第二章 試驗(yàn)荷載及其設(shè)備,2.1 概述 一、 結(jié)構(gòu)上作用的分類(lèi) 二、 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)儀器設(shè)備的要求,一、結(jié)構(gòu)上作用的分類(lèi),結(jié)構(gòu)上的作用分為直接作用和間接作用。 直接作用：主要是指荷載的作用，包括結(jié)構(gòu)自重和作用在結(jié)構(gòu)上的外力，分為靜荷載作用和動(dòng)荷載作用兩類(lèi)。 間接作用：引起結(jié)構(gòu)附加變形和約束變形的原因。,二、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)儀器設(shè)備的要求,1）選用的試驗(yàn)荷載圖式應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的荷載圖式所產(chǎn)生的內(nèi)力值相一致或極為接近，即使截面或部位產(chǎn)生的內(nèi)力與設(shè)計(jì)計(jì)算等效。 2）荷載傳遞方式和作用點(diǎn)要明確，產(chǎn)生的荷載值要穩(wěn)定，滿足試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，特別是靜力荷載應(yīng)不隨加載時(shí)間、外界環(huán)境和結(jié)構(gòu)的變形而變化。 3）荷載分級(jí)的分度值要滿足試驗(yàn)量測(cè)的精度要求。 4）加載裝置本身要安全可靠，不僅要滿足強(qiáng)度要求，還必須按變形條件來(lái)控制加載裝置的設(shè)計(jì)，即應(yīng)滿足剛度要求有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備，防止對(duì)試件產(chǎn)生卸荷作用而減輕結(jié)構(gòu)實(shí)際承擔(dān)的荷載。 5）加載設(shè)備要操作方便，便于加載和卸載，并能控制加載速度，還能適應(yīng)同步加載或先后加載的不同要求。 6）加載設(shè)備不應(yīng)參與結(jié)構(gòu)工作，導(dǎo)致改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)或使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力。 7）盡量采用先進(jìn)技術(shù)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高試驗(yàn)效率和質(zhì)量。,2-2 重力加載,重物加載是利用物體本身的重量施加在結(jié)構(gòu)上作為荷載。 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可以采用的重物有專(zhuān)門(mén)制作的標(biāo)準(zhǔn)鑄鐵砝碼，混凝土立方試塊、水箱等；在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以就地取材如磚、砂、石、袋裝水泥等建筑材料，或廢構(gòu)件、鋼錠等。重物可以直接加在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上，也可以通過(guò)杠桿系統(tǒng)間接加在試件上。,2-2-1 重力直接加載,1重物加載的形式 重物荷載可直接堆放于結(jié)構(gòu)表面（如板的試驗(yàn)）作為均布荷載（圖2-1）或置于荷載盤(pán)上通過(guò)吊桿掛在結(jié)構(gòu)上形成集中荷載（圖2-2），此時(shí)吊桿與荷載盤(pán)的自重應(yīng)計(jì)入第一級(jí)荷載。,2-2-1 重力直接加載,2加載應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 （1）當(dāng)使用砂石等松散顆粒材料加載時(shí)，如果將材料直接堆放于結(jié)構(gòu)表面，將會(huì)造成荷載材料本身的起拱，而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生卸荷作用，為此最好將顆粒材料置于一定容量的無(wú)底箱框之中，然后疊加于結(jié)構(gòu)之上，在試驗(yàn)構(gòu)件跨度方向施加的箱框數(shù)量不應(yīng)少于兩個(gè)。 （2）當(dāng)采用型體較為規(guī)則的塊狀材料加載，如磚塊、鑄鐵塊、鋼錠等，則要求疊放整齊，每堆重物的寬度L/6（L為試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的跨度），堆與堆之間應(yīng)有一定間隔（約50100mm）。 （3）如果利用鋼錠作用載重，為了加載的方便與安全，要求每塊質(zhì)量不大于20kg。 （4）當(dāng)利用吊桿荷載盤(pán)施加集中荷載時(shí)，每個(gè)荷載盤(pán)應(yīng)分開(kāi)或通過(guò)靜定的分配梁體系作用于試驗(yàn)對(duì)象上，使結(jié)構(gòu)所受的荷載明確。,2-2-1 重力直接加載,3.優(yōu)、缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)用的重物容易取得，不影響結(jié)構(gòu)的自由變形，特別適用于長(zhǎng)期荷載和均布荷載試驗(yàn)。 缺點(diǎn)：加載過(guò)程中需要花費(fèi)較大的勞動(dòng)力，此外，利用砂石、磚塊等材料作為荷載，它們的容重常隨大氣溫度、濕度改變而發(fā)生變化即由于其含水率的變化，以致荷載不易恒定，使荷載值產(chǎn)生誤差。,2-2-1 重力直接加載,利用水作均布荷載試驗(yàn)，如圖2-3所示是一種簡(jiǎn)易方便而且又十分經(jīng)濟(jì)的加載方法。加載時(shí)可以直接用自來(lái)水管放水，水的比重為1，從標(biāo)尺上的水深就可知道荷載值的大小，卸載也方便，可采用虹吸管原理放水卸載，特別適用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和平板結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)。 缺點(diǎn)是全部承截面被水掩蓋，不利于布置儀表和觀測(cè)。當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形時(shí)，要注意水荷載的不均勻所產(chǎn)生的影響。,3,2-2-2 杠桿加載,1加載形式 當(dāng)利用重物作集中荷載時(shí)，經(jīng)常會(huì)受到荷載量的限制，常采用杠桿原理將荷載值放大，將荷重放大作用于結(jié)構(gòu)上。如圖（2-4）,圖2-4 杠桿加載,2-2-2 杠桿加載,2特點(diǎn) 杠桿制作方便，荷載值穩(wěn)定不變，當(dāng)結(jié)構(gòu)有變形時(shí)，荷載可以保持恒定，對(duì)于做持久荷載試驗(yàn)尤為適合。 杠桿加載的關(guān)鍵是要有牢固穩(wěn)妥的支承反力裝置。 3加載應(yīng)注意的問(wèn)題 杠桿比例不宜過(guò)大。支點(diǎn)、力點(diǎn)和加載點(diǎn)位置必須明確，并應(yīng)在同一直線上。 杠桿應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度，防止自身的總體失穩(wěn)。,2-3 液壓加載法,液壓加載是目前最常用的試驗(yàn)加載方法。 優(yōu)點(diǎn)：利用油壓使液壓千斤頂產(chǎn)生較大的荷載，試驗(yàn)操作安全方便。 對(duì)于大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，當(dāng)要求荷載點(diǎn)數(shù)多，采用多點(diǎn)同步加載更為合適。尤其是電液伺服技術(shù)在液壓加載設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用后，為結(jié)構(gòu)模擬地震荷載試驗(yàn)創(chuàng)造了有利條件。,2-3-1 液壓加載器,液壓加載器俗稱(chēng)千斤頂，是液壓加載設(shè)備中的一個(gè)主要部件。其主要工作原理是用高壓油泵將具有一定威力的液壓油壓入液壓加載器的工作油缸，使之推動(dòng)活塞，對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載。,2-3-2 液壓加載系統(tǒng),液壓加載系統(tǒng)的組成 儲(chǔ)油箱、高壓油泵、測(cè)力裝置和各類(lèi)閥門(mén)組成的操縱臺(tái)，通過(guò)高壓油管同時(shí)并聯(lián)連接若干個(gè)液壓加載器組成。 必須配置各種支承系統(tǒng)，來(lái)承受液壓器對(duì)結(jié)構(gòu)加載時(shí)產(chǎn)生的反作用力。,2-3-3 大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī),1結(jié)構(gòu)長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī) 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)如右圖所示，用以進(jìn)行梁、柱、墻板、砌體結(jié)構(gòu)等的受壓和受彎試驗(yàn)。這種設(shè)備的構(gòu)造和加載原理與一般材料試驗(yàn)機(jī)相同。,壓力傳感器,立柱,控制器,下承壓板,上承壓板,2結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)機(jī),結(jié)構(gòu)液壓試驗(yàn)機(jī)主要用于對(duì)各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行單向負(fù)荷的壓力及彎曲疲勞試驗(yàn)。在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生周期性的單向脈動(dòng)荷載，實(shí)現(xiàn)正弦波的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)。 由液壓脈動(dòng)器、控制系統(tǒng)和液壓脈動(dòng)加載器三部分組成。 液壓脈動(dòng)器是疲勞機(jī)的核心部分，其結(jié)構(gòu)原理：當(dāng)脈動(dòng)器中的飛輪帶動(dòng)曲柄連桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，脈動(dòng)器活塞上下移動(dòng)而產(chǎn)生脈油壓，傳至加載器形成正弦波形的脈動(dòng)荷載。調(diào)整脈動(dòng)器中曲柄連桿的固定位置，可改變活塞沖程，從而改變脈動(dòng)量的大小。 頻率可根據(jù)試驗(yàn)的不同要求在100500次/分范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)選用。疲勞次數(shù)可由頻率指示器自動(dòng)記錄，并可按預(yù)選的疲勞次數(shù)自動(dòng)停機(jī)。 疲勞試驗(yàn)機(jī)應(yīng)滿足2級(jí)試驗(yàn)機(jī)的精度要求。測(cè)力不值相對(duì)誤差應(yīng)為2.0%。荷載量程應(yīng)同時(shí)滿足最大荷載和最小荷載的要求。,2-3-4 電液伺服液壓系統(tǒng),電液伺服液壓系統(tǒng)可以較為精確地模擬試件所受的實(shí)際荷載，產(chǎn)生真實(shí)的受力狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，用以模擬地震、海浪等荷載對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用，是比較理想的試驗(yàn)設(shè)備，特別適用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震研究的偽靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)。,3 電液伺服液壓系統(tǒng),（1）組成 由電液伺服加載器或稱(chēng)伺服千斤頂、控制系統(tǒng)和液壓源等三大部分組成。 （2）作用 它可以將荷載、應(yīng)變、位移等不同力學(xué)參量直接作為控制參數(shù)，實(shí)行自動(dòng)控制，并在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行控制參量的轉(zhuǎn)換。,2-3-4 電液伺服液壓系統(tǒng),1.電液伺服系統(tǒng)的工作原理 利用自動(dòng)控制和液壓技術(shù)相結(jié)合的電液伺服閉環(huán)控制試驗(yàn)加載（見(jiàn)下頁(yè)圖）。 由電液伺服加載器或稱(chēng)伺服液壓加載器、控制系統(tǒng)和液壓源等三大部分組成。 加載系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件是電液伺服閥,電液伺服閉環(huán)控制回路,2-3-5 地震模擬振動(dòng)臺(tái),地震模擬振動(dòng)臺(tái)是再現(xiàn)各種地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)的一種先進(jìn)設(shè)備，其特點(diǎn)是具有自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，采用了電子計(jì)算機(jī)和閉環(huán)伺服液壓控制技術(shù)，并配合先進(jìn)的振動(dòng)測(cè)量?jī)x器，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)物的地震模擬試驗(yàn)，以求得地震反應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。,2-3-5 地震模擬振動(dòng)臺(tái),1.振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體結(jié)構(gòu) 2.液壓驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力系統(tǒng) 3.控制系統(tǒng) 4.測(cè)試和分析系統(tǒng),2-4 其他加載方法,2-4-1 慣性力加載 1.沖擊力加載 特點(diǎn)：荷載作用時(shí)間極為短促，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)，適用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)。 （1）初位移加載法（張拉突卸法） 借助外力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的初位移，然后突然卸去荷載，利用結(jié)構(gòu)的彈性使其產(chǎn)生自由振動(dòng)。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)自振時(shí)荷載已不存在于結(jié)構(gòu)，沒(méi)有附加質(zhì)量的影響，但僅適應(yīng)于剛度不大的結(jié)構(gòu)。,2-4-1 慣性力加載,2-4-1 慣性力加載,（2） 初速度加載法（突加荷載法） 利用擺錘或落重的方法使結(jié)構(gòu)在瞬時(shí)內(nèi)受到水平或垂直的沖擊，產(chǎn)生一個(gè)初速度，同時(shí)使結(jié)構(gòu)獲得所需的沖擊荷載。 優(yōu)點(diǎn)：較小的荷載產(chǎn)生較大的振幅。 缺點(diǎn)：荷載將附著于結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)，并且落重的跳動(dòng)又會(huì)影響結(jié)構(gòu)自振阻尼振動(dòng)，同時(shí)有可能使結(jié)構(gòu)受到局部損傷。這時(shí)沖擊力的大小要按結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，不致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)度的應(yīng)力和變形。,2-4-1 慣性力加載,（3）反沖激振器（火箭激振）加載 工作原理：當(dāng)點(diǎn)火裝置內(nèi)的點(diǎn)火藥被點(diǎn)燃后，很快使主裝火藥到達(dá)燃燒溫度，主裝火藥開(kāi)始在燃燒室中進(jìn)行平穩(wěn)的燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體便從噴管口以極高的速度噴出。按動(dòng)量守恒定律得到反沖力，即為作用在被測(cè)結(jié)構(gòu)上的脈沖力。,2.離心力加載,離心力加載的原理 根據(jù)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的離心力對(duì)結(jié)構(gòu)施加簡(jiǎn)諧振動(dòng)荷載。 特點(diǎn) 具有周期性，作用力的大小和頻率按一定規(guī)律變化，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。,3.機(jī)械加載,常用的機(jī)械力加載機(jī)具有吊鏈、卷?yè)P(yáng)機(jī)、絞車(chē)、花籃螺絲、螺旋千斤頂和彈簧等。 吊鏈、卷?yè)P(yáng)機(jī)、絞車(chē)和花籃螺絲等主要配合鋼絲或繩索對(duì)結(jié)構(gòu)施加拉力，還可與滑輪組聯(lián)合使用，改變作用力的方向的拉力大小。連接測(cè)力計(jì)或拉力傳感器可以測(cè)量其加載值 螺旋千斤頂是利用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的原理加力，使用時(shí)需要用力傳感器測(cè)定其加載值，設(shè)備簡(jiǎn)單，使用方便。 彈簧常用于構(gòu)件的持久荷載試驗(yàn)，產(chǎn)生的荷載相對(duì)比較穩(wěn)定。彈簧加載采用千分表量測(cè)彈簧的壓縮長(zhǎng)度的變化量確定彈簧的加載值。彈簧變形與力值的關(guān)系一般通過(guò)壓力試驗(yàn)機(jī)標(biāo)定來(lái)確定。,3.機(jī)械加載,優(yōu)點(diǎn)： 設(shè)備簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，當(dāng)通過(guò)索具加載時(shí)，很容易改變荷載作用的方向，故在建筑物、柔性構(gòu)筑物的實(shí)測(cè)或大尺寸模型試驗(yàn)中，常用此法施加水平集中荷載。 缺點(diǎn) 荷載值不大，當(dāng)結(jié)構(gòu)在荷載作用點(diǎn)產(chǎn)生變形時(shí)，會(huì)引起荷載值的改變。,4.氣壓加載法,氣壓加載法主要利用空氣壓力對(duì)試件施加荷載。它所產(chǎn)生的是垂直于試件或結(jié)構(gòu)模型表面的均布荷載。 氣壓加載分為正壓加載和負(fù)壓加載兩種，正壓加載是利用壓縮空氣的壓力對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載。 負(fù)壓加載是利用真空泵將試驗(yàn)結(jié)構(gòu)物的下面密封室內(nèi)的空氣抽出，使之形成真空，結(jié)構(gòu)的外表面受到的大氣壓，就成為施加在結(jié)構(gòu)上的均布荷載，由真空度可得出加載值。一般很少用。 優(yōu)缺點(diǎn)：氣壓加載、卸載方便，荷載穩(wěn)定，直接通過(guò)壓力表就可反映加載值。 缺點(diǎn)：試件受力面無(wú)法觀測(cè)，利用真空加載時(shí)試件周邊密封要求較高。另外，由于荷載垂直于試件受載面，所以殼體試驗(yàn)時(shí)荷載是均勻分布的壓力而不是重力荷載，當(dāng)殼體曲率較大時(shí)會(huì)有一定誤差，同時(shí)模擬局部荷載作用會(huì)有一定困難。,5.電磁加載法,電磁加載的原理 在磁場(chǎng)中通電的導(dǎo)體將受到與磁場(chǎng)方向相垂直的作用力。 在磁場(chǎng)（永久磁鐵或激磁線圈中）放入動(dòng)圈，通以交變電流，就可使固定于動(dòng)圈上的頂桿等作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)試驗(yàn)對(duì)象施加荷載。若在動(dòng)圈上通以一定方向的直流電，則可產(chǎn)生靜荷載。,5.電磁加載法,一、電磁式激振器 電磁式激振器是由磁系統(tǒng)（包括勵(lì)磁線圈、鐵芯、磁極板）、動(dòng)圈（工作線圈）、彈簧、頂桿等。 當(dāng)激振器工作時(shí)，在勵(lì)磁線圈中通入穩(wěn)定的直流電，使在鐵芯與磁極板的空隙中形成一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)。與此同時(shí)，由低頻信號(hào)發(fā)生器輸出一交變電流，經(jīng)功率放大器放大后輸入工作線圈，這時(shí)工作線圈即按交變電流的諧振規(guī)律在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生一電磁感應(yīng)力，使頂桿推動(dòng)試件產(chǎn)生振動(dòng)。,5.電磁加載法,二、電磁振動(dòng)臺(tái) 電磁振動(dòng)原理基本上與電磁激振器一樣，實(shí)際上是由電磁激振器來(lái)推動(dòng)一個(gè)活動(dòng)的臺(tái)面而構(gòu)成。 電磁振動(dòng)臺(tái)通常由信號(hào)發(fā)生器、振動(dòng)自動(dòng)控制儀、功率放大器、電磁激振器和臺(tái)面組成。 電磁振動(dòng)臺(tái)是按閉環(huán)振動(dòng)試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)的。,6.人激振動(dòng)加載,在結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)的加載方法中，一般都需要比較復(fù)雜的設(shè)備，這些在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)尚可滿足，而在野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，往往受到各方面條件的限制難于實(shí)現(xiàn)。因此人們?cè)O(shè)法尋求更簡(jiǎn)單的試驗(yàn)方法，即可以獲得有關(guān)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的資料和數(shù)據(jù)，而又無(wú)需復(fù)雜的設(shè)備。 人激振動(dòng)的關(guān)鍵在于選擇好最容易激發(fā)振動(dòng)的空間位置。,7.環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)激振法,環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)激振法也稱(chēng)脈動(dòng)法。它不需要任何激振設(shè)備，又不受結(jié)構(gòu)形式和大小的限制。 20世紀(jì)50年代，數(shù)據(jù)分析方法一直采取從結(jié)構(gòu)脈動(dòng)反應(yīng)的時(shí)程曲線記錄圖上按照“拍”的特征直接讀取頻率數(shù)值的主諧量法，一般只能獲得第一振型頻率這個(gè)單一參數(shù)。70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)行，隨著信號(hào)處理機(jī)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析儀的誕生和應(yīng)用，使這一方法得到了迅速發(fā)展。目前已可以從記錄到的結(jié)構(gòu)脈動(dòng)信號(hào)中識(shí)別出全部模態(tài)參數(shù)，這使環(huán)境隨機(jī)激振法有了開(kāi)創(chuàng)性的進(jìn)展。,2-5 荷載支承設(shè)備和試驗(yàn)臺(tái)座,對(duì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載裝置的要求 要滿足