第二章工程结构试验设计

第二章结构试验设计2.1结构试验设计概述结构试验包括结构试验设计、结构试验准备、结构试验实施和结构试验分析等主要环节，它们之间的关系如下所列：结构试验设计是整个结构试验中极为重要的并且带有全局性的一项工作，它的主要内容是对所要进行的结构试验工作进行全面的设计与规划，从而使设计的计划与试验大纲能对整个试验起着统管全局和具体指导的作用。在进行结构试验的总体设计时，首先应该反复研究试验的目的，充分了解本项试验研究或生产鉴定的任务要求，因为结构试验所具有的规模与所采用的试验方式都是根据试验研究的目的任务要求不同而变化的。试件的设计制作、加载量测方法的确定等各个环节不可单独考虑，而必须对各种因素相互联系综合考虑才能使设计结果在执行与实施中最后达到预期的目的。在明确试验目的后，可通过调查研究并收集有关资料，确定试验的性质与规模、试件的形式，然后根据一定的理论作出试件的具体设计，试件设计必须考虑本试验的特点与需要，在设计构造上作出相应的措施，在设计试件的同时，还需要分析试件在加荷试验过程中各个阶段预期的内力和变形，特别是对具有代表性的并能反映整个试件工作状况的部位所测定的内力、变形数值，以便在试验过程中加以控制，随时校核；要选定试验场所，拟定加荷与量测方案；设计专用的试验设备、配件和仪表附件夹具，制订技术安全措施等。除技术上的安排外，还必须组织必要的人力物力，因为一项试验工作经常不是一、两个人所能进行的，针对试验的规模，去组织试验人员，并提出试验经费预算以及消耗性器材数量与试验设备清单。在上述规划的基础上，提出试验研究大纲及试验进度计划，试验规划是一个指导试验工作具体进行的技术文件，对每个试验、每次加载、每个测点与每个仪表都应该有十分明确的目的性与针对性，切忌盲目追求试验次数多，仪表测点多，以及不切实际的要求提高量测精度，因而有时反会弄巧成拙，达不到预期的目的。有时为了解决某一具体的加荷方案或量测方案，可先做一些试探性试验，以达到更好地设计规划整个试验研究的目的。对于以具体结构为对象的工程现场鉴定性试验，在进行试验设计前必须对结构物进行实地考察，对该结构的现状和现场条件建立初步认识。在考虑试验对象的同时，还必须通过调查研究，收集有关文件、资料，包括设计资料，如设计图纸、计算书及作为设计依据的原始材料，施工文件，施工日志，材料性能试验报告及施工质量检查验收记录等，关于使用情况则需要深入现场向使用者（生产操作工人、居民）调查了解，对于受灾损伤的结构，还必须了解受灾的起因、过程与结构的现状。对于实际调查的结果要加以整理（书面记录、草图、照片等）作为拟定试验方案，进行试验设计的依据。由于近代仪器设备和测试技术的不断发展，大量新型的加载设备和测量仪器被使用到结构试验领域，这对试验工作者又提出了新的技术要求，对这方面的知识不足和微小疏忽，均会导致对整个试验不利的后果。所以在进行试验总体设计时，要求对所使用的仪器设备性能进行综合分析，要求对试验人员事先组织学习，掌握这方面知识，以利于试验工作的顺利进行。结构试验是一项细致而复杂的工作，因此必须进行很好的组织与设计，按照试验的任务制订的试验计划与大纲，并通过试验计划与大纲的执行来实现与完成提出的要求。在整个试验工作中，我们必须十分严肃认真，不然不仅我们主观的愿望无法实现，同时会带来人力物力与时间上的浪费，影响试验结果，以致使整个试验失败或发生安全事故。对一个结构物的试验必须在试验前做好各项试验的设计规划准备工作，了解情况要具体、细致，计划准备要全面周到，对试验过程中可能出现的情况要事先有所估计，并采取相应措施，对试验成果必须珍惜，要及时整理分析，充分加以利用。总之，我们要求用最小的耗费，达到试验预期要求，并且取得最大的成果。2．2结构试验的试件设计在进行结构强度和变形试验时，作为结构试验的试件可以取为实际结构的整体或是它的一部分，当不能采用足尺的真型结构进行试验时，也可用其缩尺的模型。采用模型试验可以大大节省材料、试验工作量和缩短试验时间，用缩尺模型作结构试验时，应考虑试验模型与试验结构之间力学性能的相关关系，但是要想通过模型试验的结果来正确推断实际结构的工作，模型设计必须根据相似理论按比例缩小，对于一些比较复杂的结构要使模型结构和实际结构在各个物理现象间均满足相似条件往往有困难，此时应根据试验目的设法使主要的试验内容能满足相似条件。如能用真型结构进行结构试验，可以得到反映真型性状的试验结果。但是由于真型结构试验规模大、试验设备的容量和费用也大，所以大多数情况下还是采用缩尺的模型试验。就我国目前开展试验研究工作的实际情况来看，整体真型结构的试验还是少数，在规范编制过程中所进行的基本构件的基本性能试验大都是用缩尺的构件，但它不一定存在缩尺比例的模拟问题，经常是由这类试件试验结果所得的数据，直接作为分析的依据。试件设计应包括试件形状的选择、试件尺寸与数量的确定以及构造措施的研究考虑，同时必须满足结构与受力的边界条件、试验的破坏特征、试验加载条件的要求，最后以最少的试件数量获得最多的试验数据，反映研究的规律满足研究任务的需要。2·2·1试件形状在试件设计中设计试件形状时，虽然和试件的比例尺无关，但最重要的是要造成和设计目的相一致的应力状态。这个问题对于静定系统中的单一构件，如梁、枉、行架等，一般构件的实际形状都能满足要求，问题比较简单。但对于从整体结构中取出部分构件单独进行试验时，特别是在比较复杂的超静定体系中必须要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。当作如图2－1（a）所示受水平荷载作用的框架结构应力分析时，若试验A－A部位的柱脚、柱头部分时，试件要设计成如图2－1（b）所示；若作B－B部位的试验，试件设计成如图2-1（c）；对于梁如作成图2－l（d）（e）那样的设计，则应力状态可与设计目的相一致。作钢筋混凝土往的试验研究时，若要探讨其挠曲破坏性能，如图2-l（h）的试件是足够的，但若作剪切性能的探讨，则图2－1（h）反弯点附近的应力状态与实际应力情况有所不同，为此有必要采用图2－1（i）中的适用于反对称加载的试件。在作梁柱连接的节点试验时，试件受力有轴力、弯矩和剪力的作用，这样的复合应力使节点部分发生复杂的变形，但其中主要是剪切变形，以致节点部分由于大剪力作用会发生剪切破坏。为了探求节点的强度和刚度，使其应力状态能充分反映，避免在试验过程中梁柱部分先于节点破坏，在试件设计时必须事先对梁柱部分进行足够加固，以满足整个试验能达到预期的效果。这时十字形试件如图2－1（f）中节点二侧梁柱的长度一般均取1／2梁跨和l／2柱高，即按框架承受水平荷载时产生弯矩的反弯点（M=0）的位置来决定。边柱节点可采用T字形试件。当试验自的为了解初始设计应力状态下的性能，并同理论作对比时，可以采用如图2-（g）的X形试件。为了使在X形试件中再现实际的应力状态，必须根据设计条件给定的N利V来测定试件的尺寸。图2－1框架结构中的梁柱和节点试件又如在进行升板结构的节点试验时，其试件可取如图2－2所示的形状，板的两个方向的长度同样可按板带跨中反弯点（M=0）的位置来决定。在框架试验中，多数设计成支座固结的单层单跨框架。如图2－3。剪力墙是抗震结构的重要构件，国内外对剪力墙的试验研究很为重视，试件形式多样，有无框剪力墙，墙体是一块钢筋混凝土平板。有框剪力墙，其中一种是与框架整体相连的钢筋混凝土板，另一种是在框架内设置钢筋混凝土剪力撑（图2－4（a））。图2-4（b）为双肢剪力墙。砖石与砌块试件主要用于墙体试验，可以采用带翼缘或不带翼缘的单层单片墙，如试验需要也可采用双层单片墙或开洞墙体的砌体试件。如图2－5所示。对于纵险由于外墙有大量窗口，试验可采用有两个或一个窗间墙的双肢或单肢窗间墙试件（图2－6）。总之，以上所示的任一种试件的设计，其边界条件的实现尚与试件安装、加载装置与约束条件等有密切关系，这必须在试验总体设计时进行周密考虑，才能付之实施。图2-2生板节点试件图2-3单层单跨钢筋混凝土框架图2-4钢筋混凝土剪力墙图2-5砖石与砌块的墙体试件图2－6纵墙窗间墙试件2.2.2试件尺寸关于结构试验所用试件的尺寸和大小，从总体上分为真型（实物或足尺结构）和模型两个大类。从国内外已发表的试验研究文献来看，钢筋混凝土试件的尺寸其中小试件可以小到构件截面只有几厘米，大尺寸可以大到结构物的真型。国内试验研究中采用框架截面尺寸大约为真型的1／4～1／2。还做过三层到五层的足尺轻板框架试验。在框架节点方面，国内外一般都做得比较大，为真型比例的l／2一1，这和节点中要求反映配筋特点有关。作为基本构件性能研究，压弯构件的截面为16cm╳16cm～35cm╳35cm，短柱（偏压剪）为15cm╳15cm～50cm╳50cm，双向受力构件为10cm╳10cm～30cm╳30cm。在剪力墙方面单层墙体的外形尺寸为80cm╳100cm～178cm╳274cm，多层的剪力墙为真型的1/10--1/3。我国昆明南宁等地区曾先后进行过装配式混凝土和空心混凝土大板结构的足尺房屋试验。砖石及砌块的砌体试件尺寸一般取为真型的1／4～1／2。我国兰州、杭州与上海等地先后做过四幢足尺砖石和砌块多层房屋以及若干单层足尺房屋的试验。一般来说，静力试验试件的合理尺寸应该是不大又不小，太小的试件要考虑尺寸效应。对于微型混凝土截面在4cm╳6cm或5cm╳5cm以内或微型砌体（砖块尺寸为1．5cm╳3cm╳6cm），普通混凝土的截面小于10cm╳10cm，砖砌体小于74cm╳36cm，砌块砌体小于60cm╳120cm的试件都有尺寸效应，必须加以考虑。当砌块砌体试件大到120cm╳244cm时，尺寸效应才不显著。因此普通混凝土试件截面边长在12cm以上，砌体墙最好是真型的1／4以上，对于小于1／4的比例不但灰缝和砌筑等方面的条件难于相似，而且容易出现失稳破坏。但是，在满足构造模拟要求的条件下太大的试件尺寸也没有必要。国内外多层足尺房屋或框架试验的实践证明：足尺真型的试验并不合算，要想解决的问题（加抗震能力的评定）解决不了，而足尺能解决的问题（如破坏机制等）小比例尺试件也行。虽然足尺结构具有反映实际构造的优点，但试验所耗费的经费和人工如用来做小比例尺试件，可以大大增加试验数量和品种，而且试验室的条件比野外现场要好，测试数据的可信度也高。因此，局部性的试件尺寸可取为真型的1／4～1，整体性的结构试验试件可取1／10～1／2。对于动力试验，试验尺寸经常受试验激振加载条件等因素的限制，一般可在现场的真型结构上进行试验，量测结构的动力特性。对于在试验室内进行的动力试验，可以对足尺构件进行疲劳试验，至于在模拟振动台上试验时，由于受振动台台面尺寸和激振力大小等参数限制，一般只能作缩尺的模型试验。国内在地震模拟振动台上已经完成了一批比例在1／50～1／4的结构模型试验。日本为了满足原子能反应堆的足尺试验的需要，研制了负载为1000t，台面尺寸为15m╳15m垂直水平双向同时加震的大型模拟地震振动台。2.2.3试件数目在进行试件设计时，除了对试件的形状尺寸应要进行仔细研究外，对于试件数目即试验量的设计也是一个不可忽视的重要问题，因为试验量的大小直接关系到能否满足试验的目的任务以及整个试验的工作量问题，同时也受试验研究、经费预算和时间期限的限制。对于生产性试验，一般按照试验任务的要求有明确的试验对象。对于预制厂生产的一般工业与民用建筑钢筋混凝土和预应力混凝土预制构件的质量检验和评定，可以按照《预制混凝土构件质量检验评定标准》GBJ321－90中结构性能检验规定，确定试件数量。按《标准》GBJ321—90规定成批生产的构件，应按同一工艺，正常生产的1000件，但不超过三个月的同类型产品为一批（不足1000件者亦为一批），在每批中随机抽取一个构件作为试件进行检验。这里所谓“同类型产品”是指采用同一钢种、同一混凝土强度等级、同一工艺、同一结构形式的构件。对同类型产品进行抽样检验时，试件宜从设计荷载最大、受力最不利或生产数量最多的构件中抽取。当连续抽查10批，每批的结构性能均能附合《标