結(jié)構(gòu)試驗課件1(教案)

第三章

加載設(shè)備與試驗裝置土木工程結(jié)構(gòu)試驗與檢測

重物、氣壓、機械機具、液壓、動力激振及與它們相匹配的各種試驗裝置等。產(chǎn)生模擬荷載的方法

3.1重物加載及實現(xiàn)方式實驗室：專門制作的標準鑄鐵磚碼、混凝土試塊和水箱等?，F(xiàn)場試驗：磚、砂、石和袋裝水泥等建筑材料。加載方式:直接加在試驗對象上、通過杠桿系統(tǒng)間接加在試驗對象上。3.1.1重物直接加載作均布荷載

重物荷載可直接堆放于結(jié)構(gòu)表面作為均布荷載如下圖所示3.1.1重物直接加載作集中荷載

置于荷載盤上通過吊桿掛在結(jié)構(gòu)上形成集中荷載如下圖所示。此時應計入吊桿與荷載盤的自重用水作均布荷載水的相對密度為1,從標尺上的水深就可知道荷載值的大小。采用虹吸管原理放水卸載。特別適用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和平板結(jié)構(gòu)加載試驗。其缺點是全部承載面被水掩蓋,不利于布置儀表和觀測。當結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形時,要注意水荷載的不均勻性所產(chǎn)生的影響。如圖所示重物直接加載應注意的問題采用鑄鐵硅碼、磚塊、袋裝水泥等作為均布荷載時,應注意重物尺寸和堆放距離(圖3.1.1);采用砂、石等松散顆粒材料作為均布荷載時,切勿連續(xù)松散堆放,宜采用袋裝堆放,以防止砂石材料摩擦角引起的拱作用;當環(huán)境濕度不同時,可能引起砂石重量隨含水率而變化,造成荷載值的不穩(wěn)定。3.1.2杠桿加載方法

重物作集中荷載試驗時,常采用杠桿原理將荷載值放大,如圖所示。杠桿有足夠的剛度,杠桿比一般不宜大于5。三個支點應在同一直線上3.1.2杠桿加載方法現(xiàn)場試驗時,杠桿反力支點可用重物、樁、墻洞或反彎梁等作支承杠桿加載注意事項用重物加載進行破壞試驗時,應特別注意安全。在加載試驗結(jié)構(gòu)的底部均應有保護措施,防止倒塌造成事故3.2氣壓加載：正壓加載氣壓加載分為正壓加載和負壓加載兩種。圖3.2.1a為正壓加載示意圖,正壓加載是利用壓縮空氣的壓力對結(jié)構(gòu)施加荷載。尤其是對加均布荷載特別有利,直接通過壓力表就可反映加載值,加卸載方便,并可產(chǎn)生較大的荷載,可達到50~100KN/m2,一般應用于模型結(jié)構(gòu)試驗較多。3.2氣壓加載：負壓加載圖3.2.1b為負壓加載示意圖,負壓加載是利用真空泵將試驗結(jié)構(gòu)物下面密封室內(nèi)的空氣抽出,使之形成真空,結(jié)構(gòu)的外表面受到的大氣壓,就成為施加在結(jié)構(gòu)上的均布荷載,由真空度可得出加載值。負壓加載適用于殼體結(jié)構(gòu)試驗,缺點是安裝量測儀表受到限制,觀測裂縫不方便等

3.3機械機具加載

機械機具加載一般由絞車、卷揚機、倒鏈葫蘆、螺旋千斤頂和彈簧等組成。

機械機具加載示意圖機具加載的適用情況絞車、卷揚機、倒鏈葫蘆等主要用于對遠距離或高聳結(jié)構(gòu)物施加拉力。連接定滑輪可以改變力的方向,連接滑輪組可以提高加載能力,連接測力計或拉力傳感器可以測量其加載值。

機具加載的適用情況螺旋千斤頂和彈簧均適用于長期荷載試驗,產(chǎn)生的荷載相對比較穩(wěn)定。螺旋千斤頂是利用渦輪渦桿機構(gòu)傳動的原理加力,使用時需要用力傳感器測定其加載值,設(shè)備簡單,使用方便。

機具加載的適用情況彈簧加載采用千分表量測彈簧的壓縮長度的變化量確定彈簧的加載值,彈簧變形與力值的關(guān)系一般通過壓力試驗機標定來確定。加載時,承載力較小的彈簧可直接擰緊螺帽施加壓力,承載力很大的彈簧則需借助于液壓加載設(shè)備加壓后再擰緊螺帽。當結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形時會自動卸載,應及時擰緊螺帽調(diào)整壓力,保持荷載不變。3.4液壓加載目前最常用的試驗加載方法。利用油壓使液壓千斤頂產(chǎn)生較大荷載。通常由油泵、油管系統(tǒng)、千斤頂、加載控制臺、加載架和試驗臺座等組成,如圖3.4.1所示。3.4.1液壓加載千斤頂液壓千斤頂通常為加載而專門設(shè)計制造,具有較高的精度,分為手動油泵供油和電動油泵供油兩種,如圖3.4.2所示3.4.2結(jié)構(gòu)試驗機大型結(jié)構(gòu)試驗機本身就是一種比較完善的液壓加載系統(tǒng)。是在實驗室內(nèi)進行大型結(jié)構(gòu)試驗的一種專門設(shè)備,比較典型的是結(jié)構(gòu)長柱試驗機,如圖3.4.3所示。用于混凝土梁、板、柱和砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受壓和受彎試驗。其構(gòu)造和加載原理與一般的村料試驗機相同。由于大型結(jié)構(gòu)試驗的需要,機架高度最大可達10m以上;最大加載值可達1000OKN以上。試驗機也可以與計算機連接，實施程序控制操作和數(shù)據(jù)采集，試驗機操作和數(shù)據(jù)處理能同時進行。3.4.3電液伺服加載系統(tǒng)電液伺服加載系統(tǒng)主要是由電液伺服作動器(伺服千斤頂)、控制系統(tǒng)和液壓源、三大部分組成,如圖3.4.4所示。電液伺服加載系統(tǒng)工作原理

可以將荷載、應變和位移等不同力學參量直接作為控制參量,實行自動控制,并在試驗過程中進行控制參量的轉(zhuǎn)換。電液伺服加載系統(tǒng)主要采用了電液伺服閥進行閉環(huán)控制。所謂電液伺服閉環(huán)控制,就是以電參量通過伺服閥去控制高壓油的流量,推動液壓作動器執(zhí)行元件(千斤頂?shù)幕钊?對試件施加荷載。另一方面,傳感器檢測出的加載試件的某一力學參量(位移、荷載、應變),經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后以電參量的方式作為反饋信號在比較器中隨時與設(shè)定的控制電參量進行比較,得出的差值信號經(jīng)調(diào)整放大后控制電液伺服閥再推動液壓作動器執(zhí)行元件,使其向消除差值的方向動作。將執(zhí)行元件動作的效果由傳感器檢測,并作為反饋信號送入比較器,從而形成閉環(huán)回路。

液伺服加載系統(tǒng)構(gòu)成1、電液伺服作動器：是電液伺服實驗系統(tǒng)的動作執(zhí)行者,電液伺服閥是電液伺服作動器的核心元件,電、液信號的轉(zhuǎn)換和控制主要由它實現(xiàn)。伺服閥輸出的高壓油流量和控制電流成正比其構(gòu)造如圖：液伺服加載系統(tǒng)構(gòu)成2.控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)由液壓控制器、電參量信號控制器、繪圖儀和計算機四部分組成。其中,液壓控制器控制液壓源的啟動和關(guān)閉;電參量信號控制器主要控制荷載、位移和應變等參量的轉(zhuǎn)換,還有極限保護以免開環(huán)失控等功能;繪圖儀主要對試件的各階段受力與變形的變化規(guī)律進行實時直觀顯示；計算機主要對電信號控制器和繪圖儀進行實時控制。液伺服加載系統(tǒng)構(gòu)成3.液壓源：液壓源為整個試驗系統(tǒng)提供液壓動力。要求：要保持液壓油的壓力和流量工作穩(wěn)定對供電也有一定的要求,還要有安全保護環(huán)節(jié)及其監(jiān)測儀表,以保證液壓源的安全運行。電液伺服加載系統(tǒng)所用液壓油的潔凈程度要求很高,在供油管路和回油管路都裝有過濾器,以保證作動器上的電液伺服閥能夠安全可靠地工作。液壓源在運行過程中需要不斷地進行冷卻,以保持油溫在額定溫度范圍之內(nèi)。3.4.4模擬地震振動臺模擬地震振動臺是進行結(jié)構(gòu)抗震試驗的一種先進試驗設(shè)備,是由振動臺臺體結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動和動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及測試和分析系統(tǒng)組成,如圖3.4.6所示.

模擬地震振動臺模擬地震振動臺的構(gòu)成

1.振動臺臺面與基礎(chǔ)：振動臺臺面是有一定尺寸的平板結(jié)構(gòu),需要有足夠的剛度和承載力,通常采用鋼結(jié)構(gòu)。振動臺安裝在質(zhì)量很大的基礎(chǔ)上,基礎(chǔ)的重量一般為可動部分重量或激振力的10~20倍以上,這樣可以改善系統(tǒng)的高頻特性,并減小對周圍建筑和其他設(shè)備的影響。模擬地震振動臺的構(gòu)成

2.液壓驅(qū)動和動力系統(tǒng)：液壓驅(qū)動系統(tǒng)是向振動臺施加巨大推力的設(shè)備。采用電液伺服系統(tǒng)來驅(qū)動,它在低頻時能產(chǎn)生巨大的推力。根據(jù)輸入信號(周期波或地震波),由電液伺服閥控制進入作動器的液壓油流量的大小和方向,從而由作動器推動臺面能在垂直軸或水平軸方向上產(chǎn)生正弦運動或隨機運動。

模擬地震振動臺

液壓動力系統(tǒng)是一個巨大的液壓功率源,能供給作動器所需要的高壓油,滿足巨大推力和臺身運動速度的要求。目前建成的振動臺中都配有大型蓄能器組,根據(jù)蓄能器容量的大小使瞬時流量可為平均流量的1~8倍,它能產(chǎn)生具有極大能量的短暫突發(fā)力,更好的模擬地震作用。模擬地震振動臺的構(gòu)成3.控制系統(tǒng)：由模擬控制和數(shù)字控制兩部分組成。模擬控制方法又分為兩種。一種是采用位移反饋控制的PID控制方法,同時利用壓差反饋作為提高系統(tǒng)穩(wěn)定的補償,德國SCHENCK公司就是采用這種控制方法;另一種方法是將位移、速度和加速度共同進行反饋的三參量反饋控制方法,美國MTS公司就是采用這種控制方法。數(shù)字控制目前采用計算機進行數(shù)字迭代的補償技術(shù)進行控制,實現(xiàn)臺面地震波的再現(xiàn)。試驗時,振動臺臺面輸出的波形是期望再現(xiàn)的某個地震記錄或是模擬設(shè)計的人工地震波。由于包括臺面、試件在內(nèi)的系統(tǒng)的非線性影響,在計算機給臺面的輸入信號激勵下所得到的反應與輸出的期望之間必然存在誤差。這時,計算機由臺面輸出信號與系統(tǒng)本身的傳遞函數(shù)(頻率響應)求得下一次驅(qū)動臺面所需的補償量和修正后的輸入信號。經(jīng)過多次迭代,直至臺面輸出反應信號與原始輸入信號之間的誤差小于預先給定的值,完成迭代補償并得到滿意的地震波形。

模擬地震振動臺的構(gòu)成4.測試和分析系統(tǒng)：測試系統(tǒng)一般是測量位移、加速度和應變等參數(shù),總通道數(shù)可達百余點。可測量模型相對于臺面的位移。數(shù)據(jù)的采集可以在直觀式示波器或磁帶記錄器上將反映的時間歷程記錄下來,或經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換送到數(shù)字計算機儲存,并進行分析處理。對模型的破壞過程可采用攝像機進行記錄

3.5動力加載法—3.5.1慣性力加載法慣性力加載法是在結(jié)構(gòu)動力試驗中,利用物體質(zhì)量在運動時產(chǎn)生的慣性力對結(jié)構(gòu)施加動荷載。因此,按產(chǎn)生慣性力的方法通常將其分為沖擊力加載法、離心力加載法和直線位移慣性力加載法。3.5.1慣性力加載法1、沖擊力加載：特點是荷載作用時間極為短促,在它的作用下被加載結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動,適用于進行結(jié)構(gòu)動力特性的試驗。沖擊力加載方法有初位移法和初速度法兩種：1、沖擊力加載

(1)初位移加載法：初位移加載法也稱為張拉突卸法。如圖3.5.1a所示在結(jié)構(gòu)上拉一鋼絲繩,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個人為的初始強迫位移,然后突然釋放,使結(jié)構(gòu)在靜力平衡位置附近作自由振動。在加載過程中當,拉力達到足夠大時,事先連接在鋼絲繩上的鋼拉桿被拉斷而形成突然卸載,通過調(diào)整拉桿的截面即可獲得不同的初位移。（1）初位移加載法對于小模型則可采用圖3.5.1b所示的方法,使懸掛的重物通過鋼絲對模型施加水平拉力,剪斷鋼絲造成突然卸載。這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)自振時荷載已不存在,對結(jié)構(gòu)沒有附加質(zhì)量的影響,但僅適用于剛度不大的結(jié)構(gòu)。為防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形,加載的數(shù)量必須正確控制,經(jīng)常是按所需的最大振幅計算求得。加載時應防止由于加載作用點的偏差而使結(jié)構(gòu)在另一平面內(nèi)同時振動產(chǎn)生干擾。

1、沖擊力加載(2)初速度加載法：初速度加載法也稱突加荷載法。如圖3.5.2所示,利用擺錘或落重的方法使結(jié)構(gòu)在瞬時內(nèi)受到水平或垂直的沖擊,產(chǎn)生一個初速度,同時使結(jié)構(gòu)獲得所需的沖擊荷載。這時作用力的總持續(xù)時間比結(jié)構(gòu)的有效振型的自振周期短些,所引起的振動是整個初速度的函數(shù),而不是力的函數(shù)。如圖3.5.2a所示的擺錘進行激振時,如果擺錘和建筑物有相同的自振周期,擺錘的運動就會引起建筑物共振,產(chǎn)生自振振動。使用圖3.5.2b所示的方法時,荷載將附著于結(jié)構(gòu)一起振動,并且落重的跳動又會影響結(jié)構(gòu)自振阻尼振動,同時有可能使結(jié)構(gòu)受到局部損傷。這時沖擊力的大小要按結(jié)構(gòu)承載力計算,不致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的應力和變形

初速度加載法示意圖落重方法注意的問題用垂直落重沖擊時,落重取結(jié)構(gòu)自重的0.1%(指試驗對象跨間),落重高度h《2.5m,為防止重物回彈再次撞擊和局部受損,擬在落點處鋪設(shè)15~2Ocm的砂墊層

3.6試驗臺座與支承裝置—3.6.1試驗臺座在實驗室內(nèi),結(jié)構(gòu)試驗臺座是永久性的固定設(shè)備,用以平衡施加在試驗結(jié)構(gòu)物上的荷載產(chǎn)生的反力。試驗臺座的臺面一般與實驗室地坪標高一致,這樣可以充分利用實驗室的地坪面積,使室內(nèi)水平運輸搬運物件比較方便,但易干擾試驗活動。也可以高出地平面,使之成為獨立體系,這樣試驗區(qū)劃分比較明確,不受周邊活動及水平交通運輸?shù)挠绊?。臺座的承載能力一般為200~100OKN/m2。3.6.1試驗臺座設(shè)計臺座時,其縱向和橫向均應按各種試驗組合可能產(chǎn)生的最不利受力情況進行驗算與配筋,以保證具有足夠的強度和整體剛度。用于動力試驗的臺座還應有足夠的質(zhì)量和耐疲勞強度,防止引起共振和疲勞破壞,尤其應注意局部預埋件和焊縫的疲勞破壞。如果實驗室內(nèi)同時有靜力和動力臺座,則靜力試驗臺座與動力試驗臺座應分離設(shè)置,避免動力試驗對靜力試驗的干擾。按結(jié)構(gòu)的不同,目前國內(nèi)外常見的試驗臺座有以下幾種。

1.槽式試驗臺座

這是目前國內(nèi)用得較多的比較典型的靜力試驗臺座。其構(gòu)造特點是沿臺座縱向全長布置幾條槽軌。該槽軌是用型鋼制成的縱向框架式結(jié)構(gòu),埋置在臺座的混凝土內(nèi),如圖3.6.1所示。槽軌的作用在于錨固加載支架,用以平衡結(jié)構(gòu)物上的荷載產(chǎn)生的反力。如果荷載架立柱用圓鋼成,直接可用兩個螺帽固定于槽內(nèi);如果荷載架立柱由型鋼制成,則在其底部設(shè)計成鋼結(jié)構(gòu)柱腳的構(gòu)造,用地腳螺栓固定在槽內(nèi)。槽式試驗臺座示意圖

2、地錨式試驗臺座這種臺座在臺面上每隔一定間距設(shè)置一個地腳螺栓,螺栓下端錨固在混凝土內(nèi),頂端伸出到臺座表面特制的地槽內(nèi),并略低于臺座表面標高,如圖3.6..2所示。使用時,通過套筒螺母與荷載架立柱連接。平時用蓋板將地槽蓋住,以保護螺栓端部,并防止雜物落入孔穴。這種臺座的缺點是螺栓受損后修理困難。此外,由于螺栓位置是固定的,所以安裝試件的位置受到限制,不如槽式臺座方便

地錨式試驗臺座示意圖

3.箱式試驗臺座

這種臺座本身就是一個剛度很大的箱形結(jié)構(gòu),臺座頂板沿縱、橫兩個方向按一定間距留有豎向貫穿的孔洞,以固定立柱或梁式槽軌,如圖3.6.3所示

3.箱式試驗臺座臺座配備有短的梁式活動槽軌,便于沿孔洞連線的任意位置加載,即先將槽軌固定在相鄰的兩孔間,然后將立柱(或拉桿)按加載的位置固定在槽軌中。試驗量測與加載構(gòu)造可在臺座上面,也可在箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行,所以臺座的結(jié)構(gòu)本身也就是實驗室的地下室,可供長期荷載試驗或特種試驗使用。這種臺座的加載點位置可沿臺座縱向任意變動。其缺點是型鋼用量大,槽軌施工精度要求較高。由于地腳螺栓容易松動,故不適用于動力試驗。更大型的箱形試驗臺座同時還可兼作為實驗室房屋的基礎(chǔ)。因而場地的'空間利用率高,加載器設(shè)備管路易布置,臺面整潔。它的主要缺點是安裝和移動設(shè)備較困難。

箱式試驗臺座示意圖

4、槽錨式試驗臺座這種臺座兼有槽式及地錨式臺座的特點,如圖3.6.4所示。同時,由于抗震試驗的需要,利用錨栓一方面可固定試件,另一方面可承受水平剪力。

槽錨式試驗臺座示意圖

5.梁式臺座在預制構(gòu)件廠和小型結(jié)構(gòu)實驗室中,當缺少大型試驗臺座時,也可以采用抗彎大梁式或空間桁架式臺座,以滿足中小型構(gòu)件試驗或混凝土制品檢驗的要求?？箯澊罅号_座本身是一根剛度極大的鋼梁或鋼筋混凝土大梁,其構(gòu)造如圖3.6.5所示。當用液壓加載器和分配梁加載時,產(chǎn)生的反作用力通過門型荷載架傳至大梁,試驗結(jié)構(gòu)的支座反力也由臺座大梁承受,使之保持平衡?？箯澊罅菏脚_座由于受大梁本身抗彎強度與剛度的限制,一般為試驗跨度在7m以下、寬度在1.2m以下的板和梁。

梁式臺座示意圖

6.空間桁架式臺座這種臺座是由型鋼制成的專門試驗架,一般用于進行中等跨度的橋架及屋面大梁的試驗,如圖3.6.6所示。它可施加為數(shù)不多的集中荷載,液壓加載器的反作用力由空間椅架自身平衡。

空間桁架式臺座

3.6.2水平反力裝置

水平反力裝置主要由反力墻(或反力架)及千斤頂水平連接件等組成。反力墻一般為固定式,而反力架則有固定式和移動式兩種。對于固定式反力墻,國內(nèi)外大多采用混凝土結(jié)構(gòu)(混凝土或預應力混凝土),并且和試驗臺座剛性連接以減少自身的變形。在混凝土反力墻上,按一定距離設(shè)有孔洞,以便用螺栓錨住加載器的底板。反力墻與千斤頂?shù)倪B接方式大致分為三種,縱向滑軌式錨栓連接、螺孔式錨栓連接型橫向滑