1、結(jié)構(gòu)模型試驗,模型試驗的要求 模型試驗相似要求 模型試驗的優(yōu)點 模型試驗的應(yīng)用范圍 模型試驗的相似常數(shù) 模型試驗相似定理 模型試驗設(shè)計 模型試驗材料,結(jié)構(gòu)試驗對模型的基本要求,進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型試驗，除了必須遵循前述試驗設(shè)計的一般原則和要求外，結(jié)構(gòu)模型還應(yīng)嚴(yán)格按照相似理論進(jìn)行設(shè)計。,（1）要求模型和原型結(jié)構(gòu)的幾何相似并保持一定的比例； （2）要求模型和原型的材料相似或具有某種相似關(guān)系； （3）要求施加于模型的荷載按原型荷載的某一比例縮小或放大； （4）要求確定模型結(jié)構(gòu)試驗過程中各物理量的相似常數(shù)，并由此求得反映相似模型整個物理過程的相似條件。 最終按相似條件由模型試驗推算出原型結(jié)構(gòu)的相應(yīng)數(shù)據(jù)和試驗結(jié)

2、果。,模型試驗相似條件,（1）經(jīng)濟(jì)性好 結(jié)構(gòu)模型的幾何尺寸比原型小很多（1/21/6），因此模型的制作容易，裝拆方便，節(jié)省材料、勞力和時間，并且同一個模型可進(jìn)行多個不同目的的試驗。 （2）針對性強(qiáng) 結(jié)構(gòu)模型試驗可以根據(jù)試驗的目的，突出主要因素，簡略次要因素。這對于結(jié)構(gòu)性能的研究，新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計，結(jié)構(gòu)理論的驗證和推動新的計算理論的發(fā)展都具有一定的意義。 （3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確 由于試驗?zāi)Ｐ托。话憧稍谠囼灜h(huán)境條件較好的室內(nèi)進(jìn)行試驗，因此可以嚴(yán)格控制其主要參數(shù)，避免許多外界因素的干擾，保證了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確度。,模型試驗優(yōu)點,（1）代替大型結(jié)構(gòu)試驗或作為大型結(jié)構(gòu)試驗的輔助試驗 （2）作為結(jié)構(gòu)分析計算的輔助手

3、段 （3）驗證和發(fā)展結(jié)構(gòu)設(shè)計理論,模型試驗的應(yīng)用范圍,（1）幾何相似 結(jié)構(gòu)模型和原型滿足幾何相似，即要求模型和原型結(jié)構(gòu)之間所有對應(yīng)部分尺寸成比例。模型比例即為長度相似常數(shù)，即 式中，下標(biāo)m與p分別表示模型和原型。,相似常數(shù),模型和原型結(jié)構(gòu)的面積、截面模量和慣性矩相似常數(shù)分別如下： 根據(jù)變形體系的位移、長度和應(yīng)變之間的關(guān)系，位移的相似常數(shù)為：,幾何相似常數(shù),（2）質(zhì)量相似 動力問題中，要求結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布相似，即模型與原型結(jié)構(gòu)對應(yīng)部分的質(zhì)量成比例。質(zhì)量相似常數(shù)為： 對于具有分布質(zhì)量的部分，用質(zhì)量密度（單位體積的質(zhì)量）表示更為合適，質(zhì)量密度的相似常數(shù)為：,質(zhì)量相似,荷載相似要求模型和原型在各對應(yīng)點所

4、受的荷載方向一致，荷載大小成比例。 集中荷載的相似常數(shù)：,荷載相似(1),線荷載的相似常數(shù)： 面荷載的相似常數(shù)： 彎矩或扭矩相似常數(shù)： 結(jié)構(gòu)自重影響相似常數(shù)： 一般情況下,荷載相似(2),時間相似是對于隨時間變化的過程，如結(jié)構(gòu)動力問題，要求結(jié)構(gòu)模型和原型在對應(yīng)的時刻進(jìn)行比較，要求相對應(yīng)的時間成比例，時間相似常數(shù)為：,時間相似(2),邊界條件相似,邊界條件相似要求模型和原型在與外界接觸的區(qū)域內(nèi)的各種條件保持相似，也即要求支承條件相似、約束情況相似以及邊界上受力情況相似。模型的支承和約束條件可以由與原型結(jié)構(gòu)構(gòu)造相同的條件來滿足與保證。,初始條件相似,對于結(jié)構(gòu)動力問題，為了保證模型與原型的動力反應(yīng)相

5、似，要求初始時刻運動的參數(shù)相似。運動的初始條件包括初始狀態(tài)下的初始幾何位置、質(zhì)點的位移、速度和加速度。,相似原理,相似原理是研究自然界相似現(xiàn)象的性質(zhì)，鑒別相似現(xiàn)象的基本原理，它由三個相似定理組成。這三個相似定理從理論上闡明了相似現(xiàn)象有什么性質(zhì)，滿足什么條件才能實現(xiàn)現(xiàn)象的相似,第一相似定理,彼此相似的現(xiàn)象，單值條件相同，其相似準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值也相同。 單值條件指決定于一個現(xiàn)象的特性并使它從一群現(xiàn)象中區(qū)分出來的那些條件。它在一定試驗條件下，只有唯一的試驗結(jié)果。屬于單值條件的因素有：系統(tǒng)的幾何特性、介質(zhì)或系統(tǒng)中對所研究現(xiàn)象有重大影響的物理參數(shù)、系統(tǒng)的初始狀態(tài)、邊界條件等,第二相似定理,某一現(xiàn)象各物理量之間

6、的關(guān)系方程式，都可表示為相似準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。寫成相似準(zhǔn)數(shù)方程式的形式：,第三相似定理,現(xiàn)象的單值條件相似，并且由單值條件導(dǎo)出來的相似準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值相等，是現(xiàn)象彼此相似的充分和必要條件。,模型設(shè)計的程序： （1）根據(jù)試驗的目的和要求，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ椭谱鞑牧?（2）針對研究對象，確定相似準(zhǔn)數(shù) （3）根據(jù)試驗條件，確定幾何相似常數(shù) （4）根據(jù)相似準(zhǔn)數(shù)導(dǎo)出的相似條件，確定其它相似常數(shù) （5）繪制模型施工圖,模型設(shè)計,靜力相似模型： 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模型一般包括如下物理量： （1）結(jié)構(gòu)的幾何尺寸l（長、寬、高） （2）荷載作用點的坐標(biāo)位置x、y、z （3）結(jié)構(gòu)上的荷載，如集中力P、彎矩M、均布荷載q（包括自重

7、） （4）結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，如撓度、轉(zhuǎn)角、應(yīng)力、應(yīng)變 （5）材料的性能，如彈性模量E、泊松比、比重,靜力相似模型,結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型一般也包括如下物理量： （1）結(jié)構(gòu)的幾何尺寸l（長、寬、高） （2）結(jié)構(gòu)因變形產(chǎn)生的彈性力、重力、慣性力、阻尼力 （3）時間、加速度、速度、阻尼、重力加速度 （4）結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，如撓度等 （5）材料的性能，如彈性模量E、密度,動力相似模型,模型試驗材料要求及制作(1),（1）保證相似要求 即要求模型設(shè)計滿足相似條件，以使模型試驗結(jié)果可按相似準(zhǔn)數(shù)及相似條件推算到原型結(jié)構(gòu)上去。 （2）保證量測要求 即要求模型材料在試驗時能產(chǎn)生較大的變形，以便量測儀表能夠精確地予以讀數(shù)。因此，應(yīng)選

8、擇彈性模量較低的模型材料，但也不宜過低以致影響試驗結(jié)果,（3）保證材料性能穩(wěn)定 即要求模型材料不受溫度、濕度的變化而變化。一般模型結(jié)構(gòu)尺寸較小，對環(huán)境變化很敏感，以致其產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于它對原型結(jié)構(gòu)的影響，因此材料性能穩(wěn)定是很重要的。 （4）保證材料徐變小 由于徐變是時間、溫度和應(yīng)力的函數(shù)，故徐變對試驗的結(jié)果影響很大，而真正的彈性變形不應(yīng)該包括徐變。 （5）保證加工制作方便 選用的模型材料應(yīng)易于加工和制作，這對于降低模型試驗費用是極重要的。,模型試驗材料要求及制作(2),模型試驗中常用的材料-金屬,符合彈性理論的基本假定。常用的有鋼材、銅、鋁合金等，泊松比接近混凝土的泊松比。鋼和銅可焊接，易于加

9、工，而鋁合金一般采用鉚接，連接特性很難滿足原型的要求。,制作模型的塑料種類很多，熱固性的有環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂，熱塑性的有聚氯乙烯、有機(jī)玻璃等。塑料作為模型材料的優(yōu)點是強(qiáng)度高而彈性模量低，容易加工。缺點是徐變較大，彈性模量受溫度變化的影響較大。 有機(jī)玻璃是各向同性的勻質(zhì)材料，模型中用得較多。由于徐變較大，試驗中應(yīng)控制材料的應(yīng)力。另外，模型的接頭強(qiáng)度比較低，模型設(shè)計時，應(yīng)考慮這一問題。 環(huán)氧樹脂可在半流體狀態(tài)下澆注成型，然后固化。在環(huán)氧樹脂中摻入鋁粉、水泥、砂等填充料，可改善材料的力學(xué)性能。,模型試驗中常用的材料-塑料,用石膏制作模型，其優(yōu)點是容易加工，成本較低，泊松比與混凝土接近，彈性模量可以改變。其缺點是抗拉強(qiáng)度低，要獲得均勻和正確的彈性模量較困難。 石膏模型可用石膏漿注入尺寸準(zhǔn)確的模具來制作，也可將石膏澆注成整塊后進(jìn)行機(jī)械加工。石膏也可用以大致地模擬混凝土的塑性性能，配筋的石膏模型可用來模擬鋼筋混凝土的破壞形態(tài)。,模型試驗中常用的材料-石膏,（1）水泥砂漿 水泥砂漿曾被用于制作鋼筋混凝土板殼等薄壁結(jié)構(gòu)的模型，其力學(xué)性能接近混凝土，但由于缺乏級配，應(yīng)力應(yīng)變曲線較難與混凝土相似，所以目前用得較少。 （2）微?；炷?微粒混凝土是在砂漿的基礎(chǔ)上，對按相似比縮小粒徑的骨料進(jìn)行級配