《土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)》第二章結(jié)構(gòu)模型試

第2章結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)2.1概述模型一般是指按比例制成的小物體，它具有實(shí)際結(jié)構(gòu)的全部或部分特征。模型的性能在一定程度上可以代表或反映與它相似的更大物體的性能。結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中將與原型結(jié)構(gòu)尺寸相同的模型稱為足尺模型；將原型結(jié)構(gòu)按比例縮小的模型稱為縮尺模型。將要求滿足幾何相似、力學(xué)相似和材料相似的模型稱為相似模型。優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性好數(shù)據(jù)準(zhǔn)確針對(duì)性強(qiáng)可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)2.2相似理論結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)要求按相似理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證“試驗(yàn)過(guò)程與試驗(yàn)結(jié)果相似”幾何相似材料相似物理相似荷載相似（一）模型的相似要求和相似常數(shù)相似常數(shù)的獨(dú)立性幾何相似要求模型和真型之間所有對(duì)應(yīng)部分尺寸成比例。Sl（長(zhǎng)度）、SA（面積）、Sw（抗彎模量），SI（慣性矩），Sx（位移）、Sε（應(yīng)變）。質(zhì)量相似Sm（質(zhì)量）、Sρ（比重）。荷載相似SP（集中力）、Sw（面力）、Sq（體力）、SM（彎矩）。物理相似Sσ（應(yīng)力）、Sτ（剪力）、Sγ（剪切角）、SE（彈性模量）。時(shí)間相似St，時(shí)間相似不是指時(shí)刻相似，而是指時(shí)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(duì)動(dòng)力問(wèn)題，包括初始位置、位移、速度、加速度等。相似原理是研究自然界相似現(xiàn)象的性質(zhì)和鑒別相似現(xiàn)象的基本原理，由三個(gè)相似定理組成：?第一相似定理：彼此相似的現(xiàn)象，單值條件相同，其相似準(zhǔn)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(zhì)。?第二相似定理：某一現(xiàn)象各物理量之間的關(guān)系方程式，都可表示為相似準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。相似準(zhǔn)數(shù)常用π表示。第二相似定理也稱π定理，為模型設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。?第三相似定理：現(xiàn)象的單值條件相同，并且由單值條件導(dǎo)出的相似準(zhǔn)數(shù)相等，是現(xiàn)象彼此相似的充要條件。按模型設(shè)計(jì)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(guān)系，并有顯式表達(dá)式時(shí)。適用于較簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象。量綱分析法：對(duì)較復(fù)雜的物理現(xiàn)象，不能用顯式表達(dá)來(lái)描述各參數(shù)與物理量之間的函數(shù)關(guān)系。此時(shí)，物理參數(shù)的合理選擇對(duì)模型設(shè)計(jì)具有決定性的作用。1、靜力試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨茥l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(shè)計(jì)時(shí)須預(yù)先假設(shè)幾個(gè)相似常數(shù)，一般假設(shè)幾何相似常數(shù)Sl和材料相似常數(shù)SE。6.4模型材料、制作模型材料的要求?相似要求：材料的基本性質(zhì)相似。?測(cè)量要求：為便于測(cè)量?jī)x表有足夠的讀數(shù)，彈性模量應(yīng)適當(dāng)?shù)鸵恍?材料性能穩(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料的種類類?金屬（一一般鋼材材和鋁合合金）：：彈性好、、變形量量大、泊泊松比與與鋼筋砼砼相似。。?塑料和有有機(jī)玻璃璃：強(qiáng)度大、、彈性模模量低、、各向同同性、加加工方便便、但徐徐變較大大、熱穩(wěn)穩(wěn)定性較較差。?石膏：加工容容易、成成本低、、泊松比比與砼十十分接近近、彈性性模量可可人為調(diào)調(diào)整、但但抗拉強(qiáng)強(qiáng)度低、、較脆。。石膏被被廣泛用用于制作作彈性模模型，也也可大致致模擬砼砼的塑性性性能。。?水泥砂漿漿：相比上上述三種種材料，，最接近近混凝土土，常用用于制作作砼薄壁壁結(jié)構(gòu)，，此時(shí)采采用的鋼鋼筋為鋼鋼絲或鉛鉛絲。?細(xì)石混凝凝土：非彈性性性能較難難模擬，，縮尺比比例不宜宜太小。。主要缺缺點(diǎn)是粘粘結(jié)應(yīng)力力模擬不不好，不不適用于于研究Wmax等。6.4.3模模型制作作與試驗(yàn)驗(yàn)要點(diǎn)加工模型型要求：：嚴(yán)格控制制誤差；；保證模型型材料性性能分布布均勻；；模型安裝裝和加載載部位的的連接滿滿足試驗(yàn)驗(yàn)要求。。試驗(yàn)要求求：試驗(yàn)前先先進(jìn)行結(jié)結(jié)構(gòu)材料料試驗(yàn)；；對(duì)試驗(yàn)環(huán)環(huán)境有更更高要求求；對(duì)測(cè)試和和加載設(shè)設(shè)備要求求高；安裝在模模型上測(cè)測(cè)試元件件不得改改變模型型局部受受力和整整體性。。第7章試試驗(yàn)數(shù)數(shù)據(jù)的處處理和分分析數(shù)據(jù)處理理的內(nèi)容容和步驟驟原始數(shù)據(jù)據(jù)的整理理與轉(zhuǎn)換換數(shù)據(jù)的統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析析數(shù)據(jù)的誤誤差分析析數(shù)據(jù)的表表達(dá)7.2數(shù)數(shù)據(jù)整整理和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)整理理：應(yīng)該該根據(jù)試試驗(yàn)要求求和測(cè)量量精度，，按照有有關(guān)規(guī)定定（如《《標(biāo)準(zhǔn)數(shù)數(shù)值修約約規(guī)則》》）進(jìn)行行修約。。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)《數(shù)值值修約規(guī)規(guī)則》將數(shù)值修修約成規(guī)規(guī)定有效效位數(shù)的的數(shù)值擬舍棄數(shù)數(shù)字的最最左一位位數(shù)字小小于5，，則舍去去；擬舍棄數(shù)數(shù)字的最最左一位位數(shù)字大大于等于于5，但但其后跟跟有并非非全部為為零的數(shù)數(shù)字，則則進(jìn)1；；擬舍棄數(shù)數(shù)字的最最左一位位數(shù)為5，而右右邊無(wú)數(shù)數(shù)字或皆皆為0時(shí)時(shí)，若所所保留的的末位數(shù)數(shù)字為奇奇數(shù)則進(jìn)進(jìn)1，為為偶數(shù)則則舍去；；負(fù)數(shù)修約約時(shí)，先先將它的的絕對(duì)值值按上述述規(guī)則修修約后再再加負(fù)號(hào)號(hào)；一次修約約，不得得連續(xù)修修約；數(shù)值運(yùn)算算時(shí)，加加減：先先加減運(yùn)運(yùn)算，再再修約；；乘除：先先乘除運(yùn)運(yùn)算，再再按最小小有效位位數(shù)修約約；乘方、開開方：同同“乘除除”運(yùn)算算。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換換跨中變形形的計(jì)算算：梁曲率計(jì)計(jì)算：梁的撓度度修正結(jié)構(gòu)在自自重和設(shè)設(shè)備重量量下產(chǎn)生生的變形形無(wú)法測(cè)測(cè)量，但但可利用用試驗(yàn)得得到的荷荷載與變變形的關(guān)關(guān)系進(jìn)行行推算。。截面測(cè)點(diǎn)點(diǎn)布置與與相應(yīng)的的應(yīng)變分分布、內(nèi)內(nèi)力計(jì)算算公式截面測(cè)點(diǎn)點(diǎn)布置與與相應(yīng)的的應(yīng)變分分布、內(nèi)內(nèi)力計(jì)算算公式7.3數(shù)數(shù)據(jù)的的誤差誤差的定義義：真值與與測(cè)量值的的差值稱為為測(cè)量誤差差，簡(jiǎn)稱誤誤差。實(shí)際試驗(yàn)中中，真值是是無(wú)法確定定的，常用用平均值代代替。絕對(duì)誤差、、相對(duì)誤差差，相對(duì)誤誤差為絕對(duì)對(duì)誤差除以以真值。誤差的分類類：系統(tǒng)誤誤差，隨機(jī)機(jī)誤差、過(guò)過(guò)失誤差（一）誤差差的分類1、系統(tǒng)誤誤差（經(jīng)常常誤差）特點(diǎn)：誤差差值在整個(gè)個(gè)測(cè)量過(guò)程程中保持一一定規(guī)律，，而且是可可以避免的的。產(chǎn)生原因：：測(cè)量方法法、測(cè)量工工具、環(huán)境境、操作不不當(dāng)、主觀觀性等；表示方法：：準(zhǔn)確度（（表示系統(tǒng)統(tǒng)誤差的大大?。从称骄档拇笮⌒。惶幚磙k法：：查明系統(tǒng)統(tǒng)誤差的原原因，在測(cè)測(cè)量中采取取改進(jìn)措施施或在數(shù)據(jù)據(jù)處理時(shí)對(duì)對(duì)測(cè)量結(jié)果果進(jìn)行修正正。2、隨機(jī)誤誤差（偶然然誤差）特點(diǎn)：誤差差的絕對(duì)值值和符號(hào)變變化無(wú)常，，但當(dāng)測(cè)量量數(shù)據(jù)較多多時(shí)，隨機(jī)機(jī)誤差的數(shù)數(shù)值分布符符合一定的的統(tǒng)計(jì)規(guī)律律，一般是是正態(tài)分布布，隨機(jī)誤誤差是不可可避免的；；產(chǎn)生原因：：測(cè)量?jī)x器器、方法和和環(huán)境條件件的隨機(jī)變變化等；表示方法：：精確度（（它與準(zhǔn)確確度是獨(dú)立立的，反映映標(biāo)準(zhǔn)的大大?。惶幚磙k法：：對(duì)隨機(jī)誤誤差進(jìn)行統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，，在數(shù)據(jù)處處理時(shí)進(jìn)行行修正；3、過(guò)失誤誤差（粗差差）一般般數(shù)值較大大，應(yīng)予以以剔除誤差計(jì)算誤差平均值值：標(biāo)準(zhǔn)差：離散程度：：誤差的檢驗(yàn)驗(yàn)誤差差的檢驗(yàn)：：區(qū)分誤差差的類型，，盡可能減減小誤差或或計(jì)算中考慮誤誤差1、系統(tǒng)誤誤差的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)和消除系統(tǒng)統(tǒng)誤差有積積累變化、、周期變化化、按復(fù)雜雜規(guī)律變化化三種，可通過(guò)過(guò)數(shù)種不同同的測(cè)量方方法或同時(shí)時(shí)用幾種測(cè)測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量量比較即可可發(fā)現(xiàn)；2、隨機(jī)誤誤差：進(jìn)行行統(tǒng)計(jì)分析析予以檢驗(yàn)驗(yàn)；3、異常數(shù)數(shù)據(jù)的舍棄棄。常用的過(guò)失失誤差判別別范圍和鑒鑒別方法?3σ法法：誤差服服從正態(tài)分分布，誤差差絕對(duì)值大大于3σ的的概率僅為為0.3％％，大于應(yīng)應(yīng)剔除該數(shù)數(shù)據(jù)。?肖維納納方法：進(jìn)進(jìn)行n次試試驗(yàn)，誤差差服從正態(tài)態(tài)分布，誤誤差絕對(duì)值值大于α?σ(x?x>α?σσ)的概率小于于1/2n，大于應(yīng)應(yīng)剔除該數(shù)數(shù)據(jù)。?格拉布布斯方法：：以t分布布為基礎(chǔ)，，某數(shù)據(jù)誤誤差絕對(duì)值值滿足時(shí)時(shí)，，應(yīng)剔除。。線性回歸公稱油壓P（MPa）輸出力F（kN）第一次第二次第三次平均數(shù)000005243.5243.8243.6243.610466.9466.9467.1467.015693.9694.7694.5694.420925.0925.9926.0925.6251156.31156.31156.11156.2301393.11393.61393.21393.3351622.81622.21623.01622.7401853.61854.71853.91854.1452088.42086.62085.42086.8502323.02319.92321.02321.3542506.12502.82501.92503.6檢測(cè)結(jié)果一元一次線性回歸方程

F=46.303P+2.91相關(guān)系數(shù)γ=0.999997.4試試驗(yàn)數(shù)據(jù)的的表達(dá)為了把試驗(yàn)驗(yàn)中采集到到的各個(gè)儀儀器不同的的數(shù)據(jù)，完完整、準(zhǔn)確確地展現(xiàn)出出來(lái)，讓別別人可以一一目了然得得理解試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的性性能，我們們會(huì)采取各各種方式來(lái)來(lái)表達(dá)試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果。常用的有表表格式、圖圖形式和曲曲線擬合式式等。7.4.1表格格式表格式就是是把采集到到的數(shù)據(jù)處處理后二維維的數(shù)據(jù)格格式表達(dá)出出來(lái)，它可可以精確地地給出多個(gè)個(gè)物理量與與某一個(gè)物物理量之間間的對(duì)應(yīng)方方式，常用用與試驗(yàn)結(jié)結(jié)果的總結(jié)結(jié)、比較和和歸納，可可以一目了了然地瀏覽覽試驗(yàn)結(jié)果果。7.4.2圖形式式圖形式直觀觀明了，是是常用的一一種數(shù)據(jù)表表達(dá)方式。。常用的有曲曲線圖、形形態(tài)圖、直直方圖等。。其中曲線圖圖可以表示示兩個(gè)以上上變量之間間的關(guān)系，，曲線可以以顯示變化化過(guò)程或分分布范圍中中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)點(diǎn)、最高點(diǎn)點(diǎn)、最低點(diǎn)點(diǎn)及周期變變化的規(guī)律律，結(jié)構(gòu)性性能可以方方便的表達(dá)達(dá)出來(lái)，對(duì)對(duì)定性分析析和整體規(guī)規(guī)律分析最最合適?；炷良庸坦塘汉奢d與與撓度曲線線圖形態(tài)圖是把把試驗(yàn)中各各種難以用用數(shù)值表示示的形態(tài)用用圖像表示示。如混凝凝土結(jié)構(gòu)的的裂縫情況況、變形情情況和破壞壞情況等。?；炷亮毫蚜芽p分布圖圖碳纖維板斷斷裂圖PU-3R梁破壞圖圖7.4.3曲線擬擬合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中中特別是鋼鋼筋混凝土土結(jié)構(gòu)由于于使用材料料的原因，，具有一定定的離散性性和非線性性關(guān)系，在在分析時(shí)無(wú)無(wú)法使用直直線方程來(lái)來(lái)表示這些些關(guān)系。這這時(shí)就需要要使用函數(shù)數(shù)曲線來(lái)表表示這些關(guān)關(guān)系，即采采用曲線擬擬合試驗(yàn)數(shù)數(shù)據(jù)。常用的函數(shù)數(shù)形式有：：多項(xiàng)式曲曲線、雙曲曲線、冪函函數(shù)、對(duì)數(shù)數(shù)函數(shù)和指指數(shù)函數(shù)等等。擬合前，先先將數(shù)