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1、土木工程结构试验与检测 TESTING AND INSPECTION FOR CIVIL ENGINEERING STRUCTURE,刘明 教授,上课了！,第2章 结构试验设计Chapter 2 Structural Test Design,学习本章后，学生重点掌握结构试件的形状、尺寸与数量的基本要求；了解结构模型设计的基本概念和方法，并能进行结构模型的设计；重点掌握结构试验荷载的加载图示和试验荷载的取值；能够正确地确定量测项目，合理地选择量测仪器；并能提出试验的安全措施。,2.1 概述,结构试验全过程包括：试验设计、试验准备、试验实施和试验分析等几部分。结构试验设计定义对结构试验进行全面的设
2、计与规划；设计的计划和试验大纲对试验起着统管全局和具体指导的作用。,结构试验目的,结构试验设计,结构试验准备,结构试验实施,结构试验分析,结论,试件设计试件加载方案设计试验观察、量测方案设计试验误差控制措施试验安全措施,试件制作与安装试验人员组织分工仪器设备的检测与率定材料力学性能的试验与确定,试验加载试验反应观测与数据采集试件变形、裂缝与破坏形态记录,数据处理结构破坏机制分析结构性能与承载能力分析,试件设计试件加载方案设计试验观察、量测方案设计,设计试件的形状和尺寸确定试件的数量设计构造措施,确定试验荷载图式设计试验加载装置选择试验方法和设备设计试验加载制度,确定试验观测项目确定测点部位与数
3、目选择测试仪器设备,2.2 试件设计,试件设计的内容及要求内容：试件形状的选择、试件尺寸与数量的确定、构造措施等；要求：结构与受力的边界条件、试验的破坏特征、试验的加载条件。试件形状基本原则：受力条件和边界条件的模拟。如框架节点的试验方案，板柱结构的受力特征（板带宽度的选取）。,试件尺寸缩尺模型与足尺模型 缩尺模型必须满足严格的相似条件。尺寸效应（构件与结构）；如混凝土抗压强度试验 100100100 0.95 200200200 1.05 150150150 1.0缩尺比例关系：静力试验：构件试验 1/41;整体结构试验：1/101/2 动力试验：1/501/4,试件数量 生产性试验：按试验
4、任务的要求来确定试件数量。科研性试验：(1)单因素根据因素的水平数来确定试件数量；(2)多因素采用正交试验设计法来进行试验设计并对试验结果进行科学分析。多因素试验存在的问题：(1)全面试验的次数（试件数量）与实际可行的试验次数之间的矛盾。n个因素，m个水平，则全面试验次数mn。(2)实际所做的少数试验与全面掌握内在规律的要求之间的矛盾。,正交试验设计：指利用事先制好的正交表来安排多因素试验，并进行试验结果分析的一种试验设计方法。正交表是正交试验设计法中合理安排试验并对试验结果进行统计分析的一种特殊表格。常用正交表有L4(23)、L9(34)、L12(31 24)等。,试验次数,因素的水平数,因
5、素数,试件的构造措施试件支承条件的要求：支承点的水平、局压、支承点的明确（跨度）。试件加载点的要求：分配梁（简支梁型式）、局压。试件破坏型式和破坏机制的要求：如弯与剪的破坏问题、节点与梁柱构件的强度问题、防止粘结滑移的措施。试验测量的要求：预埋件、预留孔道、预贴应变片。辅助试件的要求：试件材料的材性试件、节点或局部结构构件的单体试件。,2.3 结构试验的模型设计,科研性试验中常采用小型试件，即缩尺模型。结构模型设计要求按相似理论进行设计，以保证“试验过程与试验结果相似”几何相似材料相似物理相似荷载相似,相似原理相似原理是研究自然界相似现象的性质和鉴别相似现象的基本原理，由三个相似定理组成：第一
6、相似定理：彼此相似的现象，单值条件相同，其相似准数也相同，由牛顿在1786年首先提出，它确定了相似现象的性质。第二相似定理：某一现象各物理量之间的关系方程式，都可表示为相似准数之间的函数关系。相似准数常用表示。第二相似定理也称定理，为模型设计提供了理论基础。第三相似定理：现象的单值条件相同，并且由单值条件导出的相似准数相等，是现象彼此相似的充要条件。,模型的相似要求和相似常数 相似常数的独立性与相关性几何相似要求模型和真型之间所有对应部分尺寸成比例。Sl（长度）、SA（面积）、Sw（抗弯模量），SI（惯性矩），Sx（位移）、S（应变）,质量相似在动力问题中，要求模型和真型的质量分布相似。Sm（
7、质量）、S（比重）荷载相似要求模型和真型在对应点荷载方向一致，荷载大小成比例。SP（集中力）、Sw（线力）、Sq（面力）、SM（弯矩）,物理相似 要求模型和真型在相应点的应力和应变、刚度和变形间的关系相似。S（应力）、S（剪力）、S（剪切角）、SE（弹性模量）时间相似 St，时间相似不是指时刻相似，而是指时刻的间隔相似。边界条件相似 指模型的支承与约束条件相似。初始条件相似 针对动力问题，包括初始位置、位移、速度、加速度等。,模型设计的相似条件按模型设计的相似理论确定相似条件的方法有：方程式分析法、量纲分析法。方程式分析法：已知各参数与物理量的函数关系，并有显式表达式时。适用于较简单的物理现象
8、。量纲分析法：对较复杂的物理现象，不能用显式表达来描述各参数与物理量之间的函数关系。此时，物理参数的合理选择对模型设计具有决定性的作用。,取决于对该物理现象的正确认识程度,1、静力试验模型的相似条件 可见，相似常数的数目多于相似条件的数目。模型设计时须预先假设几个相似常数，一般假设几何相似常数Sl和材料相似常数SE，再根据相似条件推导其他物理量的相似常数。其他物理量的相似常数均为Sl和SE的函数或者等于1（对于无量纲的物理量而言）。,结构静力试验模型的相似常数和相似关系,2、动力试验模型的相似条件 单自由度体系受迫振动的振动方程,动力模型的相似条件为,此外，自频及周期的相似常数为,关于重力加速
9、度的相似常数Sg,当选用Sg=1，而Sl 一般(1/2，1/6)之间，则 SE/S1/2,1/6 这在模型选用材料时很难实现，通常需对材料试级配。当选用材料相同，SE S1，则Sg 1/Sl，采用附加质量法。,模型材料模型材料的要求相似要求：材料的基本性质相似。测量要求：为便于测量仪表有足够的读数，弹性模量应适当低一些。材料性能稳定，受环境温度、湿度的影响较小。加工制作方便。,模型材料的种类金属（一般钢材和铝合金）：弹性好、变形量大、泊松比与钢筋砼相似。塑料和有机玻璃：强度大、弹性模量低、各向同性、加工方便、但徐变较大、热稳定性较差。石膏：加工容易、成本低、泊松比与砼十分接近、弹性模量可人为调
10、整、但抗拉强度低、较脆。石膏被广泛用于制作弹性模型，也可大致模拟砼的塑性性能。水泥砂浆：相比上述三种材料，最接近混凝土，常用于制作砼薄壁结构，此时采用的钢筋为钢丝或铅丝。细石混凝土：非弹性性能较难模拟，缩尺比例不宜太小。主要缺点是粘结应力模拟不好，不适用于研究Wmax、f等。,2.4 结构试验荷载设计结构试验荷载的分类按作用形式集中荷载、分布荷载。按作用方向垂直荷载、水平荷载、任意方向荷载。单调荷载、重复荷载、反复荷载。动力荷载、静力荷载。,试验加载图式定义：试验荷载在试验结构上的布置形式（包括荷载类型与分布情况）。要求：试验时的荷载应使结构处于某种实际可能的最不利的工作情况。试验加载图式要与
11、结构设计计算时荷载图式一致。也可在不改变结构的工作和试验结果分析的前提下，由试验条件和加载方便，改变加载图式。（如采用等效荷载）,试验加载装置的设计试验加载装置包括竖向加载装置：荷载架水平加载装置：反力架、反力墙（砼制）其他加载装置：荷载传递装置 分配梁、垫块或垫梁、滑动轴承等；荷载支承装置 支座（固定式、滑动式、铰接式、滚动式）、支墩。,试验加载装置的基本要求满足最大试验荷载的要求，并有一定的安全储备，一般为50100；满足自身刚度的要求；符合试验结构的受力条件，能模拟试验结构的边界条件和变形条件；满足试件的支承条件：如支承点的摩擦力影响使实际弯矩减小；构造简单，加工、组装方便。,试验的加载
12、制度定义：结构试验中控制荷载与加载时间的关系。结构试验的加载制度分类：单调静力加载：预加载、预定荷载、破坏荷载抗震静力加载：荷载与位移混合的低周反复加载（见后图）伪动力加载：由计算控制，按地震位移反应时程曲线加载抗震动力加载：按模拟地震时地面运动加速度地震波加载混凝土结构试验方法标准(GB5015292)建筑抗震试验方法规程(JGJ101-96),低周反复加载制度,2.5 结构试验的观测设计观测设计的内容确定测试项目、选择测点位置、选择测试仪器和测试方法。观测项目的确定试件在荷载作用下的观测项目分为以下两类整体变形：能够反映试件的整体工作性能，如P-、P-曲线;局部变形：、max、-s曲线等。
13、观测项目与测点数量与试验性质有关。,测点的选择与布置满足试验要求为目的，宜少不宜多；测点的位置要有一定的代表性；应布置一定量的校核性测点（受力明确的部位）；测点的布置应便于试验时操作和测读。仪器的选择与测读的原则（教材P14）量测仪器应满足满足试验所需的精度和量程；仪表的类型（电测、机械）的选用应根据试验条件确定，应测读方便；量测仪器的型号规格应尽可能一致。,安全措施试验前应对工作人员进行安全交底；试验时应设安全员；试验设备、仪器、试件的拆装应符合相关安全技术规程；试验设备的操纵要符合操作规程；在试验时，试验场地应隔离或有明显标志；观测台架应安全可靠；当荷载达到承载力的85%时，宜拆除可能损坏
14、的仪表。,2.6 结构试验大纲和试验基本文件试验大纲试验的目的要求试件设计与制作要求辅助试验内容试件的安装与就位加载方案试验的观测方案安全措施进度计划附件（设备清单、经费）,试验基本文件试件施工图及制作要求说明书试件制作过程原始数据记录自制设备图纸及设计资料加载装置及仪表布置图观测过程记录试件材料性能的测定试验数据的整理分析与试验结果总结试验工作日志试验报告（试验目的、试验对象的简介、试验方法与依据、试验情况及问题、试验结果处理与分析、结论）,2.7 检验性试验（testing for verification）,试验荷载的取值：（1）结构构件使用状态短期试验荷载值应根据结构构件控制截面上的荷载短期效应组合的设计值和试验加载图式经换算确定。（2）试验结构构件的承载力试验荷载计算值应根据构件达到承载能力极限状态时的内力计算值和试验加载图式经换算确定。,结构构件达到承载能力极限状态时的内力计算值当按设计规范规定进行检验时当设计要求按实配钢筋的构件承载力进行检验时,作 业,思考题18页1题2题3题4、何谓结构试验的加载制度。5、简述模型设计中主要的相似要求。,主要内容,1.回顾上次课的主要内容2.本次课教学重点 位移、裂缝、荷载的量测3.本次作业思考题18页1题 2题 3题,
