1、第三章 結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn),結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)是最常規(guī)的試驗(yàn)之一。靜載試驗(yàn)中使用的儀器、儀表和設(shè)備可分為加載設(shè)備、測試元件和儀表、放大儀和記錄儀等儀器設(shè)備。試驗(yàn)中觀測的物理量為力、位移、應(yīng)變、溫度、裂縫寬度與分布、破壞或失穩(wěn)形態(tài)等。 一、靜載試驗(yàn)加載設(shè)備 二、試驗(yàn)裝置的支座設(shè)計(jì) 三、應(yīng)變測試技術(shù) 四、靜載試驗(yàn)用儀器儀表 五、靜載試驗(yàn)準(zhǔn)備與實(shí)施 六、結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)示例,四、靜載試驗(yàn)用儀器儀表,4.1測量儀表的基本概念 4.2結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中儀器儀表的選用原則 4.3 變形測量儀器（位移測試儀表、轉(zhuǎn)角測量儀表） 4.4力的測量儀器 4.5裂縫測量儀器 4.6溫度測量儀器 4.7數(shù)據(jù)采集儀器,測量 測量可以廣義的理解為

2、試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)的量化過程。 測量技術(shù)一般包括： a 測量方法 b 測量儀器儀表 c 測量誤差分析 從最簡單的逐個(gè)測讀、手工記錄的儀表到應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)快速采集和處理的復(fù)雜系統(tǒng)。試驗(yàn)人員必須對(duì)試驗(yàn)所用的儀器儀表的基本原理和功能有所了解，才能正確的使用儀器儀表，在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中準(zhǔn)確的獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。,4.1測量儀表的基本概念,測量系統(tǒng)基本上由以下幾個(gè)部分組成 傳感部分放大部分顯示部分 傳感部分由傳感元件或傳感器組成，它從試驗(yàn)對(duì)象的測點(diǎn)感受信號(hào)并傳送給放大部分。 放大部分也稱為放大器，它通過各種方式將傳感器傳來的信號(hào)放大并傳送至顯示部分。 顯示部分將經(jīng)過放大的機(jī)械或電信號(hào)通過指針、電子數(shù)碼管、顯示

3、屏等顯示。有的儀器將顯示部分與記錄裝置連在一起。 機(jī)械式儀表的三部分常組裝在一體，電測儀器儀表大多數(shù)由三個(gè)獨(dú)立的部分組成,儀器儀表的基本參數(shù)包括主要性能指標(biāo)，儀器儀表運(yùn)行環(huán)境的相關(guān)參數(shù)（工作電壓、溫度、濕度） 量程：儀器儀表所能測量的物理量的范圍。 靈敏度：儀器儀表的輸出量的變化y與相應(yīng)輸入量的變化x的比值。 分辨率: 儀器儀表的顯示裝置所顯示的最小變化量的測量值。 準(zhǔn)確度：有時(shí)稱為精確度或精度，儀器儀表的顯示值或記錄值與被測物理量真實(shí)值的符合程度，常用滿量程的相對(duì)誤差來表示。 線性度：測量系統(tǒng)的實(shí)際輸入輸出特性曲線相對(duì)于理想線性輸入輸出特性的接近程度。 漂移量 ：測量系統(tǒng)的輸入不變時(shí)，系統(tǒng)的

4、輸出量隨時(shí)間變化的最大值，有時(shí)又稱為測量系統(tǒng)的不穩(wěn)定度。,4.2結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中儀器儀表的選用原則,結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)對(duì)測量儀器的基本原則是： 根據(jù)被測物理量的物理性質(zhì)選擇儀器儀表的基本功能。 預(yù)估被測物理量的變化范圍選擇儀器儀表的量程和精度。 選用可靠性程度較高的儀器儀表。可靠性與精度之間存在矛盾。,1、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)儀器設(shè)備的使用要求 （1）具有合適的量程、靈敏度和精度（1%）。 （2）安裝使用方便，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。 （3）不影響結(jié)構(gòu)的工作：自重輕，尺寸小。 （4）同一物理量測量儀器型號(hào)盡量相同，避免系統(tǒng)誤差。 （5）經(jīng)濟(jì)好：價(jià)廉耐用，可重復(fù)使用，安全可靠。 （6）按規(guī)定存放、使用和標(biāo)定。,2、測

5、量儀器標(biāo)定 （1）目的：確定儀器設(shè)備的靈敏度和精確度，應(yīng)該在試驗(yàn)前或試驗(yàn)前后對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。 （2）標(biāo)定： 單件標(biāo)定：確定某一件儀器的靈敏度和精確度； 系統(tǒng)標(biāo)定：確定某些儀器組成的系統(tǒng)的靈敏度和精確度。（實(shí)際試驗(yàn)中采用）,1、位移量測儀器 位移反映了結(jié)構(gòu)的整體剛度和工作性能，與應(yīng)力、應(yīng)變一樣是結(jié)構(gòu)計(jì)算和結(jié)構(gòu)性能評(píng)定的重要數(shù)據(jù)。常用的位移測量儀表有各類位移傳感器及其它一些測量儀器及裝置。 2、其它變形測量儀器 除應(yīng)變和位移外，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中轉(zhuǎn)角、曲率等有時(shí)也需要進(jìn)行測量。 掌握了基本方法后，還可以自行設(shè)計(jì)各類測量裝置。,4.3 變形測量儀器,1、位移量測儀器,1）各類位移傳感器（位移計(jì)） 常用的

6、位移傳感器有機(jī)械式百分表、千分表、電子百分表、滑阻式位移傳感器和差動(dòng)式位移傳感器等，如下圖。 這類儀器精度高，可達(dá)0.01mm 或0.001mm，雖然構(gòu)造不同，其原理：都是通過機(jī)械或電子手段將測桿感受到的位移放大并顯示出來。,幾種常用位移傳感器構(gòu)造原理圖1.測桿 2.外殼 3.彈簧 4.電阻應(yīng)變片5.電阻絲 6.線圈 7.電纜,=電阻應(yīng)變式位移計(jì),機(jī)械百分表=,=機(jī)電百分表,2）其它位移測量儀器及裝置,對(duì)于大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件如橋梁等，當(dāng)位移較大、測量精度要求不高時(shí)，可用張線式位移傳感器（圖3.28）、連通管（圖3.29）進(jìn)行測量，也可用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀及直尺進(jìn)行測量，其精度不如上述各類位移傳感器，一般

7、在0.1mm1mm 之間。 連通管是一種簡單裝置，將連通管注水，則各豎向管水位在一個(gè)平面內(nèi)，試件變形后水位仍在一個(gè)平面內(nèi)，可利用試件變形前后水位在標(biāo)尺上的讀數(shù)變化，求得試件撓度。,2、其它變形測量儀器,水準(zhǔn)式角度傳感器,用液體擺來感受角位移，液面的傾斜將引起電極A、B之間和B、C之間的電阻發(fā)生相應(yīng)改變，把電極A、B和C接人測量電橋，就可以得到與角位移相對(duì)應(yīng)的電壓輸出。,電阻應(yīng)變式傾角儀,水準(zhǔn)管式傾角儀,4.4 力測量儀表,靜力試驗(yàn)需要測定的力，主要是荷載和支座反力，其次有鋼絲的張力，還有風(fēng)壓、油壓、土壓力等。測量儀器也有機(jī)械式和電測兩種。其品種規(guī)格繁多， 列出一些例子，基本原理不外是利用彈性元

8、件的彈性變形或應(yīng)變與其所受外力構(gòu)成一定的比例關(guān)系而制成的測力裝置。機(jī)械式測力計(jì)利用千分表等測量彈性元件的變形，電測傳感器需要用二次電測儀器如電子秤、電阻應(yīng)變儀等測量彈性元件的應(yīng)變，由標(biāo)定關(guān)系得到力值。,結(jié)構(gòu)（尤其是混凝土結(jié)構(gòu)）靜力試驗(yàn)、檢測中觀察裂縫的發(fā)生和發(fā)展，對(duì)于確定開裂荷載，研究結(jié)構(gòu)抗裂性能和破壞過程有著重要的作用。 1、開裂：開裂時(shí)間和位置。 1）借助放大鏡用肉眼觀察。表面先刷大白漿或涂料 2）用應(yīng)變計(jì)或?qū)щ娖崮そ惶娲罱硬贾脕頊y量開裂。當(dāng)某處開裂時(shí)，該處應(yīng)變計(jì)讀數(shù)突變或跨裂縫的漆膜出現(xiàn)火花直至燒斷。 3）聲發(fā)射法：利用材料開裂時(shí)發(fā)射出聲能的現(xiàn)象。將傳感器布置在試件的表面或內(nèi)部，通過聲波

9、的測量來確定開裂。 4）裂縫應(yīng)變計(jì)：鋼結(jié)構(gòu)斷裂試驗(yàn) 2、裂縫寬度:讀數(shù)顯微鏡、裂縫標(biāo)尺,4.5 裂縫測量儀表,裂縫寬度測量儀器主要有： （1）讀數(shù)顯微鏡。讀數(shù)鼓輪上標(biāo)有刻度，旋動(dòng)讀數(shù)鼓輪，使鏡內(nèi)長線分別處于裂縫兩側(cè)邊緣并讀出兩次刻度值。兩次讀數(shù)差即為裂縫寬度。讀數(shù)顯微鏡精度一般為0.01mm，量程可達(dá)38mm。 （2）裂縫讀數(shù)卡。硬質(zhì)紙片上印有許多寬度不同的線條，其寬度為標(biāo)準(zhǔn)寬度，將標(biāo)準(zhǔn)寬度線條與裂縫放在一起，用放大鏡比照以測量裂縫寬度。此法 精度較讀數(shù)顯微鏡低。,讀數(shù)顯微鏡,裂縫標(biāo)尺,裂縫塞尺,=裂縫寬度觀測儀,裂縫寬度測試= （數(shù)字顯示）,4.6 溫度測量儀器,接觸式測溫：基于熱平衡原理

10、非接觸式測溫：利用熱輻射原理 熱電偶溫度計(jì)和熱敏電阻溫度計(jì)。,將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，接成橋路，從而將感受到的電信號(hào)輸出。根據(jù)所測力學(xué)量不同可做成各種傳感器，常用的有：,1、力（載荷）傳感器；,2、位移傳感器；,3、扭矩傳感器；,4、壓強(qiáng)傳感器；,5、加速度傳感器；,應(yīng)變片式傳感器,彈性元件是這類傳感器的關(guān)鍵元件， 因此要求彈性元件：,b）穩(wěn)定性好。因而對(duì)材料、結(jié)構(gòu)形式，熱處理加工等都有一定的要求。,a） 高，彈性范圍大。要求彈性元件的最大工作應(yīng)力處于材料的線彈性范圍內(nèi)。,c）為保證靈敏度，要求貼片部位的應(yīng)變足夠大，,一、測力傳感器,根據(jù)彈性元件上粘貼應(yīng)變片處的變形特點(diǎn)，可分為拉壓彈性元件、

11、彎曲彈性元件和剪切彈性元件。,1、拉壓彈性元件,（1）柱式彈性元件,測拉力或壓力的傳感器，彈性元件常采用空心圓柱，以便于粘貼應(yīng)變片和易于熱處理、淬透。為防止失穩(wěn)，壁厚不易太薄 。,應(yīng)變片在圓筒中部均布，每處貼一縱向片和一橫向片。8片應(yīng)變片組全橋。,應(yīng)變片在圓筒中部均布，每處貼一縱向片和一橫向片。8片應(yīng)變片組全橋。,縱向串：,橫向串：,各橋臂應(yīng)變?yōu)椋?應(yīng)變儀讀數(shù)應(yīng)變?yōu)椋?d=1-2+3-4,圓筒的軸向應(yīng)變：,若圓筒截面面積為A，則壓力P與讀數(shù)應(yīng)變之間的關(guān)系為：,由上式可知，壓力和應(yīng)變成線形關(guān)系。這僅僅是理論計(jì)算公式。實(shí)際上截面面積A在加載時(shí)是變化的 ，因此每一個(gè)傳感器的讀數(shù)應(yīng)變與力的關(guān)系都是要經(jīng)

12、過嚴(yán)格的標(biāo)定試驗(yàn)確定的。,上述彈性元件受到拉力或壓力時(shí)很難保證作用力嚴(yán)格通過柱的軸線，這就使得彈性元件除了受到軸向力外，還會(huì)受到橫向力和彎矩作用。為了消除這種影響，在圓筒受載荷端增加兩片膜片。,（2）平板開孔式彈性元件,當(dāng)測量較小載荷時(shí)，常選用有小孔的平板作為彈性元件，將應(yīng)變片粘貼在孔的邊緣。由于孔邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)變比無孔時(shí)大得多，可提高測量應(yīng)變的讀數(shù)。,（二）彎曲彈性元件,（1）懸臂梁式彈性元件,這種彈性元件適用于制作小載荷測力傳感器。,在固定端附近上下表面各貼兩個(gè)應(yīng)變片，組成全橋，得讀數(shù)應(yīng)變?yōu)椋?由材料力學(xué)可知：,載荷P與讀數(shù)應(yīng)變的關(guān)系為：,問題：當(dāng)P力作用點(diǎn)移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，顯然P與L

13、有關(guān)。,改進(jìn)后：若P有偏移，兩個(gè)截面中一個(gè)截面彎矩增加，一個(gè)截面彎矩減小，且增加量等于減少量，不會(huì)影響讀數(shù)的大小。,（2）圓環(huán)式彈性元件,1）純圓環(huán)彈性元件：,截面AB的彎矩分別為：,組成全橋，得到讀數(shù)應(yīng)變與彎曲應(yīng)變關(guān)系為：,由材料力學(xué)可知，若忽略圓環(huán)曲率的影響，貼片處的彎曲應(yīng)變?yōu)椋?其中 ： b 是圓環(huán)的厚度； h 是圓環(huán)的寬度。,（2）有加載端的彈性元件,由于環(huán)的兩端尺寸加大部分剛度很大，故可把它看作圓環(huán)的固定端來進(jìn)行內(nèi)力分析。,截面AB的彎矩分別為：,組全橋，可得到P力與讀數(shù)應(yīng)變的關(guān)系。,3、剪切彈性元件,（1）梁式剪切彈性元件,在梁的中性軸上，各點(diǎn)均為純剪切應(yīng)力狀態(tài)，故沿與軸線成 方向

14、粘貼四個(gè)應(yīng)變片，組成全橋，得到P與讀數(shù)應(yīng)變的關(guān)系為：,特點(diǎn)：當(dāng)載荷P的作用位置由偏移時(shí)，中性軸上的剪應(yīng)力和 方向上的線應(yīng)變不會(huì)變化，可消除載荷作用點(diǎn)偏移造成的誤差。,為了盡可能減少彎矩的影響，采用圖中結(jié)構(gòu)形式，使得貼片截面處的彎矩等于零。,PL,P(L-L),L,L,4.7 數(shù)據(jù)采集儀器（系統(tǒng)）,1、X-Y記錄儀 可直接繪出曲線，精度高，記錄速度快，可用靜載，也可用于低平動(dòng)載試驗(yàn)。,X-Y記錄儀,2、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集器,1）用傳感器感受各種物理量，并把它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 2）通過A/D轉(zhuǎn)換，把模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量。 3）數(shù)據(jù)的記錄、打印輸出或存人磁盤文件。,PCI采集卡,USB 采集卡,3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（簡稱數(shù)采系統(tǒng)）可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、分析、判斷、報(bào)警、直讀、繪圖、儲(chǔ)存、試驗(yàn)控制和人機(jī)對(duì)話等，它具有采樣通道多、采樣數(shù)據(jù)量大、采樣自動(dòng)化等特點(diǎn)。數(shù)采系統(tǒng)不僅適用于靜力試驗(yàn)，也適用于動(dòng)力試驗(yàn)。隨著軟、硬件制造技術(shù)的發(fā)展，