第3章试验荷载与加载装置.

土木工程试验兰州理工大学土木工程学院2013年03月01日SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.裘博敏SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.第3章土木工程试验荷载进行结构试验时，应在试验结构上再现要求的荷载，即试验荷载。试验荷载绝大多数是模拟荷载，而产生这些模拟荷载的方法很多，一般都通过加载设备和试验装置产生，可用于结构试验的加载设备有重物气压、机械机具、液压、动力激振以及与它们相匹配的各种试验装置等。把试验荷载分成了静力荷载、动力荷载以及荷载反力设备3部分内容，主要对荷载的原理、方法、特点等方面进行介绍。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.一、荷载试验是结构试验的基本方法。二、荷载的选用原则：1.试验用的荷载形式、大小、加载方式等都是根据试验的目的要求，以如何能更好地模拟原有荷载等因素来选择。2.在决定试验荷载时，还应该根据试验室的设备条件和现场所具备的试验条件的具体情况进行。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.三、荷载的分类：直接作用：自重、活、雪、灰、施工、风等；间接作用：温度、收缩、偏差、沉降、地震等；分布；集中；短期；长期；静；动；由模拟荷载实现3.1概述四、产生荷载的方法与加载设备有很多种类：静力试验1.重物直接加载或通过杠杆作用间接加载的重力加载方法；2.液压加载器和液压试验机、电液伺服加载系统的液压加载；3.绞车、差动滑轮组、弹簧和螺旋千斤顶等机械加载方法；4.利用压缩空气或真空作用的特殊方法等等。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.动力试验1.惯性力或电磁系统激振;2.比较先进的设备是由自动控制、液压装置与计算机相结合而组成的电液伺服加载系统和由此作为振源的地震模拟振动台加载设备等；3.人工爆炸和利用环境随机激振（脉动法）的方法。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.五、选择试验荷载和加载方法时，应满足下列几点要求：⑴试验荷载的图式所产生的内力值完全一致或极为接近；⑵荷载值准确；荷载传力方式和作用点明确，产生的荷载数值要稳定；⑶荷载分级符合要求，同时必须满足试验量测的精度要求；⑷加载装置要有足够的安全性和可靠性，强度！满足刚度要求；⑸加载设备的操作要方便，便于加载和卸载，能控制加载速度；⑹采用现代化先进技术。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.六、试验荷载和加载方法1．荷载图式的选择与设计荷载在试验结构构件上的布置形式（荷载的类型、分布方式等）称为荷载图式。2．试验荷载制度试验荷载制度指的是试验进行期间荷载与时间的关系。⑴荷载程序。一般结构静力试验的加载分为预载、标准荷载（正常使用荷载）、破坏荷载三个阶段。加载分级；卸荷分级和一次性卸荷两种。⑵荷载大小。在试验的不同阶段有不同的试验荷载值。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.七、荷载系统荷载控制装置荷载系统配重荷载架、反力墙分配梁、支座承台产生荷载的设备3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.重力荷载就是利用物体本身的重量将物体施加于试验结构上作为荷载的加载方式。重物可以直接加在试验结构或构件上，也可以通过杠杆间接加在结构或构件上。（1）重力直接加载方法图3.1.1重物堆放作均布荷载试验图图3.1.2重物堆放作集中荷载试验l－重物；2－试验板；3－支座；3－支墩1－试件；2－重物；3－支座；3－支墩；5－吊篮3.2静力荷载3.2.1一般重物荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（1）试验荷载可就地取材，可重复使用，针对试验结构或试件的变形而言，可保持恒载，可分级加载，容易控制；（2）但加载过程中需要花费较大的劳动力，占据较大的空间，安全性差，试验组织难度大；（3）散装或块体材料要注意起拱；（4）注意材料的吸湿性。3.2静力荷载（2）杠杆加载方法优点：杠杆原理，将荷载放大作用于结构上。荷载可以保持恒定，对于持久荷载试验尤为适合，尤其是集中力。分类：承压式图3.3利用杠杆加载图示拉杆式3.2静力荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（a）（b）图3.1.5现场试验杠杆加载的支承方法（a）墙洞支承；（b）桩支承3.2静力荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（1）卷扬机、绞车加载----可改变作用力的方向和拉力大小图3.4利用卷扬机加载图示（2）螺旋千斤顶加载---加载值的大小可用测力计测定。3.2静力荷载3.2.2机械力荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（3）螺旋、弹簧加载----弹簧加载法常用于构件的持久荷载试验。1.设备简单，容易实现；2.通过索具加载时，很容易改变荷载作用方向；3.应工作在线形范围内；4.缺点是荷载值不大，荷载作用点产生变形时，会引起荷载值的改变。3.2静力荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2.3液压荷载目前结构试验中最常用的加载方法；可适用于静、动载试验，吨位可大、可小；液压加载方法：♦液压加载系统和试验台座；♦结构试验机系统。3.2静力荷载3.2.3液压荷载液压加载装置♦液压加载器；♦液压加载系统；♦结构试验机；♦电液伺服液压系统；♦地震模拟振动台。3.2静力荷载一、液压加载器（液压千斤顶）油箱（泵）、阀门、液压加载装置、测力计；图3.5单、双向加载器图示特点：荷载大，操作简单，可实现低周反复荷载。需反力设备，多点同步加载卸载比较困难。单向、双向作用的液压加载器.3.2静力荷载3.2.3液压荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.电动泵液压加载器3.3.1液压加载器双向液压加载器液压加载系统主要是由储油箱、高压油泵、液压加载器、测力装置和各类阀门通过高压油管连接组成的操纵台。二、液压加载系统图3.5液压加载系统图示特点：对大吨位、大挠度、大跨度的结构更为适用，它不受加荷点数的多少、加荷点的距离和高度的限制，并能适应均布和非均布、对称和非对称加荷的需要。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载液压加载系统的组成部分♦液压加载器♦液压控制台♦反力架♦台座适用于各类结构的静载试验（包括拟静力试验）三、大型结构试验机大吨位、高行程30000kN（压）10000kN（拉）SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载大型结构试验机四、电液伺服液压系统图3.6电液伺服加载系统图示电液伺服加载系统采用闭环控制•电液伺服加载器•控制系统•液压源SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载图3.7液压加载器构造示意图1－铰支基座;2－位移传感器;3－电液伺服阀;4－活塞杆;5－荷载传感器;6－螺旋垫圈;7－铰支接头1234567电液伺服作动器(加载器)SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载液压源（油源）控制系统SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载五、地震模拟振动台（shakingtable）1－试验结构模型；2－控制室；3－振动台台面；4－电液伺服助动器；5－振动台基础；6－液压动力系统123365•振动台台面与基础•液压驱动和动力系统•控制系统•测试和分析系统SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载最大日本:（15米☓20米）三向六自由度3.2静力荷载3.2静力荷载3.2.4车辆静态荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.图3.7车道荷载3.2静力荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.图3.8中-活载图式3.2静力荷载3.2.5气压荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.利用气体压力对结构加载有两种方式：一种是利用压缩空气加载；另一种是利用抽真空产生负压对结构构件施加荷载。由于气压加载所产生的是均布荷载，对于平板或壳体试验尤为适合。在磁场中通电的导体要受到与磁场方向相垂直的作用力，电磁加载就是根据这个原理，在强磁场(永久磁铁或直流励磁线圈)中放入动圈，通入交变电流，则可使固定于动圈上的顶杆等部件作反复运动，对试验对象施加荷载。目前常见的电磁加载设备有电磁式激振器和电磁振动台。一、电磁激振器（略）。二、电磁式振动台（略）。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载3.3.1电磁荷载1．初位移加载法（张拉突卸法）使结构变形而产生一个人为的初始强迫位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位置附近作自由振动。冲击力加载的特点是荷载作用时间极为短促，在它的作用下使被加载结构产生自由振动，适用于进行结构动力特性的试验。张拉突卸法图示（1）SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载3.3.2冲击加载张拉突卸法图示（2）张拉突卸法特点：结构自振时荷载已经不再依附适用于刚度不大的结构，用较小的力使结构产生振动。注意：加载时在一个平面内，避免在另一个面内产生振动。2．初速度加载法（突加荷载法）利用摆锤或落重的方法使结构在瞬时内冲击，产生一个初速度。突加荷载法图示3．反冲激振法也称火箭激振。特点：不依附于结构，力比较小。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载离心力加载图示直线位移惯性力加载图示SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载3.3.3离心力加载3.3.4直线位移惯性力加载人们可以利用自身在结构物上有规律的活动，产生足够大的人力惯性力，就有可能形成适合作共振试验的振幅。这对于自振频率比较低的大型结构来说，完全有可能被激振到足可进行量测的程度。举例：一个体重约70kg的人使其质量中心作频率为1Hz、双振幅为15cm的前后运动时，将产生大约0.2kN的惯性力。由于在1％临界阻尼的情况下共振时的动力放大系数高达50，这意味着作用于建筑物上的有效激振力大约为10kN。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载3.3.5人力激振加载建筑结构由于受外界的干扰而经常处于不规则的振动中，其振幅在10μm以下，称之为脉动。建筑物的随机荷载与地面脉动、风或气压变化有关，特别是受城市车辆、机器设备等产生的扰动和附近地壳内部小的裂缝以及远处地震传来的影响尤为重要，其脉动周期一般为0.1--2.0s，并且任何时候都存在着环境随即振动，从而引起建筑物的响应。这种能够引起建筑物脉动的作用或外界的干扰叫做随机荷载。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载3.3.6随机荷载3.3.7爆炸荷载车辆以较高速度行驶过桥梁时，由于桥面或轨面的不平整、车轮不圆，以及发动机的抖动或机车的偏心作用等原因，会引起桥梁结构的振动，这种动力效应通常称为冲击作用。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载3.3.7车辆动态荷载（1）跳车荷载；（2）刹车荷载；（3）跑车荷载。结构试验中的支座是支承结构，正确传力和模拟实际荷载图式的设备，通常由支墩和铰支座组成。1.支墩多用砖块临时砌成，支墩上部应有足够大的、平整的支承面，最好在砌筑时要铺设钢板。支墩本身的强度必须要进行验算，支承底面积要按地基耐力来复核，保证试验时不致发生沉陷或过度变形。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷载反力设备3.4.1支墩与支座滚动铰支座固定铰支座滚动铰支座固定铰支座SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷载反力设备3.4.1支墩与支座支座的基本要求：1.必须保证结构在支座处能自由转动和结构能正确地传递力；2.铰支座处的上下