试验荷载及设备.ppt

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1、第 2 章 试验荷载及设备,本章主要内容：概述，重力加载，液压加载，其他加载方法，荷载支承设备和试验台座。,本章重点内容：重力加载，液压加载，荷载支承设备和试验台座。,本章难点内容：液压加载。,2.1 概述,2.1.1 荷载试验分类,直接作用与间接作用,作用于建筑结构上的荷载种类繁多。就直接作用来说，有结构的自重；建筑物楼（屋）面的活荷载、雪荷载、灰载、施工荷载；作用于工业厂房上的吊车荷载、机械设备的振动荷载；作用于桥梁上的车辆振动荷载；作用于海洋平台上的海浪冲击荷载等；在特殊情况下，还有地震、爆炸等荷载。,除了直接作用，一般情况下，尚有温度、收缩、支座沉降等间接作用。,2.1 概述,2.1.

2、1 荷载试验分类,直接作用与间接作用,以上荷载按其作用的范围分，有分布荷载、集中荷载；按作用的时间长短分，有短期荷载、长期荷载；按荷载对结构的动力效应分，有静力荷载、动力荷载等；振动荷载尚有简谐振动与随机振动之分。,结构试验除极少数是在实际荷载下实测外，绝大多数是在模拟荷载条件下进行的。,2.1 概述,2.1.1 荷载试验分类,直接作用与间接作用,结构试验的荷载模拟即是通过一定的设备与仪器，以最接近真实的模拟荷载再现各种荷载对结构的作用。荷载模拟技术是结构试验最基本的技术之一。,结构试验中荷载模拟的方法有很多种。就静载试验而言，有重物、液压、气压、机械和电液伺服加载系统以及和它们相配合的各种试

3、验装置。其中同步异荷液压加载及与计算机连接的电液伺加载则代表了加载技术方面的最新发展。在具体结构试验中应根据试件结构特点，试验目的，场地条件以及经费开支等因素综合选择。,2.1 概述,2.1.2 加载要求,正确地选择加载试验所用的荷载设备和加载方法，对顺利地完成试验工作和保证试验的质量，有非常大的影响。所以，在选择试验荷载和加载方法时，应满足下列几点要求：,1、选用试验荷载的图式应与结构设计计算的荷载图式所产生的内力值相一致或基本接近；,2、荷载传力方式和作用点明确，产生的荷载数值要稳定，特别是静力荷载要不随加载时间、外界环境和结构的变形而变化；,2.1 概述,2.1.2 加载要求,3、荷载分

4、级的分度值要满足试验量测的精度要求，加载设备要有足够的强度储备；,4、加载装置本身要安全可靠，不仅要满足强度要求，还必须按变形条件来控制加载装置的设计，即尚必须满足刚度要求。防止对试件产生卸荷作用而减轻了结构实际承担的荷载；,5、加载设备必须操作方便，便于加载和卸载，并能控制加载速度，又能适应同步加载或先后加载的不同要求；,2.1 概述,2.1.2 加载要求,6、加载设备不应参与结构工作，以致改变结构的受力状态或结构产生次应力；,7、结构试验加载方法要力求采用现代化先进技术，减轻体力劳动，提高试验质量。,2.2 重力加载,重力加载：利用物体的重量加于结构上作为荷载。,在建筑结构试验和检验中重物

5、加载是最经常使用的加载方法之一，是使用容重较大的又容易获得的物质对结构或构件施加荷载的方法。,重物加载的优点是：1、适于长时期的建筑结构试验，并能保持荷载值的稳定；2、荷载重物容易获取，加载方法简单方便，经济可靠。,为了施加较大的集中荷载，往往利用荷载放大机构。杠杆是最简单的荷载放大机构，又因其制造简单方便，荷载值恒定不变，适用于长时期的试验加载。,2.2 重力加载,在试验时应根据具体情况选择不同的加载重物，不论采用哪种物质作为重物荷载，必须在试验前对荷载值进行称重，保证重物荷载值的准确性。由于重物荷载的体积庞大，在进行建筑结构破坏性实验过程中应采取尽安全保护等措施，保证试验的安全。,2.2.

6、1 重力直接加载方法,重物荷载可直接堆放于结构表面（如板的试验）形成均布荷载（图1）或置于荷载盘上通过吊杆挂于结构上形成集中荷载。后者多用于现场做屋架试验（图2），此时吊杆与荷载盘的自重应计入第一级荷载。,图1 用重物作均布加载试验,2.2 重力加载,1 加载重物,2 试件,3 支座,2.2.1 重力直接加载方法,图2 用重物作集中加载试验装置,1 试件,2 支座,3 重物,4 加载吊盘,5 分配梁,2.2 重力加载,2.2.1 重力直接加载方法,这类加载装置的优点是试验用的重物容易取得，并可重复使用，但加载过程中需要花费较大的劳动力。对于使用砂石等松散颗粒材料加载时，如果将材料直接堆放于结构

7、表面，将会造成荷载材料本身的起拱，而对结构产生卸荷作用，为此，最好将颗粒状材料置于一定容量的容器之中，然后叠加于结构之上。如果是采用形体较为规则的块状材料加载，如砖石、铸铁块、钢锭等，则要求叠放整齐，每堆重物的宽度6/L（L为试验结构的跨度），堆与堆之间应有一定间隔（约5cm15cm）。如果利用铁块钢锭作为载重时，为了加载的方便与操作安全要求每块重量不大于20kg。,2.2 重力加载,2.2.1 重力直接加载方法,对于利用吊杆荷载盘作为集中荷载时，每个荷载盘必须分开或通过静定的分配梁体系作用于试验的对象上，使结构所受荷载明确。利用砂粒、砖石等材料作为荷载，它们的容重常随大气湿度而发生变化，故荷

8、载值不易恒定，容易使试验的荷载值产生误差。,2.2 重力加载,2.2.1 重力直接加载方法,利用水作为重力加载用的荷载装置，是一个简易方便而且甚为经济的方案。水可以盛在水桶内用吊杆作用于结构上，作为集中荷载。也可以采用特殊的盛水装置作为均布荷载直接加于结构表面（图3）。后者对于大面积的平板试验，例如楼面、平屋面等钢筋混凝土结构是甚为合适的，每施加1000N/m2 的荷载只需要10cm 高的水。在加载时可以利用进水管，卸载时则利用虹吸管原理，这样就可以减少大量运输加载的劳动力。,2.2 重力加载,2.2.1 重力直接加载方法,1 试件；2 侧向支撑；3 防水胶布或塑料布；4 水图3 用水作均布加

9、载的试验装置,在现场试验水塔、水池、油库等特种结构时，水是最为理想的试验荷载，它不仅附合结构物的实际使用条件，而且还能检验结构的抗裂抗渗情况。,2.2 重力加载,2.2.2 重力间接加载设备(杠杆加载方法),利用重物作集中荷载，会受到荷载量的限制，这时可以利用杠杆将荷重放大后作用在结构上，这样做，不仅能扩大重力荷载的使用范围，而且还可减轻加载的劳动强度。图4、图5 所示的就是几种杠杆加载示意图。在使用过程中应注意让杠杆的三个着力点在同一水平线上，所免因结构变形使杠杆倾斜导致改变原有的放大倍率。,2.2 重力加载,图4 杠杆加载示意,1 试件；2 支墩；3 试件铰支座；,4 分配梁铰支座；5 分

10、配梁；6 加载点；,7 杠杆；8 加载重物；9 杠杆拉杆；,10 平衡重；11 钢销(支点),2.2.2 重力间接加载设备(杠杆加载方法),2.2 重力加载,重力加载系统的优点是设备简单，取材方便，荷载恒定，加载形式灵活。采用杠杆间接重力加载，对持久荷载试验及进行刚度与裂缝的研究尤为合适。因为荷载是否恒定，对裂缝的开展与闭合有直接影响。重力加载的缺点是荷载量不能很大，操作笨重而费工。,此外，当采用重力加载方式试验时，一旦结构达到极限承载能力，因荷重不能随结构变形而自动卸载，容易使结构产生过大变形而倒塌。因此，安全保护措施应当足够重视。,2.2.2 重力间接加载设备(杠杆加载方法),2.2 重力

11、加载,图6 几种杠杆加载装置,利用试验台座,利用墙身,利用平衡重,利用桩,2.2.2 重力间接加载设备(杠杆加载方法),2.3 液压加载,2.3.1 液压加载的特点,液压加载器又称千斤顶，是液压加载设备中的一个主要部件。液压加载器主要工作原理是用高压油泵将具有一定压力的液压油压入液压加载器的工作油缸，使之推动活塞，对结构施加荷载。荷载值由油压表示值和加载器活塞受压底面积求得，也可由液压加载器与荷载承力架之间所置的测力计直接测读；或用传感器将信号输给电子秤显示，也可由记录器直接记录。,2.3.2 液压加载,2.3 液压加载,液压加载器的油压表精度不应低于1.5级。当采用荷载传感器测量荷载示值时，

12、传感器精度不应低于c 级，指示仪表的最小分度值不宜大于被测力值总量的1%，示值误差应在1%F.S 之间。,在静力试验中，常用的有普通工业用的手动液压加载器；有专门为结构试验设计的单向作用及双向作用的液压加载器。,液压加载法中利用普通手动液压加载器配合加荷承力架和静力试验台座使用，是最简单的一种加载方法。,2.3.3 液压加载系统,2.3 液压加载,设备简单，作用力大，加载卸载安全可靠，与重力加载法相比，可大大减轻笨重的体力劳动。但是，如要求多点加载时则需要多人同时操纵多台液压加载器，这时难以做到同步加载卸载，尤其当需要恒载时更难以保持稳压状态。所以，比较理想的加载方法是采用能够变荷的同步液压加

13、载设备来进行试验。,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组成的操纵台通过高压油管连接组成。,当使用液压加载系统在试验台座上或现场进行试验时尚必须配置各种支承系统，来承受液压加载器对结构加载时产生的平衡力系如图7。,2.3.3 液压加载系统,2.3 液压加载,图7 液压加载试验系统,1 试件；2 试验承力架；3 液压加载器；4 液压操纵台；5 管路系统；6 试验台座,2.3.3 液压加载系统,2.3 液压加载,利用液压加载试验系统可以作各类建筑结构（屋架、梁、柱、板、墙板等）静荷试验，尤其对大吨位、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

14、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。,2.3.4 大型结构试验机,2.3 液压加载,大型结构试验机是结构试验室内进行大型结构试验的专门设备，比较典型的是结构长柱试验机，用以进行柱、墙板、砌体、节点与梁的受压与受弯试验。试验机由液压操纵台、大吨位的液压加载器和机架三部分组成。由于进行大型构件试验的需要，它的液压加载器的吨位要比一般材料试验机的容量大，至少在2000KN以上，机架高度在3m左右或更大，试验机的精度不应低于2级，图8是结构长柱试验机示意图。,2.3 液压加载,图8 结构长柱试验机,2.3.4 大型结构试验机,2.3.5 电液伺服加载系统,2.3 液压加载,电液伺

15、服加载系统主要包括电液伺服作动器、模拟控制器、液压源、液压管路和测量仪器等。目前许多拟静力加载实验已经开始采用计算机进行实验控制和数据采集。电液伺服作动器是电液伺服实验系统的动作执行者，如图9 所示。,图9 电液伺服作动器,2.3.5 电液伺服加载系统,2.3 液压加载,电液伺服阀接收到一个命令信号后立即将电压信号转换成活塞杆的运动，从而对试件进行推和拉的加载实验。目前国际上有专门的厂家生产高性能的电液伺服作动器，其产品已经形成了系列，实验室可以根据具体情况选择合适的电液伺服作动器及其配套设备和控制软件。模拟控制器主要是对电液伺服作动器提供命令信号，指挥电液伺服作动器完成期望的实验加载过程，这

16、个过程是采用闭环控制来完成的。模拟控制器主要包括信号发生器、信号调节器、PID控制器、输出放大器、位移反馈放大器、力反馈放大器、应变反馈放大器、计数器和过载保护装置等，其原理和各个组成环节如图10所示。,2.3.5 电液伺服加载系统,2.3 液压加载,图10 模拟控制回路和组成,2.3.5 电液伺服加载系统,2.3 液压加载,另外，模拟控制器的闭环控制反馈量可以取自试件而不是取自电液伺服作动器本身的反馈，例如可以直接采用试件的位移而不是采用电液伺服作动器的活塞位移作为反馈量。一般情况下模拟控制器中的信号发生器只能产生几种规则的信号如正弦波、三角波和方波。如果实验需要比较复杂的命令信号，那么要用

17、计算机来生成；目前采用微机作为一个信号发生器几乎可以生成任何复杂形式的信号，然后通过D/A转换器将生成的命令信号转化成电压信号输入模拟控制器中；当测量信号经A/D转换器变成数字量输入计算机时，计算机、D/A转换器、A/D转换器、模拟控制器、加载作动器等,2.3.5 电液伺服加载系统,2.3 液压加载,就组成了一个闭环的计算机控制系统，从而可以实现结构加载实验的自动化。液压源为整个实验系统提供液压动力。对于电液伺服作动器这种高精度加载设备，相应的液压源也有很高的技术要求，例如要保持液压油的压力和流量工作稳定，同时对供电也有一定的要求，还要有安全保护环节及其监测仪表以保证液压源的安全运行。另外，电

18、液伺服实验系统所用液压油的洁净程度比一般液压设备的高许多，在供油管路和回油管路都装有过滤器，这主要是为了保证作动器上的电液伺服阀能够安全可靠地工作。,2.3.5 电液伺服加载系统,2.3 液压加载,液压源在运行过程中需要不断地进行冷却，以保持油温在额定温度范围之内，否则液压油的温升很高，会造成设备的损坏和液压油的失效。尤其是动态加载实验时液压油的温度上升情形更为严重。所以液压源上都配有冷却器，液压油的冷却是通过热交换器来完成的，因此液压源还要配有相应的冷却水供给系统。图11 是一个液压源的组成和工作原理示意图。,2.3.5 电液伺服加载系统,2.3 液压加载,图11 液压源及其组成部分,P高压

19、油路；R回油路；L泄油路；1油泵；1a安全阀；1b压力表；2三向马达；3三向控制开关；4油箱；5高压过滤器；6a安全阀；6b电磁阀；6c先导阀；6d单向阀；7低压过滤器；8冷却器；9冷却水控制阀,2.3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,为了深入研究结构在地震和各种振动作用下的动力性能，特别是在强地震作用下结构进入超弹性阶段的性能，20 世纪70年代以来，国外先后建成了一批大中型的地震模拟振动台，在试验室内进行结构物的地震模拟试验，以求得地震反应对结构的影响。地震模拟振动台是再现各种地震波对结构进行动力试验的一种先进试验设备，其特点是具有自动控制和数据采集及处理系统，采用了电子计算机和闭环

20、伺服液压控制技术，并配以先进的振动测量仪器，使结构动力试验水平提到了一个新的高度。地震模拟振动台的组成和工作原理：,2.3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,1、振动台台体结构,振动台台面是有一定尺寸的平板结构，其尺寸的规模是由结构模型的最大尺寸来决定。台体自重和台身结构是与承载的试件重量及使用频率范围有关。一般振动台都采用钢结构，控制方便、经济而又能满足频率范围要求，模型重量和台身重量之比以不大于2为宜。,振动台必须安装在质量很大的基础上，基础的重量一般为可动部分重量或激振力的1020倍以上，这样可以改善系统的高频特性，并可以减小对周围建筑和其他设备的影响。,2.3.6 地震模拟振动台,

21、2.3 液压加载,2、液压驱动,液压驱动系统是给振动台以巨大的推力。按照振动台是单向（水平或垂直）、双向（水平 水平或水平 垂直）或三向（二向水平 垂直）运动，并在满足产生运动各项参数的要求下，各向加载器的推力取决于可动质量的大小和最大加速度的要求。目前世界上已经建成的大中型的地震模拟振动台，基本是采用电液伺服系统来驱动。它在低频时能产生大推力，故被广泛应用。,液压加载器上的电液伺服阀根据输入信号（周期波或地震波）控制进入加载器液压油的流量大小和方向，从而由加,2.3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,2、液压驱动,载器推动台面能在垂直轴或水平轴方向上产生相位受控的正弦运动或随机运动。,3

22、、动力系统,液压动力部分是一个巨大的液压功率源，能供给所需要的高压油流量，以满足巨大推力和台身运动速度的要求。现代建成的振动台中都配有大型蓄能器组，根据蓄能器容量的大小使瞬时流量可为平均流量的18倍，它能产生具有极大能量的短暂的突发力，以便模拟地震产生的抗力。,2.3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,4、控制系统,在目前运行的地震模拟振动台中有两种控制方法：一种是纯属于模拟控制；另一种是用数字计算机控制。,模拟控制方法有位移反馈控制和加速度信号输入控制两种。在单纯的位移反馈控制中，由于系统的阻尼小，很容易产生不稳定现象，为此在系统中加入加速度反馈。增大系统阻尼从而保证系统稳定。在此同时，

23、还可以加入速度反馈，以提高系统的反应性能，由此可以减小加速度波形的畸变。,2.3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,4、控制系统,为了能使直接得到的强地震加速度记录推动振动台，在输入端可以通过二次积分，同时输入位移、速度和加速度三种信号进行控制，图12为地震模拟振动台加速度控制系统图。,2.3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,4、控制系统,图12 地震模拟振动台加速度控制系统图,a、b、c分别为加速度、速度、位移信号输入；(a)，(b)，(c)分别为加速度、速度、位移信号反馈；,1 加速度、位移输入；2 积分器；3 伺服放大器；4 伺服阀；5 油源；,6 加载器；7 振动台；8 试件

24、；9 加速度传感器；10 位移传感器,2.3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,4、控制系统,为了提高振动台控制精度，采用计算机进行数字迭代的补偿技术，实现台面地震波的再现。试验时，振动台台面输出的波形是期望再现的某个地震记录或是模拟设计的人工地震波。由于包括台面、试件在内的系统的非线性影响，在计算机给台面的输入信号激励下所得到的反应与输出的期望之间必然存在误差。这时，可由计算机将台面输出信号与系统本身的传递函数（频率响应）求得下一次驱动台面所需的补偿量和修正后的输入信号。经过多次迭代，直至台面输出反应信号与原始输入信号之间的误差小于预先给定的量值，完成迭代补偿并得到满意的期望地震波形。,

25、2.3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,5、测试系统,测试系统除了对台身运动进行控制而测量位移、加速度等外，对被试模型进行多点测量，这是根据需要了解整个模型的反应而定，一般是测量位移、加速度和应变等，总通道数可达百余点。位移测量多数采用差动变压器式和电位计式的位移计，可测量模型相对于台面的位移或相对于基础的位移；加速度测量采用应变式加速度计、压电式加速度计，近年来也有采用差容式或伺服式加速度计。,2.3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,6、分析系统,对模型的破坏过程可采用摄相机进行记录，便于在电视屏幕上进行破坏过程的分析。数据的采集可以在直视式示波器或磁带记录器上将反应的时间历程记

26、录下来，或经过模数转换送到数字计算机储存，并进行分析处理。图13 是一个水平和垂直双向振动地震模拟振动台的布置示意图。振动台台面运动参数最基本的是位移、速度和加速度以及使用频率。一般是按模型比例及试验要求来确定台身满负荷时最大加速度，速度和位移等数值。最大加速度和速度均需按照模型相似原理来选取。,2.3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,6、分析系统,图13 水平垂直双向地震模 拟振动台布置示意图,1 振动台,2 试件,3 水平加载器,4 垂直加载器,5 液压动力源,6 液压管道,7 振动台基础,8 反力墙,9 控制室,10 测试系统,11 数字控制与数据处理系统,12 电子控制系统,2.

27、3.6 地震模拟振动台,2.3 液压加载,6、分析系统,使用频率范围由所作试验模型的第一频率而定，一般各类结构的第一频率在10Hz范围内，故整个系统的频率范围应该大于10Hz。为考虑到高阶振型，频率上限当然越大越好，但这又受到驱动系统的限制，即当要求位移振幅大了，加载器的油柱共振频率下降，缩小了使用频率范围，为此这些因素都必须权衡后确定。,2.4 机械力与气压加载设备,2.4.1 机械力加载设备,吊链、卷扬机、绞车、花篮螺丝、螺旋千斤顶及弹簧等是机械力加载常用机具。,吊链、卷扬机、绞车、花篮螺丝等主要是配合钢丝或绳索对结构施加拉力，还可与滑轮组联合使用，以改变作用力的方向和拉力大小。拉力的大小

28、通常用拉力测力计测定。,螺旋千斤顶是利用齿轮及螺杆式蜗轮蜗杆机构传动的原理，当摇动手柄时，就带动螺旋杆顶升，对结构施加顶推压力，用测力计测定加载值。,2.4 机械力与气压加载设备,2.4.1 机械力加载设备,弹簧加载法常用于构件的持久荷载试验。图14 所示为利用弹簧施加荷载进行梁的持久试验的装置。,图14 用弹簧施加荷载的持久试验装置,1 试件,2 荷载承力架,3 分配梁,5 仪表架,4 加载弹簧,6 挠度计,当荷载值较小时，可直接籍助拧紧螺帽以压缩弹簧；加载值很大时，需用千斤顶压缩弹簧后再拧紧螺帽。,2.4 机械力与气压加载设备,2.4.2 气压加载设备,利用气体压力对结构加载有两种方式：一

29、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为均布荷载，所以，对于平板或壳体试验尤为适合。,图15 是用压缩空气试验钢筋混凝土板的装置。台座由基础（或柱墩式的支座）、纵梁和横梁、承压粱和板以及用橡胶制成的不透气的气囊组成。气囊外面有帆布外罩。由空气压缩机将空气通过蓄气室打入气囊，通过气囊对结构施加垂直于被试结构的均布压力。蓄气室的作用是储气和调节气囊的空气压力，由气压表测定空气压力。由气压值及气囊与结构接触面积求得总加载值。,2.4 机械力与气压加载设备,2.4.2 气压加载设备,图15 气压加载装置图,1 试件；2 拼合木板；3 承压梁；4 气囊；

30、5 进气支管；6 横梁；7 纵梁；8 空气压缩机；9 蓄气室；10 气压计,2.4 机械力与气压加载设备,2.4.2 气压加载设备,压缩空气加载法的优点是加载卸载方便，压力稳定，缺点是结构受载面无法观测。对于某些封闭结构，可以利用真空泵抽真空的方法，造成内外压力差，即利用负压作用使结构受力。这种方法在模型试验中用得较多。,2.4 机械力与气压加载设备,2.4.3 惯性力加载设备,在结构动力试验中，利用物体质量在运动时产生的惯性力对结构施加动力荷载。也可以利用弹药筒或小火箭在炸药爆炸时产生的反冲力，对结构进行加载。,1、初位移加载法,也称为张拉突卸法。如图16（a）所示在结构上拉一钢丝缆绳，使结

31、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。在加载过程中当拉力达到足够大时，事先连接在钢丝绳上的钢拉杆被拉断而形成突然卸载，通过调整拉杆的截面即可由不同的拉力而获得不同的初位移。,2.4 机械力与气压加载设备,2.4.3 惯性力加载设备,图16 用张拉突卸法对结构施加冲击力荷载,1 结构物；2 钢丝绳；3 铰车；4 钢拉杆；5 保护索；6 模型；7 钢丝；8 滑轮；9 支架；10 重物；11 减振垫层,1、初位移加载法,2.4 机械力与气压加载设备,2.4.3 惯性力加载设备,1、初位移加载法,对于小模型则可采用图16（b）的方法，使悬挂的重物通过钢丝

32、对模型施加水平拉力，剪断钢丝造成突然卸荷。这种方法的优点是结构自振时荷载已不存在于结构，没有附加质量的影响。但仅适用于刚度不大的结构，才能以较小的荷载产生初始变位。为防止结构产生过大的变形，所以加荷的数量必须正确控制，经常是按所需的最大振幅计算求得。这种试验的一个值得注意的问题是使用怎样的牵拉和释放方法才能使结构仅在一个平面内产生振动，防止由于加载作用点的偏差而使结构在另一平面内同时振动产生干扰。,2.4 机械力与气压加载设备,2.4.3 惯性力加载设备,2、初速度加载法,也称突加荷载法。如图17（a）（b）利用摆锤或落重的方法使结构在瞬时内受到水平或垂直的冲击，产生一个初速度，同时使结构获得

33、所需的冲击荷载。这时作用力的总持续时间应该比结构的有效振型的自振周期尽可能短些，这样引起的振动是整个初速度的函数，而不是力大小的函数。,2.4 机械力与气压加载设备,2.4.3 惯性力加载设备,2、初速度加载法,图17 用摆锤或落重法施加冲击力荷载,1 摆锤,2 结构,3 落重,4 砂垫层,5 试件,2.5 荷载试验支承设备与台座,试验荷载支承装置是满足试验荷载设计、实现荷载图式、结构受力和边界条件要求以及保证试验加载正常进行的关键之一。,2.5.1 支座,结构试验中的支座是支承结构、正确传递作用力和模拟实际荷载图式的设备，通常由支座和支墩组成。,支座按作用方式不同有滚动铰支座、固定铰支座、球

34、铰支座和刀口支座（固定铰支座的一种特定形式）几种。一般都用钢制，常用的构造形式有图18所示几种。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,活动铰支座,固定铰支座,球铰支座,图18 常见铰支座的形式,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,1、简支构件和连续梁支座,这类构件一般一端为固定铰支座，其他为滚动支座。安装时各支座轴线应彼此平行并垂直于试验构件的纵轴线，各支座间的距离取为构件的计算跨度。为了减少滚动摩擦力，钢滚轴的直径宜按荷载大小根据表3 选用。但在任何情况下滚轴直径不应小于50mm。,表3 滚轴直径选用表,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,1、简支构

35、件和连续梁支座,钢滚轮的上、下应设置垫板，这样不仅能防止试件和支域的局部受压破坏，并能减小滚动摩擦力。垫板的宽度一般不小于试件立承处的宽度，垫板的长度按构件挤压强度计算且不小于构件实际支承长度。垫板的厚度h可按受三角形分布荷载作用的悬壁梁计算且不小于6mm，即：,式中：fcu 混凝土立方体抗压强度设计值，N/mm2 l滚轴轴线至垫板边缘的距离，mm fy 垫板材料的计算强度设计值，N/mm2,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,1、简支构件和连续梁支座,当需要模拟梁的嵌固端支座时，在试验室内，可利用试验台座用拉杆锚固，如图19所示。只要保证支座与拉杆间的嵌固长度，即可满足试验要求

36、。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,图19 嵌固端支座构造,1 试件,上支座刀口 2,3 下支座刀口,4 支墩,拉杆 5,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,2、四角支承板和四边支承板的支座,在配置四角支承板支座时应安放一个固定滚珠，对四边支承板，滚珠间距不宜过大，宜取板在支承处厚度的35倍。此外，对于四边简支板的支座应注意四个角部的处理，当四边支承板无边梁时，加载后四角会翘起，因此，角部应安置能受拉的支座。板、壳支座的布置方式如图20所示。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,2、四角支承板和四边支承板的支座,图20 板壳结构的支座布置方式,1

37、滚轴；2 钢球；3 试件；4 固定球铰,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,3、受扭构件两端的支座,对于梁式受扭构件试验，为保证试件在受扭平面内自由转动，支座形式可如图21所示，试件两端架设在两个能自由转动的支座上，支座转动中心应与试件转动中心重合，两支座的转动平面应相互平衡，并应与试件的扭轴相垂直。,图21 受扭试验转动支座构造,1 受扭试验构件；2 垫板；3 转动支座盖板；4 滚轴；5 转动空座,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,4、受压构件两端的支座,进行柱与压杆试验时，构件两端应分别设置球型支座或双层正交刀口支座（图22）。球铰中心应与加载点重合，双层刀口

38、的交点应落在加载点上。目前试验柱的对中方法有两种：几何对中法和物理对中法。从理论上讲物理对中法比较好，但实际上不可能做到整个试验过程中永远处于物理对中状态。因此，较实用的办法是，以柱控制截面处（一般等截面往为柱高度的中点）的形心线作为对中线，或计算出试验时的偏心距，按偏心线对中。进行柱或压杆偏心受压试验时，对于刀口支座，可以通过调节螺丝来调整刀口与试件几何中线的距离，以满足不同偏心矩的要求。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,4、受压构件两端的支座,图22 柱和压杆试验的铰支座,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.1 支座,4、受压构件两端的支座,刀口支座,在试验机中做短柱

39、抗压承载力试验时，由于短柱破坏时不发生纵向挠曲，短拉两端面不发生相对转动；因此，当试验机上下压板之一已有球铰时，短往两端可不另加设刀口。这样处理是合理的，且能和混凝土棱柱强度试验方法一致。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.2 支墩,支域常用钢或钢筋混凝土制作，现场试验多临时用砖砌成，高度应一致，并应方便观测和安装量测仪表。支墩上部应有足够大的平整的支承面，在制作时最好辅以钢板。,1、为了使用灵敏度高的位移量测仪表量测试验结构的挠度，提高试验精度，要求支墩和地基有足够的刚度与强度，在试验荷载下的总压缩变形不宜超过试验构件挠度的1/10。,当试验需要使用两个以上的支墩，如对连续梁、四角支承

40、板和四边支承板等，为了防止支墩不均匀沉降及避免试验结构产生附加应力而破坏，要求各支墩应具有相同的刚度。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.2 支墩,2、单向简支试验构件的两个铰支座的高差应符合结构构件的设计要求，其偏差不宜大于试验构件跨度的1/50。因为过大的高差会在结构中产生附加应力，改变结构的工作机制。双向板支墩在两个跨度方向的高差和偏差也应满足上述要求。,连续梁各中间支墩应采用可调式支墩，必要时还应安装测力计，按支座反力的大小调节支墩高度，因为支墩的高度对连续梁的内力有很大影响。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.3 反力加载装置,电液伺服作动器一方面与试件连接，另一方面与反

41、力装置连接，以便固定和施加对试件的作用。同时试件也需要固定和模拟实际边界条件，所以反力装置和传力装置都是拟静力加载实验中所必须的。目前常用的反力装置主要有反大墙、反力台座、门式刚架、反力架和相应的各种组合类型，图23 为建筑抗震试验方法规程中建议的几种实验加载装置。另外，加载反力装置本身应当具有足够的刚度、承载力和整体稳定性，应当能够满足试件的受力状态和睦拟试件的实际边界条件。加载反力装置应当尽可能地作到结构简单、安装方便，以便缩短整个实验过程的周期。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.3 反力加载装置,图23 几种典型的实验加载装置,墙,梁,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.3

42、反力加载装置,目前的加载反力装置也向着大型化和多功能化发展，国内外许多结构工程实验室都建有大型的、多维的反力墙和台座，最大的反力台座的长度达几十米、反力墙高度达二十多米，可以进行高达七层原型房屋结构的抗震实验研究。,节点,P-,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.4 荷载试验台座,1、抗弯大梁式台座和空间桁架式台座,在预制品构件厂和小型的结构试验室中，由于缺少大型的试验台座，可以采用抗弯大梁式或空间桁架式台座来满足中小型构件试验或混凝土制品检验的要求。,抗弯大梁台座本身是一刚度极大的钢梁或钢筋混凝土大梁，其构造见图24，当用液压加载器加载时，所产生的反作用力通过TT型加荷架传至大梁，试验结

43、构的支座反力也由台座大梁承受，使之保持平衡。台座的荷载支承及传力机构可用上述型钢或圆钢制成的加荷架。抗弯大梁台座由于受大梁本身抗弯强度与刚度的限制，一般只能试验跨度在7m以下，宽度在1.2以下的板和梁。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.4 荷载试验台座,1、抗弯大梁式台座和空间桁架式台座,图24 抗弯大梁台座的荷载试验装置,1 试件,2 抗弯大梁,3 支座,4 分配梁,5 液压加载器,6 荷载加荷架,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.4 荷载试验台座,1、抗弯大梁式台座和空间桁架式台座,空间桁架台座一般用以试验中等跨度的桁架及屋面大梁。通过液压加载器及分配梁和对试件进行为数不多的

44、集中荷载加荷使用，液压加载器的反作用力由空间桁架自身进行平衡。图25。,1 试件（屋面大梁）,2 空间桁架式台座,3 液压加载器,图25 空间桁架式台座,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.4 荷载试验台座,2、固定式试验台座,固定式试验台座是一巨型整体钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土的厚板或箱型结构，它直接浇捣固定于试验室的地坪上，有的本身就是试验室结构的一个部分，作为试验室的基础和地下室（图26）。台座尺寸和承载能力按试验室的规模和功能要求而定。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.4 荷载试验台座,2、固定式试验台座,图26 箱式结构试验台座,1 箱形台座,2 顶板上的孔洞,3 试件

45、,4 加荷架,5 液压加载器,6 液压操纵台,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.4 荷载试验台座,2、固定式试验台座,台座刚度极大，使其受力后变形极小，台面上可同时进行几项试验而互不影响。试验台座除固定荷载支承装置外，同时可用以固定横向支架，以保证试件的侧向稳定。当与固定的水平反力架或反力墙连接时，即可对试件施加水平荷载。台座按结构形式可分为板式试验台座和箱式试验台座。其中，在板式台座中以槽式台座最为普遍，预埋螺栓式台座可采用预应力混凝土结构，可用于结构疲劳试验；箱式台座（亦称孔式台座，图26）用于大型结构试验室。试验台座与反力墙连接建成的抗侧力台座广泛应用于结构抗震试验。,2.5 荷载

46、试验支承设备与台座,2.5.5 现场试验的荷载装置,由于受到施工运输条件的限制，对于一些跨度较大的屋架，吨位较重的吊车梁等构件，经常要求在施工现场解决试验问题，为此试验工作人员就必须要考虑适于现场试验的加载装置。从实践证明，现场试验装置的主要矛盾是液压加载器加载所产生的反力如何平衡的问题，也就是要设计一个能够代替静力试验台座的荷载平衡装置。在工地现场广泛采用的是平衡重式的加载装置，其工作原理与前述固定试验设备中利用抗弯大梁或试验台座一样，即利用平衡重来承受与平衡由液压加载器加载所产生的反力（图27）。,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.5 现场试验的荷载装置,图27 现场试验用平衡重加载

47、装置,1 试件；2 分配梁；3 液压加载器；4 荷载架；5 支座；6 铺板；7 纵梁；8 平衡重,2.5 荷载试验支承设备与台座,2.5.5 现场试验的荷载装置,此时在加载架安装时必须要求有预设的地脚螺丝与之连接，为此在试验现场必须开挖地槽，在预制的地脚螺丝下埋设横梁和板，也可采用钢轨或型钢，然后在上面堆放块石、钢锭或铸铁，其重量必须经过计算。地脚螺丝露出地面以便于与加载架连接，连接方式可用螺丝帽或正反扣的花篮螺丝，甚至用简单的直接焊接。,小结,液压加载,液压加载在建筑结构试验中是理想的加载方法之一，它不但可以对建筑结构物施加静荷载，也可施加动荷载。液压加载的原理清晰，加载设备操作简单方便、安

48、全可靠，能产生较大的荷载，而且荷载容易控制准确稳定，并能实现多点同步加载，是目前建筑结构试验应用最广技术先进的加载方法之一。,1、液压加载的分类,液压加载器根据结构和不同的功能分为：液压千斤顶、单向作用液压加载器、双向作用液压加载器和电液伺服作动器。,1、液压加载的分类,液压千斤顶是一种简单的起重工具，可用于施加集中荷载。单向作用液压加载器不能单独使用进行加荷，需要配备液压系统，形成液压加荷系统。其结构简单，加荷工作行程大，可在使用中倒置安装，易实现多点同步加载。双向作用液压加载器的特点是：活塞两侧液压油的作用面积基本相当，因此，双作用液压加载器可施加往复拉压加载，为抗震结构试验中的低周往复加

49、载试验提供了加载器具。电液伺服加载器是在双作用液压加载器的基础上配置电液伺服阀、拉压力传感器和位移传感器组成的可控加载装置。,液压加载,小结,2、液压系统,液压加载系统包括液压系统和荷载支承系统，液压系统由液压控制系统和液压加载器组成。液压控制系统由油箱、高压油泵、测力装置及各种阀门组成。一个液压系统可以控制多个液压加载器。,配置不同的荷载支承系统，利用液压加载系统可做各种建筑结构（屋架、梁、柱、板及墙板等）静载试验。,液压加载,小结,2、液压系统,电液伺服作动器的电液控制系统，包括液压系统及微机控制系统。液压系统由油泵站及电液伺服作动器组成。微机控制系统包括：装有模数（A/D）及数模（D/A

50、）转换卡的微机、应变仪及信号放大器组成。由电阻应变片、位移传感器和拉压力传感器与数据采集系统组成闭环控制。,电液伺服加载系统具有频响快，灵敏度高，控制精度好，适应性强等优点，在建筑结构试验中应用范围较广，电液伺服作动器和控制系统可以完成结构静荷试验、结构动荷试验、结构低周疲劳和模拟地震试验等等。,液压加载,小结,3、液压加载器荷载的标定,液压加载器必须经过国家质量技术监督局认证的具有检测资质的试验室或检测站的标定,标定液压加载器时应采用实际使用方式进行标定，建立荷载压力表示值的关系曲线，才能保证试验荷载值的准确性。,标定液压加载器时，由于压力表示值的低端和高端属于压力表低灵敏度的区域，因此，在