沉陽建筑大學土木工程結構與試驗課件

1、土木工程結構試驗與檢測 TESTING AND INSPECTION FOR CIVIL ENGINEERING STRUCTURE劉明 教授上課了！第2章 結構試驗設計Chapter 2 Structural Test Design 學習本章后，學生重點掌握結構試件的形狀、尺寸與數(shù)量的基本要求；了解結構模型設計的基本概念和方法，并能進行結構模型的設計；重點掌握結構試驗荷載的加載圖示和試驗荷載的取值；能夠正確地確定量測項目，合理地選擇量測儀器；并能提出試驗的安全措施。2.1 概述結構試驗全過程包括：試驗設計、試驗準備、試驗實施和試驗分析等幾部分。結構試驗設計定義對結構試驗進行全面的設計與規(guī)劃；

2、設計的計劃和試驗大綱對試驗起著統(tǒng)管全局和具體指導的作用。結構試驗目的結構試驗設計結構試驗準備結構試驗實施結構試驗分析結論試件設計試件加載方案設計試驗觀察、量測方案設計試驗誤差控制措施試驗安全措施試件制作與安裝試驗人員組織分工儀器設備的檢測與率定材料力學性能的試驗與確定試驗加載試驗反應觀測與數(shù)據(jù)采集試件變形、裂縫與破壞形態(tài)記錄數(shù)據(jù)處理結構破壞機制分析結構性能與承載能力分析試件設計試件加載方案設計試驗觀察、量測方案設計設計試件的形狀和尺寸確定試件的數(shù)量設計構造措施確定試驗荷載圖式設計試驗加載裝置選擇試驗方法和設備設計試驗加載制度確定試驗觀測項目確定測點部位與數(shù)目選擇測試儀器設備2.2 試件設計試件

3、設計的內容及要求內容：試件形狀的選擇、試件尺寸與數(shù)量的確定、構造措施等；要求：結構與受力的邊界條件、試驗的破壞特征、試驗的加載條件。試件形狀基本原則：受力條件和邊界條件的模擬。如框架節(jié)點的試驗方案，板柱結構的受力特征（板帶寬度的選?。?。試件尺寸縮尺模型與足尺模型 縮尺模型必須滿足嚴格的相似條件。尺寸效應（構件與結構）；如混凝土抗壓強度試驗 100100100 0.95 200200200 1.05 150150150 1.0縮尺比例關系： 靜力試驗：構件試驗 1/41; 整體結構試驗：1/101/2 動力試驗：1/501/4試件數(shù)量 生產(chǎn)性試驗：按試驗任務的要求來確定試件數(shù)量。 科研性試驗：(

4、1) 單因素根據(jù)因素的水平數(shù)來確定試件數(shù)量；(2) 多因素采用正交試驗設計法來進行試驗設計并對試驗結果進行科學分析。多因素試驗存在的問題：(1) 全面試驗的次數(shù)（試件數(shù)量）與實際可行的試驗次數(shù)之間的矛盾。n個因素，m個水平，則全面試驗次數(shù)mn 。(2) 實際所做的少數(shù)試驗與全面掌握內在規(guī)律的要求之間的矛盾。正交試驗設計：指利用事先制好的正交表來安排多因素試驗，并進行試驗結果分析的一種試驗設計方法。正交表是正交試驗設計法中合理安排試驗并對試驗結果進行統(tǒng)計分析的一種特殊表格。常用正交表有L4 (23 )、L9 (34 )、L12 (31 24 )等。試驗次數(shù)因素的水平數(shù)因素數(shù)試件的構造措施試件支承

5、條件的要求：支承點的水平、局壓、支承點的明確（跨度）。試件加載點的要求：分配梁（簡支梁型式）、局壓。試件破壞型式和破壞機制的要求：如彎與剪的破壞問題、節(jié)點與梁柱構件的強度問題、防止粘結滑移的措施。試驗測量的要求：預埋件、預留孔道、預貼應變片。輔助試件的要求：試件材料的材性試件、節(jié)點或局部結構構件的單體試件。2.3 結構試驗的模型設計科研性試驗中常采用小型試件，即縮尺模型。結構模型設計要求按相似理論進行設計，以保證“試驗過程與試驗結果相似”幾何相似材料相似物理相似荷載相似相似原理相似原理是研究自然界相似現(xiàn)象的性質和鑒別相似現(xiàn)象的基本原理，由三個相似定理組成：第一相似定理：彼此相似的現(xiàn)象，單值條件

6、相同，其相似準數(shù)也相同，由牛頓在1786年首先提出，它確定了相似現(xiàn)象的性質。第二相似定理：某一現(xiàn)象各物理量之間的關系方程式，都可表示為相似準數(shù)之間的函數(shù)關系。相似準數(shù)常用表示。第二相似定理也稱定理，為模型設計提供了理論基礎。第三相似定理：現(xiàn)象的單值條件相同，并且由單值條件導出的相似準數(shù)相等，是現(xiàn)象彼此相似的充要條件。模型的相似要求和相似常數(shù) 相似常數(shù)的獨立性與相關性幾何相似要求模型和真型之間所有對應部分尺寸成比例。 Sl （長度）、SA （面積）、Sw （抗彎模量），SI （慣性矩），Sx（位移）、S（應變）質量相似在動力問題中，要求模型和真型的質量分布相似。 Sm （質量）、S（比重）荷載相

7、似要求模型和真型在對應點荷載方向一致，荷載大小成比例。 SP （集中力）、Sw （線力）、Sq （面力）、SM （彎矩）物理相似 要求模型和真型在相應點的應力和應變、剛度和變形間的關系相似。S（應力）、S（剪力）、S（剪切角）、SE （彈性模量）時間相似 St ，時間相似不是指時刻相似，而是指時刻的間隔相似。邊界條件相似 指模型的支承與約束條件相似。初始條件相似 針對動力問題，包括初始位置、位移、速度、加速度等。模型設計的相似條件按模型設計的相似理論確定相似條件的方法有：方程式分析法、量綱分析法。方程式分析法：已知各參數(shù)與物理量的函數(shù)關系，并有顯式表達式時。適用于較簡單的物理現(xiàn)象。量綱分析法：

8、對較復雜的物理現(xiàn)象，不能用顯式表達來描述各參數(shù)與物理量之間的函數(shù)關系。此時，物理參數(shù)的合理選擇對模型設計具有決定性的作用。取決于對該物理現(xiàn)象的正確認識程度1、靜力試驗模型的相似條件 可見，相似常數(shù)的數(shù)目多于相似條件的數(shù)目。模型設計時須預先假設幾個相似常數(shù)，一般假設幾何相似常數(shù)Sl和材料相似常數(shù)SE，再根據(jù)相似條件推導其他物理量的相似常數(shù)。其他物理量的相似常數(shù)均為Sl和SE的函數(shù)或者等于1（對于無量綱的物理量而言）。 類型物理量量綱相似關系材料特性應力應變-1彈性模量泊松比-1質量密度幾何特性長度線位移角位移-1面積慣性矩荷載集中荷載線荷載面荷載力矩結構靜力試驗模型的相似常數(shù)和相似關系2、動力試

9、驗模型的相似條件 單自由度體系受迫振動的振動方程動力模型的相似條件為此外，自頻及周期的相似常數(shù)為關于重力加速度的相似常數(shù)Sg當選用Sg =1，而Sl 一般(1/2 ，1/6)之間，則 SE/S1/2 ,1/6 這在模型選用材料時很難實現(xiàn)，通常需對材料試級配。當選用材料相同，SE S1，則Sg 1/Sl ，采用附加質量法。模型材料模型材料的要求相似要求：材料的基本性質相似。測量要求：為便于測量儀表有足夠的讀數(shù)，彈性模量應適當?shù)鸵恍２牧闲阅芊€(wěn)定，受環(huán)境溫度、濕度的影響較小。加工制作方便。模型材料的種類金屬（一般鋼材和鋁合金）：彈性好、變形量大、泊松比與鋼筋砼相似。塑料和有機玻璃：強度大、彈性模量

10、低、各向同性、加工方便、但徐變較大、熱穩(wěn)定性較差。石膏：加工容易、成本低、泊松比與砼十分接近、彈性模量可人為調整、但抗拉強度低、較脆。石膏被廣泛用于制作彈性模型，也可大致模擬砼的塑性性能。水泥砂漿：相比上述三種材料，最接近混凝土，常用于制作砼薄壁結構，此時采用的鋼筋為鋼絲或鉛絲。細石混凝土：非彈性性能較難模擬，縮尺比例不宜太小。主要缺點是粘結應力模擬不好，不適用于研究Wmax 、f等。2.4 結構試驗荷載設計結構試驗荷載的分類按作用形式集中荷載、分布荷載。按作用方向垂直荷載、水平荷載、任意方向荷載。單調荷載、重復荷載、反復荷載。動力荷載、靜力荷載。試驗加載圖式定義：試驗荷載在試驗結構上的布置形

11、式（包括荷載類型與分布情況）。要求：試驗時的荷載應使結構處于某種實際可能的最不利的工作情況。試驗加載圖式要與結構設計計算時荷載圖式一致。也可在不改變結構的工作和試驗結果分析的前提下，由試驗條件和加載方便，改變加載圖式。（如采用等效荷載）試驗加載裝置的設計試驗加載裝置包括豎向加載裝置：荷載架水平加載裝置：反力架、反力墻（砼制）其他加載裝置：荷載傳遞裝置 分配梁、墊塊或墊梁、滑動軸承等；荷載支承裝置 支座（固定式、滑動式、鉸接式、滾動式）、支墩。試驗加載裝置的基本要求滿足最大試驗荷載的要求，并有一定的安全儲備，一般為50100；滿足自身剛度的要求；符合試驗結構的受力條件，能模擬試驗結構的邊界條件和

12、變形條件；滿足試件的支承條件：如支承點的摩擦力影響使實際彎矩減??；構造簡單，加工、組裝方便。試驗的加載制度定義：結構試驗中控制荷載與加載時間的關系。結構試驗的加載制度分類：單調靜力加載：預加載、預定荷載、破壞荷載抗震靜力加載：荷載與位移混合的低周反復加載（見后圖）偽動力加載：由計算控制，按地震位移反應時程曲線加載抗震動力加載：按模擬地震時地面運動加速度地震波加載混凝土結構試驗方法標準(GB5015292) 建筑抗震試驗方法規(guī)程(JGJ101-96)低周反復加載制度2.5 結構試驗的觀測設計觀測設計的內容確定測試項目、選擇測點位置、選擇測試儀器和測試方法。觀測項目的確定試件在荷載作用下的觀測項目

13、分為以下兩類整體變形：能夠反映試件的整體工作性能，如P-、P-曲線;局部變形：、max 、-s曲線等。觀測項目與測點數(shù)量與試驗性質有關。測點的選擇與布置滿足試驗要求為目的，宜少不宜多；測點的位置要有一定的代表性；應布置一定量的校核性測點（受力明確的部位）；測點的布置應便于試驗時操作和測讀。儀器的選擇與測讀的原則（教材P14）量測儀器應滿足滿足試驗所需的精度和量程；儀表的類型（電測、機械）的選用應根據(jù)試驗條件確定，應測讀方便；量測儀器的型號規(guī)格應盡可能一致。安全措施試驗前應對工作人員進行安全交底；試驗時應設安全員；試驗設備、儀器、試件的拆裝應符合相關安全技術規(guī)程；試驗設備的操縱要符合操作規(guī)程；在

14、試驗時，試驗場地應隔離或有明顯標志；觀測臺架應安全可靠；當荷載達到承載力的85%時，宜拆除可能損壞的儀表。2.6 結構試驗大綱和試驗基本文件試驗大綱試驗的目的要求試件設計與制作要求輔助試驗內容試件的安裝與就位加載方案試驗的觀測方案安全措施進度計劃附件（設備清單、經(jīng)費）試驗基本文件試件施工圖及制作要求說明書試件制作過程原始數(shù)據(jù)記錄自制設備圖紙及設計資料加載裝置及儀表布置圖觀測過程記錄試件材料性能的測定試驗數(shù)據(jù)的整理分析與試驗結果總結試驗工作日志試驗報告（試驗目的、試驗對象的簡介、試驗方法與依據(jù)、試驗情況及問題、試驗結果處理與分析、結論）2.7 檢驗性試驗（testing for verification）試驗荷載的取值：（1）結構構件使用狀態(tài)短期試驗荷載值應根據(jù)結構構件控制截面上的荷載短期效應組合的設計值和試驗