第三章建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載

3.1概述合理地選擇加載設(shè)備，正確進(jìn)行加載方案設(shè)計(jì)，可以保證結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的順利完成，提高試驗(yàn)精度，節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。若加載方案設(shè)計(jì)不當(dāng)，加載設(shè)備選擇不合理，往往會影響試驗(yàn)工作順利進(jìn)行，或者達(dá)不到試驗(yàn)的目的，甚至導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，嚴(yán)重時還會發(fā)生安全事故。3.2.1重力荷載1重力直接加載方法重物荷載可直接堆放在結(jié)構(gòu)表面形成均布荷載或置于荷載盤上通過吊桿掛于結(jié)構(gòu)上形成集中荷載，假如荷載再大，就可以通過杠桿來加載。

優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)荷載可就地取材，可重復(fù)使用，針對試驗(yàn)結(jié)構(gòu)或試件的變形，可保持恒載，可分級加載，容易控制。缺點(diǎn)：加載過程中需要花費(fèi)較大的勞動力，占據(jù)較大的空間，安全性差，試驗(yàn)組織難度大。重物加載實(shí)現(xiàn)均布荷載重物間隙要大于5cm，保證重物間不搭接，以防止形成拱的作用。

在正規(guī)實(shí)驗(yàn)室里一般要準(zhǔn)備好些荷重塊，要用鑄鐵或者鑄鋼，把它們鑄成適合于人搬動的一些小的加荷塊，一般用它的質(zhì)量來衡量，所以可以鑄成1公斤的、5公斤的、10公斤的、20公斤的等等。事先把它稱量準(zhǔn)確。如果你事先也可以把它加工的很準(zhǔn)確，當(dāng)然這樣試驗(yàn)時很方便，但是制造成本就高了，假如說你不加工準(zhǔn)確，但是你要把它稱量準(zhǔn)確，把它標(biāo)在加荷塊上，試驗(yàn)的時候就適當(dāng)?shù)慕M合，也可以把它組合的很準(zhǔn)確。如果在現(xiàn)場，或者是你的加荷塊不夠了，也可以臨時取用些沙子、石頭等做成沙袋或者碎石的袋。把每一袋的重量都稱量準(zhǔn)確，也可以用來加荷。所以說重物加荷是一種很方便的加荷方式，它對于施加均布荷載是很方便的。這個圖表示的也是重物加荷，但是它用的是水，比如說做雙向板或者做網(wǎng)架的試驗(yàn)，需要一個很大面積的均布荷載的時候，可以用一個水槽，這個水槽不要底，就光要四周，把它圈起來。給底面試件來加荷，然后用防水的膠布做成一個水槽，里面加水，用水的重量作為荷載。但是用水加荷的時候，當(dāng)加荷的面積很大的時候，就有一個什么問題呢？就是當(dāng)面積很大，底下試件有一定的撓度，它向下變形，所以水深，實(shí)際上中間深，邊上淺。使得均布荷載不是很均布的，中間可能荷載要大，邊上可能荷載要小。這也是一種重物加荷。重物加載實(shí)現(xiàn)集中荷載這張圖表示的是用重物加荷來施加集中荷載，也是一根梁要加兩個集中荷載，那么這時候我們就用兩個荷載料斗，或者把它叫做吊籃，在吊籃里可以施加各種重物，來實(shí)現(xiàn)集中荷載的加荷。當(dāng)荷載很大，直接用吊籃加荷，達(dá)不到它的荷載值的要求的時候，可以通過杠桿來使這個荷載值增大。

杠桿加載也屬于重力加載的一種。利用杠桿原理，將荷載放大作用于結(jié)構(gòu)上。優(yōu)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，荷載可以保持恒定，對于作持久荷載試驗(yàn)尤為合適。

2重力間接加載方法

重力加載是一種傳統(tǒng)的加載方式，有如下特點(diǎn)：(1)重力加載的材料可以就地取材，重復(fù)使用，根據(jù)現(xiàn)場情況采用符合要求的石、磚或水等重物。(2)加載值穩(wěn)定，波動小。(3)重力加載能較好地模擬均布線荷載或均布面荷載，使試件的受力更接近于結(jié)構(gòu)實(shí)際受力的狀態(tài)。(4)當(dāng)采用汽車載重加載時，可實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的動力加載，如橋梁結(jié)構(gòu)的動力加載試驗(yàn)等。(5)重力加載的工作量很大，加卸載速度緩慢，耗費(fèi)時間長。(6)重物占據(jù)空間大，安全性較差，組織難度大，有些重力加載試驗(yàn)由于重物體積過大無法堆放而難以實(shí)現(xiàn)。3.2.2重力加載的特點(diǎn)和要求1.重力加載的特點(diǎn)重力加載是一種傳統(tǒng)的加載方式，有如下特點(diǎn)：(1)重力加載的材料可以就地取材，重復(fù)使用，根據(jù)現(xiàn)場情況采用符合要求的石、磚或水等重物。(2)加載值穩(wěn)定，波動小。(3)重力加載能較好地模擬均布線荷載或均布面荷載，使試件的受力更接近于結(jié)構(gòu)實(shí)際受力的狀態(tài)。(4)當(dāng)采用汽車載重加載時，可實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的動力加載，如橋梁結(jié)構(gòu)的動力加載試驗(yàn)等。(5)重力加載的工作量很大，加卸載速度緩慢，耗費(fèi)時間長。(6)重物占據(jù)空間大，安全性較差，組織難度大，有些重力加載試驗(yàn)由于重物體積過大無法堆放而難以實(shí)現(xiàn)。2.重力加載的要求重力加載采用的材料有如下要求：(1)加載重物的重量在試驗(yàn)期間穩(wěn)定，重量不隨時間變化。(2)加載重物堆放時應(yīng)防止因重物起拱而產(chǎn)生卸荷作用，砂石等顆粒狀材料應(yīng)采用容器分裝，并逐級稱量，然后規(guī)則地堆放在結(jié)構(gòu)上；磚、砝碼、鋼錠等塊狀重物應(yīng)分堆放置整齊，堆與堆之間要有一定的間隙(一般30~50mm)。(3)鐵塊、混凝土塊等塊狀重物應(yīng)逐塊或逐級分堆稱量，最大塊重應(yīng)符合加載分級的需要，不宜大于25kg；紅磚等小型塊狀材料，宜逐級分堆稱量。塊體大小均勻，含水量一致，經(jīng)抽樣核實(shí)塊重確系均勻的小型塊材，可按平均塊重計(jì)算加載量。(4)采用水作為均布荷載時，不應(yīng)含有泥、砂等雜物，可采用水柱高度或精度不低于1.0級的水表計(jì)算加載量。(5)稱量重物的衡器，示值誤差應(yīng)小于±1．0％，試驗(yàn)前必須標(biāo)定。生產(chǎn)性試驗(yàn)，應(yīng)由計(jì)量監(jiān)督部門認(rèn)可的專門機(jī)構(gòu)標(biāo)定并出具檢定證書。3.3機(jī)械力荷載3.3.1機(jī)械力加載的作用方式機(jī)械力加載是利用簡單的機(jī)械原理對結(jié)構(gòu)試件加載，土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中采用的有卷揚(yáng)機(jī)加載法、倒鏈加載法、絞車加載法、花籃螺絲加載法、機(jī)械千斤頂加載法及彈簧加載法等。一、吊鏈、卷揚(yáng)機(jī)、絞車加載卷揚(yáng)機(jī)、絞車主要配合鋼絲或繩索對結(jié)構(gòu)施加拉力，拉力的大小通常用拉力測力計(jì)測定。二、機(jī)械千斤頂加載螺旋千斤頂是利用齒輪及螺桿式蝸桿機(jī)構(gòu)傳動原理，當(dāng)搖動千斤頂手柄時，蝸桿就帶動螺旋桿頂升，對結(jié)構(gòu)施加頂推壓力，加載值的大小可用測力計(jì)測定。三、彈簧加載常用構(gòu)件的持久荷載試驗(yàn)。當(dāng)荷載值較小時，可直接擰緊螺帽以壓縮彈簧；當(dāng)荷載值很大時，需用千斤頂壓縮彈簧后再擰緊螺帽。彈簧加載用于長期荷載，比如說要做梁的長期剛度，或者是觀察它的裂縫的時候，那么就要加幾個月，甚至幾年的荷載。那么做長期荷載的時候可以通過彈簧來保持經(jīng)常的荷載值。

3.3.2機(jī)械力加載的特點(diǎn)和要求機(jī)械力加載設(shè)備簡單，實(shí)現(xiàn)加載容易，在采用鋼絲繩等索具時，便于改變荷載作用方向，適用于對結(jié)構(gòu)施加水平集中荷載。但機(jī)械加載能力有限，荷載值不宜太大。在采用卷揚(yáng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備加載時，應(yīng)保證鋼絲繩和滑輪組的質(zhì)量，并具有足夠的安全儲備。采用卷揚(yáng)機(jī)、倒鏈等機(jī)具加載時，力值量測儀表應(yīng)串聯(lián)在繩索中，直接測定加載值，當(dāng)繩索通過導(dǎo)向輪或滑輪組對結(jié)構(gòu)加載時，力值量測儀表宜串聯(lián)在靠近試驗(yàn)結(jié)構(gòu)端的繩索中。3.4氣壓加載法氣壓加載是利用壓縮氣體或真空負(fù)壓對結(jié)構(gòu)施加荷載，這種加載方式對試驗(yàn)對象施加的是均布荷載。3.4.1氣壓加載的作用方式1.氣壓正壓加載2.真空負(fù)壓加載3.4.2氣壓加載的特點(diǎn)和要求1.氣壓加載的特點(diǎn)能真實(shí)地模擬面積大、外形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的均布受力狀態(tài)；加卸載方便可靠；荷載值穩(wěn)定易控；需要采用氣囊或?qū)⒃嚰谱鞒擅芊饨Y(jié)構(gòu)，試件制作工作量大；施加荷載值不能太大；構(gòu)件內(nèi)表面無法直接觀測；氣溫變化易引起荷載波動。2.氣壓加載的要求氣囊或真空內(nèi)腔需采用適當(dāng)方法進(jìn)行密封處理，接縫以及構(gòu)件與基礎(chǔ)之間須采用聚乙烯薄膜、凡土林、黃油等密封；有時需在真空室或氣囊壁上開設(shè)調(diào)節(jié)孔，以便控制荷載大?。换A(chǔ)、反力架等要有足夠的強(qiáng)度；為防氣溫變化引起荷載波動，應(yīng)增加恒壓控制裝置，使氣體壓力保持在允許的控制范圍內(nèi)；充氣囊不宜伸出試驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外邊緣，確定加載量時，應(yīng)考慮充氣囊與結(jié)構(gòu)表面接觸的實(shí)際作用面積，按氣囊中的氣壓值計(jì)算確定。3.5液壓加載法3.5.1液壓加載器的工作原理液壓加載器(俗稱“千斤頂”)是液壓加載系統(tǒng)中的主要部件，主要由活塞、油缸和密封裝置等構(gòu)成，如圖3.8所示。式中F—荷載值；

p—液壓油壓強(qiáng)；

A—活塞工作面積液壓千斤頂分為單作用式、雙作用式、電液伺服式及張拉千斤頂?shù)取?.單作用式千斤頂油缸只有一個供油口，如圖3.9(a)所示。2.雙作用式千斤頂有前后兩個工作油腔及兩個供油口，如圖3.9(b)所示。

3.電液伺服液壓系統(tǒng)大多采用閉環(huán)控制，主要組成是電液伺服液壓加載器、控制系統(tǒng)和液壓源等三大部分(圖3.10)。圖

3－104.液壓張拉千斤頂：是專門用于預(yù)應(yīng)力施工和試驗(yàn)的液壓加載設(shè)備，工作過程與普通液壓千斤頂相同。通常分為單孔張拉千斤頂和多孔張拉千斤頂。3.5.2靜力試驗(yàn)液壓加載設(shè)備靜力試驗(yàn)液壓加載用千斤頂可分為手動液壓千斤頂和電動液壓千斤頂。電動液壓加載裝置的構(gòu)成與手動分體式加載裝置類似，用電動油泵取代手動油泵，由電動機(jī)提供能源，組成電動液壓加載裝置。液壓千斤頂電動泵3.5.3大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)為在試驗(yàn)室里進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗(yàn)，可以將大噸位的液壓千斤頂制作成專門的液壓加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)由液壓操作臺、液壓千斤項(xiàng)、試驗(yàn)機(jī)架和管路系統(tǒng)組成，是集液壓加載、反力機(jī)構(gòu)、控制與測量于一體的比較完善的專用加載系統(tǒng)，如圖3.11所示的長柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)就是最典型的實(shí)例。3.5.4電液伺服試驗(yàn)加載系統(tǒng)多通道電液伺服加載系統(tǒng)主要由液壓源、液壓管路、電液伺服作動器、電液伺服閥、模擬控制器、測量傳感器及計(jì)算機(jī)等組成，如圖3.10所示。電液伺服加荷系統(tǒng)工作過程如圖3.12所示3.5.5電液伺服振動臺電液伺服振動臺主要由臺面和基礎(chǔ)、高壓油源、管路系統(tǒng)、電液伺服作動器、模擬控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等七大部分組成，如圖3.13所示。3.6慣性力加載法慣性力加載法用于對結(jié)構(gòu)施加動力荷載，激發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動力反應(yīng)，采集其動力反應(yīng)時程，分析結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼等動力特性參數(shù)。慣性力加載法有初位移法、初速度法、反沖擊法及離心力法等。3.6.1初位移法作用方式初位移法是利用鋼絲繩等使結(jié)構(gòu)沿振動方向張拉產(chǎn)生一初始位移，然后突然釋放使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動，如圖3.14所示。3.6.2初速度加載法作用方式初速度加載法也稱為突然加載法，基本原理是利用運(yùn)動重物對結(jié)構(gòu)施加瞬間的水平或垂直沖擊，如擺錘法或落重法，如圖3.15所示，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初速度而獲得所需的沖擊荷載。反沖擊激振法是利用反沖擊激振器對結(jié)構(gòu)施加動荷載，也稱“火箭激振”。它適用于現(xiàn)場結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，小型反沖擊激振器也可用于試驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)件試驗(yàn)。圖3.16是反沖激振器的結(jié)構(gòu)示意圖。如果氣流每秒噴出的質(zhì)量為Ws，根據(jù)動量守恒定律可知反沖力p(作用在結(jié)構(gòu)上的脈沖力)為：式中

v——?dú)饬鲝膰娍趪姵龅乃俣龋?/p>

G——重力加速度。3.6.3離心力加載法的作用方式離心力加載是利用旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的離心力對結(jié)構(gòu)施加簡諧振動荷載。其運(yùn)動具有用期性，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?？侩x心力加載的機(jī)械式激振器工作原理如圖3.17所示，當(dāng)一對偏心質(zhì)量控相反方向運(yùn)轉(zhuǎn)時，離心力將產(chǎn)生一定方向的激振力。由偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心力為：式中

m——偏心塊質(zhì)量；ω——偏心塊旋轉(zhuǎn)角速度；r——偏心塊旋轉(zhuǎn)半徑。在任何瞬時產(chǎn)生的離心力分解成垂直與水平方向兩個分力。使用時將激振器底座固定在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)物上，由底座把激振力傳遞給結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)受到簡諧變化的激振力作用。底座應(yīng)有足夠的剛度，以保證激振力的傳遞效率。激振器產(chǎn)生的激振力等于各旋轉(zhuǎn)質(zhì)量離心力的合力。3.6.4直線位移慣性力加載直線位移慣性力加載系統(tǒng)的主要動力部分是電液伺服加載系統(tǒng)，由閉環(huán)伺服控制器通過電液伺服閥控制固定在結(jié)構(gòu)上的雙作用液壓加載器，帶動質(zhì)量塊作水平直線往復(fù)運(yùn)動，如圖3.18所示。3.6.5慣性力加載的要求慣性力激振振動加載試驗(yàn)時，應(yīng)正確選擇激振器的安裝位置；合理選擇激振力，防止引起測試結(jié)構(gòu)的振型畸變；當(dāng)激振器安裝在樓板上時，應(yīng)避免受樓板豎向自振頻率和剛度的影響；激振力應(yīng)具有傳遞途徑；激振測試中宜采用掃頻方式尋找共振頻率，在共振頻率附近測試時，應(yīng)保證半功率帶寬內(nèi)有不少于5個頻率的測點(diǎn)。3.7電磁加載法電磁加載是根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中受與磁場方向垂直的力作用的原理，在磁場(永久磁場或直流勵磁磁場)中放人動圈，線圈中通入交變電流，固定于動圈上的桿件在電磁力作用下產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動，向試驗(yàn)對象施加荷載；若向動圈上通人直流電，則可產(chǎn)生恒定荷載。目前常用的電磁加載設(shè)備有電磁式激振器和電磁振動臺。電磁式激振器由勵磁系統(tǒng)(包括勵磁線圈、鐵芯、磁極)、動圈(工作線圈)、彈簧、頂桿等部件組成，圖3.19是電磁式激振器的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，產(chǎn)生的力：式中:

B—磁場強(qiáng)度

l—工作線圈導(dǎo)線的有效長度I—通過工作線圈的交變電流強(qiáng)度

3.8人激振動加載法試驗(yàn)人員利用身體在結(jié)構(gòu)物上做有規(guī)律的運(yùn)動，即使身體做與結(jié)構(gòu)自振周期相近的往復(fù)運(yùn)動，就能產(chǎn)生較大的激振力，有可能產(chǎn)生適合完成振動試驗(yàn)的物體振動幅值。3.9環(huán)境隨機(jī)振動激振法環(huán)境隨機(jī)振動激振法也稱為脈動法。由于環(huán)境引起的振動是隨機(jī)的，因而把這種激振方法稱為環(huán)境隨機(jī)激勵法。環(huán)境隨機(jī)激勵產(chǎn)生的脈動信號含有豐富的結(jié)構(gòu)振動信息，它所包含的頻譜相當(dāng)豐富，利用這種脈動現(xiàn)象可以測定和分析結(jié)構(gòu)的動力特性，試驗(yàn)時既不需要任何激振設(shè)備，又不受結(jié)構(gòu)形式和大小的限制。3.10荷載支承設(shè)備和試驗(yàn)臺座3.10.1支座支座是試驗(yàn)中的支承裝置，是正確傳遞作用力、模擬實(shí)際工作荷載形式的設(shè)備，支承設(shè)備通常由支座和支墩組成。鉸支座一般采用鋼材制作，按自由度的不同可分為活動鉸支座、固定鉸支座和球鉸支座三種形式，如圖3.20所示。鉸支座的長度不應(yīng)小于試驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在支承處的寬度，墊板寬度應(yīng)與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)支承長度一致，厚度不應(yīng)小于墊板寬度1／6。支承墊板的長度l可按下式計(jì)算：式中

R——支座反力（N）b——構(gòu)件支座寬度（mm）

fc——試件材料的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）在構(gòu)件支座處鉸支座的上下墊板應(yīng)有足夠的剛度，其厚度d可按下式計(jì)算：式中

fc——試件抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）

f——墊板鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）

a——滾軸中心至墊板邊緣的距離（mm）滾軸的長度一般不得小于試件支承處的寬度，直徑可按表3.1取用，并按下式進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：

式中

E—滾軸材料的彈性模量（N/mm2）

r—滾軸半徑（mm）

表3.1