Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu1土木工程学院土木工程学院结构实验技术结构实验技术 田石柱田石柱 教授教授Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu2第一章第一章 结构静载试验结构静载试验 1.1 1.1 概述概述 建筑结构上的作用分为建筑结构上的作用分为直接作用直接作用与与间接间接作用作用。直接作用直接作用主要是荷载作用，包含结主要是荷载作用，包含结构自重与施加在结构上的外力；其它引起构自重与施加在结构上的外力；其它引起结构外加变形和约束变形的原因结构外加变形和约束变形的原因, ,如温度变如温度变化、地基不均匀下沉和结构内部物理、化化、地基不均匀下沉和结构内部物理、化学作用等为学作用等为间接作用间接作用。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu3第一章第一章 结构静载试验结构静载试验 1.1 1.1 概述概述 直接作用又分为直接作用又分为静荷载作用静荷载作用和和动荷载作动荷载作用用两类，两类，静荷载作用静荷载作用是指对结构或构件不是指对结构或构件不引起加速度或引起加速度或加速度加速度可以忽略不计的直接可以忽略不计的直接作用。作用。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu4第一章第一章 结构静载试验结构静载试验 1.1 1.1 概述概述 建筑结构的主要职能是承受建筑结构的主要职能是承受直接作用直接作用的，因的，因此，研究结构承受直接作用的状况是结构试验与此，研究结构承受直接作用的状况是结构试验与分析的主要目的，在结构的直接作用中，经常起分析的主要目的，在结构的直接作用中，经常起主导作用的是主导作用的是静荷载静荷载，于是静载试验也就被置于，于是静载试验也就被置于经常的经常的常规试验常规试验中。中。 静载试验主要讨论原型结构、缩尺结构、构静载试验主要讨论原型结构、缩尺结构、构件的静载试验原理、内容和方法。件的静载试验原理、内容和方法。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu51.2 1.2 静载试验的加载设备静载试验的加载设备 结构静载试验，除少数在实际荷载下实结构静载试验，除少数在实际荷载下实测之外，绝大多数是在测之外，绝大多数是在模拟荷载模拟荷载作用下进作用下进行。尽管试验目的不同，对加载设备的要行。尽管试验目的不同，对加载设备的要求不一样，产生模拟荷载的方法可以很多，求不一样，产生模拟荷载的方法可以很多，但无论采用何种方法，加载设备必须满足但无论采用何种方法，加载设备必须满足以下以下基本要求基本要求：Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu61.2 1.2 静载试验的加载设备静载试验的加载设备1.1.试验荷载的作用应符合实验荷载作用的传递方式，试验荷载的作用应符合实验荷载作用的传递方式，能使被试验结构，构件再现其实际工作状态的能使被试验结构，构件再现其实际工作状态的边边界条件界条件。2.2.产生的荷载值应当明确，满足试验的准确度，除产生的荷载值应当明确，满足试验的准确度，除模拟动力作用之外，荷载值应能保持模拟动力作用之外，荷载值应能保持相对稳定相对稳定，不会随时间、环境条件的改变和结构的变形而变不会随时间、环境条件的改变和结构的变形而变化，保证荷载量的相对误差不超过化，保证荷载量的相对误差不超过5%5%。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu71.2 1.2 静载试验的加载设备静载试验的加载设备3.3.加载设备本身应有足够的强度和刚度，并有加载设备本身应有足够的强度和刚度，并有足够足够的储备的储备，避免发生意外事故。，避免发生意外事故。4. 加载设备加载设备不应参与结构工作不应参与结构工作，以致改变结构的受，以致改变结构的受力状态或使结构产生次应力力状态或使结构产生次应力。5.5.能分级能分级加载和卸载加载和卸载，以便控制加载或卸载速度。，以便控制加载或卸载速度。6.6.尽采用先进技术，满足自动化的要求，减轻劳动尽采用先进技术，满足自动化的要求，减轻劳动强度，方便加载，强度，方便加载，提高试验效率和质量提高试验效率和质量。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu81.2 1.2 静载试验的加载设备静载试验的加载设备 加载设备种类加载设备种类： 有有重物重物、液压液压、气压气压、机械机械和和电液伺服电液伺服加载系统加载系统以及和它们相配合的各种以及和它们相配合的各种试验装试验装置置等。等。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu9一、重物加载法及设备一、重物加载法及设备 是利用物体的是利用物体的重量重量作为静荷载加于结构作为静荷载加于结构上的加载方法。上的加载方法。 主要设备有主要设备有： 荷重块荷重块（铁块、混凝土块、砖、水、沙（铁块、混凝土块、砖、水、沙石等）、石等）、荷重盘荷重盘、杠杆杠杆等。等。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu101 . 1 . 荷重块加载荷重块加载 可以有规则地放置于结构上，作为均布可以有规则地放置于结构上，作为均布荷载如图荷载如图1-11-1所示所示Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu11 荷重块荷重块: : 在试验室，常用具有标准重量的铸铁块，为在试验室，常用具有标准重量的铸铁块，为了减少加载时的冲击力，荷重块重不宜大于了减少加载时的冲击力，荷重块重不宜大于25kg25kg。 在工地现场，可以就地取材，用砖、袋装砂，在工地现场，可以就地取材，用砖、袋装砂，石料作为荷重，要求密度大（比重大），形状石料作为荷重，要求密度大（比重大），形状规整，以便堆放加载和累计加载量。规整，以便堆放加载和累计加载量。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu12 保证加载精度和分级精度：保证加载精度和分级精度： 随机抽取随机抽取2020块检查，若每块误差不超过平均块检查，若每块误差不超过平均重的重的5%5%时，荷载值可按平均重计算时，荷载值可按平均重计算。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu13 保证均匀分布保证均匀分布： 重物排列于结构上作为均布荷载时，应分垛重物排列于结构上作为均布荷载时，应分垛堆放，垛间距堆放，垛间距5 515cm15cm且每垛的边长且每垛的边长 ，对于跨度不大于对于跨度不大于4m4m的构件，每堆长度不应大于的构件，每堆长度不应大于构件跨度的构件跨度的1/41/4。 上述要求的目的在于避免荷重物在结构变形上述要求的目的在于避免荷重物在结构变形时，因彼此挤碰产生时，因彼此挤碰产生内拱内拱，而引起局部，而引起局部卸荷卸荷（避免荷载起拱而参与结构工作）。（避免荷载起拱而参与结构工作）。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu14 水直接用作均布荷载时，可用水的高度计水直接用作均布荷载时，可用水的高度计算控制荷载值，当结构变形过大时，应注意水算控制荷载值，当结构变形过大时，应注意水荷载的不均匀性所产生的影响。荷载的不均匀性所产生的影响。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu15 2 2. .荷重盘加载荷重盘加载 荷重盘是承荷重的吊盘，用于施加集中荷载荷重盘是承荷重的吊盘，用于施加集中荷载。 如下图所示，荷重盘一般用钢筋和角钢焊接而成，如下图所示，荷重盘一般用钢筋和角钢焊接而成，其平面尺寸根据测试的需要决定其强度必须是足够其平面尺寸根据测试的需要决定其强度必须是足够保证安全。吊杆与荷重盘的自重应计入第一级荷载。保证安全。吊杆与荷重盘的自重应计入第一级荷载。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu16 3 3 杠杆加载杠杆加载 杠杆加载也属于重力加载的一种。当利用重杠杆加载也属于重力加载的一种。当利用重物作为集中荷载时，经常会受到荷载量的限制，物作为集中荷载时，经常会受到荷载量的限制，利用杠杆的放大作用，可以减小荷重块的用量。利用杠杆的放大作用，可以减小荷重块的用量。重物杠杆加载如下图所示。重物杠杆加载如下图所示。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu17 杠杆加载荷载值稳定不变，当结构有变形时，荷载杠杆加载荷载值稳定不变，当结构有变形时，荷载可以保持恒定，对应做可以保持恒定，对应做持久荷载持久荷载试验尤为适合。试验尤为适合。杠杆加载的放大率，常用放大率为杠杆加载的放大率，常用放大率为3 35 5倍，过大的倍，过大的放大率会使杠杆在测试后期倾斜较大，对结构产生放大率会使杠杆在测试后期倾斜较大，对结构产生较大的较大的水平推力水平推力，杠杆除须满足强度，稳定要求外，杠杆除须满足强度，稳定要求外，还必须具有足够的刚度，否则加载后期变形过大，还必须具有足够的刚度，否则加载后期变形过大，也会对结构产生较大的水平推力，引起不良后果。也会对结构产生较大的水平推力，引起不良后果。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu18 用杆杆加载之初，应使杠杆施力点比支点稍高，以用杆杆加载之初，应使杠杆施力点比支点稍高，以使满载时杠杆的斜度接近水平，减小因杠杆倾斜而使满载时杠杆的斜度接近水平，减小因杠杆倾斜而产生的水平推力。产生的水平推力。荷重盘的下面，杠杆法码盘的下面和堆放荷重物加荷重盘的下面，杠杆法码盘的下面和堆放荷重物加载的试件的下面，都应放置载的试件的下面，都应放置垫物垫物，与垫物之间的间，与垫物之间的间隙在整个测试过程中保持隙在整个测试过程中保持5cm5cm左右，以免结构达到左右，以免结构达到极限承载能力后被突然压塌或引起杠杆倾覆，造成极限承载能力后被突然压塌或引起杠杆倾覆，造成观测仪器损坏和人员伤亡的事故。观测仪器损坏和人员伤亡的事故。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu19二、液压加载法及设备二、液压加载法及设备 液压加载液压加载是目前结构试验中应用比较理是目前结构试验中应用比较理想的一种加载方法，也是结构试验中想的一种加载方法，也是结构试验中最常用最常用的加载方法，它的最大优点是利用油压使液的加载方法，它的最大优点是利用油压使液压加载器产生压加载器产生较大较大的荷载，试验操作安全方的荷载，试验操作安全方便。液压加载器主要有便。液压加载器主要有手动手动液压千斤顶，液压千斤顶，油油泵泵液压千斤顶等。液压千斤顶等。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu201. 手动液压千斤顶手动液压千斤顶 主要由油泵和加荷油缸两部分组成，其主要由油泵和加荷油缸两部分组成，其工作原理如图所示。工作原理如图所示。缺点：每台千斤顶必缺点：每台千斤顶必须有专人操作，不能须有专人操作，不能实行多点同步加载。实行多点同步加载。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu212. 2. 油泵液压千斤顶油泵液压千斤顶 油泵液压千斤顶如图所示，就是一个加油泵液压千斤顶如图所示，就是一个加载油缸，由电动油泵提供油压，此种千斤顶载油缸，由电动油泵提供油压，此种千斤顶若在油泵出口接上分油器，可组成若在油泵出口接上分油器，可组成多点同步多点同步加载系统适应多点同步加载要求。加载系统适应多点同步加载要求。 进油进油出油出油Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu22 进进油油出出油油Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu23 千斤顶与支承系统组成液压加载系统，如图千斤顶与支承系统组成液压加载系统，如图所示是一个常用加所示是一个常用加垂直荷载垂直荷载的装置形式。的装置形式。 兰色兰色是液压千斤顶，是液压千斤顶，黄色黄色是测力计，是测力计，桔黄色桔黄色是反力架是反力架加载架加载架常用钢制成，常用钢制成，横梁横梁可沿加载架上下调节，可沿加载架上下调节，试验台座试验台座为为1 1米以上至几米米以上至几米厚的劲性钢筋砼结构。厚的劲性钢筋砼结构。试验台座形式有：试验台座形式有：槽道式槽道式、地锚式地锚式、孔洞式孔洞式（台面下有地下室）（台面下有地下室）Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu24 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu25 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu26 水平反力：水平反力：施加侧向推力或低周反施加侧向推力或低周反复荷载时，其水平反力复荷载时，其水平反力支承机构常用与台座连支承机构常用与台座连成成L L形，形成刚度很大形，形成刚度很大的反力墙。的反力墙。当荷载较小时，水平支当荷载较小时，水平支承也有用三角架锚固在承也有用三角架锚固在试验台座上。试验台座上。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu273. 3. 材料、构件试验机材料、构件试验机 结构静载试验也常用到各种液压试验机，结构静载试验也常用到各种液压试验机，如如: :万能材料试验机万能材料试验机、压力试验机压力试验机等，这些试等，这些试验机除做到材料力学性能试验外，也可做尺验机除做到材料力学性能试验外，也可做尺寸较小的构件试验。寸较小的构件试验。 长柱试验机：长柱试验机：5m5m、10m10m、500T500T、1000T1000T长长柱试验，也可作抗弯试验。柱试验，也可作抗弯试验。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu28 试验机都是典型的液压加载系统，不过把荷试验机都是典型的液压加载系统，不过把荷载架、机座、加载器等组成工作单元，其余载架、机座、加载器等组成工作单元，其余部分组成操纵单元，二部分用油管连接起来部分组成操纵单元，二部分用油管连接起来（做弯、砌体试验等应该用长压板）（做弯、砌体试验等应该用长压板）。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu29Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu30三、电液伺服加载系统三、电液伺服加载系统 电液伺服加载系统在电液伺服加载系统在2020世纪世纪5050年代中期年代中期开始首先应用于材料试验机技术领域，由于开始首先应用于材料试验机技术领域，由于它可以它可以较为准确地模拟试件所受的实际外力较为准确地模拟试件所受的实际外力与受力状态与受力状态，所以在近代试验加载技术中被，所以在近代试验加载技术中被人们引入到结构试验的领域中，它是目前结人们引入到结构试验的领域中，它是目前结构试验研究中一种构试验研究中一种比较理想比较理想的试验设备，特的试验设备，特别是用来进行抗震结构的别是用来进行抗震结构的静力或动力试验静力或动力试验，尤为适宜。尤为适宜。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu31 电液伺服加载系统的工作原理电液伺服加载系统的工作原理 电液伺服加载系统目前采电液伺服加载系统目前采用闭环控制，其主要组成是电用闭环控制，其主要组成是电液伺服加载器（液伺服加载器（作动器作动器）、）、控控制系统制系统和和液压源液压源等三大部分，等三大部分，它可将荷载、应变、位移等物它可将荷载、应变、位移等物理量直接作为控制参数，实行理量直接作为控制参数，实行自动控制。与计算机连接组成自动控制。与计算机连接组成程序控制电液伺服系统，称为程序控制电液伺服系统，称为计算机控制系统。计算机控制系统。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu32电液伺服加载系统的工作原理电液伺服加载系统的工作原理 如图所示是电液伺服加载系统的电压控制闭环回如图所示是电液伺服加载系统的电压控制闭环回路。路。 VVVV1243561 1指令信号；指令信号；2 2调整放大系统；调整放大系统；3 3油源；油源；4 4伺服阀；伺服阀；5 5作动器；作动器；6 6传感器传感器特点：特点：具有响应快、灵敏度高、量测与控制精度好，出力大，波形多，频带具有响应快、灵敏度高、量测与控制精度好，出力大，波形多，频带宽、可以与计算机联机等。使试验新技术开发逐渐由硬件技术转向软件技术宽、可以与计算机联机等。使试验新技术开发逐渐由硬件技术转向软件技术，在结构试验中应用愈来愈广泛。可以做静态、动态、低周疲劳试验等。，在结构试验中应用愈来愈广泛。可以做静态、动态、低周疲劳试验等。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu33四、机械机具加载四、机械机具加载 常用的机械加载机具有：常用的机械加载机具有：绞车绞车、卷扬机卷扬机、倒链葫倒链葫芦芦、花篮螺丝花篮螺丝、螺旋千斤顶螺旋千斤顶和和弹簧弹簧等。等。 绞车、卷扬机、倒链葫芦和花篮螺丝等主要是配绞车、卷扬机、倒链葫芦和花篮螺丝等主要是配合钢丝或绳索对结构施加合钢丝或绳索对结构施加拉力拉力。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu34四、机械机具加载四、机械机具加载 弹簧、螺旋千斤顶弹簧、螺旋千斤顶均较适用于施加均较适用于施加长期试验长期试验荷载。荷载。螺旋千斤顶由涡轮蜗杆等组成，手动机械顶使用类螺旋千斤顶由涡轮蜗杆等组成，手动机械顶使用类同普通手动液压千斤顶。弹簧可直接旋紧螺帽，或同普通手动液压千斤顶。弹簧可直接旋紧螺帽，或先用千斤顶加压后旋紧螺帽，靠其弹力加压，用先用千斤顶加压后旋紧螺帽，靠其弹力加压，用百百分表分表测其压缩变形确定测其压缩变形确定荷载值荷载值。结构变形会自动卸。结构变形会自动卸载，应及时加以调节。载，应及时加以调节。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu35五、气压加载五、气压加载 气压加载有两种。一种是用空气压缩机气压加载有两种。一种是用空气压缩机对气包对气包充气充气，给试件加均匀荷载。另一种是，给试件加均匀荷载。另一种是用真空泵用真空泵抽出抽出试件与台座围成的封闭空间的试件与台座围成的封闭空间的空气空气，形成大气压力差对试件加均匀荷载。，形成大气压力差对试件加均匀荷载。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu36 分配梁是将集中作用于一点分配梁是将集中作用于一点的荷载转换为作用于试件的多点的荷载转换为作用于试件的多点分荷载的设备，如图所示，一般分荷载的设备，如图所示，一般用用型钢制成型钢制成。 分配梁的刚度必须足够，并且分配梁的刚度必须足够，并且必须组成静定简支梁，以免妨碍必须组成静定简支梁，以免妨碍结构的变形。结构的变形。 分配梁不宜超过两层，分配梁不宜超过两层，支座、支墩都是根据试验结构、支座、支墩都是根据试验结构、构件状态的边界条件和应力状态而设置。必须保证结构在支构件状态的边界条件和应力状态而设置。必须保证结构在支座处力的正确传递，本身并有足够的强度与刚度储备（支墩座处力的正确传递，本身并有足够的强度与刚度储备（支墩满足抗压强度、稳定的要求）满足抗压强度、稳定的要求）六、分配梁、支座、支墩（荷载支承设备）六、分配梁、支座、支墩（荷载支承设备）Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu37 支座形式有：支座形式有：滚动铰支座、固定铰支座、球铰支滚动铰支座、固定铰支座、球铰支座、刀口支座。如下图所示：座、刀口支座。如下图所示：Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu38 柱试验的刀口铰支座：柱试验的刀口铰支座：(a) (a) 单向铰支座单向铰支座 （b) b) 双向铰支座双向铰支座Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu39 各支座各支座高差高差不宜大于试件跨度的不宜大于试件跨度的1/2001/200，过大，过大的高差会在结构中产生附加应力。的高差会在结构中产生附加应力。 上下垫板尺寸应分别按试验和支墩局部承压考上下垫板尺寸应分别按试验和支墩局部承压考虑，梁类构件，上垫板宽度不应小于梁的底面宽度。虑，梁类构件，上垫板宽度不应小于梁的底面宽度。 垫板长度按下式计算：垫板长度按下式计算： 式中：式中： 最大支座反力；最大支座反力； b b上垫板宽度；上垫板宽度； fcfc试件材料抗压强度设计值试件材料抗压强度设计值MpaMpa，长度不小于，长度不小于30mm30mm。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu40 上下垫板要有一定刚度，厚度可按下式计算：上下垫板要有一定刚度，厚度可按下式计算： 式中：式中： fcfc混凝土抗压强度设计值混凝土抗压强度设计值 N/mm2N/mm2； L L板长；板长； f f 钢材计算强度。钢材计算强度。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu41 滚轴选择：滚轴的长度，一般取等于试滚轴选择：滚轴的长度，一般取等于试件支承处件支承处截面宽度截面宽度b b 每每cmcm长滚轴荷载长滚轴荷载 滚轴直径滚轴直径 (kN)/cm (kN)/cm （mmmm） 2020 50mm(40 50mm(4060)60) 20 204040 60 6080mm80mm 40 406060 80 80100mm100mmLab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu42谢谢谢谢！