朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁需要課件請(qǐng)或第十八章結(jié)構(gòu)試驗(yàn)第一節(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)概述結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)就是在結(jié)構(gòu)物或?qū)嶒?yàn)對(duì)象(實(shí)物或模型)上，使用儀器設(shè)備為工具，利用各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)為手段，在荷載(重力、機(jī)械擾動(dòng)力、地震力、風(fēng)力……)或其他因素(溫度、變形)作用下，通過量測(cè)與結(jié)構(gòu)工作性能有關(guān)的各種參數(shù)(變形、撓度、應(yīng)變、振幅、頻率……)，從承載力(穩(wěn)定)、剛度和抗裂性以及結(jié)構(gòu)實(shí)際破壞形態(tài)來判明建造結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能，預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)的承載能力，決定結(jié)構(gòu)對(duì)使用要求的符合程度，并用以檢驗(yàn)和發(fā)展結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論。結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是對(duì)所要舉行的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)工作舉行全面的設(shè)計(jì)與計(jì)劃，從而使設(shè)計(jì)的計(jì)劃與實(shí)驗(yàn)大綱能對(duì)囫圇實(shí)驗(yàn)起著統(tǒng)管全局和詳細(xì)指導(dǎo)的作用。在舉行總體設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該反復(fù)研究實(shí)驗(yàn)的目的，充足了解本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究或生產(chǎn)鑒定的任務(wù)要求。然后可通過調(diào)查研究并收集有關(guān)資料，決定實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)與規(guī)模、舉行試件的設(shè)計(jì)，選定實(shí)驗(yàn)場所，擬定加載與量測(cè)計(jì)劃；設(shè)計(jì)專用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、配件和儀表附件夾具，制訂技術(shù)安全措施等。除技術(shù)上的安頓外，還必須針對(duì)實(shí)驗(yàn)的規(guī)模，去組織實(shí)驗(yàn)人員，并提出實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)預(yù)算以及消耗性器材數(shù)量與實(shí)驗(yàn)設(shè)備清單。在上述計(jì)劃的基礎(chǔ)上，提出實(shí)驗(yàn)研究大綱及實(shí)驗(yàn)進(jìn)度計(jì)劃。對(duì)于以詳細(xì)結(jié)構(gòu)為對(duì)象的工程現(xiàn)場鑒定性實(shí)驗(yàn)，在舉行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前必須對(duì)結(jié)構(gòu)物舉行實(shí)地考察，通過調(diào)查研究，收集有關(guān)文件、設(shè)計(jì)資料，施工日志，材料性能實(shí)驗(yàn)報(bào)告及施工質(zhì)量檢查驗(yàn)收記錄等，關(guān)于使用情況則需要深入現(xiàn)場向使用者(生產(chǎn)操作工人、居民)調(diào)查了解，對(duì)于受災(zāi)損傷的結(jié)構(gòu)，還必須了解受災(zāi)的起因，過程與結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀。對(duì)于實(shí)際調(diào)查的結(jié)果要加以收拾，作為舉行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根據(jù)。二、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的試件設(shè)計(jì)在舉行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形實(shí)驗(yàn)時(shí)，作為結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的試件可以取為實(shí)際結(jié)構(gòu)(原型)的整體或是它的一部分，當(dāng)不能采用原型結(jié)構(gòu)舉行實(shí)驗(yàn)時(shí)，也可用1：1的足尺模型或縮小比例的縮尺模型。試件設(shè)計(jì)應(yīng)包括試件形狀的挑選、試件尺寸與數(shù)量的決定以及構(gòu)造措施的研究考慮，同時(shí)必須滿意結(jié)構(gòu)與受力的邊界條件、試件的破壞特征、實(shí)驗(yàn)加載條件的要求。（一）試件形狀在設(shè)計(jì)試件形狀時(shí)，最重要的是要造成和設(shè)計(jì)目的相一致的應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于從整體結(jié)構(gòu)中取出部分構(gòu)件單獨(dú)舉行實(shí)驗(yàn)時(shí)，異常是在比較復(fù)雜的超靜定體系中必須要注重其邊界條件的模擬，使其能如實(shí)反映該部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際工作。當(dāng)作如圖１８－１－１（a）所示受水平荷載作用的框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時(shí)，若實(shí)驗(yàn)A—A部位的柱腳、柱頭部分時(shí)，試件要設(shè)計(jì)成如圖１８－１－１（b）所示；若作B—B部位的實(shí)驗(yàn)，試件設(shè)計(jì)成如圖１８－１－１（c）；對(duì)于梁如作成１８－１－１（d）（e）那樣的設(shè)計(jì)，則應(yīng)力狀態(tài)可與設(shè)計(jì)目的相一致。作鋼筋混凝土柱的實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，若要探討其撓曲破壞性能，如圖１８－１－１（h）的試件是充足的，但若作剪切性能的探討，則反彎點(diǎn)附近的應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際應(yīng)力情況有所不同，為此有須要采用圖１８－１－１（i）中的適用于反駁稱加載的試件。在作梁柱銜接的節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用十字形試件如圖１８－１－１（f）,節(jié)點(diǎn)兩側(cè)梁柱的長度普通均取1／2梁跨和1／2柱高，即按框架承受水平荷載時(shí)產(chǎn)生彎矩的反彎點(diǎn)(M=0)的位置來決定。邊柱節(jié)點(diǎn)可采用T字形試件。為了避免在實(shí)驗(yàn)過程中梁柱部分先于節(jié)點(diǎn)破壞，必須事先對(duì)梁柱部分舉行加固。當(dāng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑榱私獬跏荚O(shè)計(jì)應(yīng)力狀態(tài)下的性能，并同理論作對(duì)照時(shí)，可以采用如圖１８－１－１（g）的X形試件。在框架實(shí)驗(yàn)中，多數(shù)設(shè)計(jì)成支座固結(jié)的單層單跨框架。如圖18—l—2。剪力墻試件形式多樣，有無框剪力墻，墻體是一塊鋼筋混凝土平板。有框剪力墻，其中一種是與框架整體相連的鋼筋混凝土板，另一種是在框架內(nèi)設(shè)置鋼筋混凝土剪刀撐(圖18—1—3a)。圖18—1—3b為雙肢剪力墻。磚石與砌塊試件主要用于墻體實(shí)驗(yàn)，可以采用帶翼緣或不帶翼緣的單層單片墻，也可采用雙層單片墻或開洞墻體的砌體試件，如圖18—1—4所示。對(duì)于縱墻因?yàn)橥鈮τ写罅看翱?，?shí)驗(yàn)可采用有兩個(gè)或一個(gè)窗間墻的雙肢或單肢窗間墻試件(圖18－１—5)?；緲?gòu)件性能研究時(shí)，壓彎構(gòu)件的截面為16cm×l6cm－35cm×35cm，短柱(偏壓剪)為15cm×15cm～50cm×50cm，雙向受力構(gòu)件為10cm×10cm－30cm×30cm。剪力墻單層墻體的形狀尺寸為80cm×100cm～178cm×274cm，多層的剪力墻為原型的1／10—1／3。我國昆明南寧等地區(qū)曾先后舉行過裝配式混凝土和空心混凝土大板結(jié)構(gòu)的足尺房屋實(shí)驗(yàn)。磚石及砌塊的砌體試件尺寸普通取為原型的1／4—1/2。國內(nèi)先后做過四幢足尺磚石和砌塊多層房屋以及若干單層足尺房屋的實(shí)驗(yàn)。普通來說，靜力實(shí)驗(yàn)試件太小要考慮尺寸效應(yīng)。在滿意構(gòu)造模擬要求的條件下太大的試件尺寸也沒有須要。實(shí)踐證實(shí)：足尺結(jié)構(gòu)固然具有反映實(shí)際構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)驗(yàn)所耗費(fèi)的經(jīng)費(fèi)和人工如用來做小比例尺試件，可以大大增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)量和品種，而且實(shí)驗(yàn)室的條件比野外現(xiàn)場要好，測(cè)試數(shù)據(jù)的可信度也高。因此，局部性的試件尺寸可取為原型的1／4～1，整體性的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)試件可取1／10—1/2。對(duì)于動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，試件尺寸常常受實(shí)驗(yàn)激振加載條件等因素的限制，普通可在現(xiàn)場的原型結(jié)構(gòu)上舉行實(shí)驗(yàn)，如量測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)舉行的動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)足尺構(gòu)件舉行疲勞實(shí)驗(yàn)，至于在地震模擬振動(dòng)臺(tái)上實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?yàn)槭苷駝?dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸載重和激振力大小等參數(shù)限制，普通只能作縮尺的模型實(shí)驗(yàn)。目前國內(nèi)在地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中能夠完成比例在1／50—1／4的各類房屋結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)。（三）試件數(shù)量對(duì)于生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)，普通按照實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求有明確的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。對(duì)于預(yù)制廠生產(chǎn)的普通工業(yè)與民用建造鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量檢驗(yàn)和評(píng)定，則可以按照《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50204—2002)中結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)規(guī)定，決定試件數(shù)量。對(duì)于科研性實(shí)驗(yàn)，試件是按照研究要求專門設(shè)計(jì)發(fā)明的，如研究鋼筋混凝土短柱抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)，具有影響的參數(shù)有混凝土強(qiáng)度等級(jí)，受拉鋼筋配筋率，配箍率，軸向應(yīng)力和剪跨比等，稱為主要分析因子。而對(duì)每一參數(shù)又要考慮有幾種狀態(tài)，如剪跨比λ＝2，3，4…等，稱為水平數(shù)。試件設(shè)計(jì)時(shí)必須要將它們互相組合起來，才干研究各個(gè)參數(shù)與其相應(yīng)各種狀態(tài)對(duì)實(shí)驗(yàn)問題的影響。因此參數(shù)與備種狀態(tài)愈多，即因子數(shù)與水平數(shù)愈多，則要求的試件數(shù)量也就天然增強(qiáng)。如按表18—1—l所列研究短柱抗剪強(qiáng)度時(shí)混凝上只用一種強(qiáng)度等級(jí)C20，實(shí)際因子數(shù)為4，水平數(shù)為3時(shí)，由表１８—1—2可見要求試件數(shù)為８1個(gè)。采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的正交表L９（３４）并按表１８—1—３組合時(shí)，當(dāng)因子數(shù)為4和每個(gè)因子有3個(gè)水平數(shù)時(shí)，組成的試件數(shù)為9。即本來要求的81個(gè)試件可以綜合為９個(gè)試件、由此可見，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以只需要少量的試件就可得到主要的信息，對(duì)研究問題作出綜合評(píng)價(jià)。不足之處是不能提供某一因子的單值變化與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)之間的函數(shù)關(guān)系。不同因子和水平數(shù)的匯交表可參閱有關(guān)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的專著。（四）結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)試件設(shè)計(jì)的要求在試件設(shè)計(jì)中還必須同時(shí)考慮試件安裝、加載、量測(cè)的需要，在試件上作出須要的構(gòu)造措施，這對(duì)于科研實(shí)驗(yàn)尤為重要。例如混凝土試件的支承點(diǎn)應(yīng)頂埋鋼墊板(圖1８—1—6(a))；在屋架實(shí)驗(yàn)受擴(kuò)散荷載作用的位置上應(yīng)埋設(shè)鋼板，以防止試件受局部承壓而破壞；試件加載面傾斜時(shí)，應(yīng)作出凸緣(圖18—1—6(b))，以保證加載設(shè)備的穩(wěn)定設(shè)置；在鋼筋混凝土框架實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了框架端部側(cè)面施加反復(fù)荷載的需要，應(yīng)設(shè)置預(yù)埋構(gòu)件以便與加載用的液壓加載器或測(cè)力傳感器銜接，為保證框架柱腳部分與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的固接，普通均設(shè)置加大截面的基礎(chǔ)梁(圖18—1—6(c))；在磚石或砌塊的砌體實(shí)驗(yàn)中，為了使施加在試件的垂直荷載能勻稱傳遞，普通在砌體試件的上下均應(yīng)預(yù)先澆搗混凝土的墊塊(圖l8—1－6((d))，對(duì)于墻體試件在墻體上下均應(yīng)搗制鋼筋混凝土墊梁，其中下面的墊梁可以模擬基礎(chǔ)粱，使之與實(shí)驗(yàn)臺(tái)座固定，上面的墊梁模擬過梁傳遞豎向荷載(圖18—1—6(e))；在作鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件實(shí)驗(yàn)時(shí)，在試件兩端作成牛腿以增大端部承壓面和便于施加偏心荷載(圖18—1—6(f))，并在上下端加設(shè)分布鋼筋網(wǎng)舉行加強(qiáng)。在科研性實(shí)驗(yàn)中為了保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在預(yù)定的部位破壞，以期得到須要的測(cè)試數(shù)據(jù)，就需要對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的其他部位事先舉行局部加固。為了保證實(shí)驗(yàn)量測(cè)的可靠性和儀表安裝的方便，在試件內(nèi)必須預(yù)設(shè)埋件或預(yù)留孔洞。對(duì)于為測(cè)定混凝土內(nèi)部應(yīng)力的預(yù)埋元件或?qū)ｉT的混凝土應(yīng)變計(jì)、鋼筋應(yīng)變計(jì)等，應(yīng)在澆注混凝土前，按相應(yīng)的技術(shù)要求用專門的主意就位固定埋設(shè)在混凝土內(nèi)部。三、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的荷載設(shè)計(jì)（一）實(shí)驗(yàn)加載圖式的挑選與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)的荷載應(yīng)該使結(jié)構(gòu)處于某一種實(shí)際可能的最不利的工作情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)荷載的圖式要與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的荷載圖式一樣。這時(shí)，結(jié)構(gòu)的工作和其實(shí)際情況最為臨近。但是，在實(shí)驗(yàn)時(shí)也常常因?yàn)橄铝械木壒什捎貌煌谠O(shè)計(jì)計(jì)算所規(guī)定的荷載圖式。①對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用的荷載圖式的合理性有所疑惑，因而在實(shí)驗(yàn)時(shí)采用某種更臨近于結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況的荷載布置方式。②因?yàn)槭軐?shí)驗(yàn)條件的限制，為了加載的方便和減少荷載量，在不影響結(jié)構(gòu)的工作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的前提下，可以改變加載的圖式。如可用幾個(gè)擴(kuò)散荷載來代替均布荷載，但是擴(kuò)散荷載的數(shù)量與位置應(yīng)盡可能的符合均布荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力值，這時(shí)，實(shí)驗(yàn)荷載的大小要按照相應(yīng)等效條件換算得到。采用這樣主意的荷載叫做等效荷載。采用等效荷載時(shí)，必須全面驗(yàn)算因?yàn)楹奢d圖式的改變對(duì)結(jié)構(gòu)的各種影響。須要時(shí)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件作局部加強(qiáng)，或?qū)δ承﹨?shù)舉行修正。當(dāng)構(gòu)件滿意強(qiáng)度等效時(shí)，而整體變形(如撓度)條件不等效，則需對(duì)所測(cè)變形舉行修正。取彎矩等效時(shí)，尚需驗(yàn)算剪力對(duì)構(gòu)件的影響。（二）實(shí)驗(yàn)加載裝置的設(shè)計(jì)為了保證實(shí)驗(yàn)工作的正常舉行，實(shí)驗(yàn)加載的設(shè)備裝置也必須舉行專門的設(shè)計(jì)。在使用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備裝置時(shí)，也要按每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的要求對(duì)裝置的強(qiáng)度剛度舉行復(fù)核計(jì)算。對(duì)于加載裝置的強(qiáng)度，首先要滿意實(shí)驗(yàn)最大荷載量的要求，并保證有充足的安全儲(chǔ)備，同時(shí)要考慮到結(jié)構(gòu)受載后有可能使局部構(gòu)件的強(qiáng)度有所提高，以致試件的最大承載力常比預(yù)計(jì)的大，所以，在作實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，加載裝置的承載能力要求提高70％左右。實(shí)驗(yàn)加載裝置還必須考慮剛度要求。倘若剛度不足，將難以獲得試件極限荷載后的變形和受力性能。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加載裝置還要求能符合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力條件，要求能模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的邊界條件和變形條件。在磚石或砌塊墻體的低周反復(fù)實(shí)驗(yàn)中，圖18—1—7(a)當(dāng)墻體側(cè)向位移較大時(shí)施加豎向荷載用的拉桿對(duì)墻體的側(cè)向位移會(huì)產(chǎn)生約束作用，而18—1—7(b)的加載方式就能消除約束，較好地符合實(shí)際受力情況。在加載裝置中還必須注重試件的支承方式，梁的彎剪實(shí)驗(yàn)中，在加載點(diǎn)和支承點(diǎn)的摩擦力均會(huì)產(chǎn)生次應(yīng)力，使梁所受的彎矩減小。當(dāng)支承反力增大時(shí)，滾軸可能產(chǎn)生變形，甚至臨近塑性，會(huì)有異常大的摩擦力，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差。（三）結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的加載制度實(shí)驗(yàn)加載制度是指結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)舉行期間控制荷載與加載時(shí)光的關(guān)系。它包括加載速度的快慢、加載時(shí)光間歇的長短、分