第一章工程结构试验概论

第一章结构试验概论工程结构是以工程材料为主体构成的不同类型的承重构件（梁、板、柱等）相互连接组成的综合体，在一定经济条件的制约下，要求结构在规定的使用期内安全有效地承受外部及内部形成的各种作用，以满足结构在功能及使用上的要求。为了达到这个目的，要求设计者必须综合考虑结构在它的整个生命周期中如何适应可能产生的各种风险。如在建造阶段可能产生的设计施工中的失误和疏忽，正常使用阶段来自各种非正常的外界活动，特别是自然和人为的灾害，以及老化阶段出现的各种损伤的积累和正常抗力的丧失等。为此，工程技术人员为了进行合理的设计，必须掌握在各种作用下结构的实际应力分布和工作状态，了解结构构件的刚度、抗裂性能以及实际所具有的强度及安全储备。在应力分析工作中，一方面可以利用传统的理论计算方法，另一方面也可以利用实验方法，即通过结构试验，采用实验分析方法来解决。特别是电子计算机技术的发展，它不仅为用数学模型方法进行计算分析创造了条件，同样利用计算机控制的结构试验，为实现荷载模拟、数据采集和数据处理，以及整个试验实现自动化提供了有利条件，使结构试验技术的发展，产生了根本性的变化。人们利用计算机控制的多维地震模拟振动台可以实现地震波的人工再现，模拟地面运动对结构作用的全部过程；用计算机联机的拟动力伺服加载系统帮助人们在静力状态下量测结构的动力反应；由计算机完成的各种数据采集和自动处理系统可以准确、及时、完整地收集并表达荷载与结构行为的各种信息。计算机也加强了人们进行结构试验的能力。因此，结构试验仍然是发展结构理论和解决工程设计方法的主要手段之一。在结构工程学科的发展演变过程中形成的由结构试验、结构理论与结构计算三极构成的新学科结构中，结构试验本身也成为一门真正的试验科学。实践是检验真理的唯一标准。科学实践是人们正确认识事物本质的一个源泉，可以帮助人们认识事物的内在规律。在结构工程学科中，人们为了正确认识结构的性能和不断深化这种认识，结构试验也是一种已被实践所证明的行之有效的方法。1.1结构实验的任务结构在外荷载作用下，它就可能产生各种反应。如图1-1（a）所示钢筋混凝土简支梁在静力荷载作用下，可以通过测得梁在不同阶段得挠度、角变位、截面上纤维应变和裂缝宽度等参数，来分析梁的整个受力过程及结构的强度、刚度和抗裂性能。当一个框架承受水平的动力荷载作用时（图1-1（b））同样可以从测得结构的自振频率、阻尼系数、振幅（动位移）和动应变等研究结构的动力特性和结构承受动力荷载作用下的动力反应。近年来在结构抗震研究中，经常是通过结构在承受低周反复荷载作用下由试验所得的反应力与变形关系的滞回曲线（图1－1（c））为分析抗震结构的强度、刚度、延性、刚度退化、变形能力等提供数据资料。由此可见，“结构试验”这门科学的任务就是在结构物或试验对象（实物或模型）上，使用仪器设备为工具，利用各种实验技术为手段，在荷载（重力、机械扰动力、地震力、风力......)或其他因素（温度、变形）作用下，通过量测与结构工作性能有关的各种参数（变形、挠度、应变、振幅、频率……）从强度（稳定)刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判明建筑结构的实际工作性能，估计结构的承载能力，确定结构对使用要求的符合程度，并用以检验和发展结构的计算理论。图1－1结构在不同荷载作用下的各种反应；由结构试验的任务可知，它是以实验方式测定有关数据，由此反映结构或构件的工作性能、承载能力和相应的安全度，为结构的安全使用和设计理论的建立提供了重要的根据。1．2结构试验的目的在实际工作中，根据不同的试验目的，结构试验可归纳为两大类。1．2．1生产性试验这类试验经常是具有直接的生产目的，它是以实际建筑物或结构构件为试验鉴定的对象，经过试验对具体结构作出正确的技术结论。一般这类性质的试验经常用来解决以下有关的问题。一、结构的设计和施工通过试验进行鉴定对于一些比较重要的结构与工程，除在设计阶段进行必要而大量的试验研究外，在实际结构建成以后，要求通过试验，综合性地鉴定其质量的可靠程度。上海南浦大桥和杨浦大桥建成后的荷载试验和秦山核电站安全壳结构整体加压试验均属此例。二、工程改建或加固，通过试验判断具体结构的实际承载能力对于旧有建筑的扩建加层，为了生产需要提高车间起重能力或由于建筑抗震需要提高抗震烈度而进行加固等，在单凭理论计算不能得到分析结论时，经常是通过试验以确定这些结构的潜在能力，这对于缺乏旧有结构的设计计算与图纸资料时，在要求改变结构工作条件的情况下更有必要。曾对上海几个解放前建造的仓库冷库的楼盖做了承载能力试验，通过鉴定楼盖的现有承载能力，以期提高楼面荷载来满足增加仓库冷库储藏量的需要。三、处理工程事故，通过试验鉴定提供技术根据对守遭受地震、火灾、爆炸等原因而受损的结构，或是在建造和使用过程中发现有严重缺陷（施工质量事故，结构过度变形和严重开裂等）的危险性建筑，也往往有必要进行详细的检验。上海某塑料厂的成型车间，在施工过程中发生火灾，以致使一座三层的混合结构房屋遭到破坏，砖墙开裂，楼盖混凝土剥落，钢筋外露，最后选择了楼面中破坏较为严重的楼板和次梁进行了荷载试验，得出了楼面结构在受灾破坏情况下的承载能力；唐山地震后，为对北京农业展览馆主体结构加固需要，通过环境随机振动试验，采用传递函数谱进行结构模态分析，并通过振动分析获得该结构模态参数，以上的试验均为进行结构加固提供了必要的数据和资料。四、已建结构的可靠性检验、通过试验推断和估计结构的剩余寿命已建结构随着建造年份和使用时间的增长，结构物逐渐出现不同程度的老化现象，有的已到了老龄期、退化期和更换期，有的则到危险期。为了保证已建建筑的安全使用，尽可能地延长它的使用寿命和防止建筑物破坏、倒塌等重大事故的发生，国内外对建筑物的使用寿命，特别是对使用寿命中的剩余期限，即剩余寿命特别关注。通过对已建建筑进行观察、检测,分析普查后，按可靠性鉴定规程评定结构所属的安全等级，由此推断其可靠性和估计其剩余寿命。可靠性鉴定大多数是采用非破损检测的试验方法。我国解放前和建国初期建成的钢铁厂．如武汉钢铁厂、本溪钢铁厂等的炼铁、炼钢、轧钢等车间均进行过检查鉴定。五、鉴定预制构件产品的质量对于在构件厂或现场成批生产的钢筋混凝土预制构件，在构件出厂或现场安装之前，必须根据科学抽样试验的原则，按照预制构件质量检验评定标准和试验规程的要求，通过少量的试件试验，以推断成批产品的质量。1.2.2科学研究性试验科学研究性试验的目的是验证结构设计计算的各种假定；通过制订各种设计规范，发展新的设计理论，改进设计计算方法；为发展和推广新结构新材料及新工艺提供理论与实践的经验。一、验证结构计算理论的假定在结构设计中，人们经常为了计算上的方便，对结构构件的计算图式和本构关系作某些简化的假定。例如在较大跨度的钢筋混凝土结构厂房中，采用30～36m跨度竖腹杆形式的预应力钢筋混凝土空腹行架，在设计中这类桁架的计算图式可假定为多次超静定的空腹桥架，也可按两铰拱计算，而将所有的竖杆看成是不受力的吊杆，一般这可以通过试验研究来加以验证。在构件静力和动力分析中，本构关系的模型化，则完全是通过试验加以确定的。二、为制订设计规范提供依据我国现行的各种结构设计规范除了总结已有大量科学实验的成果和经验以外，为了理论和设计方法的发展，进行了大量钢筋混凝土结构、砖石结构和钢结构的梁、柱、框架、节点、墙板、砌体等实物和缩尺模型的试验，以及实体建筑物的试验研究，为我国编制各类结构设计规范提供了基本资料与试验数据。事实上现行规范采用的钢筋混凝土结构构件和砖石结构的计算理论，几乎全部是以试验研究的直接结果为基础的，这也进一步体现了结构试验学科在发展设计理论和改进设计方法上的作用。三、为发展和推广新结构新材料与新工艺提供实践经验随着建筑科学和基本建设发展的需要，新结构新材料和新工艺不断涌现。例如在钢筋混凝土结构中各种新钢种的应用．薄壁弯曲轻型钢结构的设计推广，升板、滑模施工工艺的发展，以及大跨度结构、高层建筑与特种结构的设计施工等。但是一种新材料的应用，一个新结构的设计和新工艺的施工，往往需要经过多次的工程实践与科学试验，即由实践到认识，由认识到实践的多次反复，从而积累资料，丰富认识，使设计计算理论不断改进和不断完善。结合我国钢材生产的特点，曾对16锰及硅钛类或硅钒类等钢种的原材料和使用这类钢材的结构构件做了大量的试验。上海某剧场改建工程中，在以往理论研究和通过模型试验积累的经验基础上，采用了一种新的眺台结构形式——预应力悬带结构，有效的解决了建筑空间与结构受力性能的矛盾。为了试验是带跳台的结构性能，进行了现场的静力和动力试验，获得了结构刚度、次弯距影响、预应力损失和结构自振频率等第一手资料，为这种结构的推广使用提供了经验。在目前高层建筑的设计建设中，对简中筒的结构体系进行了较多的试验研究。又如在升板结构与滑模施工中，通过现场实测积累了大量与施工工艺有关的数据，为发展以升带滑、滑升结合的新工艺创造了条件。1.3建筑结构试验的分类建筑结构试验除了上述按试验目的分为生产性试验和研究性试验以外，还经常以试验对象、荷载性质、试验场合、试验时间等不同因素进行分类。1．3．1具型试验和模型试验回真型试验的试验对象是实际结构（实物）或者是按实物结构足尺复制的结构或构件。对于实物试验一般均用于生产性试验，例如秦山核电站安全壳加压整体性试验就是一种非破坏性的现场试验。对于工业厂房结构的刚度试验、楼盖承载能力试验等均在实际结构上加载量测，另外在高层建筑上直接进行风振测试和通过环境随机振动测定结构动力特性等均属此类。在真型试验中另一类就是足尺结构或构件的试验，以往一般对构件的足尺试验做得较多事实上试验对象就是一根梁、一块板或一榀屋架之类得实物构件，它可以在试验室内试验，也可以在现场进行。由于建筑结构抗震研究的发展，国内外开始重视对结构整体性能的试验研究，因为通过对这类足尺结构物进行试验，可以对结构构造、各构件之间的相互作用、结构的整体刚度以及结构破坏阶段的实际工作进行全面观测了解。从1973年起，我国各地先后进行的装配整体式框架结构，钢筋混凝土大板、砖石结构、中型砌块、框架轻板等不同开间不同层高的足尺结构试验有10例之多。其中1979年夏上海五层硅酸盐砌块房屋的抗震破坏试验中，通过液压同步加载器加载，在国内足尺结构现场试验中第一次比较理想地测得结构物在低周重复荷载下的恢复力特性曲线。由于对测试要求保证精度，为了防止环境因素对试验的干扰影响，目前国外已将这类足尺结构从现场转移到结构试验室内进行试验。如日本已在室内完成了七层房屋足尺结构的抗震静力试骗。近年来国内大型结构试验室的建设也已经考虑到这类试验的要求。二、模型试验当进行真型结构试验由于投资大、周期长、测量精度受环境因素等影响，在物质上或技术上存在某些困难时，人们在结构设计的方案阶段进行初步探索比较或对设计理论计算方法进行探讨研究时，可以采用比真型结构缩小的模型进行试验。模型是仿照真型（真实结构）并按照一定比例关系复制而成的试验代表物，它具有实际结构的全部或部分特征，但尺寸却可比真型小得多的缩尺结构。模型的设计制作与试验是根据相似理论，用适当的比例尺和相似材料制成与真型几何相似的试验对象，在模型上施加相似力系（或称比例荷载），使模型受力后重演真型结构的实际工作，最后按照相似理论由模型试验结果推算实际结构的工作。为此这类模型要求有比较严格的模拟条件，即要求做到几何相似、力学相似和材料相似。由于严格的相似条件给模型设计和试验带来一定困难，在结构试验中尚有另一类型的模型，它仅是真型结构缩小几何比例尺寸的试验代表物，将该模型的试验结果与理论计算对比校核，用以研究结构的性能，验证设计假定与计算方法的正确性，并认为这些结果所证实的一般规律与计算理论可以推广到实际结构中去，这类试验就不一定要满足严格的相似条件了。正如我们在教学试验中通过钢筋混凝土结构受弯构件的小梁试验可以同样说明钢筋，混凝土结构正截面的设计计算理论。上海体育馆的屋盖采用了直径为125m圆形的三向钢网架结构，就是通过一个1／20的模型试验来验证该体型网架的变形和内力分布，