试验荷载及其设备.ppt

第二章 试验荷载及其设备,2.1 概述 一、 结构上作用的分类 二、 结构试验对仪器设备的要求,一、结构上作用的分类,结构上的作用分为直接作用和间接作用。 直接作用：主要是指荷载的作用，包括结构自重和作用在结构上的外力，分为静荷载作用和动荷载作用两类。 间接作用：引起结构附加变形和约束变形的原因。,二、结构试验对仪器设备的要求,1）选用的试验荷载图式应与结构设计计算的荷载图式所产生的内力值相一致或极为接近，即使截面或部位产生的内力与设计计算等效。 2）荷载传递方式和作用点要明确，产生的荷载值要稳定，满足试验的准确度，特别是静力荷载应不随加载时间、外界环境和结构的变形而变化。 3）荷载分级的分度值要满足试验量测的精度要求。 4）加载装置本身要安全可靠，不仅要满足强度要求，还必须按变形条件来控制加载装置的设计，即应满足刚度要求有足够的强度储备，防止对试件产生卸荷作用而减轻结构实际承担的荷载。 5）加载设备要操作方便，便于加载和卸载，并能控制加载速度，还能适应同步加载或先后加载的不同要求。 6）加载设备不应参与结构工作，导致改变结构的受力状态或使结构产生次应力。 7）尽量采用先进技术，减轻劳动强度，提高试验效率和质量。,2-2 重力加载,重物加载是利用物体本身的重量施加在结构上作为荷载。 在实验室内可以采用的重物有专门制作的标准铸铁砝码，混凝土立方试块、水箱等；在现场试验可以就地取材如砖、砂、石、袋装水泥等建筑材料，或废构件、钢锭等。重物可以直接加在试验结构上，也可以通过杠杆系统间接加在试件上。,2-2-1 重力直接加载,1重物加载的形式 重物荷载可直接堆放于结构表面（如板的试验）作为均布荷载（图2-1）或置于荷载盘上通过吊杆挂在结构上形成集中荷载（图2-2），此时吊杆与荷载盘的自重应计入第一级荷载。,2-2-1 重力直接加载,2加载应注意的几个问题 （1）当使用砂石等松散颗粒材料加载时，如果将材料直接堆放于结构表面，将会造成荷载材料本身的起拱，而对结构产生卸荷作用，为此最好将颗粒材料置于一定容量的无底箱框之中，然后叠加于结构之上，在试验构件跨度方向施加的箱框数量不应少于两个。 （2）当采用型体较为规则的块状材料加载，如砖块、铸铁块、钢锭等，则要求叠放整齐，每堆重物的宽度L/6（L为试验结构的跨度），堆与堆之间应有一定间隔（约50100mm）。 （3）如果利用钢锭作用载重，为了加载的方便与安全，要求每块质量不大于20kg。 （4）当利用吊杆荷载盘施加集中荷载时，每个荷载盘应分开或通过静定的分配梁体系作用于试验对象上，使结构所受的荷载明确。,2-2-1 重力直接加载,3.优、缺点 优点：试验用的重物容易取得，不影响结构的自由变形，特别适用于长期荷载和均布荷载试验。 缺点：加载过程中需要花费较大的劳动力，此外，利用砂石、砖块等材料作为荷载，它们的容重常随大气温度、湿度改变而发生变化即由于其含水率的变化，以致荷载不易恒定，使荷载值产生误差。,2-2-1 重力直接加载,利用水作均布荷载试验，如图2-3所示是一种简易方便而且又十分经济的加载方法。加载时可以直接用自来水管放水，水的比重为1，从标尺上的水深就可知道荷载值的大小，卸载也方便，可采用虹吸管原理放水卸载，特别适用于网架结构和平板结构加载试验。 缺点是全部承截面被水掩盖，不利于布置仪表和观测。当结构产生较大变形时，要注意水荷载的不均匀所产生的影响。,3,2-2-2 杠杆加载,1加载形式 当利用重物作集中荷载时，经常会受到荷载量的限制，常采用杠杆原理将荷载值放大，将荷重放大作用于结构上。如图（2-4）,图2-4 杠杆加载,2-2-2 杠杆加载,2特点 杠杆制作方便，荷载值稳定不变，当结构有变形时，荷载可以保持恒定，对于做持久荷载试验尤为适合。 杠杆加载的关键是要有牢固稳妥的支承反力装置。 3加载应注意的问题 杠杆比例不宜过大。支点、力点和加载点位置必须明确，并应在同一直线上。 杠杆应有足够的强度、刚度，防止自身的总体失稳。,2-3 液压加载法,液压加载是目前最常用的试验加载方法。 优点：利用油压使液压千斤顶产生较大的荷载，试验操作安全方便。 对于大型结构试验，当要求荷载点数多，采用多点同步加载更为合适。尤其是电液伺服技术在液压加载设备中得到广泛应用后，为结构模拟地震荷载试验创造了有利条件。,2-3-1 液压加载器,液压加载器俗称千斤顶，是液压加载设备中的一个主要部件。其主要工作原理是用高压油泵将具有一定威力的液压油压入液压加载器的工作油缸，使之推动活塞，对结构施加荷载。,2-3-2 液压加载系统,液压加载系统的组成 储油箱、高压油泵、测力装置和各类阀门组成的操纵台，通过高压油管同时并联连接若干个液压加载器组成。 必须配置各种支承系统，来承受液压器对结构加载时产生的反作用力。,2-3-3 大型结构试验机,1结构长柱试验机 结构长柱试验机如右图所示，用以进行梁、柱、墙板、砌体结构等的受压和受弯试验。这种设备的构造和加载原理与一般材料试验机相同。,压力传感器,立柱,控制器,下承压板,上承压板,2结构疲劳试验机,结构液压试验机主要用于对各种结构构件进行单向负荷的压力及弯曲疲劳试验。在一定范围内产生周期性的单向脉动荷载，实现正弦波的动态疲劳试验。 由液压脉动器、控制系统和液压脉动加载器三部分组成。 液压脉动器是疲劳机的核心部分，其结构原理：当脉动器中的飞轮带动曲柄连杆转动时，脉动器活塞上下移动而产生脉油压，传至加载器形成正弦波形的脉动荷载。调整脉动器中曲柄连杆的固定位置，可改变活塞冲程，从而改变脉动量的大小。 频率可根据试验的不同要求在100500次/分范围内任意调节选用。疲劳次数可由频率指示器自动记录，并可按预选的疲劳次数自动停机。 疲劳试验机应满足2级试验机的精度要求。测力不值相对误差应为2.0%。荷载量程应同时满足最大荷载和最小荷载的要求。,2-3-4 电液伺服液压系统,电液伺服液压系统可以较为精确地模拟试件所受的实际荷载，产生真实的受力状态，在结构试验中，用以模拟地震、海浪等荷载对结构物的作用，是比较理想的试验设备，特别适用于进行结构抗震研究的伪静力试验和拟动力试验。,3 电液伺服液压系统,（1）组成 由电液伺服加载器或称伺服千斤顶、控制系统和液压源等三大部分组成。 （2）作用 它可以将荷载、应变、位移等不同力学参量直接作为控制参数，实行自动控制，并在试验过程中进行控制参量的转换。,2-3-4 电液伺服液压系统,1.电液伺服系统的工作原理 利用自动控制和液压技术相结合的电液伺服闭环控制试验加载（见下页图）。 由电液伺服加载器或称伺服液压加载器、控制系统和液压源等三大部分组成。 加载系统中的关键部件是电液伺服阀,电液伺服闭环控制回路,2-3-5 地震模拟振动台,地震模拟振动台是再现各种地震波对结构进行动力试验的一种先进设备，其特点是具有自动控制和数据采集及处理系统，采用了电子计算机和闭环伺服液压控制技术，并配合先进的振动测量仪器，可以在实验室内进行结构物的地震模拟试验，以求得地震反应对结构的影响。,2-3-5 地震模拟振动台,1.振动台台体结构 2.液压驱动和动力系统 3.控制系统 4.测试和分析系统,2-4 其他加载方法,2-4-1 惯性力加载 1.冲击力加载 特点：荷载作用时间极为短促，使结构产生自由振动，适用于进行结构动力特性试验。 （1）初位移加载法（张拉突卸法） 借助外力使结构产生一定的初位移，然后突然卸去荷载，利用结构的弹性使其产生自由振动。 优点：结构自振时荷载已不存在于结构，没有附加质量的影响，但仅适应于刚度不大的结构。,2-4-1 惯性力加载,2-4-1 惯性力加载,（2） 初速度加载法（突加荷载法） 利用摆锤或落重的方法使结构在瞬时内受到水平或垂直的冲击，产生一个初速度，同时使结构获得所需的冲击荷载。 优点：较小的荷载产生较大的振幅。 缺点：荷载将附着于结构一起振动，并且落重的跳动又会影响结构自振阻尼振动，同时有可能使结构受到局部损伤。这时冲击力的大小要按结构强度计算，不致使结构产生过度的应力和变形。,2-4-1 惯性力加载,（3）反冲激振器（火箭激振）加载 工作原理：当点火装置内的点火药被点燃后，很快使主装火药到达燃烧温度，主装火药开始在燃烧室中进行平稳的燃烧，产生的高温高压气体便从喷管口以极高的速度喷出。按动量守恒定律得到反冲力，即为作用在被测结构上的脉冲力。,2.离心力加载,离心力加载的原理 根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。 特点 具有周期性，作用力的大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。,3.机械加载,常用的机械力加载机具有吊链、卷扬机、绞车、花篮螺丝、螺旋千斤顶和弹簧等。 吊链、卷扬机、绞车和花篮螺丝等主要配合钢丝或绳索对结构施加拉力，还可与滑轮组联合使用，改变作用力的方向的拉力大小。连接测力计或拉力传感器可以测量其加载值 螺旋千斤顶是利用蜗轮蜗杆机构传动的原理加力，使用时需要用力传感器测定其加载值，设备简单，使用方便。 弹簧常用于构件的持久荷载试验，产生的荷载相对比较稳定。弹簧加载采用千分表量测弹簧的压缩长度的变化量确定弹簧的加载值。弹簧变形与力值的关系一般通过压力试验机标定来确定。,3.机械加载,优点： 设备简单，容易实现，当通过索具加载时，很容易改变荷载作用的方向，故在建筑物、柔性构筑物的实测或大尺寸模型试验中，常用此法施加水平集中荷载。 缺点 荷载值不大，当结构在荷载作用点产生变形时，会引起荷载值的改变。,4.气压加载法,气压加载法主要利用空气压力对试件施加荷载。它所产生的是垂直于试件或结构模型表面的均布荷载。 气压加载分为正压加载和负压加载两种，正压加载是利用压缩空气的压力对结构施加荷载。 负压加载是利用真空泵将试验结构物的下面密封室内的空气抽出，使之形成真空，结构的外表面受到的大气压，就成为施加在结构上的均布荷载，由真空度可得出加载值。一般很少用。 优缺点：气压加载、卸载方便，荷载稳定，直接通过压力表就可反映加载值。 缺点：试件受力面无法观测，利用真空加载时试件周边密封要求较高。另外，由于荷载垂直于试件受载面，所以壳体试验时荷载是均匀分布的压力而不是重力荷载，当壳体曲率较大时会有一定误差，同时模拟局部荷载作用会有一定困难。,5.电磁加载法,电磁加载的原理 在磁场中通电的导体将受到与磁场方向相垂直的作用力。 在磁场（永久磁铁或激磁线圈中）放入动圈，通以交变电流，就可使固定于动圈上的顶杆等作往复运动，对试验对象施加荷载。若在动圈上通以一定方向的直流电，则可产生静荷载。,5.电磁加载法,一、电磁式激振器 电磁式激振器是由磁系统（包括励磁线圈、铁芯、磁极板）、动圈（工作线圈）、弹簧、顶杆等。 当激振器工作时，在励磁线圈中通入稳定的直流电，使在铁芯与磁极板的空隙中形成一个强大的磁场。与此同时，由低频信号发生器输出一交变电流，经功率放大器放大后输入工作线圈，这时工作线圈即按交变电流的谐振规律在磁场中运动并产生一电磁感应力，使顶杆推动试件产生振动。,5.电磁加载法,二、电磁振动台 电磁振动原理基本上与电磁激振器一样，实际上是由电磁激振器来推动一个活动的台面而构成。 电磁振动台通常由信号发生器、振动自动控制仪、功率放大器、电磁激振器和台面组成。 电磁振动台是按闭环振动试验要求设计的。,6.人激振动加载,在结构动力试验的加载方法中，一般都需要比较复杂的设备，这些在实验室内尚可满足，而在野外现场试验时，往往受到各方面条件的限制难于实现。因此人们设法寻求更简单的试验方法，即可以获得有关结构动力特性的资料和数据，而又无需复杂的设备。 人激振动的关键在于选择好最容易激发振动的空间位置。,7.环境随机振动激振法,环境随机振动激振法也称脉动法。它不需要任何激振设备，又不受结构形式和大小的限制。 20世纪50年代，数据分析方法一直采取从结构脉动反应的时程曲线记录图上按照“拍”的特征直接读取频率数值的主谐量法，一般只能获得第一振型频率这个单一参数。70年代，随着计算机技术的进行，随着信号处理机、结构动态分析仪的诞生和应用，使这一方法得到了迅速发展。目前已可以从记录到的结构脉动信号中识别出全部模态参数，这使环境随机激振法有了开创性的进展。,2-5 荷载支承设备和试验台座,对结构试验荷载装置的要求 要满足