結(jié)構(gòu)模型試驗課件

關(guān)于量綱分析法的若干說明對某一問題用量綱分析法求相似判據(jù)時，要正確認定哪些物理量與研究問題有關(guān)，并在量綱分析時將它們都考慮到；對一個復雜的物理問題，必須進行深入的研究，有比較正確的了解，才能進行量綱分析；對物理方程未知的物理現(xiàn)象，量綱分析是求得相似判據(jù)的唯一方法；量綱分析法沒有考慮物理現(xiàn)象的單值條件，由判據(jù)方程得出的相似條件是使現(xiàn)象相似的必要條件。關(guān)于量綱分析法的若干說明對某一問題用量綱分析法求相似判據(jù)時，1相似第三定理兩個現(xiàn)象相似的必要和充分條件——在幾何相似系統(tǒng)中，如兩現(xiàn)象由文字結(jié)構(gòu)相同的物理方程描述，它們的單值條件相似，單值量對應(yīng)成比例，且單值量的判據(jù)相等，則兩現(xiàn)象相似。所謂單值條件是在同一類的一群現(xiàn)象中，把一個具體現(xiàn)象區(qū)分出來的那些條件（幾何性質(zhì)、初始狀態(tài)、邊界條件、重要的物理參數(shù)）。相似第三定理兩個現(xiàn)象相似的必要和充分條件——在幾何相似系統(tǒng)中2結(jié)構(gòu)模型設(shè)計模型的分類彈性模型——試驗?zāi)康墨@得原型結(jié)構(gòu)在彈性階段的資料強度模型——試驗?zāi)康氖穷A(yù)計原型結(jié)構(gòu)的極限強度以及在各級荷載直到破壞荷載時的性能結(jié)構(gòu)模型設(shè)計模型的分類3彈性模型用以驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的正確性，為設(shè)計提供某些參數(shù)模型材料不一定與原型完全相似不能預(yù)計原型結(jié)構(gòu)在荷載作用下的非線性性能（混凝土開裂、鋼筋屈服后的性能）彈性模型用以驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法的正確性，為設(shè)計提供某些參數(shù)4強度模型較多用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非彈性性能研究試驗的成功與否取決于模型材料與原型材料的相似程度對于小比例模型只能做到不完全相似（材料相似難以滿足）強度模型較多用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非彈性性能研究5相似常數(shù)的確定先確定SL，然后確定SE和S，再確定其它相似常數(shù)。靜力彈性模型——先確定SL和SE，其它常數(shù)是SL和SE的函數(shù)，或等于1。強度模型——對材料相似要求嚴格（-曲線）動力模型——要求考慮材料密度相似和時間相似，對模型材料的E和要求嚴格，在Sg=1時，Em<Ep，

m>

p(要求采用附加質(zhì)量的方法解決材料密度相似）相似常數(shù)的確定先確定SL，然后確定SE和S，再確定其它相6模型設(shè)計步驟根據(jù)任務(wù)明確試驗的具體目的，選擇模型的類型在對研究對象進行理論分析和初步估算的基礎(chǔ)上，用方程式分析法或量綱分析法確定相似判據(jù)（）假定模型的幾何尺寸，定出相似常數(shù)SL根據(jù)相似判據(jù)確定各有關(guān)的相似常數(shù)設(shè)計繪制模型施工圖模型設(shè)計步驟根據(jù)任務(wù)明確試驗的具體目的，選擇模型的類型7結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨埔箐摻罨炷两Y(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨拼u石結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨平Y(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨埔?靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨埔笪锢項l件相似——要求模型與原型的相應(yīng)各點應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系相同（法向應(yīng)力、彈性模量、法向應(yīng)變、剪應(yīng)力、剪切彈性模量、剪切應(yīng)變、泊松比）幾何條件相似——要求模型與原型各相應(yīng)部位的長度互成比例（長度、位移、應(yīng)變）邊界條件相似——要求模型與原型在與外界接觸的區(qū)域內(nèi)的各種條件保持相似靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨埔笪锢項l件相似——要求模型與原型的相應(yīng)各9靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨浦笜烁鶕?jù)物理相似根據(jù)幾何相似靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨浦笜烁鶕?jù)物理相似10靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨浦笜烁鶕?jù)邊界條件相似集中力或剪力線荷載面荷載彎矩或扭矩靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨浦笜烁鶕?jù)邊界條件相似11鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨剖芗泻奢d的受彎構(gòu)件模型應(yīng)力與原型應(yīng)力相等

荷載彎矩剪力撓度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨剖芗泻奢d的受彎構(gòu)件12鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨剖芗泻奢d的受彎構(gòu)件2.模型撓度與原型撓度相等

荷載彎矩剪力應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨剖芗泻奢d的受彎構(gòu)件13鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨平Y(jié)構(gòu)自重影響模型應(yīng)力與原型應(yīng)力相等

則因為所以模型材料密度必須比原型高，這是模型試驗中的困難，可采用增加恒載的方法來補足密度。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨平Y(jié)構(gòu)自重影響14鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨平Y(jié)構(gòu)自重影響模型采用與原型相同的材料

則因為所以模型中的應(yīng)力和撓度比原型小得多，要求提高測量精度。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨平Y(jié)構(gòu)自重影響15鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨撇牧系南嗨脐P(guān)系當模型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在所有的應(yīng)力-應(yīng)變水平上都相似于原型材料時

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨撇牧系南嗨脐P(guān)系16鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨剖芗泻奢d的受彎構(gòu)件

應(yīng)力

荷載彎矩剪力撓度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨剖芗泻奢d的受彎構(gòu)件17鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨评硐氲匿摻罨炷聊Ｐ筒牧蠎?yīng)具有相似的-曲線，并在極限強度下的變形c、s相等上述情況很難滿足，除非即模型與原型采用完全相同的材料鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨评硐氲匿摻罨炷聊Ｐ筒牧蠎?yīng)具18鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨朴懻摰那闆r（鋼筋和混凝土粘結(jié)良好，變形協(xié)調(diào)，應(yīng)變相等）混凝土鋼筋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨朴懻?9鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨圃阡摻罨炷两Y(jié)構(gòu)中，只有當模型與原型采用相同強度和變形的材料時，才能滿足應(yīng)力應(yīng)變曲線的相似。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨圃阡摻罨炷两Y(jié)構(gòu)中，只有當模20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力模型的相似常數(shù)類型物理量量綱一般模型實用模型材料性能混凝土應(yīng)力cFL-2S1混凝土應(yīng)變c-11混凝土彈性模量EcFL-2S1泊松比c-11質(zhì)量密度cFL-4T2S/Sl1/Sl鋼筋應(yīng)力sFL-2S1鋼筋應(yīng)變s-11鋼筋彈性模量EsFL-2S1粘結(jié)應(yīng)力uFL-2S1幾何特性幾何尺寸lLSlSl線位移LSlSl角位移-11鋼筋面積AsL2Sl2Sl2荷載集中荷載PFSSl2Sl2線荷載wFL-1SSlSl面荷載qFL-2S1力矩MFLSSl3Sl3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力模型的相似常數(shù)類型物理量量綱一般模型實用模21磚石結(jié)構(gòu)靜力模型的相似對于磚石結(jié)構(gòu)，由于它是由磚石和砂漿兩種材料組成的復合材料結(jié)構(gòu)，因此制作模型時在所有細節(jié)上都要按比例縮小，給制作帶來困難。由于要求模型砌體具有與原型相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，實用的途徑是采用與原型相同的材料。磚石結(jié)構(gòu)靜力模型的相似對于磚石結(jié)構(gòu)，由于它是由磚石和砂漿兩種22磚石結(jié)構(gòu)靜力模型的相似常數(shù)類型物理量量綱一般模型實用模型材料性能砌體應(yīng)力mFL-2S1砌體應(yīng)變m-11砌體彈性模量EmFL-2S1砌體泊松比m-11砌體質(zhì)量密度mFL-4T2S/Sl1/Sl幾何特性幾何尺寸lLSlSl線位移LSlSl角位移-11面積AL2Sl2Sl2荷載集中荷載PFSSl2Sl2線荷載wFL-1SSlSl面荷載qFL-2S1力矩MFLSSl3Sl3磚石結(jié)構(gòu)靜力模型的相似常數(shù)類型物理量量綱一般模型實用模型砌體23結(jié)構(gòu)動力試驗?zāi)Ｐ蛣恿δＰ偷南嗨埔髣恿δＰ拖嗨茥l件的討論結(jié)構(gòu)動力試驗?zāi)Ｐ蛣恿δＰ偷南嗨埔?4動力模型的相似要求動力模型試驗除滿足靜力模型的三個條件外，還要滿足下列條件：質(zhì)點動力平衡方程式相似運動的初始條件相似動力模型的相似要求動力模型試驗除滿足靜力模型的三個條件外，還25動力模型相似條件的討論在實際設(shè)計模型時，要全部滿足相似條件是很困難的，只有在模型比例較大時才能實現(xiàn)。當模型比例較小時，可根據(jù)試驗?zāi)康膶δＰ驮O(shè)計有所側(cè)重：當試驗?zāi)康臑轵炞C一種新的理論，這種理論適用于某一類型的結(jié)構(gòu)，而不是某一具體結(jié)構(gòu)，這時只要求模型表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的共同特點，要求在主要方面相似（幾何尺寸，動力性能）當試驗?zāi)康臑榱藱z驗設(shè)計或提供設(shè)計依據(jù)，在設(shè)計比較復雜的結(jié)構(gòu)或新結(jié)構(gòu)時，由于計算結(jié)果沒有把握，要求依靠模型試驗來判斷和檢驗，則要求模型與原型嚴格相似。動力模型相似條件的討論在實際設(shè)計模型時，要全部滿足相似條件是26尺寸效應(yīng)和加載速率在模型的相似條件中，沒有考慮尺寸效應(yīng)和加載速率對材料力學性能的影響材料強度隨試件尺寸減小將逐漸提高；材料強度、剛度隨荷載頻率的提高而增加。尺寸效應(yīng)和加載速率在模型的相似條件中，沒有考慮尺寸效應(yīng)和加載27鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型相似問題的有關(guān)說明模型相似條件模型與原型的應(yīng)變相同材料強度完全相似材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全過程相似尺寸效應(yīng)和應(yīng)變速率的影響當模型比例大于1/4.5，模型能較準確地反映原型的性能；當粘結(jié)破壞是主要因素時，模型試驗結(jié)果通過相似關(guān)系不能正確反映原型的特性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型相似問題的有關(guān)說明模型相似條件28鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型相似問題的有關(guān)說明裂縫的模擬模型混凝土抗拉強度提高，導致裂縫推遲出現(xiàn)；不同的粘結(jié)特性導致不同的裂縫尺寸和間距，裂縫寬度隨模型尺寸的改變而變化，數(shù)量隨模型尺寸的減小而減少；裂縫間距可以不正比于小模型的有效保護層厚度。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型相似問題的有關(guān)說明裂縫的模擬29鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型相似問題的有關(guān)說明粘結(jié)力的模擬

對于小直徑鋼筋，總是可得到較高的粘結(jié)應(yīng)力，就粘結(jié)破壞而言，模型要比原型承擔相對高的荷載。最大骨料尺寸的影響

隨著骨料的最大尺寸與模型比例尺寸比值的增加，模型強度有明顯提高，隨著骨料尺寸的增加，強度可增加10~15%骨料尺寸也影響原型和模型的破壞形態(tài)以及裂縫的模擬。骨料實際尺寸比按比例縮小的尺寸大時，將會使裂縫數(shù)量減少，斜裂縫寬度增大，產(chǎn)生脆裂形態(tài)的破壞。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型相似問題的有關(guān)說明粘結(jié)力的模擬30模型材料結(jié)構(gòu)模型試驗對材料的要求保證相似要求；保證試驗量測要求，能產(chǎn)生足夠大的變形，要求Em低一些；材料性能穩(wěn)定，不受溫度、濕度影響而變化；要求徐變小，對用作彈性模型的有機合成材料尤應(yīng)注意；便于加工制造。模型材料結(jié)構(gòu)模型試驗對材料的要求31彈性模型材料模型材料并不要求和原型完全相似材料強度或屈服指標無嚴格的相似要求要求模型材料在試驗時保持彈性（滿足SE要求）彈性模型材料模型材料并不要求和原型完全相似32彈性模型材料塑料（環(huán)氧樹脂、有機玻璃等）優(yōu)點——強度高、彈性模量低、便于加工；缺點——力學性能受應(yīng)變影響，彈性模量隨時間、溫度變化，徐變大，泊松比大；措施——控制加載速度，控制試驗環(huán)境溫度，應(yīng)力控制在1/3極限強度。當應(yīng)變較小時，拉、壓的-曲線相同，拉壓彈性模量相同，但抗壓強度大于抗拉強度。彈性模型材料塑料（環(huán)氧樹脂、有機玻璃等）33彈性模型材料常用塑料特性有機玻璃能產(chǎn)生較大的變形，但延性較差，無破壞前兆；聚氯乙烯有較好的延性；硝酸一基-曲線與鋼材相似，但無硬化段；環(huán)氧樹脂、聚脂樹脂在配置時可以改變固化劑的用量，或摻入不同填充料調(diào)整其性能，以滿足材料的相似要求例：環(huán)氧水泥——水泥：環(huán)氧：砂：聚酰胺=0.5:1:2:0.7E=5670N/mm2,fc=35N/mm2,ft=9N/mm2彈性模型材料常用塑料特性34彈性模型材料石膏泊松比和混凝土接近，成本低，易加工；抗拉強度低，要獲得均勻和準確的彈性特性比較困難；純石膏彈性模量較高，很脆，加工時凝結(jié)太快；使用時應(yīng)參入一定數(shù)量的摻合料（矽藻土、塑料或其他有機物）及緩凝劑，改善其力學及加工性能。彈性模型材料石膏35彈性模型材料金屬（鋼、銅、鋁合金）力學性能符合彈性理論假定；銅、鋁合金允許大應(yīng)變，導熱性能好、彈性模量低；泊松比在0.30左右，接近混凝土；缺點：試驗荷載大，加工困難。彈性模型材料金屬（鋼、銅、鋁合金）36強度模型材料微?；炷劣米麂摻罨炷粱蝾A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中模擬混凝土材料；微?；炷潦怯么稚按婊炷林械拇止橇希约毶按婕毠橇?，按一定級配組成的新型材料；微?；炷敛坏扔谏皾{，其力學性能與普通混凝土相似；影響微?；炷亮W性能的主要因素是骨料級配和水灰比。強度模型材料微?；炷?7強度模型材料微?；炷良壟湓O(shè)計應(yīng)考慮的因素模型縮小比例微?；炷翉姸饶Ｐ捅Ｗo層厚度混凝土的和易性與模型鋼筋的粘結(jié)性能

一般首先滿足彈性模量和強度極限的要求，最大粒徑不大于截面最小尺寸的1/3，通過0.15mm篩孔的細骨料用量應(yīng)少于10%（和易性要求）強度模型材料微?；炷良壟湓O(shè)計應(yīng)考慮的因素38強度模型材料模型用鋼筋鋼筋的-特性是決定結(jié)構(gòu)非線性性能的主要因素；-曲線應(yīng)盡量與原型一致。模型鋼筋一般采用盤狀細鋼筋拉直而成，當需模擬鋼筋與混凝土的粘結(jié)時，鋼筋表面需要冷加工——改變了鋼筋的-曲線，應(yīng)將鋼筋進行熱處理。強度模型材料模型用鋼筋39強度模型材料銅可模擬勁性混凝土中的型鋼-曲線與鋼材相似強度為210MPa，彈性模量為1.0x105MPa強度模型材料銅40模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題模型制作的精度模型尺寸的不準確是產(chǎn)生試驗誤差的主要原因之一（允許誤差一般為5%）模板制作和模板材料對尺寸有重要影響注意澆搗混凝土對鋼筋位置的影響模型最小尺寸板——3mm，梁柱——6mm模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題模型制作的精度41模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題試驗環(huán)境有機玻璃等塑料模型試驗時，溫度變化不應(yīng)超過1°C混凝土模型因溫度變化會引起收縮和溫度應(yīng)力溫度影響遠非一般溫度補償能解決一般應(yīng)在控制溫度、濕度的條件下進行試驗?zāi)Ｐ驮囼灥木_度及應(yīng)注意的問題試驗環(huán)境42模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題試驗荷載模型試驗的荷載必須事先仔細校正當模型比例小，完全模擬實際荷載情況有困難時，應(yīng)改用作用明確的集中荷載，否則在結(jié)果整理時會引進很大的誤差。模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題試驗荷載43模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題試驗量測測點與儀表安裝位置應(yīng)特別準確；當模型本身剛度較小時，應(yīng)注意測量儀表的重量；應(yīng)變片保護層將增加模型的局部剛度；接觸式儀表測桿的恢復力對模型產(chǎn)生附加荷載；當模型比例較小時，必須選用精度較高的儀表測量變形。模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題試驗量測44模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題材料試件尺寸為消除尺寸效應(yīng)，模型材料性能試驗的試件尺寸應(yīng)與模型最小截面的大小相應(yīng)，注意材性試件的施工工藝、養(yǎng)護條件等的同一性對于塑料應(yīng)測定徐變的影響范圍與程度模型試驗的精確度及應(yīng)注意的問題材料試件尺寸45模型試驗的相似誤差——失真效應(yīng)模型設(shè)計要按研究的具體對象和目的，本著突出主要矛盾的原則，對相似關(guān)系有所取舍，在試驗中允許有一定的失真效應(yīng)存在，并將失真的影響減低到最小程度，最后再充分估計失真效應(yīng)對預(yù)計原型反應(yīng)特性的影響。模型試驗的相似誤差——失真效應(yīng)模型設(shè)計要按研究的具體對象和目46模型相似誤差由于相似條件不能完全得到滿足，把模型試驗所得結(jié)果換算到原型上去所產(chǎn)生的誤差。（并非是由于試驗量測技術(shù)所引起的誤差）模型相似誤差由于相似條件不能完全得到滿足，把模型試驗所得結(jié)果47模型相似誤差工程中描述原型結(jié)構(gòu)狀態(tài)的物理參數(shù)有兩類已知狀態(tài)參數(shù)——幾何尺寸、材料強度、荷載等（特征參數(shù){P0})未知狀態(tài)參數(shù)——結(jié)構(gòu)的極限強度、位移、動態(tài)反應(yīng)、加速度等（響應(yīng)參數(shù){P1})模型相似誤差工程中描述原型結(jié)構(gòu)狀態(tài)的物理參數(shù)有兩類48模型相似誤差模型試驗的目的就是當直接由原型在特征參數(shù){P0}的狀態(tài)下，求原型響應(yīng)參數(shù){P1}較困難的情況下，將原型特征參數(shù)經(jīng)相似關(guān)系的變換轉(zhuǎn)化為模型的特征參數(shù){M0}，通過模型在特征參數(shù){M0}狀態(tài)下所進行的實驗獲得模型的響應(yīng)參數(shù){M1}，再由模型的相似關(guān)系變換將{M1}轉(zhuǎn)換為原型的響應(yīng)參數(shù){P1}，從而間接地獲得原型結(jié)構(gòu)的響應(yīng)參數(shù)。模型相似誤差模型試驗的目的就是當直接由原型在特征