第二章 試驗(yàn)荷的模擬

第二章試驗(yàn)荷載的模擬

第一節(jié):試驗(yàn)荷載的要求：

1.試驗(yàn)荷載作用應(yīng)使結(jié)構(gòu)處于某一種實(shí)際可能的最不利工作狀態(tài)。2.試驗(yàn)荷載的圖式要與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的荷載圖式一樣，結(jié)構(gòu)的工作和其實(shí)際情況才最為接近。第一節(jié):試驗(yàn)荷載的要求：

3.采用等效荷載試驗(yàn)時(shí)(可用幾個(gè)集中荷載來(lái)代替均布荷載，但是集中荷載的數(shù)量與位置應(yīng)盡可能的符合均布荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力值)，必須全面驗(yàn)算由于荷載圖式改變對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的各種影響。必要時(shí)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件作局部加強(qiáng)，或?qū)δ承﹨?shù)進(jìn)行修正。4.當(dāng)構(gòu)件滿足強(qiáng)度等效而整體變形(如撓度)條件不等效時(shí)，則需對(duì)所測(cè)變形進(jìn)行修正。5.當(dāng)取彎矩等效時(shí)，尚需驗(yàn)算剪力對(duì)構(gòu)件的影響。同時(shí)要求采用等效荷載的試驗(yàn)結(jié)果所產(chǎn)生的誤差控制在試驗(yàn)允許的范圍以內(nèi)。第一節(jié):試驗(yàn)荷載的要求：6.加載設(shè)備必須滿足的基本要求1)應(yīng)符合實(shí)際荷載的傳遞作用2)滿足試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，荷載量的相對(duì)誤差不超過(guò)5％3)應(yīng)有足夠的承載力與剛度4)不參與結(jié)構(gòu)工作5)易于控制，分級(jí)值應(yīng)滿足精度要求第二節(jié)模擬荷載一、重力加載法利用重物直接加載或通過(guò)杠桿作用間接加載。1.重力直接加載方法

重物荷載可直接堆放在結(jié)構(gòu)表面形成均布荷載或置于荷載盤上通過(guò)吊桿掛于結(jié)構(gòu)上形成集中荷載。

第二節(jié)模擬荷載

優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)荷載可就地取材，可重復(fù)使用，針對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)或試件的變形，可保持恒載，可分級(jí)加載，容易控制。缺點(diǎn)：加載過(guò)程中需要花費(fèi)較大的勞動(dòng)力，占據(jù)較大的空間，安全性差，試驗(yàn)組織難度大。第二節(jié)模擬荷載比薩斜塔從地基到塔頂高58.36米，從地面到塔頂高55米。鐘樓墻體在地面上的寬度是4.09米，在塔頂寬2.48米，總重約14453噸，重心在地基上方22.6米處。目前的傾斜約10%，即5.5度，偏離地基外沿2.3米，頂層突出4.5米。

地基應(yīng)力解除法第二節(jié)模擬荷載2、利用杠桿原理將荷載放大作用于結(jié)構(gòu)上。優(yōu)點(diǎn)：杠桿制作方便，荷載值穩(wěn)定不變，當(dāng)結(jié)構(gòu)有變形時(shí)，荷載可以保持恒定，對(duì)于作持久荷載試驗(yàn)尤為合適。第二節(jié)模擬荷載二、機(jī)械力荷載

機(jī)械力加載常用的機(jī)具有吊鏈、卷?yè)P(yáng)機(jī)、絞車、花籃螺絲、螺旋千斤頂及彈簧等。1、卷?yè)P(yáng)機(jī)、絞車加載卷?yè)P(yáng)機(jī)、絞車主要配合鋼絲或繩索對(duì)結(jié)構(gòu)施加拉力，拉力的大小通常用拉力測(cè)力計(jì)測(cè)定。第二節(jié)模擬荷載

2、螺旋千斤頂加載螺旋千斤頂是利用齒輪及螺桿式蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理，搖動(dòng)千斤頂手柄時(shí)，蝸桿就帶動(dòng)螺旋桿頂升，對(duì)結(jié)構(gòu)施加頂推壓力，加載值當(dāng)?shù)拇笮】捎脺y(cè)力計(jì)測(cè)定。

3、螺旋、彈簧加載

常用構(gòu)件的持久荷載試驗(yàn)。當(dāng)荷載值較小時(shí)，可直接擰緊螺帽以壓縮彈簧；當(dāng)荷載值很大時(shí)，需用千斤頂壓縮彈簧后再擰緊螺帽。第二節(jié)模擬荷載第二節(jié)模擬荷載第二節(jié)模擬荷載三、氣壓加載：氣壓加載有二種：1、一種是用空氣壓縮機(jī)對(duì)氣包充氣，給試件施加均勻荷載，壓力可達(dá)180kg/m2.

2、另一種加載方法是用真空泵抽出試件與臺(tái)座圍成的封閉空間.形成大氣壓差對(duì)試件施加均勻荷載.最大壓力可達(dá)80-100kN/m2(F1/F2=S1/S2)第二節(jié)模擬荷載l一壓縮空氣；2一閥門；3一容器；4一試件；5一支承裝置；6一氣囊第二節(jié)模擬荷載四、液壓荷載

液壓加載是目前結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中應(yīng)用比較普遍和理想的一種加載方法。它的最大優(yōu)點(diǎn)是利用油壓使液壓加載器（液壓千斤頂）產(chǎn)生較大的荷載，試驗(yàn)操作安全方便，特別是對(duì)于大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件，當(dāng)試驗(yàn)要求荷載點(diǎn)數(shù)多、噸位大時(shí)更為合適。（帕斯卡原理）第二節(jié)模擬荷載

1、液壓加載器液壓加載器主要工作原理是用高壓油泵將具有一定壓力的液壓油壓入液壓加載器的工作油缸，使之推動(dòng)活塞，對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載。

荷載值可以用液壓加載器與荷載承力架之間所置的測(cè)力計(jì)直接測(cè)讀，或用傳感器將信號(hào)輸給應(yīng)變儀顯示。液壓加載器有普通工業(yè)用的手動(dòng)液壓加載器有專門為結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的單向作用和雙向作用的液壓加載器。第二節(jié)模擬荷載

2、液壓加載系統(tǒng)

液壓加載系統(tǒng)是能夠變荷的同步液壓加載設(shè)備。它是由儲(chǔ)油箱、高壓油箱、液壓加載器、測(cè)力裝置和各類閥門通過(guò)高壓油管連接組成的操作臺(tái)。

第二節(jié)模擬荷載

五、大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的一種專門設(shè)備，比較典型的是結(jié)構(gòu)長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)，主要用來(lái)進(jìn)行柱、墻板、砌體、節(jié)點(diǎn)與梁的受壓與受彎試驗(yàn)。這種設(shè)備的構(gòu)造原理與一般材料試驗(yàn)機(jī)相同，但噸位要比材料試驗(yàn)機(jī)大。目前國(guó)內(nèi)普遍使用的長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)的最大噸位是10000KN，最大高度可為3m。

國(guó)外：日本大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的最大壓縮荷載為30000kN，最大抗拉荷載為10000kN，高度達(dá)22.5m，可進(jìn)行15m構(gòu)件受壓試驗(yàn)；第二節(jié)模擬荷載例：疲勞試驗(yàn)機(jī)

1.組成：脈動(dòng)發(fā)生系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，千斤頂；

2.方法：要求對(duì)試件按一定荷載幅值（應(yīng)力幅值）和一定頻率的重復(fù)荷載來(lái)研究結(jié)構(gòu)的疲勞性能；

結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)機(jī)

l一控制系統(tǒng)；2一校準(zhǔn)管；3一脈動(dòng)千斤N；4一回油管；5一噴油管；6一輸油管；7一分油頭；8一脈動(dòng)發(fā)生系統(tǒng)；9一卸油泵；10一吊車梁；11一脈動(dòng)器；12一頂稈；13一曲柄；14～飛輪；15一脈動(dòng)調(diào)節(jié)器第二節(jié)模擬荷載3．具體內(nèi)容：（1）測(cè)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開(kāi)裂荷載；（2）量測(cè)裂縫寬度、間距、分布形態(tài)及隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化情況；（3）測(cè)量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變化規(guī)律；（4）測(cè)定破壞荷載，疲勞壽命及破壞特征。第二節(jié)模擬荷載4．試驗(yàn)對(duì)象：梁、板和屋架為主。其中試驗(yàn)最多是吊車梁和預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)中的錨具。5．注意事項(xiàng)：由于千斤頂?shù)膽T性力和試件影響，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加力作用在構(gòu)件上該值在測(cè)力儀表中未測(cè)出,應(yīng)予以在試驗(yàn)中扣除。第二節(jié)模擬荷載液壓激振器構(gòu)造示意圖1—荷載傳感器；2一缸體；3一活塞；4一油腔；5一位移傳感器第二節(jié)模擬荷載六、電液伺服液壓系統(tǒng)

1、電液伺服液壓系統(tǒng)是目前結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究中一種比較理想的試驗(yàn)設(shè)備，特別是用來(lái)進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)的靜力或動(dòng)力試驗(yàn)尤為合適。

2、電液伺服液壓系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，其主要組成有：電液伺服加載器、控制系統(tǒng)和液壓源等三大部分，它能將荷載、應(yīng)變、位移等物理量直接作為控制參數(shù)，實(shí)行自動(dòng)控制。目前，電液伺服液壓系統(tǒng)大多數(shù)與電子計(jì)算機(jī)配合使用，從而使整個(gè)系統(tǒng)由程序控制。

l一冷卻器；2一電動(dòng)機(jī)；3一油泵；4一支承機(jī)構(gòu)；5一伺服閥；6一加載器；7一荷載傳感器；8一試件；9一位移傳感器；10一應(yīng)變傳感器11一應(yīng)變調(diào)節(jié)器；12一位移調(diào)節(jié)器；13一荷載調(diào)節(jié)器；14—伺服控制器；15一指令發(fā)生器；16-記錄顯示器1一閥套；2一擋板；3一噴嘴；4一反饋桿；5～閥芯6一永久磁鐵；7一加載器

實(shí)現(xiàn)電、液信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大并對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的裝置。第二節(jié)模擬荷載3、注意事項(xiàng)：正確選擇反饋信號(hào)，和閉合回路時(shí)間，即發(fā)現(xiàn)誤差和校正之間所經(jīng)歷的時(shí)間。如果這個(gè)時(shí)間是大的，在峰值壓力減少之前裂隙到處都已開(kāi)始發(fā)生，那么對(duì)測(cè)定試件，應(yīng)力、應(yīng)變、全過(guò)程曲線是不利的。伺服控制機(jī)的感應(yīng)時(shí)間為5ms，如果采用了適當(dāng)?shù)姆答佭^(guò)程信號(hào)，那么在這樣短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)裂隙不會(huì)多大距離擴(kuò)散，也就控制了裂隙的不穩(wěn)定傳播，使得試件平穩(wěn)的破壞。第二節(jié)模擬荷載

七、地震模擬振動(dòng)臺(tái)

地震模擬振動(dòng)臺(tái)是再現(xiàn)各種地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)的一種先進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備，其特點(diǎn)是具有自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，采用了電子計(jì)算機(jī)和閉環(huán)伺服液壓控制技術(shù)，并配合先進(jìn)的振動(dòng)測(cè)量?jī)x器，使結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)水平提高到了一個(gè)新的高度。第二節(jié)模擬荷載驅(qū)動(dòng)：液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是給振動(dòng)臺(tái)以推力，按照振動(dòng)臺(tái)是單向（水平或垂直）、雙向（水平—水平或水平—垂直）或三向（二向水平—垂直）運(yùn)動(dòng)。各向加載器推力取決于可動(dòng)質(zhì)量的大小和最大加速度的要求。常用電液伺服系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。

測(cè)量：除了對(duì)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)需進(jìn)行位移、加速度的測(cè)量外，還需測(cè)量模型的位移、加速度和應(yīng)變等。第三節(jié)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載支承裝置

1．支座與支墩2．反力裝置:3．其他支承裝置第三節(jié)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載支承裝置1．支座與支墩支座和支墩都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件在實(shí)際狀態(tài)的邊界條件和應(yīng)力狀態(tài)而設(shè)置的。必須保證結(jié)構(gòu)在支座處力的正確傳遞，其本身要有足夠的強(qiáng)度與剛度儲(chǔ)備。常見(jiàn)鉸支座的形式(a)活動(dòng)鉸支座；(b)固定鉸支座；(c)球鉸支座嵌固端支座構(gòu)造1一試件；2一上支座刀口；3—下支座刀口；4一支墩；5一拉桿1．支座與支墩

簡(jiǎn)支構(gòu)件和連續(xù)梁支座：這類構(gòu)件一般一端為固定鉸支座，其他為滾動(dòng)支座。安裝時(shí)各支座軸線應(yīng)彼此平行并垂直于試驗(yàn)構(gòu)件的縱軸線。四角支承板和四邊支承板的支座：在配置四角支承板支座時(shí)應(yīng)安放一個(gè)固定滾珠，對(duì)四邊支承板，滾珠的間距不宜過(guò)大，宜取板在支承處厚度的3-5倍。此外，對(duì)于四邊簡(jiǎn)支板的支座應(yīng)注意四個(gè)角部的處理，當(dāng)四邊支承板無(wú)邊梁時(shí)，加載后四角會(huì)翹起，因此，角部應(yīng)安置能受拉的支座。板殼結(jié)構(gòu)的支座布置方式1一滾軸；2一鋼球；3一試件；4一固定球鉸1．支座與支墩

受扭構(gòu)件兩端的支座：對(duì)于梁式受扭構(gòu)件試驗(yàn)，為保證試件在受扭平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，支座形式可使試件兩端架設(shè)在兩個(gè)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)的支座上，支座轉(zhuǎn)動(dòng)中心應(yīng)與試件轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合，兩支座的轉(zhuǎn)動(dòng)平面應(yīng)相互平衡，并應(yīng)與試件的扭軸相垂直。受壓構(gòu)件兩端的支座：進(jìn)行柱與壓桿試驗(yàn)時(shí)，構(gòu)件兩端應(yīng)分別設(shè)置球形支座或雙層正交刀口支座。球鉸中心應(yīng)與加載點(diǎn)重合，雙層刀口的交點(diǎn)應(yīng)落在加載點(diǎn)上。目前試驗(yàn)柱的對(duì)中方法有兩種；幾何對(duì)中和物理對(duì)中。受扭試驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)支座構(gòu)造1一受扭試驗(yàn)構(gòu)件；2一墊板；3—轉(zhuǎn)動(dòng)支座蓋板；4一滾軸；5一轉(zhuǎn)動(dòng)支座柱和壓桿試驗(yàn)的鉸支座

(a)單向鉸支座；(b)雙向鉸支座1—試件；2一鉸支座；3一調(diào)整螺絲；4～刀口刀口支座l一刀口；2一刀口座1．支座與支墩

在試驗(yàn)機(jī)中做短柱抗壓承載力試驗(yàn)時(shí)，由于短柱破壞時(shí)不發(fā)生縱向撓曲，短柱兩端面不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；因此，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)上下壓板之一已有球鉸時(shí)，短柱兩端可不另加設(shè)刀口。這樣處理是合理的，且能和混凝土棱柱強(qiáng)度試驗(yàn)方法一致。1．支座與支墩

支墩：支墩常用鋼和鋼筋混凝土制作，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)多臨時(shí)用磚砌成高度一致，并應(yīng)方便觀察和使用儀器。支墩上面應(yīng)有足夠大的平整的支承面，在制作時(shí)最好鋪以鋼板。在試驗(yàn)時(shí)總的壓縮變形不超過(guò)試驗(yàn)構(gòu)件撓度的1／10。單向簡(jiǎn)支試驗(yàn)構(gòu)件的兩個(gè)鉸支座的高差應(yīng)符合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求，其偏差不宜大于試驗(yàn)構(gòu)件跨度的1／50。過(guò)大的偏差會(huì)在結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力。2．反力裝置

2.反力裝置：

在進(jìn)行試驗(yàn)加載時(shí)液壓加載的活塞只有在其行程受到約束時(shí)，才會(huì)對(duì)試件產(chǎn)生推力。利用杠桿加載時(shí)，也必須有一個(gè)支撐點(diǎn)承受支點(diǎn)的上拔力。即必須有一套荷載支撐設(shè)備，才能滿足試驗(yàn)的加載要求。2．反力裝置豎向反力裝置；主要由垂直載荷架、千斤頂連接件及試驗(yàn)臺(tái)座等組成。1）載荷架，又稱反力架，它是整個(gè)加載系統(tǒng)的載荷機(jī)構(gòu)，載荷架的形式較多，典型的有；組合式與移動(dòng)式荷載架。2）試驗(yàn)臺(tái)座；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)座是永久性的固定設(shè)備，用以平衡施加在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)物上的荷載所產(chǎn)生的反力。臺(tái)座的承載能力一般在200-1000KN／M2。臺(tái)座的剛度極大，變形極小，這樣就允許在臺(tái)面上同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)試驗(yàn)，而不用考慮之間的相互影響。組合式載荷架示意1一大粱；2一橫梁；3一立柱；4-地腳錨栓2．反力裝置臺(tái)座的形式主要有；槽式試驗(yàn)臺(tái)座；地錨式試驗(yàn)臺(tái)座；箱式試驗(yàn)臺(tái)座；槽、錨式試驗(yàn)臺(tái)座。水平反力裝置：由反力墻（反力架）及千斤頂連接件等組成。固定式反力墻在國(guó)內(nèi)外多采用混凝土結(jié)構(gòu)，而且和試驗(yàn)臺(tái)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，以便使用螺栓錨住加載器的底板。槽式試驗(yàn)臺(tái)座1一槽軌；2一型鋼骨架；3一高強(qiáng)度等級(jí)混凝土；4一混凝土縱向有槽軌，可錨固加載支架，可平衡反力。但由于地腳螺栓較松，不適合做動(dòng)力試驗(yàn)。在試驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)座每隔1m有一條槽路地錨式試驗(yàn)臺(tái)座1一地腳螺絲；2一臺(tái)座地特點(diǎn)是在臺(tái)面上每隔一定間隔設(shè)置一個(gè)地腳螺絲，螺絲下端錨固在臺(tái)座內(nèi)，其頂端伸出于臺(tái)座表面特制的圓形孔穴內(nèi)，使用時(shí)通過(guò)用套筒螺母與加載架的立柱連接。適用于靜力和動(dòng)力試驗(yàn)。缺點(diǎn)是位置受限制，螺栓受損后修復(fù)困難。箱式結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)座1一箱形臺(tái)座2一頂板上的孔洞3一試件4一加荷架5一液壓加載器6一液壓操縱臺(tái)特點(diǎn)是剛度較大，試驗(yàn)靈活，但振動(dòng)大不適合進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)。鋼筋混凝土固定式反力墻(單位：mm)