第四章工程結構靜載試驗

第四章工程結構靜載試驗主要內容試驗前的準備加載與量測方案設計常見結構構件靜載試驗量測數(shù)據整理結構性能的檢驗與評定4.1概述結構靜載試驗是用物理力學方法，測定和研究結構在靜荷載作用下的反應，分析、判定結構的工作狀態(tài)與受力情況。靜載試驗方法不僅能為結構靜力分析提供依據，同時也可為某些動力分析提供間接依據。結構靜載試驗中最常用的單調加載靜力試驗。主要用于研究承受靜載作用下構件的承載力、剛度、抗裂性等基本性能和破壞機制?！痘炷两Y構試驗方法標準》既統(tǒng)一了量大面廣的生產檢驗性試驗方法，又對一般性科研試驗方法提出了基本要求，對生產和科研有廣泛的實用性。4.2試驗前的準備試驗前的準備包括試驗規(guī)劃和準備兩個方面，主要內容：

1、調查研究、收集資料（1）鑒定性試驗中，主要向有關設計、施工和使用單位和人員收集資料。（2）科研性試驗中，主要向有關科研單位和情報檢索部門及必要的設計、施工單位，收集與本試驗有關的歷史、現(xiàn)狀和將來的發(fā)展要求。

2、試驗大綱的制定（1）概述：試驗的依據及試驗的目的意義與要求等。（2）試件的設計及制作要求：設計的依據及理論分析和計算，試件的規(guī)格和數(shù)量，制作施工圖等。（3）試件的安裝與就位：包括就位的形式、支承裝置、邊界條件模擬、保證側向穩(wěn)定的措施和安裝就位的方法和機具等。（4）加載方法與設備：包括荷載種類及數(shù)量、加載設備裝置、荷載圖式及加載制度等。（5）量測方法和內容：主要說明觀測項目、測點布置和量測儀表的選擇、標定、安裝方法及編號圖、量測順序規(guī)定和補償儀表的設置等。（6）輔助試驗。（7）安全措施：包括人身和設備、儀表等方面的安全防護措施。（8）試驗進度計劃。（9）試驗組織管理：包括技術檔案資料、原始記錄管理、人員組織和分工、任務落實、工作檢查等。（10）附錄：包括所需器材、儀表、設備及經費清單，觀測記錄表格，加載設備、量測儀表的率定結果報告和其他必要的文件規(guī)定等。3、試件準備試件準備包括試件的設計、制作、驗收及有關測點的處理等。4、材料物理力學性能測定測定項目通常有強度、變形性能、彈性模量、泊松比、應力應變關系等。測定方法有直接測定法和間接測定法。直接測定法：在制作結構和構件時留下小試件，按有關標準方法在材料試驗機上測定。間接測定法：通常采用非破損試驗法，即用專門儀器對結構和構件進行試驗，測定與材料有關的物理量，進而推算材料性質參數(shù)，而不破壞結構、構件。5、試驗設備與試驗場地的準備加載設備和量測儀表，試驗之前應進行檢查、修整和必要的率定。試件進場前，場地也應進行清理和安排。6、試件安裝就位按試驗大綱的規(guī)定和試件設計要求，將試件安裝就位。7、加載設備和量測儀表安裝加載設備根據其特點按照大綱設計要求進行安裝。儀表安裝按觀測設計確定。8、試驗控制特征值的計算根據材性試驗數(shù)據和設計計算圖式，計算出各個荷載階段的荷載值和各特征部位的內力、變形值等，作為試驗時控制與比較的依據。4.3加載與測量方案的設計一、加載方案加載方案：根據試件的結構形式、荷載的作用形式、加載設備的類型、加載制度的技術要求、場地的大小、以及試驗經費等確定。加載程序：試驗期間荷載與時間的關系。一般靜載試驗加載程序分為預載、標準荷載、破壞荷載三個階段。分級加（卸）載目的：

1）控制加載速度

2）觀察和分析結構變形

3）統(tǒng)一各點加載步調1、預載1）目的：（1）使試件各部接觸良好（2）檢驗試驗裝置的可靠性（3）檢驗觀測儀表的工作是否正常（4）檢查現(xiàn)場組織工作及人員工作情況2）解決問題：

（1）確定預載值：標準荷載的60％（2）確定分級數(shù)及其加（卸）載值：加載分3級（每級加載值為標準荷載的20％）；卸載分2～3級。（3）確定級間停歇時間：10min2、正式加載1）荷載分級標準荷載之前，每級荷載值為標準荷載的20％。標準荷載之后，每級不宜大于標準荷載的10％。荷載加至計算破壞荷載的90％后，每級荷載不宜大于標準荷載的5％?？沽褭z測結構，荷載加至計算開裂荷載的90％后，每級荷載不宜大于標準荷載的5％。級間停留時間：鋼結構≥10min；鋼筋混凝土和木結構≥15min。試驗結構同時還須施加水平荷載時，按規(guī)定比例同步施加豎向和水平荷載。2）滿載時間對需要進行變形和裂縫寬度試驗的結構，在標準荷載作用下的持續(xù)時間：鋼結構和鋼筋混凝土≥30min木結構≥60min拱或砌體結構≥180min預應力混凝土結構：滿載30min后加致開裂，開裂荷載下再持續(xù)30min。對于采用新材料、新工藝、新結構形式的結構構件，跨度較大（大于12m）的屋架、桁架等結構構件，要求在使用狀態(tài)短期試驗荷載作用下的持續(xù)時間≥12h。3）空載時間受載結構卸載后到下一次重新開始受載之間的間歇時間。鋼筋混凝土：45min鋼結構：30min較重要的結構構件和跨度大于12m的結構：18h3、卸載一般可按加載級距，也可放大1倍或分兩次卸完。二、量測方案1、確定觀測項目1）整體變形如梁的最大撓度及整體撓曲曲線；拱式結構和框架結構的最大垂直和水平位移及整體變形曲線；桿塔結構的整體水平位移及基礎轉角等。2）局部變形量測如局部纖維變形、裂縫及局部擠壓變形等。量測結果可直接說明結構（鋼混）的抗裂性能、推斷結構應力狀態(tài)或驗證設計與計算方法等。結構任何部位的異常變形或局部破壞都能在整體變形中得到反映。2、測點的選擇與布置原則1）在滿足試驗目的的前提下，測點宜少不宜多；2）測點位置必須具有代表性；3）應布置一定的校核性測點；4）對試驗工作安全和方便。

3、儀器選擇與測讀原則1）選擇原則：（1）必須滿足試驗所需的精度與量程要求；（2）現(xiàn)場試驗時，由于條件和環(huán)境復雜，選擇儀表時應作具體分析和技術比較；（3）測讀方便、省時；（4）型號、規(guī)格盡可能一致，種類愈少愈好。2）測讀原則（1）按一定的時間間隔進行；（2）測讀時間選擇在恒載間歇時間內；（3）恒載時間較長時，應測取恒載下變形隨時間的變化?？蛰d時，應測取變形隨時間的恢復情況；（4）記錄儀表讀數(shù)時，應該同時記下周圍的氣象資料如溫度和濕度等。（5）對重要數(shù)據，應將結果隨時與預計理論值進行比較。國家規(guī)范工程樁應進行單樁承載力和樁身完整性抽樣檢測。

為設計提供依據的試驗樁，應加載至破壞；當樁的承載力以樁身強度控制時，可按設計要求的加載量進行。對工程樁抽樣檢測時，加載量不應小于設計要求的單樁承載力特征值的2.0倍。試驗加載宜采用油壓千斤頂。當采用兩臺及兩臺以上千斤頂加載時應并聯(lián)同步工作，且應符合下列規(guī)定：1采用的千斤頂型號、規(guī)格應相同。2千斤頂?shù)暮狭χ行膽c樁軸線重合。加載反力裝置可根據現(xiàn)場條件選擇錨樁橫梁反力裝置、壓重平臺反力裝置、錨樁壓重聯(lián)合反力裝置、地錨反力裝置。為設計提供依據的豎向抗壓靜載試驗應采用慢速維持荷載法。慢速維持荷載法試驗步驟應符合下列規(guī)定：

1、每級荷載施加后按第5、15、30、45、60min測讀樁頂沉降量，以后每隔30min測讀一次。

2、試樁沉降相對穩(wěn)定標準：每一小時內的樁頂沉降量不超過0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次(從分級荷載施加后第30min開始，按1.5h連續(xù)三次每30min的沉降觀測值計算)。

3、當樁頂沉降速率達到相對穩(wěn)定標準時，再施加下一級荷載。

4、卸載時，每級荷載維持1h，按第15、30、60min測讀樁頂沉降量后，即可卸下一級荷載。卸載至零后，應測讀樁頂殘余沉降量，維持時間為3h，測讀時間為第15、30min，以后每隔30min測讀一次。確定單樁豎向抗壓承載力時，應繪制豎向荷載-沉降(Q-s)、沉降-時間對數(shù)(s-lgt)曲線，需要時也可繪制其他輔助分析所需曲線。4.4常見結構構件的靜載試驗一、受彎構件的試驗典型受彎構件：單向板、梁。

1、試件的安裝和加載方法

1）安裝方法（1）簡支，多采用正位試驗，一端采用固定鉸支承另一端采用滾動鉸支承。（2）支敦與鋼板、鋼板與構件之間應用砂漿找平。（3）對于板一類寬度較大的試件，要防止支承面產生翹曲。2）加載方法（1）重力加載：杠桿重力加載或重力直接加載。（2）液壓加載器加載：分配梁或多臺加載器直接加載。構件試驗時的荷載圖式應符合設計規(guī)定和實際受載情況，常采用等效加載圖式。受彎構件試驗中常利用集中荷載來代替均布荷載。2、試驗項目和測點布置生產鑒定性試驗：測定構件的承載力、抗裂度和各級荷載作用下的撓度和裂縫開展情況?？茖W研究性試驗：除上述項目外，還需測量構件某些部位的應變。1）撓度的測量主要測定梁跨中fmax

及彈性撓度曲線?？缍容^大梁（大于6000）測點應增加至5～7個。寬度較大梁（大于600）必要時在截面的兩側布置測定。寬度較大的板，均需在板寬的兩側布點。預應力混凝土受彎構件，需考慮構件在預應力作用下的反拱值。2）應變測量測點布置：正負彎矩最大截面、彎矩有突變的截面及截面突變處。

單向應力測量：測點布置在純彎曲區(qū)域，受拉區(qū)鋼筋上也常布置測點。平面應力測量：測點布置在剪應力較大部位。布置直角應變網絡。鋼箍和彎筋的應力測量翼緣與邊孔應力測量校核測點3、裂縫測量測定鋼筋混凝土梁的抗裂性能。

垂直裂縫測定：一般產生在彎矩最大受拉區(qū)段，在該區(qū)段連續(xù)布置測點。測量項目：裂縫出現(xiàn)時間裂縫寬度斜截面上的主拉應力裂縫，經常出現(xiàn)在剪力較大的區(qū)域內，箱型截面或工字形截面，腹板的中和軸或腹板與翼緣相交接的腹板常是主拉應力較大的部位。斜截面裂縫測定二、壓桿和柱的試驗

柱是工程結構中的基本承重構件，鋼筋混凝土柱大多數(shù)屬偏心受壓構件。1、試件的安裝和加載方法采用正位或臥位試驗。高大的柱子正位試驗時安裝和觀測均較費力，該用臥位試驗方案比較安全，但需考慮臥位試驗時結構自重所產生的影響。柱與壓桿縱向彎曲系數(shù)試驗時，構件兩端均應采用比較靈活的可動鉸支座形式（刀口鉸支座或圓球形鉸支座）。中心受壓柱安裝時先對構件進行幾何對中，加載達20％～40％時，在進行物理對中。對于偏壓試件，在物理對中后，沿加力線量出偏心距離，再把加載點移至偏心距位置上進行試驗。鋼筋混凝土結構僅需保證幾何對中即可。2、試驗項目和測點布置

試驗項目：破壞荷載、各級荷載下的側向撓度值、控制截面或區(qū)域的應力變化規(guī)律以及裂縫開展情況。4.4.3屋架試驗屋架特點是跨度大，只能在自身平面內承受荷載，而出平面剛度很小，在建筑物中要依靠側向支撐體系形成整體剛度。屋架主要受作用于節(jié)點的集中荷載，大部分桿件受軸力作用。上弦有節(jié)間荷載作用時，上弦桿受壓彎作用?？缍容^大的屋架，下弦一般采用預應力拉桿。1、試件的安裝和加載方法一般采用正位試驗，但需設置側向支撐。施工現(xiàn)場進行屋架試驗時可以采用兩榀屋架對頂臥位試驗。屋架試驗的支承方式與梁試驗相同。屋架試驗的加載方式可以采用重力加載，但采用液壓同步加載是最理想的方案。同步異荷液壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)加幾組不同集中荷載的要求。2、試件項目和測點布置鋼筋混凝土屋架試驗，一般試驗量測項目有：1）屋架上下弦桿的撓度；2）屋架主要構件的內力；3）屋架節(jié)點變形及節(jié)點剛度對屋架桿件次應力的影響；4）屋架端節(jié)點的應力分布；5）預應力鋼筋張拉力和對相關部位混凝土的預應力；6）屋架下弦預應力鋼筋對屋架的反拱作用；7）預應力錨頭工作性能。

（1）屋架撓度和節(jié)點位移的測量屋架僅承受節(jié)點荷載時，測點布置在相應節(jié)點之下；跨度較大屋架，測量桿件相對其兩端節(jié)點的最大位移；支座沉陷與局部受壓引起的變位測量；水平位移測量。（2）屋架桿件內力測量一般情況，在一個截面上引起的內力最多是三個，即軸向力N，彎矩Mx，My

，對于薄壁桿件則可能有四個，再增加扭矩。鋼筋混凝土整體澆搗的屋架，節(jié)點實際上為剛接，測點所在截面應盡量離節(jié)點遠一些。（3）屋架端節(jié)點的應力分析

為了測量端節(jié)點的應力分布規(guī)律，要求布置較多的三向應變網絡，一般由電阻應變計組成。從三向小應變網絡各點測得的應變量，通過計算或圖解法求得端節(jié)點的剪應力、正應力及主應力的數(shù)值與分布規(guī)律。為了量測上下弦桿交接豁口應力情況，可沿豁口周邊布置單向應變測點。（4）預應力錨頭性能測量在屋架端節(jié)點的混凝土表面沿自錨頭長度方向布置若干應變測點，量測自錨頭部位端節(jié)點混凝土的橫向受拉變形；縱向布置測點時，同時可以測得錨頭對外框混凝土的壓縮變形。（5）屋架下弦預應力鋼筋張拉應力測量測點位置通常布置在屋架跨中及兩端部位；如屋架跨度較大時，則在1/4跨度的截面上可增加測點；如有需要時預應力鋼筋上測點位置可以屋架下弦桿上的測點部位相一致。（6）裂縫測量預應力鋼筋混凝土屋架的裂縫測量，通常要實測預應力桿件的開裂荷載值；量測使用狀態(tài)荷載作用下的最大裂縫寬度及各級荷載作用下的主要裂縫寬度。屋架中由于端節(jié)點的構造與受力復雜，經常會引起斜裂縫，腹桿與下弦拉桿以及節(jié)點的交匯之處，將會較早開裂。4.4.3薄殼和網架結構試驗空間薄殼結構受力特點：曲面形板與邊緣構件（梁、拱或桁架）組成的空間結構。能以較薄的板面形成承載力高、剛度大的承重結構?？臻g網架結構受力特點：多根桿件按照一定的網格形式通過節(jié)點連接而成的空間結構。具有空間受力合理、重量輕、剛度大，跨度大、抗震性能好等優(yōu)點。1、試件的安裝和加載方法薄殼結構不論是筒殼、扁殼或者扭殼等一般均有側邊構件，結構的支承可由固定鉸、活動鉸及滾軸等組成。薄殼結構是空間受力體系，在一定的曲面形式下，荷載主要靠軸向力承受。殼體結構由于具有較大的平面尺寸，所以單位面積荷載量不會太大。一般情況可以用重力直接加載。2、試驗項目和測點布置4.5量測數(shù)據整理

量測數(shù)據包括準備階段和正式試驗階段采集到的全部數(shù)據。其中一部分是對試驗起控制作用的數(shù)據，如最大撓度控制點、最大側向位移控制點、控制截面上的鋼筋應變屈服點及混凝土極限拉、壓應變等等。起控制作用的參數(shù)應在試驗過程中隨時整理，以便指導整個試驗過程的進行。對實測數(shù)據進行整理，一般均應算出各級荷載作用下儀表讀數(shù)的遞增值和累計值，必要時還應進行換算和修正，用曲線、圖表或方程式進行表達。

在原始記錄數(shù)據整理過程中，應特別注意讀數(shù)及讀數(shù)值的反常情況，如儀表指示值與理論計算值相差很大，甚至出現(xiàn)正負號顛倒的情況，這時應對出現(xiàn)這些現(xiàn)象的規(guī)律性進行分析，判斷原因所在。一般可能的原因有兩個方面，一是由于結構本身發(fā)生裂縫、節(jié)點松動、支座沉降或局部應力達到屈服而引起數(shù)據突變；另一方面也可能是測試儀表安裝不當所造成。4.5.1整體變形量測結果整理1、簡支構件的撓度預應力鋼筋混凝土結構2、懸臂構件的撓度4.5.2截面內力1、軸向受力構件2、壓彎或拉彎構件3、雙向彎曲構件4.5.3平面應力狀態(tài)下的主應力計算1、平面應力計算基本公式2、已知主應力方向，計算主應力和剪應力。3、主應力方向未知，計算主應力和剪應力。4.5.4試驗曲線的圖表繪制例：驗證鋼筋混凝土矩形單筋受彎構件正截面的極限彎矩公式。實測極限彎矩計算極限彎矩1、荷載－變形曲線荷載變形曲線有結構構件的整體變形曲線，控制節(jié)點或截面上的荷載轉角曲線，鉸支座和滑動支座的荷載側移曲線，以及荷載時間曲線，荷載撓度曲線等。變形時間曲線，表明結構在某一恒定荷載作用下變形隨時間增長的規(guī)律。2、荷載－應變曲線例：鋼筋混凝土受彎構件試驗。要求測定控制截面上的內力變化及其與荷載的關系、主筋的荷載應變及箍筋應力和剪力的關系。3、構件裂縫及破壞特征圖試驗過程中，應在構件上按裂縫開展跡線畫出裂縫開展過程，并標注出現(xiàn)裂縫時的荷載等級及裂縫的走向和寬度。待試驗結束后，用方格紙按比例描繪裂縫和破壞特征，必要時應照相記錄。根據試驗研究的結構類型、荷載性質及變形特點等，還可繪出一些其它的特征曲線，如超靜定結構的荷載反力曲線，某些特定結點上的局部擠壓和滑移曲線等。4.6結構性能的檢測與評定作為結構性能檢驗的預制構件主要是混凝土構件。結構性能檢驗的方法有兩種：一是以結構設計規(guī)范規(guī)定的允許值作檢驗依據；另一種是以構件實際的設計值為依據進行檢驗。4.6.1構件承載力檢驗對做承載力檢驗的構件應進行破壞性試驗，以判定達到極限狀態(tài)標志時的承載力試驗荷載值。1、按混凝土結構設計規(guī)