建筑结构实验(概述)

郑州大学高等教育自学考试助学专业讲义土木工程学院曹源博士制作《建筑结构试验》讲义主讲人：曹源博士讲师硕士生导师单位：郑州大学土木工程学院第1章结构试验概论第1讲结构试验任务注：理论知识点（字体加粗）分散知识点作为知识补充①教材与课程介绍：姚振纲主编，武汉大学出版社出版《建筑结构试验》；其它同类教材可以作为参考教材。该课程偏重于从工程实践的角度来理解建筑结构试验中所涵盖的理论与技术。建筑结构试验所涉及的建筑理论与工程知识非常广泛（类似于大锅菜，麻雀虽小五脏俱全），所需要的基础知识面较广（材料力学、结构力学、混凝土结构原理、弹塑性力学、结构动力学、结构抗震设计等等）。所以课程的讲解奉行拿来主义，需要哪些基础知识就只管拿来，以理解试验技术和试验理论为目的，深入浅出地进行讲解。②教材目录的理解：课程学习之前，首先要重视目录的学习。目录是课程的纲要，需要仔细阅读作者的章节划分，理解章节划分的意义和目的。对于该教材而言，第一章为总体上的概述，让大家在认真学习课程之前对建筑结构试验有一个总体的印象（包括范围、现状、内容、任务、目的和分类等）。第二章和第三章为结构试验的主体组成，包含各类结构试验的一些同性特征。通常情况下，结构试验都需要进行试验加载和数据采集。不同的试验对象和试验目的需要采用不同的加载方法和加载设备进行加载；不同的试验任务需要采用不同的采集仪器进行数据采集。第四章为结构试验设计，是进行结构试验的整体规划，把握结构试验的脉搏，体现结构试验技术。设计过程中要求对结构试件进行设计、选择适宜的加载方法与加载设备、选择有效的测点和数据采集仪器，还要对试验的误差进行分析，对试验中的人身与设备安全采取一定的防范措施。第五章至第七章分类介绍不同试验类型及试验特点，重点透出各类试验的个性特征。第八章非破损检测技术为工程实践中实用性最强的试验技术。各施工场地都会或多或少地经历结构的非破损检测。③结构试验的任务：建筑结构在承受外部荷载及内部形成的各种作用时会产生各种反应。【过程描述】输入（外部荷载或内部作用）→系统（建筑结构）→响应（各种反应）【正过程】已知输入→已知系统→未知响应(KF=U){易求解}【逆过程】未知输入←已知系统←已知响应{难求解}【识别过程】已知输入→未知系统←已知响应{较难求解}建筑结构试验所做的工作其实是【识别过程】建筑结构试验任务的定义。荷载与作用的定义。结构极限状态的定义。各极限状态下的结构参数及其含义。郑州大学高等教育自学考试助学专业讲义土木工程学院曹源博士制作第2讲结构试验目的及分类注：理论知识点（字体加粗）分散知识点作为知识补充①结构试验目的生产性试验与科研性试验的划分是根据试验的目的。目的即进行该试验将要起到的作用。目的能否达到直接决定试验的成败。生产性试验各种作用的了解。科研性试验各种作用的了解。②按结构试验对象的尺寸分类原型试验的定义（实际结构）。非破坏性试验或动测试验，考验真实结构的整体性能。模型试验的定义（试验代表物）。破坏性试验或试验对象尺寸有限制的试验。相似模型试验、缩尺模型试验的定义足尺模型试验的定义及作用（破坏性）。③按试验荷载的性质分类结构静力试验介绍。结构动力试验分类及划分依据。结构动力特性试验介绍。（动力学知识点的强化学习。理解动力学参数及其作用）结构动力反应试验概括性介绍（与动力特性试验的区别）结构疲劳试验概括性介绍（疲劳性能参数介绍）结构抗震试验的定义及分类介绍低周反复加载静力试验的特点。拟动力试验及地震模拟振动台试验简要介绍。④结构试验的其他分类短期荷载试验长期荷载试验的定义及其与短期荷载试验的区分试验室结构试验与现场结构试验的划分结构破坏试验与结构非破坏试验的划分第2章结构试验的加载设备和试验装置第1讲静力加载法注：理论知识点（字体加粗）分散知识点作为知识补充①结构试验加载概述结构的荷载试验是结构试验的基本方法。荷载形式、大小和加载方式等。加载方法的选择主要决定于试验的任务与试验对象的性质，还取决于实验室的设备和现场所具备的条件。静力试验与动力试验中加载方法与加载设备的分类介绍。选择试验荷载和加载方法时，应满足的要求。②重力加载法重力加载法的定义。重力直接加载法及装置介绍。注意事项及方法优缺点。杠杆加载法及装置介绍。注意事项及方法优缺点。总结重力加载法的优缺点。郑州大学高等教育自学考试助学专业讲义土木工程学院曹源博士制作③液压加载法液压加载法的特点。液压加载器加载。液压加载器类型。液压加载器静力试验加载装置。液压加载器荷载值的测定。液压加载器的标定。液压加载系统加载。液压加载系统的组成。结构试验机加载。大型结构试验机介绍。疲劳试验机介绍。电液伺服液压加载系统加载。工作原理，系统组成。电液伺服加载器（电液伺服阀）、控制系统、液压源介绍。地震模拟振动台加载。（动力加载法，提前介绍）系统组成。振动台台体结构、液压驱动和动力系统、控制系统、测试与分析系统。④机械力加载法机械力加载常用设备。吊链、卷扬机、绞车螺旋千斤顶弹簧加载法，注意事项和优缺点机械力加载法优缺点⑤气压加载法气压加载法特点。气囊、密封容器真空加载气压加载法优缺点第2讲动力加载法注：理论知识点（字体加粗）分散知识点作为知识补充①惯性力加载法惯性力的概念。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荷载结构产生自由振动，适用于进行结构动力特性试验。初位移加载法（张拉突卸法）初速度加载法（突加荷载法）离心力加载是根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。其特点是运动具有周期性，作用力大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。激振器。振动台。②电磁加载法电磁加载原理。在磁场中通电的导体要受到与磁场方向相垂直的作用力。通交流电产生动荷载，通直流电可产生静荷载。电磁式激振器的组成。（动圈固定在顶杆上）工作原理。当通过工作线圈的交变电流以简谐规律变化时，则通过顶杆作用于结构的激振力也按同样规律变化。在磁场强度和工作线圈导线的有效长度不变的情况下，激振力与通过工作线圈的交流电（易控制）成正比。电磁振动台，实际上是由电磁激振器来推动一个活动的台面而构成。电磁振动台的组成。电磁振动台是按闭环振动试验要求设计的。③其他加载法反冲激振器加载（火箭激振）。适用于现场对结构实物进行实验，但小冲量的也可在实郑州大学高等教育自学考试助学专业讲义土木工程学院曹源博士制作验室内用于构件或模型试验。反冲激振器的主要组成部分。反冲激振器的基本工作原理是：当点火装置内的点火药被点燃后，很快使主装火药到达燃烧温度，主装火药开始在燃烧室中进行平稳的燃烧，产生的高温高压气体便从喷管口以极高的速度喷出。按动量守恒定律得到反冲力，即为作用在被测结构上的脉冲力。人工爆炸加载（人工地震）。地面运动加速度的峰值随炸药量的增加而增大。峰值离爆心距离愈近则愈高；加速度持续时间离爆心距离愈远而愈长。模拟地震要求（炸药量大，试验对象离爆心距离远）采用地面质点运动的最大速度的幅值为衡量标准。需确定炸药量和试验距离。人激振动加载人们利用自身在结构物上的有规律的活动，使结构产生足够大的惯性力，就有可能形成适合做共振试验的振幅。在结构上用人激振动的关键在于选择好最容易激发振动的空间位置。环境随机激振加载没有地震条件下存在着的大地微动称为地面脉动，也称之为环境随机振动。利用高灵敏度的测振仪器，测得地面的极微小的振动波形。千分之几微米到几微米。地面脉动近于“白噪声”，即由无限多个频率成分的振动组成，且各个频率成分是等强的。有一定的地区和地基土壤条件具有一定的脉动卓越周期，它表征某地区地基土壤的部分特征。建筑物坐落在地面上，地面脉动对建筑物的作用相似于激振器产生的一种强迫振动的激振，通过具有滤波作用的建筑物后，出现类似的微幅振动，称为建筑物的脉动反应。脉动反应的波形中包含着该结构的自振特性。利用环境随机激振方法可以测量建筑物的动力特性，而它不需要任何的激振设备，又不受结构型式和大小的限制。第3讲结构试验装置注：理论知识点（字体加粗）分散知识点作为知识补充①试验支撑装置试验装置：满足试验荷载设计；实现试验荷载图式；模拟边界条件要求；保证试验加载正常进行。支座滚动铰支座和固定铰支座（滚轴式和刀铰式）铰支座的基本要求：结构在支座处能自由水平移动和自由转动；保证结构在支座处力的传递；结构在支承处没有预埋支承钢垫板，则在试验时必须另加垫板（防止应力集中造成局部破坏）；滚轴长度和直径的选择。梁、桁架；板（固定的球铰支座）固定端支座模拟梁式构件的固定端支座时，上下支座中心线至试件端部的距离为设计嵌固长度的1/6和5/6。柱和框架构件的固定端支座，可用螺栓直接固定于试验台座。受压构件刀铰支座柱或墙的试验，为了求纵向弯曲系数的试验值时，构件两端均应采用刀铰支座。单向铰，双向铰（两个方向都可能产生屈曲）通过调节螺丝来调整刀口与试件几何中线的距离，满足不同偏心距的要求。郑州大学高等教育自学考试助学专业讲义土木工程学院曹源博士制作短柱轴压试验，试验机压板上有球铰，则短柱两端可不再设刀铰支座。梁式受扭构件转动支座。试件两端架设在两个能自由转动的弧形支座上，支座转动中心与试件的扭转中心重合。两支座的转动平面互相平行，并与试件的扭轴相垂直。结构试验支座的型式与构造是随着结构型式和试验要求不同而变化的。支墩现场多用砖块砌筑或用混凝土浇筑而成。试验室可用钢材或钢筋混凝土制成专用支墩。支墩上部应有足够平整的支承面积，制作时要铺以钢板。支墩本身应有足够的强度和刚度。试验荷载作用下，支墩和地基的总压缩变形不宜超过试件挠度的1/10支墩的高度一般在400~600mm。仪表安装、测读、裂缝观测和加卸载的要求。各支墩的高差不宜大于试件跨度的1/200②试验传递装置试验传递装置的作用是将加载设备产生的荷载或作用力正确地按试验荷载图式的要求传递到试验的结构上，同时满足荷载量放大、分配和荷载作用形式转换的要求。杠杆利用放大原理。杠杆比例不宜大于1:6。支点、力点和重物重心点必须明确，防止杠杆本身翘屈和失稳。分配梁分配梁的作用是将单一杠杆或液压加载器产生的荷载分配成两个或两个以上的多点集中荷载。分配梁一般均为单跨简支形式，不能用多跨连续梁形式。分配梁层次不宜大于三层。需要不等比例分配时，比例不宜大于1:4，且须将荷载分配比例大的一端设置在靠近固定铰支座的一边，以保证荷载的正确分配、传递和试验的安全。分配梁本身应有足够的强度和刚度。对水平荷载进行分配的分配梁系统，很少用到，需悬挂。卧梁卧梁的作用是将若干个加载点的集中荷载转换成均布荷载施加于试件的端面，保证试件的受载截面获得均匀分布的应力状态。卧梁必须有足够的强度和刚度，与试件端面之间应平整铺设砂浆垫层，砂浆强度不应低于试件混凝土强度等级的50%承受集中荷载作用的试件表面应铺设钢垫板，以防止混凝土或砌体局部受压破坏。③荷载支承装置液压加载器的活塞只有在其行程受到约束时，才会对试件产生推力。杠杆加载需要支承点承受支点的上拔力。竖向荷载支承装置横梁和立柱组成的反力架和试验台座组成。竖向反力装置。水平荷载支承装置水平反力架或反力墙。水平反力架通过螺栓固定于试验台座，反力墙大部分是固定式的。④结构试验台座抗弯大梁式台座，本身是一刚度极大的钢梁或钢筋混凝土大梁。小型构件试验（跨度7m以下，宽度1.2m以下的板和梁）空间桁架式台座，大刚度空间桁架。中等跨度的桁架和屋面大梁。实验室内的结构试验台座是永久性的固定设备，用以平衡施加在试验结构物上的荷载所产生的反力。试验台座的刚度极大。郑州大学高等教育自学考试助学专业讲义土木工程学院曹源博士制作板式试验台座（槽式试验台座、地锚式试验台座）箱式试验台座规模较大，加载与测量工作也可在箱形结构内部进行，可作为实验室房屋的地下室或基础。抗侧力试验台座抗侧力墙与试验台座联成整体，可以提高墙体抵抗弯矩和剪力的能力。深坑中的抗侧力台座。⑤试验辅助装置平面外支撑、抗侧移装置。保证试验装置的侧向局部和整体稳定，以保证试验工作的正常进行和试验安全。⑥结构现场试验荷载装置利用现场现有条件，因地制宜，采用不同的加载方法和加载设备，满足试验精度，保证试验安全。第4