朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁需要課件請或四、結(jié)構(gòu)實驗的觀測設(shè)計（一）觀測項目的決定在決定實驗的觀測項目時，首先應(yīng)該考慮反映結(jié)構(gòu)整體工作和全貌的整體變形，如結(jié)構(gòu)撓度、轉(zhuǎn)角和支座偏移等。通過撓度的測量不僅能了解結(jié)構(gòu)的剛度，而且可以知道結(jié)構(gòu)的彈性或非彈性工作性質(zhì)，撓度的不正常發(fā)展還能反映出結(jié)構(gòu)中某些異常的局部現(xiàn)象。轉(zhuǎn)角的測定往往用來分析超靜定延續(xù)結(jié)構(gòu)。對于某些實驗，反映結(jié)構(gòu)局部工作情況的局部變形也是很重要的，如應(yīng)變、裂縫和鋼筋的滑移等。例如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫浮上能直接說明其抗裂性能。再如，在作非破壞性實驗舉行應(yīng)力分析時，控制截面上的最大應(yīng)變往往是判斷結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的最重要指標(biāo)。（二）測點的挑選與布置利用結(jié)構(gòu)實驗儀器對結(jié)構(gòu)物或試件舉行變形和應(yīng)變測量時，在滿意實驗?zāi)康那疤嵯?，測點應(yīng)是宜少不宜多。任何一個測點的布置都應(yīng)該順從于結(jié)構(gòu)分析的需要。測點的位置必須要有代表性，結(jié)構(gòu)物的最大撓度和最大應(yīng)力部位上必須布置測量點位，稱之為控制測點。倘若目的不是要說明局部缺陷的影響，就不應(yīng)該在有顯著缺陷的截面上布置測點。在測量工作中，因為部分測量儀器會有工作不正常，發(fā)生故障以及無數(shù)偶爾因素影響量測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為了保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，還應(yīng)該布置一定數(shù)量的校核性測點。校核測點可以布置在結(jié)構(gòu)物的邊緣凸角和零應(yīng)力的構(gòu)件截面或桿件上，也可以布置在理論計算比較有控制的區(qū)域，此外我們還常常利用結(jié)構(gòu)本身和荷載作用的對稱性，在控制測點相對稱的位置上布置一定數(shù)量的校核測點。（三）儀器的挑選與測讀的原則1．實驗所用儀器要符合量測所需的精度要求，普通的實驗，要求測定結(jié)果的相對誤差不超過5％也就可以了。為此，應(yīng)使儀表的最小刻度值不大于5％的最大被測值。2．儀器的量程應(yīng)該滿意最大應(yīng)變或撓度的需要。最大被測值宜在儀器滿量程的1／5～2／3范圍內(nèi)，普通最大被測值不宜大于選用儀表最大量程的80％。3．倘若測點的數(shù)量無數(shù)而且測點又位于很高很遠(yuǎn)的部位，這時應(yīng)采用電阻應(yīng)變儀多點測量或遠(yuǎn)距測量，對埋于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的測點只能用電測儀表。4．挑選儀表時必須考慮測讀方便省時，須要時須采用巡回檢測和自動記錄裝置。5．為了避免差錯，同類參數(shù)的量測儀器應(yīng)盡可能選用一樣的型號規(guī)格，而常在校核測點上使用另一種類型的儀器，以致比較。6．動測實驗使用的儀表，尤其應(yīng)注重儀表的線性范圍、頻響特性和相位特性要滿意量測的要求。儀器儀表的測讀應(yīng)按一定的程序舉行，詳細(xì)的測定主意與實驗計劃、加載程序有密切的關(guān)系?？蓞⒁姟痘炷两Y(jié)構(gòu)實驗主意標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152—92)規(guī)定。五、材料的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)實驗的關(guān)系（一）概述一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的受力和變形特點，除受荷載等外界因素影響外，還要取決于組成這個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的材料內(nèi)部抵御外力的性能。充足了解材料的力學(xué)性能，對于在結(jié)構(gòu)實驗前或?qū)嶒炦^程中準(zhǔn)確預(yù)計結(jié)構(gòu)的承載能力和實際工作情況，以及在實驗后收拾實驗數(shù)據(jù)，處理實驗結(jié)果等工作都具有異常重要的意義。在結(jié)構(gòu)實驗中按照結(jié)構(gòu)或構(gòu)件材料性質(zhì)的不同，必須測定相應(yīng)的一些最基本的數(shù)據(jù)，如混凝土的抗壓強(qiáng)度、鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉極限強(qiáng)度、磚石砌體的抗壓強(qiáng)度等。在科學(xué)研究性的實驗中為了了解材料的荷載變形、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，需要測定材料的彈性模量，偶爾按照實驗研究的要求，尚須測定混凝土材料的抗拉強(qiáng)度以及各種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線等有關(guān)數(shù)據(jù)。在測量材料各種力學(xué)性能時，應(yīng)該按照國家標(biāo)準(zhǔn)或部頒標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)實驗主意舉行，對于試件的形狀、尺寸、加工工藝及實驗加載、測量主意等都要符合規(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在建造結(jié)構(gòu)抗震研究中，按照地震荷載作用的特點，在結(jié)構(gòu)上施加周期性反復(fù)荷載，結(jié)構(gòu)將進(jìn)入非線性階段工作，因此相應(yīng)的材料實驗也須要在周期性反復(fù)荷載下舉行，這時鋼材將會浮上包辛格效應(yīng)，對于混凝土材料就需要舉行應(yīng)力應(yīng)變曲線全過程的測定，異常要測定曲線的下降段部分。（二）材料力學(xué)性能的實驗主意對強(qiáng)度指標(biāo)的影響材料的力學(xué)性能指標(biāo)是由鋼材、鋼筋和混凝土等各種材料分離制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣或試塊舉行實驗結(jié)果的平均值。因為材質(zhì)的不勻稱性等緣故，測定的結(jié)果必然會有較大的波動，尤其當(dāng)實驗主意不妥時，波動值將會更大。持久以來人們通過生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)實驗主意對材料強(qiáng)度指標(biāo)有著一定的影響，異常是試件的形狀、尺寸和實驗加載速度對實驗結(jié)果的影響尤為顯著，對于同一種材料，僅僅因為實驗主意與實驗條件的不同，就會得出不同的強(qiáng)度指標(biāo)。下面我們就混凝土材料來作進(jìn)一步的說明。1．試件尺寸與形狀的影響在國際上各國混凝土材料強(qiáng)度測定用的試件有立方體和圓柱體兩種。按照我國《普通混凝土力學(xué)性能實驗主意》規(guī)定，采用150mm×l50mm×l50mm的立方體試件測定的抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值，采用h／a=2：1的150mm×l50mm×300mm的棱柱體試件(h為試件的高度，a為試件的邊長)，為測定混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)試件。國外采用圓柱體試件時，試件尺寸為hl／d＝2：1的?100mm×200mm或?50mm×300mm的圓柱體(h為圓柱體高度，d為圓柱體直徑)。隨著材料試件尺寸的縮小，在實驗中浮上了混凝土強(qiáng)度有系統(tǒng)地稍有提高的現(xiàn)象。截面較小而高度較低的試件得出的抗壓強(qiáng)度偏高，這可以歸結(jié)為實驗主意和材料自身的緣故等兩個方面的因素，實驗主意問題可解釋為實驗機(jī)壓板對試件承壓面的摩擦力所起的箍緊作用，因為受壓面積與周長的比值不同而影響程度不一。對小試件的作用比對大試件要大。材料自身的緣故是因為內(nèi)部存在缺陷(裂縫)的分布，表面和內(nèi)部硬化程度的差異在大小不同的試件中起不同影響，隨試件尺寸的增大而增強(qiáng)。采用立方體或棱柱體的優(yōu)點是制作方便，試件受壓面是試件的模板面，平整度易于保證。但澆搗時試件的棱角處都由砂漿來填充，因而混凝土拌合物的顆粒分布不及圓柱體試件勻稱，因為圓形截面邊界條件均一性好，所以圓柱體截面應(yīng)力分布勻稱。此外圓柱體試件形狀與鉆芯法從結(jié)構(gòu)上鉆取的試樣一致。但因為圓柱體試件是立式成型，試件的端面即是實驗加載的受壓面，比較粗糙，因此造成試件抗壓強(qiáng)度的離散性較大。2．實驗加載速度的影響在測定材料力學(xué)性能實驗時，加載速度愈快，即引起材料的應(yīng)變速率愈高，則試件的強(qiáng)度和彈性模量也就相應(yīng)提高。鋼筋的強(qiáng)度隨加載速度的提高面加大。見圖18—1—8(a)，圖中的數(shù)字ε為應(yīng)變速率；和ts為達(dá)到屈服的時光，反應(yīng)了加載速度?；炷帘M管是非金屬材料，但也和鋼筋一樣，隨著加載速度的增強(qiáng)而提高其強(qiáng)度和彈性模量。異常在很高應(yīng)變速率的情況下，因為混凝土內(nèi)部細(xì)微裂縫來不及發(fā)展，初始彈性模量隨應(yīng)變速率加快而提高。圖18—1—9表示了應(yīng)變速率對混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響。例：1.在靜載實驗研究中,框架截面尺寸與真型尺寸的比例大約為多少?(A)(A)1/41/2;(B)1/81/3; (C)1/21; (D)1/51/4。2下列哪一項不符合擬靜力和擬動實驗的尺寸要求?(C)(A)砌體結(jié)構(gòu)的墻體與原型的比例不宜小于原型的1/4;(B)混凝土結(jié)構(gòu)的墻體,高度和寬度尺寸與原型的比例,不宜小于原型的1/6;(C)框架節(jié)點的尺寸與原型的比例不宜小于原型的1/4;(D)框架結(jié)構(gòu)與原型的比例可取原結(jié)構(gòu)的1/8。3試件的最大承載能力和相應(yīng)變形計算,應(yīng)按下列哪一種舉行?(C)(A)材料的設(shè)計值;(B)材料的標(biāo)準(zhǔn)值;(C)實際材料性能指標(biāo);(D)試件荷載大小。4．采用L4(23)、L8(23）、L16(215）三種正交表舉行實驗時，下列說法準(zhǔn)確的是（B）。A．實驗次數(shù)不同、因素不同、水平不同B．實驗次數(shù)不同、因素不同、水平相同C．實驗次數(shù)相同、因素相同、水平不同D．實驗次數(shù)相同、因素相同、水平相同第二節(jié)結(jié)構(gòu)實驗的荷載設(shè)備和量測儀器一、結(jié)構(gòu)實驗的荷載設(shè)備結(jié)構(gòu)實驗為模擬結(jié)構(gòu)在實際受力工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，必須對實驗對象施加荷載，實驗用的荷載型式、大小、加載方式等都是按照實驗的目的要求，以如何能更好地模擬原有荷載等因素來挑選。在決定實驗荷載時，還取決于實驗室的設(shè)備和現(xiàn)場所具備的條件。準(zhǔn)確的荷載設(shè)計和挑選相宜于實驗?zāi)康男枰募虞d設(shè)備是保證囫圇工作順利舉行的關(guān)鍵之一。（一）重力加載法重力加載就是利用物體本身的分量施加于結(jié)構(gòu)上作為荷載。在實驗室內(nèi)可以利用的重物有專門澆鑄的標(biāo)準(zhǔn)鑄鐵砝碼，混凝土立方試塊，水箱等；在現(xiàn)場則可就地取材，常常是采用普通的砂、石、磚塊等建造材料，或是鋼錠、鑄鐵、廢構(gòu)件等。重力直接加載主意是將重物荷載直接堆放于結(jié)構(gòu)表面(如板的實驗)形成均布荷載或置于荷載盤上通過吊桿掛于結(jié)構(gòu)上形成擴(kuò)散荷載。后者較多用于現(xiàn)場做屋架實驗。利用水作為重力加載用的荷載時，水可以盛在水桶內(nèi)用吊桿作用于結(jié)構(gòu)上，作為擴(kuò)散荷載。也可以采用異常的盛水裝置作為均布荷載直接加于結(jié)構(gòu)表面。杠桿加載也屬于重力加載的一種。當(dāng)利用重物作為擴(kuò)散荷載受到荷載量的限制時，利用杠桿原理，將荷重放大作用于結(jié)構(gòu)上。杠桿加載的裝置按照實驗室或現(xiàn)場實驗條件的不同，可以有如圖18—2—1的幾種計劃。桿杠的支點、力點和重物的加載點的位置必須確切，由此決定杠桿的比例或放大率。（二）液壓加載法1．液壓加載器液壓加載器俗稱千斤頂是液壓加載設(shè)備中的主要部件。其主要工作原理是用高壓油泵將具有一定壓力的液壓油壓人液壓加載器的工作油缸，使之推進(jìn)活塞，對結(jié)構(gòu)施加荷載。荷載值由油壓表示值和加載器活塞受壓面積求得，也可由液壓加載器與荷載承力架之間所置的測力計直接測讀；或用傳感器將信號輸給電子秤顯示，也可由記錄器直接記錄。在靜力實驗中常用的有普通工業(yè)用的手動液壓加載器；有專門為結(jié)構(gòu)實驗設(shè)計的單向作用及雙向作用的液壓加載器。2．液壓加載系統(tǒng)液壓加載系統(tǒng)主要是由儲油箱、高壓油泵、液壓加載器、測力裝置和各類閥門組成的操縱臺通過高壓油管聯(lián)接組成。當(dāng)使用液壓加載系統(tǒng)在實驗臺座上或現(xiàn)場舉行實驗時尚必須配置各種支承系統(tǒng)，來承受液壓加載器對結(jié)構(gòu)加載時產(chǎn)生的平衡力系(圖18—2—2)。利用液壓加載實驗系統(tǒng)可以作各類建造結(jié)構(gòu)和構(gòu)件(屋架、梁、柱、板、墻板等)的靜荷實驗，尤其對大噸位、大撓度、大跨度的結(jié)構(gòu)更為適用，它不受加荷點數(shù)的多少，加荷點的距離和高度的限制，并能適應(yīng)均布和非均布、對稱和非對稱加荷的需要。力和臺身運動速度的要求。地震模擬振動臺有兩種控制主意：一種是模擬控制；另一種是用數(shù)字計算機(jī)控制。模擬控制主意有位移反饋控制和加速度信號輸入控制兩種。為了能使強(qiáng)地震加速度記錄推進(jìn)振動臺，在輸入端可以通過二次積分，同時輸入位移、速度和加速度三種信號舉行控制。為了提高振動臺控制精度，采用計算機(jī)舉行數(shù)字迭代的補(bǔ)償技術(shù)，實現(xiàn)臺面地震波的再現(xiàn)。實驗時，振動臺臺面輸出的波形是期待再現(xiàn)的某個地震記錄或是模擬設(shè)計的人工地震波。因為包括臺面、試件在內(nèi)的系統(tǒng)的非線性影響，在計算機(jī)給臺面的輸入信號鼓勵下所得到的反應(yīng)與輸出的期待波形之間必然存在誤差。這時，可由計算機(jī)將臺面輸出信號與系統(tǒng)本身的傳遞函數(shù)(頻率響應(yīng))求得下一次驅(qū)動臺面所需的補(bǔ)償量和修正后的輸入信號。經(jīng)過多次迭代，直至臺面輸出反應(yīng)信號與原始輸入信號之間的誤差小于預(yù)先給定的量值，這時，完成迭代補(bǔ)償并得到愜意的期待地震波形。振動臺臺面運動參數(shù)最基本的是位移、速度和加速度以及使用頻率。普通是按模型比例及實驗要求來決定臺身滿負(fù)荷時最大加速度，速度和位移等數(shù)值。使用頻率范圍由所作實驗?zāi)Ｐ偷牡谝活l率而定，普通各類結(jié)構(gòu)的第一頻率約在1～10Hz范圍內(nèi)，故囫圇系統(tǒng)的頻率范圍應(yīng)該大于10Hz，為考慮到高階振型，頻率上限固然越大越好。隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的疾馳發(fā)展，液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)已實現(xiàn)了徹低數(shù)字化，以前需人工舉行的大量繁瑣而復(fù)雜的手工操作，現(xiàn)在只需在計算機(jī)前按動幾下鼠標(biāo)即可完成。振動臺實驗的大量數(shù)據(jù)可以由組成網(wǎng)絡(luò)的幾臺微機(jī)來實時采集和處理。另外，通過Intemet，用戶還可以在千里之外實時了解實驗的情況和進(jìn)程。（三）慣性力加載法在結(jié)構(gòu)動力實驗中，利用物體質(zhì)量在運動時產(chǎn)生的慣性力，或利用彈藥筒和小火箭在炸藥爆炸時產(chǎn)生的反沖力，對結(jié)構(gòu)舉行加載。1．沖擊力加載沖擊力加載的特點是荷載作用時光極為短促，在它的作用下使被加載結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有阻尼的自由振動，適用于舉行結(jié)構(gòu)動力特性的實驗。（1）初位移加載法。也稱為張拉突卸法。如圖18—2—8(a)所示在結(jié)構(gòu)上拉一鋼絲纜繩，使結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生一個人為的初始強(qiáng)迫位移，然后驟然釋放，使結(jié)構(gòu)在靜力平衡位置附近作自由振動。例：1．在決定實驗的觀測項目時,應(yīng)該按哪一項考慮?(C)(A)整體變形測量;(B)局部變形測量;(