1、成 員 王寧、梅瑀石、黨楠 學 號 院 系 土木工程與建筑學院 專 業(yè) 土木工程 年 級 2013級 指導教師 申道明 建筑結構試驗【摘要】：建筑結構試驗是在結構工程學科的發(fā)展基礎，主要應用在生產和科研當中。工程結構試驗就是以試驗方式測定結構在各種作用下的相關數(shù)據(jù)，由此反映結構或構件的工作性能、承載能力和相應的安全度，為結構的安全使用和涉及理論的建立提供重要的依據(jù)。本文將重點介紹結構的靜力加載試驗【關鍵詞】：結構試驗 動載試驗 靜力加載試驗 一、工程結構試驗的分類 1. 1 科學研究性試驗 研究性試驗是以研究和探索為目的, 其任務是通過試驗驗證結構設計計算的各種假定, 提出新的結構理論, 尋求

2、新的更合理的計算方法, 或為開發(fā)一種新結構、新材料、新工藝而進行的系統(tǒng)性試驗研究。試驗時要采用專門的或特殊設計的試驗裝置和先進的量測儀表, 對試驗對象在承受各種荷載后的性能進行詳細觀測, 取得可靠的數(shù)據(jù), 找出規(guī)律, 為設計和施工提供必要的參數(shù)。研究性試驗的試驗對象稱為試件或試驗構件。 2. 2 生產鑒定性試驗 生產鑒定性試驗以直接服務于生產為目的, 以真實結構為對象, 通過試驗檢測是否符合規(guī)范或設計要求, 并作出正確的技術結論。二、結構試驗解決的問題通過結構試驗，驗證結構計算理論或通過試驗創(chuàng)立新的理論。比如不符合規(guī)范規(guī)定的型結構體系、新的設計方法的可行性試驗研究等。通過結構試驗，制定工程技術

3、標準。由于工程結構關系到國家的公共安全和經濟發(fā)展，所以，建筑結構設計、施工和維護都必須有嚴格的控制標準，在制定各種結構的規(guī)范和標準時，除了總結已有的工程經驗和結構理論外，我們還需要做大量的構件或結構試驗。系統(tǒng)化的結構試驗和結構研究也為結構的安全性、使用性、耐久性提供了可靠的保證。通過結構試驗檢驗結構、構件的質量。通過結構試驗確定已建的結構的承載能力，特別是在結構在單憑結構計算不足以完全確定結構的承載能力的時候，就必須要通過結構試驗來確定結構的承載能力。通過解雇試驗驗證結構設計的安全度。這種結構試驗的對象多為縮小的建筑結構模型，比如大跨度結構的屋蓋或高層結構的抗震試驗等。三、工程結構試驗設計原理

4、和方法3.1設計原理結構試驗可以分為試驗規(guī)劃與設計、試驗技術準備、試驗實施過程、試驗數(shù)據(jù)分析與總結四個階段。規(guī)劃與設計階段。結構試驗室一項細致而復雜的工作，試驗前應該認真做好試驗的規(guī)劃，要明確試驗的目的、試驗的研究方法、試驗裝置的設置，要做好試驗過程中的加載過程設計、觀測方案的設計，并充分考慮試驗中的中止條件和安全措施。試驗技術準備階段。在試驗之前要做好試驗技術裝備，這個階段要做好試件制備、預埋傳感件，安裝試驗裝置及試件、安裝試驗原件、調試標定儀器設備以及相關的材料性能測試等。此外，在試驗技術準備階段還需確定試驗的加載和觀測方案。試驗實施階段。在試驗的實施過程中，主要是試驗儀器的操作和試驗試件

5、的觀測。這一個階段的工作內容主要包括：記錄試件的初始數(shù)據(jù)，采集并記錄試驗過程中的試驗數(shù)據(jù)，觀測試驗構件的反應特征，如裂縫、變形、破壞形態(tài)等。試驗數(shù)據(jù)的分析階段。在試驗結束后，要及時整理試驗數(shù)據(jù)，撰寫試驗報告。這一階段的工作主要包括：整理試驗結果、判斷異常數(shù)據(jù)、繪制試驗曲線圖表、分析試驗誤差，分析并總結試驗現(xiàn)象。3.2試驗方法 靜力加載試驗靜力加載試驗使用的儀器、儀表和設備可以分為加載設備、測量原件和儀表、放大儀和記錄儀等儀器設備。在靜力加載試驗中觀測的物理量為力、位移、應變、裂縫寬度與分布、破壞形態(tài)或失穩(wěn)狀態(tài)等。以下將重點分析靜力加載的加載設備、支座和試件的設計以及應變片的工作原理。加載設備。

6、試驗的加載方法可以分為重力加載、液壓加載機械加載和氣壓加載。重力加載的加載設備較為簡單，重力加載主要用于長期試驗和現(xiàn)場試驗，一般來說，加載的勞動量大，安全性較差，對于破壞型試驗一般不采用。液壓加載設備是在結構試驗中用的比較多的一種加載設備，液壓加載設備一般有液壓泵源、液壓管路、控制裝置和加載油缸組成。加載時用的最多的實際上是液壓千斤頂，它是一種小型的集成化液壓加載系統(tǒng)。液壓千斤頂主要用于反力梁的靜力加載試驗中，而且在試驗中主要用的是手動的液壓千斤頂，這種手動的液壓千斤頂無需電源，使用時比較方便，因此，比較適合用在結構試驗中。 支座設計。根據(jù)試驗的目的的不同，有兩種不同的思路來設計試驗裝置的支座

7、或支墩。一種思路是被試驗結構或構件的邊界條件與實際結構一致，此為模擬實驗。另一種思路是被試驗結構或構件的邊界條件盡可能理想化，受力條件明確并與結構設計所采用的計算簡圖一致，這種設置方法可以使結構的受力性能得到正確的分析。在結構試驗中，所才用的支座設計思路一般屬于第二種設計思路。試驗臺和反力架 。在靜力加載試驗中，試驗臺的支座下部的鋼梁與加載架上的橫梁形成平衡體系，加載千斤頂?shù)姆戳νㄟ^加載鋼架的拉桿傳至下部鋼梁上，使鋼梁的支座對鋼梁施加向下的力，形成力平衡體系。這種加載的試驗支座主要用在小型的機構試驗當中。與反力架一起工作的還有試驗臺，試驗臺一般由封閉的鋼架組成。結構試驗當中一般采用地槽式反力臺

8、座和螺旋式反力臺座。地槽式反力臺座是將結構試驗的場地設計成一塊整體現(xiàn)澆的鋼筋混凝土厚板，在厚板上留設有縱向的槽道，稱為地槽。在槽道內部設置有地腳螺栓，用來固定加載的反力鋼架，在工作時，地腳螺栓可以沿著地槽移動，使得反力鋼架的位置可以根據(jù)不同的試驗調整。反力鋼架主要由立柱和橫梁組成，臺式支座的立柱為螺旋桿形式，板式臺座上的立柱多采用工字形截面的型鋼。在設計時，為了避免立柱收到過大的彎矩，立柱和橫梁之間的鏈接可以做成鉸接。試驗臺座、反力鋼架和反力墻的設計不僅僅要滿足承載力的要求，還要滿足剛度的要求以及承受反復荷載時的疲勞強度要求。應變片的工作原理。靜力加載試驗中的應變片可以分為梁的應變片和鋼筋的應

9、變片。它們的工作原理的搜是相同的，在受到外荷載的作用時，構件的表面會產生變形，這時便會帶動應變片產生機械變形，應變片的機械變形會使其電阻值發(fā)生變化，電阻值得變化在電流計上具體體現(xiàn)為電流的變化，在試驗數(shù)據(jù)的收集過程中，可以利用電阻值的變化轉化測量出構件物理量的變化。試件設計。靜力加載試驗的構件在設計時，可以采用與原結構試件一致的構件，也可以采用縮小比例的模型。構件的設計主要包括構件形、構件的尺寸和數(shù)量以及構造設計。當試件的尺寸與實際結構的尺寸相同時，稱為真型試件，試件的尺寸比實際結構尺寸小時，稱為模型試件。在靜力加載試驗中，當以研究構件或截面的力學性能為主要目的時，預應力混凝土和鋼筋混凝土試件的

10、尺寸由材料特性所要求的最小尺寸控制。試驗用儀器儀表。結構試驗的目的是通過試驗了解結構的靜力性能和破壞特征。所以，在試驗時必須采用合理的測量手段和數(shù)據(jù)收集方法獲得有效可靠的數(shù)據(jù)。為了得到準確的試驗數(shù)據(jù)，在試驗中可以采用電子測量系統(tǒng)來收集數(shù)據(jù)。測量系統(tǒng)的組成包括三個部分：傳感部分、放大部分、顯示部分。傳感部分主要是傳感原件或傳感器，放大部分主要是對信號進行放大，顯示部分將經過煩的機械或電子信號通過指針、磁盤記錄下來以方便讀數(shù)。在試驗時，為了準確的數(shù)據(jù)，必須充分了解儀器的工作性能，如儀器表的量程、靈敏度、分辨率、準確度、線性度、漂移量等。3.2.2結構動載試驗結構中遇到的動載有兩類：振動荷載與移動荷

11、載。測定結構的動力特性的方法有：自由振動法；共振法；脈動法。激振就是對結構施加振動荷載。振動試驗的目的是測定結構的特性、結構的響應幾結構的破壞特性等。結構振動試驗通常有以下幾項內容：（1）結構的振動位移、速度、加速度的測量；（2）結構動力特性測定；（3）結構的振動反應測量。結構振動參數(shù)的測定振動可以分為簡諧振動、復雜的周期振動、無周期的復雜振動和隨機振動。1、時間歷程曲線：如果在橫軸為時間的直角坐標系中描繪結構振動位移、速度、加速度的歷程，則稱為時間歷程曲線。2、振動的時域表示法：用時間函數(shù)表示振動歷程的方法稱為時域表示法。由時域表示法變換成頻域表示法：把時程曲線圖的橫坐標改成，縱坐標為，將振

12、動的振幅畫在處，稱幅-頻圖，而以為橫坐標，以處相角為縱坐標，而成相-頻圖，統(tǒng)成為頻域圖。將用頻率為橫坐標的坐標系統(tǒng)描述的振動歷程稱為頻域表示法。3、使結構產生自由振動的激振方法有：初位移法；初速度法。4、結構參數(shù)測量：就是測量結構上各點的位移、速度、加速度。5、結構動力特性的測定結構動力特性是結構固有的特性，包括固有頻率、阻尼、振型。它們只與結構的質量、剛度和材料有關。研究結構動力特性的方法有：自由振動法、共振法和脈動法。二、疲勞試驗1、結構疲勞試驗按試驗目的的不同可分為研究性疲勞試驗和檢驗性疲勞試驗兩類。2、研究性疲勞試驗一般包括以下內容：開裂荷載和開裂情況；裂縫的寬度、長度、間距及其隨荷載

13、重復次數(shù)的變化；最大撓度及其變化；疲勞極限；疲勞破壞特征。檢驗性疲勞試驗一般包括以下內容：抗裂性能；開裂荷載、裂縫寬度及開展情況；最大撓度的變化情況。3、疲勞試驗的加載程序可歸納為兩種：一種是為了求得疲勞極限而對構件從頭到尾施加重復荷載；另一種是靜荷載與疲勞荷載交替施加。4、疲勞試驗過程中要進行四種形式的試驗。（1）預加載：預加載值為最大荷載的20%，以消除支座等連接件之間的不良接觸，檢查儀器工作是否正常。（2）靜載試驗：靜載試驗的最大荷載按正常使用的最不利組合選取。試驗方法按結構靜載試驗各章介紹的方法進行，觀測項目可適當簡化。在正常情況下，如果出現(xiàn)裂縫，應與靜載試驗一樣描述裂縫開裂情況。（3

14、）疲勞試驗：首先調整最大、最小荷載，待穩(wěn)定后開始記數(shù)，直到需做靜載試驗的次數(shù)。在運行過程中，需要做動態(tài)撓度與動應變測量。（4）破壞試驗：構件在達到要求的疲勞次數(shù)后，一般需做破壞試驗。這時加載情況有兩種：第一種加載情況是繼續(xù)做疲勞試驗直至破壞，構件出現(xiàn)疲勞極限標志，得出疲勞荷載的極限次數(shù)，這需要很長時間，甚至構件不能破壞；第二種是做靜載破壞試驗，得到疲勞后的承載力極限荷載。5、受彎構件的疲勞破壞標志（1）正截面疲勞破壞標志：縱向主筋疲勞斷裂，這是當配筋率正?；蜉^底時可能發(fā)生的；受壓區(qū)混凝土疲勞破壞，這是當配筋率過高或倒T形截面時可能發(fā)生的。（2）斜截面疲勞破壞標志：與臨界斜裂縫相交的腹筋疲勞斷裂

15、，這是當腹筋配筋率正?；蛴X底時可能發(fā)生的；混凝土剪壓疲勞破壞，這是當腹筋配筋率很高時可能發(fā)生的；與臨界斜裂縫相交的主筋疲勞斷裂，這是當縱向配筋率較底時可能發(fā)生的。（3）鋼筋與混凝土錨固疲勞破壞：這種情況常發(fā)生在采用熱處理鋼筋、冷拔低碳鋼絲、鋼絞線配筋的預應力混凝土結構中。6、疲勞試驗的安全措施疲勞試驗需要連續(xù)進行時間很長，振動荷載很大，試件安裝及試驗過程中需要充分注意安全措施。四、試驗測量技術 隨著科學技術的不斷發(fā)展和進步，現(xiàn)階段的測量技術的發(fā)展主要以新型高性能的傳感器和數(shù)據(jù)采集技術為主要方向，測量技術主要包括傳感技術和微電子技術，試驗技術的關鍵是傳感技術。從廣義上來說，傳感技術就是一種轉換技

16、術，它能夠把物理量轉換為可以測量、可以觀測的信號，在結構試驗當中，被轉換的物理量可以是力、位移、速度、加速度等。在結構試驗中確定物理轉化量的過程叫做測量，試驗中的測量可以分為直接測量和間接測量。直接測量是指不需要任何的函數(shù)式轉換就可以直接測量到的試驗數(shù)據(jù)。試驗中可以用百分表、鋼尺等工具直接測量構件的尺寸和變形。在試驗中所用的百分表測量實際上是一種間接比較的方法，因為百分表在測量的過程中是將構建的變形轉換成百分表指針的轉動，構件的物理變形和指針之間存在函數(shù)關系。間接測量則是在直接測量的基礎上，根據(jù)已知的函數(shù)關系式，將已經測量的數(shù)據(jù)轉換成被測的物理量。 在使用各種測量儀器測量時，最重要的就是傳感器

17、和測量系統(tǒng)的標定或校準，所以，在做測量之前必須要知道儀器的工作原理。在校準時，可以用比較校準的方法來校核儀器，其中，作為被校準的傳感器或其他測量儀器必須經過標定或校準，標定的過程就是做傳感器和測量系統(tǒng)的輸出值與標準值之間的比較，進而確定傳感器和測量系統(tǒng)的精確度。5、結束語 建筑結構試驗是在結構工程學科的發(fā)展基礎，使用各種儀器表和試驗設備，對結構物受力后的性能進行觀測，通過測量的數(shù)據(jù)，如變形、應變、溫度、振幅、頻率和裂縫的寬度等，來了解并掌握結構的力學性能，對結構或構件的承載能力和使用性能做出評估建筑結構試驗在生產和研究方面都是非常重要的，無論是在生產或可以中，都可以在明確試驗目的的前提下，采用相似理論研究方法，根據(jù)試驗的模型的要求設計支座和試件的尺寸或直接試驗實際結構構件，設計合理的加載方案和觀測方案，在做好一切試驗前準備工作之后，進行結構研究型或生產型試驗，并采用科學合理的測量儀器來收集準確的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析出結構構件的受力和變形性能，研究構件的破壞形態(tài)，