长安大学建筑结构试验

建筑结构试验冀德学石晶课程主要内容第一章结构试验概论第二章结构试验设计第三章结构静载试验（单调加载实验）第四章结构动力特性试验第五章结构抗震试验第六章结构试验现场检测技术实验项目实验一常用机械式量测仪表使用技术实验二电阻应变片粘贴与检测技术实验三静态电阻应变测量技术实验四钢桁架非破坏试验实验五结构动力特性的测定试验实验六混凝土结构非破损检测技术应用第一章结构试验概论1-1结构试验任务《建筑结构试验》是土木专业的一门专业技术课,主要介绍结构试验的方法、程序和基本原理。通过这门课的学习，使学生获得结构试验方面的基础知识和基本技能，并能够进行一般结构试验的设计与实施。结构试验的任务是：以试验构件或模型为对象，通过使用测试仪器和试验设备，对结构物受作用后的性能进行观测，通过对量测数据的分析（如荷载、应力、变形、应变、温度、振幅、频率、裂缝宽度等），了解并掌握结构的力学性能，并对试验对象的结构性能做出评价，为验证和发展结构计算理论提供试验依据。结构试验是研究和发展结构计算理论的重要手段特别是混凝土结构、钢结构、砌体结构等设计规范所采用的计算理论，几乎全部是以试验研究的直接结果作为基础的。结构试验是一门综合性很强的课程√应该具备结构工程专业知识（结构、材料、施工）。√应该掌握材料力学、结构力学、弹性力学、混凝土结构、钢结构等相关知识。√应该了解机械、液压、电工、电子及计算机方面的相关内容。1-2结构试验目的根据不同的试验目的，结构试验一般分为：★科学研究性试验★生产鉴定性试验1-3结构试验分类按试验对象尺寸大小分为：真型试验模型试验按试验对象是否破坏分为：•破坏性试验•非破坏性试验按试验场地分为：•实验室试验•现场试验第二章结构试验设计2-1结构试验设计概述一、结构试验的四个阶段1．试验规划与设计2．试验准备阶段3．试验实施阶段４.试验数据分析与总结二、试验大纲内容1．试验的目的与意义2．试验构件设计3．试验装置与加载装置设计4．试验观测方案设计5．试验经费预算6．试验进度计划7.试验安全措施三．结构试验运行程序2-2试验设计内容一、试验构件设计1．试件形状设计2．试件尺寸设计3．试件数量设计4.试验模型设计（一）试件形状设计单个构件：梁、板、柱节点试件：平面节点、空间节点3.空间结构模型：缩尺模型、相似模型a.对单一构件设计时，一般构件（如梁、板、柱、桁架等）实际形状都能满足试验要求。b.对节点形状设计，特别是对于从整体结构中取出部分构件单独进行试验时，必须注意其边界条件的模拟，使其能如实反映该部分结构构件的实际工作状态。空间模型（二）试件尺寸设计1.静力试验：单梁、柱或节点试件比例为真型的1/4～1，整体性试件可取1/10～1/2，砼构件截面边长应在12cm以上。2.动力试验：振动台试验模型比例为1/50～1/4。（三）、试件数量设计生产性试验：按照《预制混凝土构件质量检验评定标准》中结构性能检验规定，确定试件数量。科研性试验：根据试验对象各参数构成的因子数和水平数来决定试件数目—正交试验法。如混凝土试件因子有：配筋率、配箍率、剪跨比、混凝土强度等级共4个因子数。其中混凝土强度等级有3个水平数：C20；C30；C40。由试件参数的因子数和水平数用正交试验法确定试验构件个数。若4个因子各有3个水平数则选L9(34)正交表。（四）试验模型设计▲真型试验：规模大、难度大、经费多▲模型试验：尺寸小、难度小、易实现、经费少◆模型设计依据：相似理论★几何相似常数★材料相似常数★质量相似常数★荷载相似常数下标m与p分别代表模型和真型静力试验模型设计的相似条件按相似条件推算真型结构的数据由模型试验获得的数据可推算得到真型结构的数据二、试验加载方案设计1．试验加载图式设2．试验加载方案设计３．试验加载制度设计1．试验加载图式设计2．试验加载装置设计3．试验加载制度设计三、试验测试方案设计1．观测项目的确定2．测点的选择与布置３．仪器的选择与测试方法第三章结构静载试验（单调加载试验）3-1概述结构静载试验是结构试验中最基本最常用的一种试验。静载试验又称单调加载静力试验。所谓“静力”是指试验过程中试验结构的反应不包含任何惯性作用和加速度的影响。结构静载试验主要研究结构在静荷载作用下结构及构件的强度、刚度、抗裂性、稳定性等基本性能和破坏机制。3-2静载试验加载设备及加载方法一、对试验荷载及加载设备的基本要求1．试验荷载的作用方式必须使被试验结构或构件产生预期的内力和变形方式。2．试验荷载传力方式和作用点明确，设备产生的荷载数值要稳定，且便于进行控制和测量。3．加载设备或装置不应参与结构的工作，不改变结构或构件的受力状态。４．加载设备本身应有足够的强度和刚度。二、静载试验加载方法（一）重力加载法1．直接重力加载法：把符合试验要求的重物按试验加载程序直接放置在结构上。（二）液压加载法：液压加载设备是结构实验室最常见的加载设备。液压加载系统由液压泵源、液压管路、控制装置和加载器组成。1．液压加载装置液压加载装置是由加载反力架、试验台座和液压系统组成。２．液压加载器（千斤顶）种类：手动千斤顶、电动千斤顶、单向作用千斤顶、双向作用千斤顶。３．液压试验机种类：万能材料试验机、压力试验机、长柱试验机。4．电液伺服液压试验系统（1）组成：液压泵源、液压管路、控制系统、电液伺服加载器。（2）电液伺服加载工作原理：1、系统工作时，电液伺服阀根据指令（电流）信号调节压力油的流量，驱动作动器产生荷载。2、安装在作动器上的力传感器和位移传感器，可检测加载器所产生的压力和位移，并将检测结果（反馈信号）传送至控制系统。3、控制系统将指令信号和反馈信号进行比较，根据两者之差产生调节指令信号，再送到电液伺服阀，调节作动器的位移和荷载。4、如此循环，直到指令信号和反馈信号之差满足控制精度要求。（3）电液伺服加载系统主要特点：a.电液伺服阀根据控制器发出的指令，可控制高压油流速和流量的大小，以便使加载器产生不同的试验荷载。b.试验系统的伺服机构可利用反馈信号实现闭环控制。（三）机械加载法机械加载机具和设备：螺旋式千斤顶、弹簧、手动葫芦、绞盘、卷扬机等。（四）气压加载法气压加载适合于板壳结构施加均布荷载正压加载试验、负压加载试验3-3荷载支承设备和试验台座一、试验支座1．活动铰支座：活动铰支座容许架设在支座上的构件自由转动和在一个方向上移动。它提供一个竖向的支座反力，不能传递弯矩，也不能传递水平力。2．固定铰支座：固定铰支座容许架设在支座上的构件自由转动但不能移动。3．刀口铰支座：刀口铰支座主要用于柱受压试验中。由于在柱受压试验中对压力作用点定位有较高要求，刀口铰支座能够保证压力作用点准确定位。4．球铰支座：球铰支座可保证试件承压面均匀受压。二、试验台座及反力刚架1、试验台座（1）地槽式台座（2）箱式台座2、反力刚架（1）竖向反力刚架：由立柱和横梁组成,对结构可施加竖向荷载。（2）水平反力刚架（反力墙）：对结构可施加水平荷载。3-4静载试验测量仪器一、测量系统的基本组成及作用1、组成：传感部分放大部分显示部分2．作用：（1）传感部分：由传感元件或传感器组成，它从试验对象的测点感受信号并传送给放大部分。（2）放大部分：也称放大器，它通过各种方式将传感器传来的信号放大并传送至显示部分。（3）显示部分：将经过放大的机械信号或电信号通过指针、电子数码管、显示屏等显示。3．机械式仪表与电测仪器仪表的特点（1）机械式仪表其测量系统的三部分组成一体。（2）电测仪器仪表其测量系统一般由三个独立部分组成。三、对量测仪器的基本要求1．测量仪器不应该影响结构的工作，要求仪器自重轻、尺寸小。2．测量仪器具有合适的灵敏度和量程。3．安装使用方便，稳定性和重复性好。4.价廉耐用，可重复使用，安全可靠，维修容易。四、位移测试仪表（一）机械式百分表和千分表1．仪表构成：感受部分——仪表测杆放大部分——齿轮机构显示部分——指针表盘2．主要性能：分辨率——百分表：0.01mm千分表：0.001mm量程——百分表：10mm、30mm、50mm千分表：1mm、3mm、5mm（二）张线式位移传感器原理：张线式位移传感器通过钢丝与被测物体相连，钢丝缠绕在张线式位移传感器的转轴上，钢丝的另一端则悬挂一重锤。当被测物体发生位移时，重锤牵引缠绕钢丝推动传感器指针旋转，然后从传感器的表盘读数。（三）电阻应变式位移传感器原理：电阻应变式位移传感器的测杆通过弹簧与一固定在传感器内的悬臂梁相连，在悬臂梁的根部粘贴电阻应变片。测杆移动时，带动弹簧使悬臂梁受力产生变形，通过电阻应变仪测量电阻应变片的应变变化，再转换为位移量。（四）滑动电阻式位移传感器原理：滑动电阻式位移传感器的基本原理是将线位移的变化转换为传感器输出电阻的变化。（五）线性差动电感式位移传感器原理：线性差动电感式位移传感器是通过高频振荡器产生一参考电磁场，改变了电磁场强度，感应线圈的输出电压随即发生变化。（六）磁致伸缩式位移传感器磁致伸缩式位移传感器是由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触式磁环组成。原理：传感器工作时，由电子仓内的电子电路产生一初始脉冲，该脉冲在磁致伸缩丝中传输时，同时产生了一个沿磁致伸缩丝方向前进的螺旋磁场，当这个磁场与磁环中的永久磁铁相遇时，产生磁致伸缩效应，使磁致伸缩丝发生偏转。这一偏转被安装在电子仓内的电子电路所感应并转换成相应的电子脉冲，计算初始脉冲和偏转脉冲的时间差，即可得到被测物体的位移。五、转角测量仪表（一）水准管式倾角测量仪（二）电阻应变式倾角传感器将电阻应变式倾角传感器安装在试验结构需要测量转角的部位，结构转动时，倾角传感器内的重锤使悬挂重锤的悬臂梁产生挠曲应变，利用粘贴在悬臂梁上的应变片即可测量其变化。（三）间接测量角位移装置:间接测量角位移装置就是利用机械装置测量线位移，再将线位移转换为角位移。六、力的测量仪器1．原理：利用机械式仪表测量弹性元件的变形，再将变形转换为弹性元件所受的力。2．种类a.钢环式测力计：当钢环受力时产生变形，由百分表测量钢环的变形。b.环箍式压力计：通过一该感杠杆机械装置来测量钢环的变形。c.钢丝测力计：利用测量张紧钢丝的微小挠曲变形，得到钢丝的张力。（二）电阻应变式力传感器1．原理：利用安装在力传感器上的电阻应变片测量传感器弹性变形体的应变，再将弹性体的应变值转换为弹性体所受的力。2．种类：a.空心柱式结构：在柱体上加工了内老外螺纹，传感器既可以用来测量压力，也可以利用内螺纹安装连接件测量拉力。b.轮辐式结构：传感器受力时，安装在“辐条”上的电阻应变片可以测量辐条的剪应变。七、裂缝测量仪器（一）裂缝的观测方法1．借助放大镜用肉眼观测裂缝。2．用粘贴在混凝土受拉区的电阻应变片来判断裂缝位置。3．在试件表面涂刷脆性涂料或脆性油漆，当混凝土开裂时，裂缝处脆性涂层断裂，指示出开裂位置。（二）裂缝宽度的测量1．读数显微镜：由光学放大部分和机械读数部分组成。2．裂缝观测仪3-5应变测量技术一、应变测量原理：应变的量测，就是在预定的标准长度范围（标距）L内，量测长度变化增量的平均ΔL，由ε=ΔL/L求得，这就是应变测量原理。二、应变测量方法（一）机测法1．原理：利用机械式仪表，测量试验结构上两点之间的相对线位移，然后再转换为应变值。2．常用仪表（1）双杠杆应变仪（2）手持式应变仪3．特点优点：（1）试验操作简单（2）数据可靠（3）不受电磁等因素干扰缺点：（1）由于要求测点之间有一定距离，只能测得两点之间的平均应变，因此不适合应变变化较大区域内的应变测量。（2）不能自动记录数据，当应变测点较多时，测点布置困难。（3）受到温度影响时，补偿方案不易实现。（二）电测法电测法基本原理是电阻应变测量方法：电阻应变计电阻应变仪3-6电阻应变测量方法一、应变计的构造、分类及主要性能指标电阻应变计又称为电阻应变片，简称为应变片。1．应变计的构造：a.电阻丝敏感栅：它是应变计将应变转换成电阻变化的主要元件。b．基底：起保护和绝缘作用。c．引线：通过引出线与应变仪相连接d．覆盖层：保护敏感栅。2．应变计的分类按敏感栅材料分类：金属电阻应变计（金属丝