土木工程结构试验

土木工程结构试验与检测何以农TEL：13803527313第一章土木工程结构试验概论•了解本门课的作用和主要内容；•要掌握的知识点；关于工程结构：•工程结构是由承力构件相互连接的各种组合体，如梁、柱、扳等。•在经济、使用期限、规定的使用条件等情况制约下，要求工程结构能安全有效地承受外部及内部形成的各种作用，以满足功能及使用上的要求。•为达这个目的，要求设计者必须综合考虑工程结构在整个设计使用年限内适应各种可能的风险。如：建造阶段可能产生的各种施工荷载；正常使用阶段可能遭遇的各种外界作用，特别是自然和人为灾害的作用；老化阶段可能经历的各种损伤的累积（裂、锈、碳化等）和正常抗力的丧失（徐变、应力松弛）等。公式如何来的？在力学模型的基础上通过大量试验而来！结构试验是指：在实际结构物或试验对象(杆件、构件、子结构或其模型)上，利用仪器设备为工具，以各种试验技术为手段，在施加各种作用(荷载、机械扰动力、模拟的地震作用、力、温度、变形……)的工况下，通过量测与试验对象工作性能有关的各种参数(应变、变形、振幅、频率……)和试验对象的实际破坏形态，来评定试验对象的刚度、抗裂度、裂缝状态、强度、承载力、稳定和耗能能力等，确定工程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。由此可以看出今后本课程的学习重点是：如何进行试验！即：•掌握一些试验技术，包括试验设计、加荷设计、试验实施等；•了解量测技术，包括了解仪器设备性能（能否满足）、使用方法；•了解量测数据或状态的评价方法；第一节工程结构试验的任务•工程结构试验任务是：根据不同的试验目的，以实验方式，测定结构在各种作用下的相关数据，由此反映结构成构件的工作性能、承载能力、相应的安全度，为结构的安全使用、设计理论的建立提供重要的依据。•今天的设计理论，包括新材料、新体系、新工艺的运用等，都是在大量试验的成果上得到的。•已有结构的工作性能评价，也必须运用试验的手段获得依据。第二节工程结构试验的目的工程结构试验的目的：为生产鉴定或科学研究服务一、生产鉴定性试验•试验对象：实际结构或构件；•试验目的：检验产品是否符合结构设计规范及施工验收规范的要求，并对检验结果作出技术结论；该类试验包括：对结构设计和施工进行鉴定（重要或新型结构、新工艺方法施工）；判断改建和加固的工程结构的实际承载能力为工程事故鉴定提供技术根据；对巳建结构进行可靠性检验、推断和估计结构的剩余寿命；鉴定预制构件产品的质量；二、科学研究性试验•试验对象：实际构件（节点）或结构与构件模型；•试验目的：验证结构设计计算的各种假定；通过制定各种设计规范，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。该类试验包括：验证结构计算理论的假定；为制定或修订设计规范提供依据；为发展和推广新结构、新材料与新工艺提供实践经验；第三节工程结构试验的分类1、按试验目的不同可分：•生产性试验和科研性试验2、根据试验荷载性质不同可分：•静力（载荷）试验和动力（载荷）试验，其中静力试验指：试验过程中，加荷导致结构本身运动的加速度效应(惯性力效应)可以忽略不计。解决结构的强度、刚度、稳定问题。静力试验又可分：单调静力荷载试验、拟静力试验和拟动力试验。•单调静力荷载试验指：试验荷载逐渐单调增加到结构破坏或预定的状态目标，用于研究结构受力性能的试验。•拟静力试验也称低周期反复荷载试验或伪静力试验：它是利用加载系统对结构施加逐渐增大的反复作用荷载或交替变化的位移，使结构或构件受力的历程与结构在地震作用下的受力历程基本相似，属于结构抗震试验方法，但其加载速度远低于实际结构在地震作用下所经历的变形速度。•拟动力试验也是一种结构抗震试验方法，是将地震实际反应所产生的惯性力作为荷载加在试验结构上，使结构所产生的非线性力学特征与结构在实际地震动作用下所经历的真实过程完全一致。由于这种试验是用静力方式进行的而不是在振动过程中完成的，故称拟动力试验。动力试验包括：动荷载的特性试验（了解荷载的作用规律）结构的动力特性试验（避免共振问题发生）结构在动荷载作用下的动力反应试验。1、动荷载的特性试验动荷载的特性包括作用力的大小、方向、频率及其作用规律等；量测内容：动荷载自身参数和主振源的测定试验；通常采用直接测定法、间接测定法和比较测定法；2、结构动力特性试验结构的动力特性是进行结构抗震计算、解决结构共振问及诊断结构累积损伤的基本依据。因而结构动力特性参数的测试是动力试验的最基本内容。结构的动力特性包括结构的自振频率、阻尼比、振型等参数。这些参数取决于结构的形式、刚度、质量分布、材料特性及构造连接等因素，与外载无关。试验对象：以整体结构为主，可以在现场测试实体(原型)结构的动力特性，也可以在实验室对模型结构进行动力特性试验。3、结构的动力反应试验测定结构在实际工作（或荷载作用）时的振动参数(振幅、频率等)及性状；4、模拟地震振动台试验对振动台输入各种形式地震波后，量测台上结构模型的反应和地震震害发生的过程；有助于力学计算模型的建立；5、风洞试验（模拟风力试验）量测模拟建筑周围气流对结构的作用6、疲劳试验了解在重复荷载作用下结构的性能及变化规律3、按试验对象不同可分：实体试验：试验对象一般是实际结构或构件；模型试验：模型是仿照原型(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主要部分特征；4、按试验场合不同可分：实验室试验：实验室试验可获得良好的工作条件，可应用精密和灵敏的仪器设备进行试验，具有较高的准确度，减少或消除各种不利因素对试验的影响，常用于研究性试验。现场试验：在生产和施工现场进行的试验。与实验室试验相比，由于客观环境条件的影响，加载方法和量测方法受到了一定的限制，所以应选择适当的检测试验方法以提高试验的准确度。5、根据结构或构件破坏与否可分：非破坏性试验：指使用性能检验和承载力检验。检验的对象可以是实际的结构或构件，也可以是足尺的模型。通过使用性能检验：证实结构或构件在规定荷载的作用下不出现过大的变形和损伤；承载力检验：证实结构或构件能否承受的设计要求荷载；破坏性试验：为了掌握试验结构或构件由弹性进入塑性甚至破坏阶段时的结构性能和破坏形态等试验资料；6、按荷载作用时间的长短可分：短期荷载试验：限于试验条件、时间和基于解决问题的步骤，一般情况下，都是采用短期荷载试验，即荷载从零开始一直施加到结构破坏或到某阶段进行卸载，荷载作用时间短；严格地讲，这种短期荷载试验不能代替长年累月作用的长期荷载试验，在分析试验结果时必须加以修正；长期荷载试验：研究结构在长期荷载作用下的性能，如混凝土结构的徐变、裂缝开展与刚度退化，预应力钢筋的松弛等它将连续进行几个月甚至数年；通过试验以获得结构的变形随时间变化的规律；为了保证试验的精度，需要对试验环境有严格的控制，如保持恒温恒湿，防止振动影响等第四节结构理论的发展与结构试验的关系由于科学技术的不断进步，使试验技术水平（包括仪器设备）和相关理论、方法得以迅速发展。这样：•使研究人员能快速、准确、采集、处理、分析试验数据；•能更准确地掌握结构性能，发展结构设计理论；•能检查与监测结构工况；•使科学技术实现相互渗透，交叉融合；一旦试验技术（包括设备、方法）的突破，向人们揭示新的事实、提出新的问题、导致新的假设、新的学说出现。过去的发展史就是这样：如受弯梁的应力分布：1638年“伽里略”（意）认为：受弯梁截面应力分布均匀且受拉。1684年（46年后）“马里奥脱”（德）和“莱布尼兹”（法）认为应力是三角形分布。1713年（19年后）（法）“巴朗”提出应力是以中和层为界、上压、下拉。由于该假说未被试验证实，因此不被人们接受。1716年（54年后）[法]“容格蜜里”用一根木梁证明了“巴朗”的假定，该实验被当时的科学界誉为“路标试验”，即给一佰多年来摸索结构强度计算理论指明了方向和方法。1821年（54年后）（德）“纳维叶”从理论上推导出二十多年后（德）“阿莫列恩”用试验的方法对上式进行了证明。至此二佰多年不断探索才告一段落。由此可以看出：未被实践证明的理论是难以被人们所接受。大家的研究成果也一样要被试验证明，才能被采用。myI本门课的学习目的：《土木工程结构试验与检测》是土木工程专业的一门专业课,也是一门实践性很强的课程，实验是这门课的一个重要组成部分。这门课主要是介绍结构试验的理论和方法。学习这门课目的在于：一是熟悉、验证、巩固所学的理论知识，增加感性认识；二是了解所使用的仪器设备，掌握各种结构的基本试验方法；三是进行科学研究的基本训练，培养分析问题和解决问题的能力；四是培养同学们严肃认真实事求是的学风。第二章工程结构试验设计结构试验的一般过程（步骤、阶段）：试验设计、试验准备、试验实施和试验分析等四个阶段；每个阶段都是围绕试验目的来展开；试验设计阶段：是整个试验中最重要且带有全局性的一项工作，是对试验工作进行全面的设计与规划，它与试验大纲一起对整个试验起着统管全局和具体指导用。各阶段具体工作内容如下：一、试验设计阶段的内容：1、试件设计：试件形状、尺寸、数量、构造措施2、荷载设计：荷载图式、设计加载装置、选择试验方法与设备、试验加载制度3、观测设计：观测项目、确定测点部位与数目、选择测试仪器设备4、误差控制：试件制作安装、材料性能、加载设备、测量仪器5、安全措施：保证试验人员、仪器设备安全一、试验设计1、试件设计：a、试件的形状与尺寸尺寸：在加载设备、承力装置、经费、场地等许可情况下，试件尽量和原型一致，以避免尺寸效应。试件的边界条件：尽量和原结构相同或相似。试件形状：形状可不要求和原结构一样，但要形成和实际工作相一致的应力状态。如图2-2设计原则：突出研究的主要问题，忽略有影响的次要因素，使试验投入的资源最少，量测的数据易分析与总结。b、试件数量：按正交设计要求确定（对于研究性试验），或按有关规范要求实施（对于检验性试验）检验性试验：检测对象选择最能代表产品质量的试件或最不利的试件；试件的外观要进行检查、记录（便于以后数据分析）。所谓正交设计：把试验结果和试件数量联系在一起分析的试验安排。即用研究目标的因子数和水平数，按正交表安排试验并确定其数量的设计方法。试件制作要按正交表进行。•所谓因子数：对试验研究目标有影响的因素个数；•所谓水平数：因子可改变的试验档次数；•按正交表的要求安排试件的制作。如有4个因子，每个因子有3个水平情况，查表，只要做9个试件的试验，便可达试验目的，记为：，否则按排列组合要做81个试件，详参正交设计。)(349Lc、设计构造措施：对边界和局部进行加强处理，以保证试验时试件不因局部破坏使试验无法进行；如：支座、集中荷载施加处（见图2-3）剪力或弯矩较大处（见图2-4）平面外稳定构造措施等构造措施图2-32、试验荷载方案设计包括：确定试验荷载图式、设计加载装置、选择试验方法与设备、确定加载制度。其中：a、试验荷载图式：试验荷载在试件上布置图式(包括荷载类型、分布情况)。它要与计算的荷载图式一致或在控制截面上产生的内力与计算的荷载图式等效（见图2-4）；等效荷载（图2-4）•采用等效荷载时：必须全面验算由于荷载图式的改变对结构构件造成的各种影响，即要对某些参数的量测结果进行修正；通常，弯、剪、整体变形和内力不能同时等效；必要时应对结构构件还要做局部加强设计（避免等效过程出现局部破坏导致试验失败）。b、加载装置设计（对加载装置的要求）：符合实际状态的边界条件（受力和变形条件），不分担试件承受的试验荷载，也不阻碍试件变形的自由发展；有足够的强度、刚度和稳定性（支承方式、支撑等条件和受力状态应符合设计计算简图，在整个试验过程中保持不变），能满足试验要求；应满足试件支承就位、荷载设备安装、试验荷载传递正确的要求；加载装置：•作用：承受试件反力•其强度、刚度、稳定等符合试验要求；•满足试件支承就位、荷载