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1、1,土木工程试验,TUMU GONGCHENG SHIYAN,王吉民,浙江科技学院建筑工程学院,2013,年,02,月,2,第,6,章,工程结构静载试验,教学目标,熟悉结构静载试验的各项准备工作的内容和要求，掌握结构的试验安装、,加载、荷载计算、挠度、裂缝、应变观测的内容；掌握受弯构件、受压构件、,桁架构件等常见结构的加载方案设计和量测方案设计；掌握静载试验的数据处,理及分析方法。,教学要求,知识要点,能力要求,相关知识,加载与量测方,案的设计,(1),掌握结构静载试验加载方案的设计。,(2),掌握结构静载试验量测方案的确定。,等效荷载,常见结构构件,的静载试验,(1),掌握受弯构件的静载试验
2、的工作内容。,(2),掌握受压构件的静载试验的工作内容。,(3),掌握桁架构件的静载试验的工作内容。,加载方案,量测技术,量测数据的整,理,(1),掌握整体变形量测结果的整理。,(2),掌握应变量测结果的分析方法。,(3),掌握平面应力状态下的主应力计算。,(4),了解试验曲线与图表绘制的整理内容。,应力分析,应变分析,3,6.1,概述,第,6,章,工程结构静载试验,?,单调加载静力荷载试验,?,拟静力试验,?,拟动力试验,?,结构动力特性试验,?,结构动力响应试验,?,结构疲劳试验,?,结构风洞试验,?,模拟地震试验台试验,?,天然地震试验,静载试验,动载试验,?,单调加载静力荷载试验,?,
3、结构动力特性试验,?,结构动力响应试验,?,结构疲劳试验,?,结构风洞试验,?,拟静力试验,?,拟动力试验,?,模拟地震试验台试验,?,天然地震试验,静载试验,动载试验,抗震试验,荷载的分类,4,6.1,概述,?,定义：单调加载静力试验是指在短时期内对试验对,象进行平稳的一次连续施加荷载，荷载从“零”开,始一直加到结构构件破坏，或是在短时期内平稳地,施加若干次预定的重复荷载后，再连续增加荷载直,到结构构件破坏,?,单调加载静力试验是最普遍的试验类型。,?,单调加载静力试验主要用于模拟结构承受静荷载作,用下观测和研究结构构件的强度、刚度、抗裂性等,基本性能和破坏机制。,5,6.2,加载与量测方案
4、的设计,6.2.1,加载方案,单调静力荷载试验是指试验荷载逐渐单调增加到结构破坏或预定的状态目标，研,究结构受力性能的试验。,荷载图式：,荷载在构件上的布置形式（类型和分布方式）,;,设计原则：,与理论计算图示一致或内力等效的荷载图示。,1.,试验荷载图式,6,即试验期间荷载与试件的关系（或称荷载谱），包,含荷载程序与荷载大小。,荷载程序三阶段,图,6-2,静载试验加载程序,?,预加载,?,正式加载,?,卸载,2,试验荷载制度,6.2,加载与量测方案的设计,6.2.1,加载方案,7,1,）,预加载,预加载的目的是：,使试件各部分接触良好，进入正常工作状态，荷载与变形,关系趋于稳定；,检验全部试
5、验装置是否可靠；,检验全部量测仪表工作正常与否；,检查现场组织和人员的情况，使他们熟悉自己的任务和职,责，以保证试验工作顺利进行。,预加载一般分三级；三次；每级取标准荷载的,20,；脆,性材料结构，不宜超过计算开裂荷载的,70,(,含自重,),。,6.2.1,加载方案,2,试验荷载制度,8,?,分级加载,分级加载目的：,加载速度易控制；,变形易观测及分析；,各点加载易协调。,图,6-2,静载试验加载程序,2,）,正式加载,6.2.1,加载方案,2,试验荷载制度,9,2,）,正式加载,分级：,正常使用荷载之前，每级加载值不应大于正常使用荷载,的,20,，一般分,5,级加至正常使用荷载；接近极限或
6、开,裂荷载时减小荷载范围增加次数。,满载时间,：,标准短期荷载作用下的持续时间。混凝土及钢,30min,。,空载时间,：,受载结构卸载后到下一次重新开始受载之间的间歇时间,称空载时间。,混凝土,45,分钟；钢,30,分钟。,6.2.1,加载方案,2,试验荷载制度,10,3,）,卸载,卸载一般可按加载级距进行，也可以放大,1,倍或,分,2,次卸完。,6.2.1,加载方案,2,试验荷载制度,11,6.2,加载与量测方案的设计,6.2.2,量测方案,1.,确定量测项目,静荷载试验的基本量测内容如下：,(1),结构的最大挠度和扭转变位，包括桥梁上、下游两侧的挠度差及水平位移等。,(2),结构控制截面最
7、大应力,(,或应变,),，包括混凝土表面应力和最外缘钢筋应力等。,(3),支点沉降、墩台位移与转角，活动支座的变位等。,(4),桁架结构支点附近杆件及其他细长杆件的稳定性。,(5),裂缝的出现和扩展，包括初始裂缝的出现，裂缝的宽度、长度、间距、位,置、方向和形状，以及卸载后的闭合状况。,(6),温度变化对结构控制截面测点应力和变位的影响。,12,6.2.2,量测方案,1.,确定量测项目,根据桥梁调查和测算的深度，综合考虑结构特点和桥梁技术,现状等，可适当增加以下观测内容：,(1),桥跨结构挠度沿桥长或沿控制截面桥宽的分布。,(2),结构构件控制截面应变分布图，要求沿截面高度分布不少,于,5,个
8、应变测试点，包括最边缘和截面突变处的测点。,(3),控制截面的挠度、应力,(,或应变,),的纵向和横向影响线。,(4),行车道板跨中和支点截面挠度或应变影响面。,(5),组合构件的结合面上、下缘应变。,(6),支点附近结构斜截面的主拉应力。,(7),控制断面的横向应力增大系数。,13,2.,测点的选择和布置,6.2.2,量测方案,静载试验的测点布设应满足分析和推断结构工作状况最低的需要，测点的布,设不宜过多，但要保证观测质量。主要测点的布设应能控制结构最大应力,(,应变,),和最大挠度,(,位移,),。对重要的测点宜采用两种测试方法校对量测值。,1,）挠度测点的布置,一般情况下，对挠度测点的布
9、设要求能够测量结构的竖向挠度、侧向位移和扭,转变形，应能给出受检跨及相邻跨的挠曲线和最大挠度。每跨一般需布设,35,个,测点。挠度测试结果应考虑支点下沉修正，应观测支座下沉量、墩台的沉降、水,平位移与转角、连拱桥多个墩台的水平位移等。对于整体式梁桥，一般对称于桥,轴线布置，截面设单测点时，布置在桥轴线上；对于多梁式桥，可在每梁底布置,一个或两个测点。有时为了验证计算理论，需要实测控制截面挠度的纵向和横向,影响线。对较宽的桥梁或偏载应取上下游平均值或分析扭转效应。,14,2,）结构应变测点的布设,2.,测点的选择和布置,6.2.2,量测方案,应力应变测点的布设应测出内力控制截面沿竖向、横向的应力
10、分布状态。对,组合构件应测出组合构件的结合面上下缘应变。梁的每个截面的竖向测点沿截面,高度应不少于,5,个测点，包括上、下缘和截面突变处，应能说明平截面假定是否,成立。横向截面抗弯应变测点应布设在截面横桥向应力可能分布较大的部位，沿,截面上下缘布设，横桥向布设一般不少于,3,处，以控制最大应力的分布，宽翼缘,构件应能给出剪力滞效应的大小。对于箱形断面，顶板和底板测点应布设“十”,字应变花，而腹板测点应布设,45,应变花，,T,形断面下翼缘可用单向应变片。,15,3,）混凝土结构应变测点的布设,2.,测点的选择和布置,6.2.2,量测方案,对于预应力混凝土结构，应变测点可用长标距,(5,150m
11、m),应变片构成应变花,贴在混凝土表面，而对部分预应力或钢筋混凝土结构，受拉区则应用小标距应变,片测受拉钢筋的拉应变，可凿开混凝土保护层直接在钢筋上设置拉应力测点，但,在试验完后必须修复保护层。,当采用测定混凝土表面应变的方法来确定钢筋混凝土结构中钢筋承受的拉力,时，考虑到混凝土表面已经和可能产生的裂缝对观测的影响，可用测定与钢筋同,高度的混凝土表面上一定间距的两点间的平均应变来确定钢筋的拉应力。选择这,两点的位置时，应使其标距大致等于裂缝的间距或裂缝间距的倍数。,可以根据结构受力后的三种情况进行选择：,（,1,）预计混凝土加载后不会产生裂缝情况时，可以任意选择测点位置及标距，,但标距不应小于
12、,4,倍混凝土最大粒径。,16,3,）混凝土结构应变测点的布设,2.,测点的选择和布置,6.2.2,量测方案,（,2,）加载前未产生裂缝，加载后可能产生裂缝的情况时，如图,6-3,（,a,）所示，,选择相连的,20cm,、,30cm,两个标距。当加载后产生裂缝时可分别选用,20cm,、,30cm,或,20cm+30cm,标距的测点读数来适应裂缝间距。,图,6-3,混凝土结构应变测点布置示意图,1,一梁体；,2,一千分表；,3,一标距；,4,裂缝,（,3,）加载前已经产生裂缝，为避免加载后产生新裂缝的影响，可根据裂缝,间距选择测点位置及间距。图,6-3,（,b,）为用手持式应变仪时的测点布置图。
13、为,提高测试精度，也可增大标距，跨越两条以上的裂缝，但测点在裂缝间的相对,位置仍应不变。,17,2.,测点的选择和布置,6.2.2,量测方案,4,）剪切应变测点的布设,对于剪切应变测点一般采取设置应变花的方法进行观测。为方便起见，对于,梁桥的切应力也可在截面中性轴处主应力方向设置单一应变测点来进行观测。梁,桥的实际最大切应力截面应设置在支座附近而不是支座上。具体位置：从梁底支,座中心起向跨中作与水平线成,45,斜线，此斜线与截面中性轴高度线的交点即为,梁最大切应力位置。可在这一点沿最大压应力或最大拉应力方向设置应变测点，,距支座最近的加载点则应设置在,45,斜线与桥面的交点上。,5,）温度测点
14、的布设,在与大多数测点较接近的部位设置,12,处气温观测点。此外，根据需要可在,结构主要控制截面布置结构温度测点，以观测结构温度变化对测点应力和变位的,影响。布设于结构上的温度测点应能反映结构温度的内外表面差异、向阳与背阴,面差异、迎风面与背风面差异以及上面与下面的差异。,18,2.,测点的选择和布置,6.2.2,量测方案,6,）常用桥梁的主要测点布置,主要测点的布设应能控制结构的最大应力,(,应变,),和最大挠度,(,或位移,),，测点,的布设不宜过多，但要保证观测质量，几种常用桥梁体系的主要测点布设如下：,（,1,）简支梁桥：跨中挠度，支点沉降，跨中截面应变。,（,2,）连续梁桥：跨中挠度
15、，支点沉降，跨中和支点截面应变。,（,3,）悬臂梁桥：悬臂端部挠度，支点沉降，支点截面应变。,（,4,）拱桥：跨中与,L/4,处挠度，拱顶、,L/4,和拱脚截面应变。,挠度观测测点一般布置在桥中轴线位置。截面抗弯应变测点应设置在截面横,桥向应力可能分布较大的部位，沿截面上下缘布设，横桥向测点设置一般不少于,3,处，以控制最大应力的分布。,19,6.2.2,量测方案,3,仪器的选择与测读原则,1,）位移的量测,一般的梁、板、拱、桁架结构的位移测定，主要是指挠度及其变形曲线的测定。,挠度的测试断面，一般在,l/2,跨、,1/4,跨、,l/8,跨、,3/4,跨、,7/8,跨等位置布设,测点，以便能测
16、出挠度变形的特征曲线。对梁或板宽大于或等于,100cm,的构件，,应考虑在横截面两侧都布设测点，测值取两侧仪表读数的平均值。为了求得最大,挠度值以及其变形特征曲线，测试中要设法消除支座沉降的影响。,常用的位移测量的仪器、仪表有各种类型的挠度计、百分表、位移传感器等。,在工程结构设计中的荷载横向分布系数，往往是以测定桥梁横断面各梁,(,或,梁肋,),挠度的方法推算出来的。具体做法是在特征断面,(,跨中或,1/4,跨断面,),，所有,各梁或梁肋布点测挠度，然后经过简单的数据处理，即可得到该断面的荷载横向,分布特征值。,20,6.2.2,量测方案,3,仪器的选择与测读原则,2,）应变的量测,试验结构
17、的断面内力,(,弯矩、轴力、剪力、扭矩,),和断面应力分布，一般都是,通过应变测定来反映的，所以，应变值的正确测定是非常重要的。,应变的测量分为以下两种情况：,（,1,）已知工程结构主应力方向,（,2,）未知工程结构的主应力方向,3,）裂缝的观测,对于钢筋混凝土梁，加载后受拉区及时发现第一条裂缝是十分重要的。测,定裂缝的仪器、仪表有刻度放大镜、塞尺、应变计、电阻应变仪等。,21,6.3.1,受弯构件的试验,6.3,常见结构构件静载试验,1.,试件的安装和加载方法,(1),简支座与固定支座的实现,(2),应尽量保证加载面与支承面平整（砂浆、垫沙层、,橡胶,+,钢板）,?,加载方法：千斤顶,+,分
18、配梁最常见,?,一般采用等效荷载的加载图式（按照所研究的界面,位置）,22,6.3.1,受弯构件的试验,2.,试验项目和测点布置：,1),挠度测量,?,梁的挠度,f,，,P,f,曲线、框架的,P,曲线、节点的,P,曲线,?,梁的真实挠度,f,?,a),剔除支座位移；,?,b),对宽度较大的梁，两边对称贴片，以消除扭转的影响（支座偏心、加载点,偏心）；,?,c),挠度的预计大小（选择仪器的量程）。,23,2),应变测量,?,一般在以下几个截面上：,M,+max,、,M,-max,、,l,、,y,或弯矩突变处；,?,贴片的原则：按应变梯度；受拉区少、压区密（如采用引伸仪则不用）；,一般情况下多采用
19、不均匀布置的方法。,?,a),单向应力测定：单向片,?,b),平面应力测定：多个单向片、应变花,?,c),箍筋和弯筋应力测量：预埋式和表面开槽式,?,d),翼缘与孔边应力测量：连续贴片（力学分析结果）,?,e),校核测点：不受力位置，检验系统误差,6.3.1,受弯构件的试验,24,3,）裂缝测量,?,裂缝包括：弯曲裂缝、剪切裂缝、弯,剪裂缝。,?,基于力学分析，在裂缝位置的垂直方,向布置测点。,?,裂缝永远与,l,垂直（事故处理常用原,则）。,?,裂缝出现的判别方法：目测；,P,曲线；应变值。,?,最大裂缝宽度的测量方法：等弯矩段,选取,3,条，在纵筋水平位置处采用读,数放大镜或裂缝标尺。,?
20、,裂缝的标注方法：试验完毕后绘制裂,缝开展图。,6.3.1,受弯构件的试验,25,偏压短柱试验测点布置,1,试件；,2,铰支座；,3,应变计；,4,应变仪测点；,5,挠度计,6.3.2,受压构件的试验,1.,试件安装和加载法,?,正位试验（试验机上或大型荷载,架上进行）、卧位试验（大型试,件）两端采用可动铰支座（反弯,点截取试件模型），可考虑,P,效应。,?,对受压构件的安装就位，关键在,于对中：首先进行几何对中，再,进行物理对中（通过应变测量，,施加,2040,试验荷载）。,26,6.3.2,受压构件的试验,2.,试验项目和测点布置,?,试验项目：,P,曲线、,s,、,c,、,max,等，注
21、意需要成对测量。,?,为研究混凝土受压区的实际应,力图形，可采用测力板进行测,定（右图所示）,?,(1),将测力板浇筑在棱柱体,试件中进行标定；,?,(2),将测力板浇筑在试件中,进行测量。,1-,测力板,;2-,测力块,;,3-,贴有应变计的铅板,;4-,填充块,;,5-,水泥砂浆,;6-,应变计引出线,图,6-13,量测区压应力图形的测力板,27,1.,安装和加载,6.3.3,屋架试验,屋架试验一般采用,正位试验，即在正常安,装位置情况下支承及加,载。由于屋架平面外刚,度较弱，安装时必须采,取专门措施，设置侧向,支撑，以保证屋架上弦,的侧向稳定；侧向支撑,的位置应根据设计要求,确定，支撑点
22、的间距应,不大于上弦杆平面外的,设计计算长度，同时侧,向支撑应不妨碍屋架在,其平面内的竖向位移。,(a),一般侧向支撑,(b),水平侧向支撑,(C),K,形侧向支撑,1-,试件,;2-,荷载支撑架,;3-,拉杆式支撑架,;4-,水平支撑杆,图,6-14,屋架试验的侧向支撑,28,2.,试验项目和测点布置,6.3.3,屋架试验,屋架杆件应力应变测点布置,屋架试验挠度测点布置,-,测量屋架上、下弦节点挠度及端节点水平位移的百分表或挠度计,-,测量屋架上弦平面外水平位移的百分表或挠度计,-,钢尺或米厘纸尺，当挠度或变位较大以及拆除挠度计后用以量测挠度,图,6-15,屋架试验挠度测点布置,(a),(b
23、),(c),(a),只,有,轴,力,N,作,用,;,(b,),有,轴,力,N,和,弯,矩,M,x,作,用,;,(c),有,轴,力,N,和,弯,矩,M,x,、,M,y,作,用,图,6-16,屋架杆件截面上应变测点布置方式,29,6.3.3,屋架试验,屋架杆件内力测点布置,2.,试验项目和测点布置,图,6-17 9m,柱距、,24m,跨度预应力混凝土屋架试验杆件内力测点布置,(a),屋架,节,点,区,详,图,(b),节,点,区,详,图,(c),(c),端部测点,(b),上,弦,测,点,30,6.4.1,钢筋混凝土平面楼盖试验,楼盖包括板、次梁、主梁三个部分，试验目的是研究,活荷载的作用。,1.,试
24、验荷载布置,对于连续梁，活荷载最不利布置的原则,?,跨中,M,max,：该跨布置，左右隔跨布置,?,支座,M,max,：该支座左、右跨布置，左右隔跨布置,?,支座最大剪力：同支座,M,max,可从弯矩图、挠曲线来理解,试验中为简化，可忽略较远跨的影响或仅在荷载数值,上考虑其影响,6.4,建筑物或其部件的单调加载静力试验,31,6.4,建筑物或其部件的单调加载静力试验,板的试验：,?,确保为单向板,次梁的试验：,?,当主梁支承次梁时，可将次梁视为连续梁,?,当柱支承次梁时，将次梁视为固支梁,?,实际上结构中均为弹性支座，无绝对意义上的铰支、固支,主梁的试验：,?,同次梁的试验,柱的试验：,?,N
25、,max,：柱相邻跨满布,?,M,max,：同梁端,M,max,时布置方案,32,2,.,试验观测,平面楼盖试验一般为非破坏性，这是由于,T,形梁,（强度大），多梁式经常为现场试验,板、梁挠度的观测,?,工程中：精密水准仪、引出法,?,消除支座的影响,混凝土梁、板中混凝土及钢筋的原始应力测定,?,卸载法,荷载的施加一般采用成袋砂、石、水泥,6.4,建筑物或其部件的单调加载静力试验,33,6.4.2,单层工业厂房整体结构空间工作试验,?,单层工业厂房由排架、屋盖系统、山墙等组成，,由于屋盖系统和山墙对各榀平面排架的约束作用，,从而形成空间结构。,?,试验目的：确定厂房整体空间作用性质及具体分,配
26、系数。,6.4,建筑物或其部件的单调加载静力试验,34,6.4.2,单层工业厂房整体结构空间工作试验,1.,试验荷载布置,?,采用机械力加载的方式,?,加载方法,2.,试验观测,6.4,建筑物或其部件的单调加载静力试验,35,6.4.3,足尺房屋结构的整体试验,?,一般花费巨大，试验设备、台座、荷载架,等的要求都很高，但能反映真实结构的实,际工作性能，通常用作模拟试验基础上的,验证性试验,。,?,五层中型砌块建筑足尺结构抗震静力试验,6.4,建筑物或其部件的单调加载静力试验,36,6.5,量测数据整理,6.4.1,整体变形量测结果整理,1.,简支构件的挠度,2.,悬臂构件的挠度,6.4.2,应变量测结果分析,截面弹性内力计算,1.,轴向拉、压构件,2.,单向压弯、拉弯构件,3.,双向弯曲构件,6.4.3,平面应力状态下的主应力计算,6.4.4,试验曲线与图表绘制,1.,表格,2.,图像,(,曲线图、形态图,),?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,1,1,1,2,1,2,1,2,1,2,2,2,2,1,2,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,E,E,E,37,
