課件-第2章-試驗荷載與加載方法

上節(jié)內容回顧：試驗的一般過程：策劃、準備、加載、數據處理。等效荷載：內力相近。支座：鋼結構，支墩—混凝土結構（3）安裝加載設備及其要求1）安裝加載設備應與試驗加載方案中的荷載圖式和計算簡圖一致。根據試驗目的確定的施加在試驗結構上的荷載布置形式。①因此安裝加載設備時的荷載形式應與試驗結構設計時的計算簡圖和荷載圖式相一致。②由于試驗條件限制，原先確定的荷載圖式實施有困難時，或者為了加載方便，可采用等效荷載的原則改變加載圖式。所謂等效荷載原則是改變后的加載圖式所產生的最大內力值和整體變形應與原加載圖式相同或相近。第2章試驗荷載與加載方法主要內容第2章試驗荷載與加載方法2.1試驗荷載概論2.2重物加載法2.3氣壓加載法2.4機械機具加載法2.5液壓加載法2.6動力激振加載法2.7荷載試驗支座及加載輔助設備此建筑物有哪些荷載材料自重---------恒載人、家具等自重---------活載這些荷載為靜荷載，也直接作用在結構風荷載、地震作用----動荷載作用思考：除了以上荷載，建筑物還有沒有其他作用影響？伸縮縫-----防止溫度變形過大。沉降縫-----防止地基不均勻沉降溫度變形、地基不均勻沉降和結構內部的物理、化學作用產生的變形等溫度變形等屬于間接作用在建筑物上，屬于間接作用。第2章試驗荷載與加載方法2.1試驗荷載概論工程結構上的作用直接作用間接作用主要是荷載作用，包括結構自重和作用在結構上的外力溫度變形、地基不均勻沉降和結構內部的物理、化學作用產生的變形等靜荷載作用動荷載作用對結構不產生加速度的直接作用。使結構產生加速度反應的直接作用。如地震、臺風、爆炸等。均布荷載重物堆放作均布荷載試驗1-重物；2-試驗板；3-支座；4-支墩5~15cm試驗荷載除了少數采用實際荷載作用外，絕大多數模擬原有荷載作用和作用傳遞方式，使截面或部位產生的內力與設計計算等效或相近。集中荷載重物堆放集中荷載試驗1-試件2-重物3-支座4-支墩5-吊籃6-滑輪162531245對與結構的強度、剛度、穩(wěn)定等問題的研究性試驗及鑒定性試驗通常只加短期作用的靜荷載；實驗前需要確定荷載類型、荷載性質、加載位置、使用荷載值與破壞荷載值以及是否加至破壞荷載等問題外，還需要確定加載方式和加載方法。第2章試驗荷載與加載方法2.1試驗荷載概論對與結構動力性能研究試驗，需施加動荷載，由于試驗目的和試驗對象不同，試驗荷載有很大差別（如下圖所示）。作用在結構物上的幾種動荷載對于研究結構疲勞性能而進行的疲勞試驗，一般采用脈動荷載。結構的動力特性，主要指結構的自振頻率、阻尼系數、振型等。對于研究結構的動力特性，常使結構作自由振動或強迫振動，也常利用風和周圍環(huán)境的微小振動引起的結構脈動，測定結構的動力特性。2-1a作用在結構物上的幾種動荷載對于研究結構在各種荷載下的動力反應，需通過專門的激振設備再現(xiàn)各種實際動荷載。2-1b—2-1d。作用在結構物上的幾種動荷載動力反應主要指振幅、頻率、加速度、動應力。第2章試驗荷載與加載方法2.1試驗荷載概論偽靜力試驗對結構施加反復循環(huán)荷載的方法，近似模擬地震作用，獲得結構的非彈性荷載-變形特性。。擬動力力試驗即計算機聯(lián)機試驗，通過計算機和電液伺服加載系統(tǒng)聯(lián)機對足尺或大比例的結構模型按實際的反應位移進行加載，使試驗更接近于實際結構動力反應的真實情況，是在偽靜力試驗基礎上發(fā)展起來的一種加載方法。第2章試驗荷載與加載方法2.1試驗荷載概論不論是靜載試驗、偽靜力試驗和擬動力試驗，國家近幾年已相繼頒發(fā)了《混凝土結構試驗方法標準》和《建筑抗震試驗方法標準》，按統(tǒng)一的加載方式、加載順序進行。試驗荷載的加載方法有很多，一般都通過加載設備產生，加載設備有許多種類，有重物、液壓、氣壓、機械和電液伺服加載系統(tǒng)以及與它們相匹配的各種試驗裝置等。思考：我們實驗室有哪些加載設備？它們屬于什么加載系統(tǒng)第2章試驗荷載與加載方法2.2重物加載法重物加載是利用物體本身的重量施加在結構上作為荷載。試驗室內可采用的重物有專門制作的標準鑄鐵砝碼、混凝土立方試塊、水箱等；現(xiàn)場試驗可以就地取材如磚、砂、石、袋裝水泥等建筑材料，或廢構件、鋼錠等。重物加載優(yōu)點：重物加載方式：（1）重物直接加在試驗結構上；（2）重物通過杠桿系統(tǒng)間接加在試件上。杠桿加載法1-試件；2-重物；3-支座；4-支墩；5-荷載盤；6-分配梁支座；7-分配梁；8-加載支點；9-杠桿；10-荷載支架；11-杠桿平衡重荷載值穩(wěn)定，不會因為結構的變形而減少，而且不影響結構的變形。特別適用于長期荷載和均布荷載試驗。重物堆放集中荷載試驗1-試件2-重物3-支座4-支墩5-吊籃6-滑輪162531245第2章試驗荷載與加載方法2.2.1重物直接加載重物荷載可直接堆放于結構表面（如板的試驗）作為均布荷載或置于荷載盤上通過吊桿掛在結構上形成集中荷載，此時吊桿與荷載盤的自重應計入第一級荷載。重物堆放作均布荷載試驗1-重物；2-試驗板；3-支座；4-支墩5~15cm重物堆放集中荷載試驗1-試件2-重物3-支座4-支墩5-吊籃6-滑輪162531245重物堆放集中荷載試驗1-試件2-重物3-支座4-支墩5-吊籃6-滑輪162531245重物加載應注意的問題：采用鑄鐵砝碼時、磚塊、袋裝水泥作均布荷載時，應注意重物尺寸和堆放距離。當采用砂、石等松散顆粒材料作為均布荷載時，切勿連續(xù)松散堆放。重物堆放作均布荷載試驗1-重物；2-試驗板；3-支座；4-支墩5~15cm隨含水率變化，荷載值不穩(wěn)定。內摩擦角變化產生卸載影響思考：沙石等材料會有哪些問題？宜采用袋裝堆放，防止砂石材料摩擦角引起拱作用而產生卸載影響以及沙石重量隨環(huán)境濕度不同而引起的含水率變化，造成荷載不穩(wěn)定2.2.1重物直接加載利用水作均布荷載試驗，是一種簡易方便而且又十分經濟的加載方法。用水作均布荷載的試驗試件側向擋板防水膠布標尺水管從標尺的水深就可知道荷載值的大小，卸載也方便全部承載面被水掩蓋，不利于布置儀表和觀測。結構較大變形時，水存在不均勻性。優(yōu)點缺點第2章試驗荷載與加載方法2.2.2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，如下圖所示。杠桿加載法1-試件；2-重物；3-支座；4-支墩；5-荷載盤；6-分配梁支座；7-分配梁；8-加載支點；9-杠桿；10-荷載支架；11-杠桿平衡重第2章試驗荷載與加載方法2.2.2杠桿加載方法現(xiàn)場試驗，杠桿反力支點可用重物、樁基礎、墻洞或反彎梁等支承。墻洞支承重物支承反彎梁支承樁支承注意：杠桿保證有足夠的剛度，杠桿比不宜大于5，三個作用點應在同一直線上，避免因結構變形杠桿傾斜而導致杠桿放大的比例失真，保持荷載穩(wěn)定、準確。杠桿加載法1-試件；2-重物；3-支座；4-支墩；5-荷載盤；6-分配梁支座；7-分配梁；8-加載支點；9-杠桿；10-荷載支架；11-杠桿平衡重重力加載法：預應力鋼－混凝土組合梁長期荷載試驗25第2章試驗荷載與加載方法2.3氣壓加載法正壓加載負壓加載氣壓加載示意圖第2章試驗荷載與加載方法2.4機械機具加載法機械機具加載示意圖1-絞車或卷揚機；2-測力計；3-滑輪；4-彈簧；5-螺桿；6-試件；7-臺座或反彎梁思考：重物加載的不足荷載大小受限制，試驗受限制，加載不方便重物堆放集中荷載試驗1-試件2-重物3-支座4-支墩5-吊籃6-滑輪162531245杠桿加載法1-試件；2-重物；3-支座；4-支墩；5-荷載盤；6-分配梁支座；7-分配梁；8-加載支點；9-杠桿；10-荷載支架；11-杠桿平衡重目前結構試驗中最常用的加載方法；2.5液壓加載法優(yōu)點：利用油壓使液壓千斤頂產生較大的荷載，試驗操作安全方便?？蛇m用于靜、動載試驗，噸位可大、可??；?液壓加載器；?結構試驗機；?液壓加載系統(tǒng)；?電液伺服液壓系統(tǒng)；液壓加載裝置?地震模擬振動臺。液壓千斤頂電動泵27液壓加載器：第2章試驗荷載與加載方法2.5.1液壓加載系統(tǒng)液壓系統(tǒng)加載裝置1-油泵；2-油管；3-橫梁；4-立柱；5-臺座；6-千斤頂；7-試件；8-支墩；9-測力計液壓加載系統(tǒng)組成：油泵油管系統(tǒng)千斤頂加載控制臺加載架試驗臺第2章試驗荷載與加載方法液壓加載千斤頂1-回程油管接頭；2-活塞；3-油缸；4-高壓油管接頭；5-絲桿；液壓千斤頂通常為加載而專門設計制造，分手動和電動油泵供油兩種。工作壓力一般在40~100MPa不等的范圍內。為了保持荷載穩(wěn)定，最好配置油路穩(wěn)壓器，當結構產生較大變形時，可以保持需要的荷載值。試驗臺座在液壓加載系統(tǒng)中通過加載架承受千斤頂的豎向反力，是每個實驗室基本設施，是整個加載系統(tǒng)中的重要組成部分。當對試驗結構施加水平荷載時，還須有與試驗臺座連成為整體的反力墻承受加載系統(tǒng)的水平反力。液壓系統(tǒng)加載裝置1-油泵；2-油管；3-橫梁；4-立柱；5-臺座；6-千斤頂；7-試件；8-支墩；9-測力計試驗臺座和反力墻作為加載設備使用，必須專門設計，保證有足夠的承載力，還須有足夠大的剛度，而且方便使用。當試驗規(guī)模小，可用一個剛度很大的鋼梁代替試驗臺座，在工地現(xiàn)場試驗時，通常采用重物來平衡千斤頂的反力。有的試件也可以采用臥位試驗專門設計鋼結構反力架。液壓加載系統(tǒng)：液壓千斤頂豎向反力架支墩手動油泵5M鋼桁架結構靜力分析試驗第2章試驗荷載與加載方法2.5.2大型結構試驗機大型結構試驗機本身就是一種比較完善的液壓加載系統(tǒng)。它是在實驗室內進行大型結構試驗的一種專門設備，比較典型的是結構長柱試驗機，如圖所示。1-油泵；2-油管；3-橫梁；結構長柱試驗機用以進行梁、柱、墻板、砌體結構等的受壓和受彎試驗。試驗機可以與計算機連接，實施程序控制操作和數據采集，試驗機操作和數據處理能同時進行。水平伺服跟動裝置

10000kN垂向加載油缸橫梁縮緊機構

垂向伺服跟

動裝置 3000kN水平加載裝置

橫梁升降機構

1500kN水平加載裝置

10000kN大型多功能試驗機系統(tǒng)（同濟大學建筑結構試驗室）

球鉸及微動探測裝置2.5.2大型結構試驗機第2章試驗荷載與加載方法思考：液壓加載系統(tǒng)的不足荷載不能循環(huán)，不可動第2章試驗荷載與加載方法2.5.3電液伺服液壓系統(tǒng)電液伺服技術可較為精確控制試件變形和作用外力，產生真實的試驗狀態(tài)?？捎靡阅M各種振動荷載，特別是地震、海浪等荷載對結構物的影響。適用于進行結構抗震研究的偽靜力試驗、擬動力試驗和地震模擬振動臺試驗。電液伺服加載設備是目前最先進的加載設備。2.5.3電液伺服液壓系統(tǒng)（1）電液伺服加載系統(tǒng)的工作原理電液伺服加載系統(tǒng)主要由電液伺服加載器（或稱伺服千斤頂）、控制系統(tǒng)和液壓源等三大部分組成。第2章試驗荷載與加載方法電液伺服液壓系統(tǒng)工作原理該系統(tǒng)可將荷載、應變、位移等不同力學參量直接作為控制參數，實行自動控制，并在試驗過程中進行控制參量的轉換。第2章試驗荷載與加載方法電液伺服閉環(huán)控制，主要指實驗時，以電參量通過伺服閥去控制高壓流量，推動（千斤頂活塞）液壓作動器執(zhí)行元件對試件加荷載。電壓信號、（其波形、頻率設定值有要求的荷載和位移確定）電液伺服液壓系統(tǒng)工作原理傳感器檢測出的加載試件的某一力學參量經傳感器變換后以電參量的方式作為反饋信號在比較器中隨時與設定的電參量比較，得出差值信號調整放大后，控制伺服閥在推動千斤頂，向消除差值的方向動作。電液伺服液壓系統(tǒng)工作原理第2章試驗荷載與加載方法（2）電液伺服閥的工作原理電液伺服閥是電液伺服加載系統(tǒng)中的核心元件，它直接安裝于液壓作動器上。電信號指令液壓油輸出量第2章試驗荷載與加載方法（3）控制系統(tǒng)第2章試驗荷載與加載方法液壓控制器電參量控制器計算機繪圖儀控制液壓源的啟動和關閉主要對電信號控制器和繪圖儀實時自動控制；主要對試件的各階段力-變形的變化規(guī)律實時直觀顯示?？刂坪奢d、位移、應變等參量的轉換；極限保護，以免開關失控。第2章試驗荷載與加載方法2.6地震模擬振動臺地震模擬振動臺是再現(xiàn)各種加速度的地震波直接輸入振動臺對結構進行動力加載試驗第2章試驗荷載與加載方法2.6地震模擬振動臺美國MTS公司三向六自由度維模擬地震振動臺，臺面尺寸4m×4m，最大試件質量25t。同濟大學土木工程防災國家重點試驗室第2章試驗荷載與加載方法2.6地震模擬振動臺地震模擬振動臺的組成和工作原理：（1）振動臺臺體結構振動臺臺面是有一定尺寸的平板結構。尺寸：其尺寸規(guī)模由結構模型的最大尺寸來決定。臺體自重和臺身結構：與承載的試件重量及使用頻率范圍有關。一般振動臺都采用鋼結構，控制方便、經濟而又能滿足頻率范圍要求，模型重量和臺身重量之比不大于2為宜。振動臺必須安裝在質量很大的基礎上，基礎重量一般為可動部分重量或激振力的10~20倍以上。第2章試驗荷載與加載方法2.6地震模擬振動臺地震模擬振動臺的組成和工作原理：（2）液壓驅動和動力系統(tǒng)液壓驅動系統(tǒng)是向振動臺施加巨大的推力。振動臺運動：單向運動：水平或垂直；雙向運動：水平-水平或水平-垂直；三向運動：兩向水平-垂直；加載器的推力取決于可動質量的大小和加速度的要求。第2章試驗荷載與加載方法2.6地震模擬振動臺地震模擬振動臺的組成和工作原理：（2）液壓驅動和動力系統(tǒng)液壓加載器上的電液伺服閥：根據輸入信號（周期波或地震波）控制進入加載器液壓油的流量大小和方向，從而由加載器推動臺面能在垂直軸或水平軸方向上產生相位受控的正弦運動或隨機運動。液壓動力部分：是一個巨大的液壓功率源，能供給所需要的高壓油流量，一滿足巨大推力和臺身運動速度的要求。第2章試驗荷載與加載方法2.6地震模擬振動臺地震模擬振動臺的組成和工作原理：（3）控制系統(tǒng)為了提高振動臺控制精度，采用計算機進行數字迭代的補償技術，實現(xiàn)臺面地震波的再現(xiàn)。模擬控制用數字計算機控制位移反饋控制：系統(tǒng)阻力小，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，可增大系統(tǒng)阻尼加速度信號輸入控制第2章試驗荷載與加載方法2.6地震模擬振動臺地震模擬振動臺的組成和工作原理：（4）測試和分析系統(tǒng)多數采用差動變壓器式和電位計式的位移計，可測量模型相對于臺面的位移或相對于基礎的位移；位移測量加速度測量應變測量采用應變式加速度計、壓電式加速度計，近年來也有采用差容式或伺服式加速度計；對于模型的破壞過程可采用錄像記錄。2.6地震模擬振動臺地震模擬振動臺的組成和工作原理：第2章試驗荷載與加載方法振動臺臺面運動參數最基本的是位移、速度和加速度以及使用頻率。一般是按模型比例及試驗要求來確定臺身滿負荷時最大加速度、速度和位移等數值。最大加速度和速度均需按照模型相似原理來選取。第2章試驗荷載與加載方法2.7產生荷載的其他加載方法初位移加載法初速度加載法慣性加載法電磁加載法現(xiàn)場動力試驗的激振方法沖擊力加載離心力加載直線位移慣性力加載離心力加載：是根據旋轉質量產生的離心力對結構施加簡諧振動荷載。直線位移慣性力荷載：通過電液伺服閥控制固定在結構上的以作用液壓加載器帶動質量塊作水平直線往復運動。在結構上拉一鋼絲纜繩，使結構變形產生一個人為的強迫位移，然后突然釋放，使結構在靜力平衡位置附近做自用振動。在加載過程中當拉力足夠大時，事先連接的鋼絲繩上的鋼拉桿被拉斷形成突然卸載，通過不同的拉力可獲得不同的位移。初速度加載法：通過擺錘或落重的方法使結構在瞬時內受到水平或垂直的沖擊，產生初速度，同時獲得沖擊荷載，作用力的持續(xù)時間一般比自振周期短些。2.8荷載試驗加載輔助設備支座和支墩第2章試驗荷載與加載方法支座和支墩都是根據試驗結構或構件在實際狀態(tài)所處的邊界條件和應力狀態(tài)而設設置的。支墩：簡易支座，鋼或鋼筋砼制作，現(xiàn)場試驗多為磚砌體；支座作用形式：滾動鉸支座、固定鉸支座、球鉸支座；固定鉸支座

活動鉸支座

對鉸支座的基本要求：?必須保證結構在支座處能自由轉動；?必