一定程度可以代表或反映與它相似的更大物體的性模型試驗的理論基礎(chǔ)是相似理論。仿照原型結(jié)構(gòu)，按相似理論的基本原則制成的結(jié)構(gòu)模型，它具有原型結(jié)構(gòu)的全部或部分特征。通過實驗，得到

2、與模型的力學(xué)性能相關(guān)的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)相似理論，可有模型實驗結(jié)果推斷原型結(jié)構(gòu)的性能。對于結(jié)構(gòu)模型試驗，工程師和研究人員最關(guān)心的問題是結(jié)構(gòu)模型試驗結(jié)果在多大程度上能夠反映原型結(jié)構(gòu)的性能。而模型設(shè)計是結(jié)構(gòu)模型試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一般情況下，結(jié)構(gòu)模型設(shè)計的程序為：(1) 分析實驗?zāi)康暮鸵?，選擇模型基本類型?？s尺比例大的模型多為彈性模型，強度模型要求模型材料性能與原材料性能較為接近。(2) 對研究對象進行理論分析，用分析方程或量綱分析法得到相似判據(jù)。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能常采用數(shù)值方法計算，很難得到解析的方程式，多采用量綱分析法確定相似判據(jù)。(3) 確定幾何相似常數(shù)和結(jié)構(gòu)模型主要部位尺寸。選擇模型材料。

3、(4) 根據(jù)相似條件確定各相似常數(shù)。(5) 分析相似誤差，對相似常數(shù)進行必要的調(diào)整。(6) 根據(jù)相似第三定理分析相似模型的單質(zhì)條件，在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計階段，主要關(guān)注邊界條件和荷載作用點等局部條件。(7) 形成模型設(shè)計技術(shù)文件，包括結(jié)構(gòu)模型施工圖，測點布置圖，加載裝置圖等。在在上述各步驟中，對結(jié)構(gòu)模型設(shè)計和試驗影響最大的是結(jié)構(gòu)模型尺寸的確定。通常，模型尺寸確定后，其他因素如模型材料、模型加工方式、試驗加載方式、測點布置方案等也基本確定了。一、靜力結(jié)構(gòu)模型設(shè)計1、線彈性模型設(shè)計線彈性性能是工程結(jié)構(gòu)的主要性能之一。不論采用何種結(jié)構(gòu)類型，當(dāng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較低時，結(jié)構(gòu)的性能都可以用線彈性理論描述。按照線彈性

4、理論，結(jié)構(gòu)所受荷載與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的形變以及應(yīng)力之間均為線性關(guān)系。對于由同一種材料組成的結(jié)構(gòu)，影響應(yīng)力大小的因素有荷載F、結(jié)構(gòu)幾何尺寸L和材料的泊松比v,于是，應(yīng)力表達式可寫為：仃=?(F,L,v)通過量綱分析有L2./、c=3(v)F由上式可知，線彈性結(jié)構(gòu)的相似條件為幾何相似、荷載相似、邊界條件相同,不要求虎克定律相似，但要求泊松比相似，即Sv=1設(shè)計線彈性模型時，要求S二SfSrSl2、非線性結(jié)構(gòu)模型設(shè)計工程結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)兩類典型的非線性現(xiàn)象，一類是由材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線性關(guān)系所引起，稱為材料非線性。例如，鋼筋混娘土結(jié)構(gòu)的強度模型一般具有材料非線性特征。另一類是由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形或轉(zhuǎn)動使

5、結(jié)構(gòu)的平衡關(guān)系發(fā)生變化而引起，稱為幾何非線性。例如，大跨徑懸索橋中懸索的受力特性具有幾何非線性特征。兩種非線性的共同之處是它們都使得結(jié)構(gòu)荷載與結(jié)構(gòu)變形之間為非線性關(guān)系。但對于幾何非線性的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變之間可以保持線性關(guān)系。對于這種情況，應(yīng)力與荷載、結(jié)構(gòu)尺寸、材料彈性模量以及泊松比有關(guān)，于是，應(yīng)力表達式為：仃=f(F,E,L,v)通過量綱分析，可將包括5個物理量的基本方程轉(zhuǎn)化為包含3個無量綱乘積n戶冗川a的關(guān)系式：L2oFI,2,3v)./L2=3(1E,F或?qū)懗蛇@就是可慮幾何非線性的彈性結(jié)構(gòu)模型的相似判據(jù)方程。為了求得原型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，模型結(jié)構(gòu)應(yīng)與原型結(jié)構(gòu)幾何尺寸相似、荷載相似以及邊界條

6、件相同。模型與原型應(yīng)滿足下列相似關(guān)系：L2L2(E)=(LFmFE)，Vm=VPP有以上分析可以知道，采用原型相同材料制作的模型，可以模擬原型結(jié)構(gòu)線彈性階段和幾何非線性彈性階段的受力性能。3、鋼筋混凝土強度模型設(shè)計鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力很大程度上取決于混凝土和鋼筋的力學(xué)性能。當(dāng)縮尺比例較大時，由于材料特性與其構(gòu)成尺寸密切相關(guān)，鋼筋混凝土強度模型很難做到完全相似的程度。而模型設(shè)計的成功與否主要取決與材料特性的相似設(shè)計。對鋼筋混凝土強度模型的選用的材料有較嚴格的相似要求。理想的模型混凝土和模型鋼筋應(yīng)與原型結(jié)構(gòu)的混凝土和鋼筋之間滿足下列相似要求：(1)幾何相似的混凝土受拉和受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(

7、2)在承載能力極限狀態(tài)，有基本相似的變形能力；(3)多軸應(yīng)力狀態(tài)下，相同的破壞準(zhǔn)則；(4)鋼筋和混凝土之間有相同的粘結(jié)-滑移性能；(5)相同的泊松比。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強度模型的相似常數(shù)物理量量綱理想模型實際應(yīng)用模型材料性能混凝土應(yīng)力L2FSa1混凝土應(yīng)變-11混凝土彈性模量L2FSa1混凝土泊松比-11混凝土比重L3FS，S1/Si鋼筋應(yīng)力L2FSo1鋼筋應(yīng)發(fā)-11鋼筋彈性模量L2FSo1粘結(jié)應(yīng)力L2FSo1幾何特性線尺寸L2FSiSi線位移L2FSiSi角位移-11鋼筋面積-2LS|2Si2柚鼓集中向載FScS2Si2線柿鼓LFSoSiSi分布加載-2LFSa1彎矩或扭矩LFSs3Si34、砌

8、體結(jié)構(gòu)強度模型設(shè)計與混凝土結(jié)構(gòu)相似，砌體結(jié)構(gòu)的性能也與構(gòu)成尺寸有密切的關(guān)系。砌體結(jié)構(gòu)的縮尺模型試驗?zāi)芊穹从吃徒Y(jié)構(gòu)主要性能，關(guān)鍵問題是模型砌體結(jié)構(gòu)中的塊體和灰縫如何模擬。在原型結(jié)構(gòu)中，普通粘土磚的尺寸為53mm*115mm*240mm,水平灰縫厚度為10mm。20世紀(jì)50年代，國外有人曾經(jīng)研究采用最小到1/10比例的模型磚砌筑的砌體結(jié)構(gòu)性能，但一般認為模型砌體結(jié)構(gòu)的最大縮尺比例不宜超過4,也就是采用1/4比例的模型轉(zhuǎn)。模型轉(zhuǎn)的長度為60mm,大多采用原型磚經(jīng)切割加工而成。二、動力結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與靜力性能相比，結(jié)構(gòu)動力性能的差別主要因結(jié)構(gòu)本身的慣性作用所引起。因此，結(jié)構(gòu)動力模型的設(shè)計應(yīng)仔細考慮與時

9、間相關(guān)的物理量的相似關(guān)系。動力模型的相似要求物理量相似常數(shù)真實極限強度模型附加質(zhì)量的強度模型忽略重力的線彈性模型應(yīng)義失真的強度模型長度S1sSiSiSi時間St1/（S）%1c（S）2SNSe/SB121，（S/Si）'2頻率Sw（Si），（Si）2S（Se/SJ2（SjSi>2速度Sv1/（Si"2v（Si*21rssJ-J/（S，Si）'2重力加速度Sg11忽略1加速度Sa11SiSeSP1密度SpSe/SSpSsSes應(yīng)義Ss111S£應(yīng)力SoSeSeSeSeSs位移S6sSiSiSiSw力SfSeS2Sesi2SESi2SeSi2Se彈性模量S

10、eSeSeSeSeSs能量SuSeS3SeS3SeSi333SeSiSe、熱應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型設(shè)計工程結(jié)構(gòu)可能處在不同的溫度環(huán)境下，有時溫度作用對結(jié)構(gòu)性能有決定性的影響。典型結(jié)構(gòu)試驗實例是核反應(yīng)堆芯容器的熱應(yīng)力模型試驗。另一類溫度應(yīng)力問題是超靜定結(jié)構(gòu)在常溫下的工作性能。例如，考慮溫度應(yīng)力，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置伸縮縫。鋼筋混凝土無錢拱橋由于溫度作用可能產(chǎn)生較大約束力，大體積混凝土結(jié)構(gòu)由于混凝土的水化熱可能導(dǎo)致混凝土開裂，火災(zāi)環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的性能等都涉及溫度作用下結(jié)構(gòu)模型試驗。溫度是一個獨立的物理量，其量綱屬于基本量綱溫度應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型相似常數(shù)物理量量綱相似常數(shù)理想模型模型與原型同材料同溫度應(yīng)變失真模型應(yīng)力F

11、LSaSeiSShSe應(yīng)義S君1iSSe彈性模量FLSeSeiSe泊松比Sn1ii熱膨脹系數(shù)日SaSais導(dǎo)熱率L2TaSdSdiSd長度LSSSSi位移LSoSSlSSeS溫度3Sh"SuiSe時間TSS"SdSl2s2/'Sd在溫度應(yīng)力模型試驗中，也可能遇到（應(yīng)變）畸變模型，在表中稱為應(yīng)變失真模型。在結(jié)構(gòu)靜力和動力模型試驗中，由于實現(xiàn)完全相似的困難，有時只能采用應(yīng)變失真模型，出于同樣的理由，溫度應(yīng)力模型也可能是應(yīng)變失真模型。從表中可以看出，對于應(yīng)變失真模型，引入了兩個獨立相似常數(shù)，及線膨脹系數(shù)相似常數(shù)Sq和溫度相似常數(shù)Se，這導(dǎo)致模型中溫度產(chǎn)生的應(yīng)變（線膨脹）相

12、對圓形發(fā)生失真，因此修正。結(jié)論：結(jié)構(gòu)模型試驗是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論研究的主要手段之一。在結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，對各種各樣的結(jié)構(gòu)分析方法做出了規(guī)定。例如，線彈性分析法，考慮塑性內(nèi)力重分布的方法，蘇醒極限分析方法，非線性分析方法和實驗分析方法等。其中，實驗分析方法在概念上與計算分析方法有較大的差別。實驗分析方法通過結(jié)構(gòu)試驗，得到體形復(fù)雜或受力狀況特殊的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分內(nèi)力、變形、氣動特征、破壞形態(tài)等，為結(jié)構(gòu)設(shè)計或復(fù)核提供依據(jù)。應(yīng)當(dāng)指出，隨著電子計算機的飛速發(fā)展，基于計算機的結(jié)構(gòu)分析方法已經(jīng)能夠解決很多結(jié)構(gòu)分析問題，但結(jié)構(gòu)模型試驗仍有不可代替的地位，并廣泛應(yīng)用于工程實踐中。參考文獻：1、湖南大學(xué)等合編.建筑結(jié)構(gòu)試驗（第二版）.北京.：中國建筑工業(yè)出版社，19982