混凝土结构性能试验操作技术.pdf

第四编 混凝土结构性能试验操作技术 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 第一章建筑结构试验概述 第一章建筑结构试验概述 第一节建筑结构试验的任务 第一节建筑结构试验的任务 建筑结构在承受外部及内部形成的各种作用时它就会产生各种反应钢筋混凝土简支 梁在静力均布荷载作用下通过量测梁在不同受力阶段的跨中挠度支座角位移截面上的 纤维应变和混凝土开裂后的裂缝宽度等参数可以分析梁的整个受力过程结构的强度刚 度和抗裂性能当工业厂房钢结构框架承受起重吊车的横向制动力作用时同样可以通过量 测框架结构的振动频率阻尼系数振幅动位移和动应变等研究结构的动力特性和动 力反应 在结构抗震研究中 如对砖墙施加水平方向的低周反复荷载模拟地震对结构的作用 可以通过试验量测的反映荷载和变形关系的恢复力特性曲线 滞回曲线分析结构抗震的强 度刚度延性和刚度退化等特性 建筑结构试验的任务就是在结构物或试验对象实物或模型上以仪器设备为工具 以各种实验技术为手段在荷载重力机械扰动力地震力风力或其他因素温 度变形沉降作用下通过测试与结构工作性能有关的各种参数变形挠度位移 应变振幅频率从强度稳定刚度抗裂性以及结构的破坏形态等各个方面来 判断结构的实际工作性能估计结构的承载能力确定结构对使用要求的符合程度并用以 检验和发展结构的计算理论 由此可知建筑结构试验是以实验方式测试有关数据反映结构或构件的工作性能承 载能力以及相应的可靠度和安全储备为结构的安全使用和设计理论的建立提供了重要的依 据 第二节建筑结构试验的目的 第二节建筑结构试验的目的 一生产性试验的目的 (1)综合鉴定新建结构的设计和施工质量评价工程的可靠程度 (2)检验已建结构的现有可靠性推断和估计结构的剩余寿命 (3)鉴定预制构件的结构性能推断成批产品的质量 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 (4)判断结构的实际承载能力为工程改造扩建和加固提供参数 (5)为处理工程事故受灾施工质量等提供技术依据 二科研性试验的目的 (1)验证结构设计理论假定和计算方法 (2)为制订设计规范规程提供依据 (3)为发展和推广新结构新材料和新工艺提供实践经验 第三节建筑结构试验的分类 第三节建筑结构试验的分类 一按试验对象的尺寸分类 1真型试验 试验对象是真实的结构或构件原型结构)或是按实物结构足尺复制施工建造的结构 或构件早期的真型结构试验以单构件梁板柱屋架框架墙体和节点等试验为 主近年来为研究结构的整体刚度结构构件间的相互作用动力特性以及整体结构的抗 震能力和破坏机制等要求进行真型结构的整体试验故在结构类型试验方法设备容量 试验室的空间加载器的能力和测试技术等方面都有了很大的进展以适应真型结构整 体试验的要求 2模型试验 模型试验是仿照实物原型结构或构件并按一定比例关系复制而成的试验代表物它 具有实际结构的全部或部分特征但尺寸要比原型缩小由于受试验空间设备容量和经费 限制等因素的制约模型试验较多应用于结构的整体试验如采用模拟地震振动台试验整体 结构的抗震能力 (1)相似模型试验 相似模型试验是按照相似理论进行模型设计制作与试验用适当的比例尺和相似材料 制成与原型几何相似的试验对象在模型上施加相似力系比例荷载)使模型受力后重演原 型结构的实际工作状态最后按相似条件由模型试验的结果推算实际结构的工作这类模型 要求比较严格的相似条件即要求满足几何相似力学相似和材料相似按研究目的的不同 相似模型试验尚可分为以下两种试验 弹性模型试验弹性模型试验主要用于研究原型结构在荷载作用下弹性阶段的受力状 态和工作性能除模型的几何尺寸形状必须与原型结构严格相似外模型材料不必与原型 材料完全相似但必须在试验过程中完全保持弹性状态这类模型试验主要用于结构弹性阶 段的应力分析它不能反映钢筋混凝土结构在混凝土开裂和钢筋屈服后的性能更不能预计 结构的其他非弹性性能和破坏形态 强度模型试验强度模型试验主要用于研究原型结构在荷载作用下各个受力阶段包括 直至破坏全过程的工作性能它能预计原型结构的极限强度和极限变形但对于模型材料的 相似性要求十分严格试验的关键是寻求模型的适用材料与施工工艺它们将直接影响模型 试验结果的正确性 (2)缩尺模型试验 缩尺模型实质上是将原型结构的几何尺寸按比例缩小的试验代表物它不须遵循严格的 相似条件可选用与原型结构相同的材料并按一般的设计规范进行设计和制造将该模型 的试验结果与理论计算对比校核用以研究结构性能验证设计假定与计算方法的正确性 并可以将试验结果所证实的一般规律与计算方法推广到原型结构中去结构试验中大量的试 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 验对象都是采用这类缩尺模型在各种结构设计规范的编制工作中也是大量利用这类小结 构构件的试验来提供数据建立公式和制订条文 二按试验荷载性质分类 1静力荷载试验 (1)静力单调加载试验 静力单调加载试验是结构试验中最大量最常见的基本试验这主要是因为绝大部分建 筑结构在工作中所承受的是静力荷载在荷载作用下研究结构的强度刚度抗裂性和破坏 机制一般可以通过重力或各种类型的加载设备来模拟和实现加载的要求静力单调加载试 验的加载过程是指荷载从零开始逐步递增一直加到结构破坏为止也就是在一个不太长的时 间段内完成试验加载的全过程 (2)伪静力加载试验 伪静力加载试验是一种以控制荷载或控制变形由小到大周期反复作用于结构的静力荷 载试验以此模拟地震对结构的作用并由荷载变形关系求得结构的恢复力特性曲线由于 加载周期远大于结构构件的自振周期所以它是属于静力试验范畴的一种加载方法在结构 抗震静力试验中被广泛应用亦可称之为低周反复加载试验或结构恢复力特性加载试验 3)拟动力加载试验 拟动力加载试验是利用计算机和电液伺服加载器联机系统进行结构抗震试验的又一种 方法由计算机控制加载器对结构施加按输入地震加速度时程曲线计算得到的结构某时刻的 位移反应并由荷载传感器实时测得该时刻的结构恢复力获得结构在地震波作用下的连续 反应完成荷载模拟试验加载数据采集和分析计算等工作由闭环控制实现整个试验的 自动化 其特点是利用计算机控制试验的全过程 使人们在静力状态下测试结构的动力反应 亦可称之为计算机加载器联机试验 2动力荷载试验 (1)结构动力特性试验 结构受动力荷载激励时在结构自振或共振情况下量测结构自身所固有的动力性能的试 验试验可采用人工激振法自由振动法强迫振动法或环境随机激振法量测结构的自 振频率自振周期阻尼系数和结构振型等主要参数 (2)结构动力反应试验 结构在动力荷载作用下量测结构或其特定部位动力性能参数和动态反应的试验如结构 的振幅动位移和振动形态频率或频谱曲线加速度和动应变的时程曲线以及动力系数 等随着动荷载本身特性的不同可有不同的加载设备和试验方法如采用计算机和模控装 置控制的模拟地震振动台在试验室内进行地震模拟试验在野外可利用炸药爆炸模拟地震或 直接利用天然地震进行结构抗震试验可利用风洞设备对结构模型进行抗风试验可在模爆 器内模拟爆炸冲击波对结构模型作抗爆试验也可利用人工造波设备在水池内造波模拟海浪 对海工结构作动力试验 (3)结构疲劳试验 结构疲劳试验是为测试结构构件在等幅稳定多次重复荷载作用下的疲劳性能的动力试 验量测的疲劳性能参数有疲劳强度和疲劳寿命也即是量测结构在液压脉冲疲劳试验机施 加多次重复荷载作用下结构疲劳破坏时的强度值和荷载的重复次数 对于工业厂房的吊车梁 设有悬挂吊车的屋架以及预应力构件的锚具等构件均须进行疲劳试验 三按试验时间长短分类 1短期荷载试验 短期荷载试验是这样一种试验结构试验时限于试验条件试验时间和基于及时解决 问题的需要经常要对实际承受长期荷载作用的结构构件在试验时将荷载从零开始施加到最 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 后结构破坏或到某个阶段进行卸载整个试验的时间总和仅在几十分钟几小时或者几天内 完成即使是结构疲劳试验其整个加载过程也限制在几天内完成显然这种短期荷载试 验是不能代表长年累月的长期荷载对结构所产生的影响的严格来讲必须在试验结果的分 析和应用时加以考虑并进行修正 2长期荷载试验 长期荷载试验是为了研究结构在长期荷载作用下结构变形随时间变化的规律如为了研 究混凝土结构的徐变预应力结构钢筋的松弛等特性都需要进行静力荷载作用下的长期试 验这种试验将是连续几个月甚至几年的持久试验为保证试验的精度对试验环境要加以 严格控制如保持恒温恒湿防止振动影响所以长期荷载试验一般均是在试验室内进行 四按试验所在场地分类 1试验室试验 结构试验室是专门进行结构试验的场所它可以安装大型试验装置应用先进试验设备 和精密的量测仪器可以人为地创造一个适宜的试验环境减少和消除各种不利因素对试验 的影响获得良好的工作条件保证试验的准确度因此它更适宜于进行科学研究性的试 验特别是应用电子计算机控制试验后在试验室试验中为实现结构试验的自动化提供了 更为有利的工作条件 2现场试验 现场试验指的是在生产或施工现场进行的结构试验较多用于进行生产性试验试验的 对象主要是正在生产使用或是将要投入使用的结构由于受环境条件的限制和影响不宜使 用高精度的仪器设备采用的方法比较简单粗率试验精度和准确度较差特别是由于没有 试验室内固定的加载装置和设备对试验加载会带来较大的困难目前应用结构非破损试验 方法进行结构现场检验工作它可以获得近乎实际工作状态下的数据资料 五按试验结构是否破坏分类 1结构破坏试验 对于大部分结构研究要求通过荷载试验了解结构从弹性到弹塑性直到极限破坏各个阶 段工作性能的全过程分析结构在超载后的工作情况破坏机制并获得结构的安全储备方面 的数据因此一般试验均需进行到结构破坏特别是科研性试验更有这种要求 2结构非破损试验 结构非破损试验是使用某些专用的设备仪器直接在结构上量测与材料强度或能反映内 部缺陷有关的物理参数如材料的表面硬度回弹值声波在结构构件内的传播速度等由 理论关系或经验公式直接测得材料的力学性能或探测内部缺陷半破损试验也是在结构构件 上进行局部微破损或直接取样推算材料强度由检测所得的材料力学性能鉴定结构构件的承 载能力和施工质量它是以不影响结构的使用性能和承载力为前提目前被广泛应用于已建 结构的可靠性诊断新建工程施工质量鉴定和受灾房屋损伤程度的判断等生产现场检测试验 中 第二章建筑结构试验设计 第二章建筑结构试验设计 第一节试验设计概述 第一节试验设计概述 结构试验包括试验设计试验准备试验实施和试验分析等主要环节它们之间的关系 如下所列 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 结构试验设计是整个结构试验工作中极为重要和关键的一项工作主要是从试验目的要 求出发对试验工作进行全面的设计与规划确定试验的性质与规模进行试件设计选定 试验场所拟定加载与量测方案设计专用的试验装置和仪表夹具附件以及制订安全技术措 施除技术上的安排外必须按试验规模组织试验人员提出试验经费预算和消耗性器材数 量和设备清单最后在设计规划的基础上提出试验大纲和进度计划 对于以生产现场或施工工程为具体试验对象的生产性试验试验前必须进行结构的实地 考察通过调查研究收集有关文件如设计资料施工日志材料试验报告及施工质量检查 验收记录等关于使用情况则需要深入现场向使用者生产工人居民调查了解对于 受灾损伤的结构必须了解受灾原因过程和结构的现状对调查结果必须认真整理作为 试验设计的依据 第二节结构试验的试件设计 第二节结构试验的试件设计 结构试验的试件可以是实际结构的整体或是它的一部分也可以是单一的构件当不能 用原型或足尺的真型结构进行试验时也可采用它的缩尺比例的模型结构或构件这时应 考虑试验模型与原型之间的力学性能的相似关系模型要按相似理论进行设计本篇第十章 结构模型试验将对此作专题论述 试件设计应包括试件形状的设计尺寸和数量的确定以及构造措施的研究考虑同时 必须满足结构和受力的边界条件试验加载条件模拟和试件破坏特征的要求 一试 件 形 状 试件设计所以要注意它的形状主要是满足在试验时形成和实际工作相一致的应力状 态在从整体结构中取出部分构件单独进行试验时特别是对在比较复杂的超静定体系中的 构件必须要注意其边界条件的模拟使其能如实反映该部分结构构件的实际工作当图 4-2-1(a)所示框架受水平荷载作用时若要试验 a-a 部位的柱脚柱头部分试件要设计成 如图 4-2-1b所示若作 b-b 部位试验时则试件应设计成如图 4-2-1c所示对于梁 如设计成图 4-2-1de所示时则应力状态可与实际情况相一致在研究框架柱挠曲 破坏性能时试件可设计成如图 4-2-1h所示若作剪切性能的研究时试件则要设计成 适于反对称加载如图 4-2-1i所示 在研究框架的梁柱连接的节点试验时较多采用十字形试件如图 4-2-1(f所示节 点两侧梁柱的长度一般均取 12 梁跨和 12 柱高即按框架承受水平荷载时产生弯矩的反 弯点m0的位置来决定如梁上有垂直均布荷载作用时可约取梁跨的 1314边 柱节点可采用 t 字形试件国外也有采用如图 4-2-1g所示的 x 形试件的 砖石与砌块的墙体试件可设计成带翼缘或不带翼缘的单层单片墙如图 4-2-2a所 示也可采用双层单片墙或开洞墙体的形式如图 4-2-2(b所示对于纵墙由于墙面开 有大量窗洞 可设计成有两个或一个窗间墙的双肢或单肢窗间墙的试件 如图 4-2-3 ab 所示 图 4-2-1 框架结构中的梁柱和节点试件 图 4-2-2 砖石与砌块的墙体试件 二试 件 尺 寸 结构试验所用试件的尺寸和大小总体上分为真型实物或足尺结构和模型两类 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 用于基本构件性能研究的试件大部分是采用缩尺模型即缩小比例尺的小构件对预制 构件的鉴定都是选用原型构件如屋面板吊车梁等 用于屋架试验的试件一般也均是构件实物和真型试件 框架试件截面尺寸约为原型的 1412国内曾做过三层到五层的足尺轻板框架试 验图 4-2-3 纵墙窗间墙试件 框架节点一般为原型的 121作真型试验时一般要求反映有关节点的配筋与构造 特性 剪力墙单层墙体试件的外形尺寸为 80cm100cm178cm274cm多层剪力墙试件的尺 寸为原型的 11013国内曾先后进行过装配式混凝土大板结构和空心混凝土大板结构 的足尺房屋试验 砖石及砌块的墙体试件一般取为原型的 1412 国内曾先后进行过多幢足尺砖石和 砌块多层房屋结构的整体试验 对于薄壳和网架等空间结构较多采用比例为 15120 的模型试验 总体来看若试件尺寸太小要考虑尺寸效应的影响在满足构造要求的情况下太大 的试件也没有必要因此对于局部性的试件其尺寸比例可为原型的 141而整体性 的结构试验试件可取为原型的 1101/2 对于结构动力试验试验尺寸常受试验加载条件等因素的限制动力特性试验可在现场 原型结构上进行试验室内可以进行吊车梁屋架等足尺构件的疲劳试验至于地震模拟振 动台加载试验因受台面尺寸激振力大小等参数的限制一般只能作缩尺的模型试验目 前国内能完成试件比例在 15014 的各类房屋结构和构筑物的模型试验 三试 件 数 量 对于生产性试验按照试验任务的要求有明确的试验对象对于预制构件的质量检验和 评定可以按预制混凝土构件质量检验评定标准gbj 321-90中有关结构性能检验的规 定确定试件数量 对于科研性试验试件是按研究要求专门设计制造的试件的数量直接由参与研究问题 参数分析因子多少和相应各种状态水平数的影响来决定如研究砖砌体抗剪强度时 砌体截面砂浆强度及垂直应力为三个主要分析因子当每个因子有两种状态即水平数为 2 时将各因子数与水平数按单因素组合由表 4-2-1 可知需要 8 个试件 表 4-2-1 试件组合数目 水平数主要因子 2 3 4 51 2 3 4 52 4 9 16 253 8 27 64 1254 16 81 256 6255 32 243 1024 3215 从表 4-2-2 的试验结果可见抗剪强度随截面的增大而降低随砂浆强度提高而增大 并随垂直应力的增加而提高 表 4-2-2 砖砌体抗剪强度试验数据 试件号 截面积(m2) 砂浆强度(mpa) 垂直应力mpa) 抗剪强度(mpa)1 0.2 0.5 0.064 0.092 0.2 0.5 0.302 0.243 0.2 2.5 0.064 0.1694 0.2 2.5 0.302 0.4075 0.7 0.5 0.064 0.0646 0.7 0.5 0.302 0.1607 0.7 2.5 0.064 0.1118 0.7 2.5 0.302 0.275 由表 4-2-1 可知如果因子数和水平数增加则试件的数量也随之增加以致在结构试 验工作中达到难以实现的程度因此对于多因素问题可采用正交试验设计法利用正交 表从尽可能少的试件试验中掌握试验条件和试验结果之间的内在规律当砖砌体抗剪强度按 正交表 l4 23设计时 同样在分析因子为 3 和水平数为 2 时只需 4 个试件 并按表 4-2-3 进行组合这对于因子数和水平数多的试验减少试件的数量更为显著如当因子数为 4 和 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 每个因子有 3 个水平时采用正交表 l9(34可将原来要求的 81 个试件综合为 9 个试件 表 4-2-3 利用正交表 l4(23)设计的砖砌体抗剪强度试件 试件号 a b c 截面积(m)2 砂浆强度(mpa) 垂直应力(mpa) 抗剪强度(mpa) 平均值 (mpa)1 a1 0.2 b1 0.5 c1 0.064 0.094 a1 0.2 b2 2.5 c2 0.302 0.407 0.2485 a2 0.7 b1 0.5 c2 0.302 0.1607 a2 0.7 b2 2.5 c1 0.064 0.111 0.136 由表 4-2-3 可见这时在 4 个试件中找不出任何两个可以进行单值比较但如果将试 件1 4和试件5 7两组试件的试验结果分别取抗剪强度的平均值为0248mpa和0136mpa 这就可见截面积小的试件的强度平均值高于截面积大的试件同样如果分别求得试件 15 和试件 47 或试件 17 和试件 45 的两组抗剪强度平均值也可以得到提高砂浆强度和提 高垂直应力时可以提高砌体抗剪强度的结论由此可见正交试验设计可以只需少量的试件 得到主要的信息对研究问题作出综合评价不足之处是不能提供某一因子的单值变化与试 验目标之间的函数关系 不同因子和水平数的正交表可参阅有关正交试验设计的专著 四结构试验对试件设计的要求 为满足试验安装加载和量测的需要试件设计同时必须考虑必要的构造措施如混凝 土试件的支承处应预埋钢垫板图 4-2-4a在屋架试验受集中荷载的位置上也应埋设 钢板以防试件受局部承压而破坏当试件加载面倾斜时应作出凸缘图 4-2-4b以 保证加载设备的稳定设置为对框架的梁柱连接处侧向施加反复荷载的需要应设置预埋构 件以便与加载用的液压加载器或荷载传感器联接同时为保证框架柱脚部分与试验台座 的固接均需设置加大截面的基础梁图 4-2-4c)在砖石或砌块的砌体试件中为使施 加的垂直荷载能均匀传递在砌体试件上下均需浇捣混凝土垫块图 4-2-4d)对于墙 体试件应在墙体上下捣制钢筋混凝土垫梁其中下部垫梁可模拟基础梁并与试验台座 固定上部垫梁模拟过梁均匀传递竖向荷载图 4-2-4(e)在作钢筋混凝土偏心受压构件 试验时应把试件两端设计成牛腿状以增大端部承压面积和便于施加偏心荷载图 4-2-4 f并在上下端部加设钢筋网片 图 4-2-4 试件设计时的构造措施 在科研性试验时为了保证结构或构件在某一预定的部位破坏以期得到必要的测试数 据就需要对其他部位事先进行局部加固 为了保证试验量测的可靠性和安装仪表的方便在试件特定的部位必须预设埋件或预留 孔洞对于为测量混凝土内部应力的预埋元件或专门的混凝土应变计钢筋应变计等应在 浇捣混凝土前按相应的技术要求用专门的方法就位固定埋设在混凝土试件内部 第三节结构试验的荷载设计 第三节结构试验的荷载设计 一试验加载图式的选择与设计 结构试验时的荷载作用应使结构处于某一种实际可能的最不利的工作状态试验时荷 载的图式要与结构设计计算的荷载图式一样这时结构的工作和其实际情况最为接近 有时也常由于下列原因而采用不同于设计计算所规定的荷载图式 1对设计计算时采用的荷载图式的合理性有所怀疑或实际情况有所改变因而在试验 时采用某种更接近于结构实际受力情况的荷载布置方式 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 2由于受试验条件的限制或为了加载的方便和减少荷载量的需要在不影响结构的工 作和试验结果分析的前提下可以采用等效荷载的方式来改变原来的加载图式这时结构 构件控制截面或控制部位上的主要内力值保持与设计值相等也就是说等效荷载的数值大 小和分布形式要根据相应的等效条件换算得来 采用等效荷载试验时 必须全面验算由于荷载图式改变对结构产生的各种影响 必要时 应对结构构件作局部加强或对某些参数进行修正当构件满足强度等效而整体变形如挠 度)条件不等效时 则需对所测变形进行修正 当取弯矩等效时 尚需验算剪力对构件的影响 同时要求采用等效荷载的试验结果所产生的误差控制在试验允许的范围以内 二试验加载装置的设计 按照结构试验时结构构件在空间就位型式的不同可以有正位异位和原位试验等几种 方案 1结构正位试验 正位试验加载装置是结构试验中最常见的型式试验结构构件是在与实际工作状态相一 致的情况下进行试验对于梁板和屋架等简支的静定构件正位试验时结构构件 图 4-2-5 预制大型屋面板正位试验 1加载重物2试件3支座 的受压区在上受拉区在下结构自重和它所承受的外荷载作用在同一垂直平面内 4-2-5 为预制大型屋面板在均布荷载作用下的试验由于正位试验符合实际受力状态所以 应优先采用 2结构异位试验 异位试验是在结构构件安装位置与实际工作状态不相一致的情况下进行的试验按照构 件在空间位置的不同又可分为反位试验和卧位试验 (1)结构反位试验 反位试验正好与正位试验在空间位置上相差 180构件的受拉区在上受压区在下部 图 4-2-6 为钢筋混凝土梁在液压加载器作用下的反位试验这种装置试验时便于观测受拉区 的裂缝在实验室内用液压加载器对结构作多点加载时加载器活塞向上对构件施加荷载 而反作用力直接由试验台座平衡因此可以简化和减少加载装置但外荷载首先要抵消构件 自重对于自重较大的钢筋混凝土构件重型吊车梁屋架等在反位试验安装时要特别 注意自重反位作用可能引起受压区的开裂 图 4-2-6 钢筋混凝土梁反位试验 1支座反力支承门架2支承滚轴3观测挠度水准尺4荷载分配梁 5楔块6垫木7试件8液压加载器9抗弯钢梁 (2)结构卧位试验 卧位试验与正位试验在空间位置上相差 90试验时构件平卧平行于地面这特别 适合于跨大矢高的屋架和高大的柱子试验图 4-2-7 所示为偏心受压柱的卧位试验试件平 卧后可以降低试验的高度简化试验加载装置便于试验观测在现场卧位试验又较多 采用成对构件试验的方法 即可利用局部加强后的另一同类试件作为荷载的平衡机构 这样 可以解决现场试验加载装置的困难图 4-2-8 所示为屋架成对构件的卧位试验这时也必 须注意试件自重产生出平面的变形 3结构原位试验 原位试验是对已建结构性能检验进行现场荷载试验唯一使用的方法试验的结构构件在 生产或施工现场处于实际工作的位置它的支承情况边界条件与实际工作状态完全一致 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 如工业厂房的屋架吊车梁或钢筋混凝土的交梁楼盖等这时构件支承不是理想的支座 与计算简图有所差别更由于结构间的整体工作邻近构件对试验部分会产生卸载作用因 此在荷载图式加载方案的选择与设计时应特别引起注意 为了保证试验工作的正常进行对试验加载的设备装置也必须进行专门的设计在使用 试验室内现有的设备装置时也要按每项试验的要求对装置的强度和刚度进行复核计算 对于加载装置的强度首先要满足试验最大荷载量的要求保证有足够的安全储备同 时要考虑到结构受载后有可能使局部构件的强度有所提高 试件的最大强度常比预计的要大 在作试验设计时将要求加载装置的承载能力提高 70左右 图 4-2-7 偏心受压柱的卧位试验 1试件2铰支承3加载器4传感器5荷载支座架6电阴应变计7 挠度计 图 4-2-8 成对屋架卧位试验 1试件2加固后作荷载平衡的构件3支承反力架 4液压加载器5荷载传感器 对试验加载装置还必须要求其有足够的刚度如果刚度不足将难以获得试件极限荷 载后的性能 设计试验加载装置时还要求其能符合结构构件的受力条件要求能模拟结构构件的边 界条件和变形条件在砖石或砌块墙体的低周反复试验中图 4-2-9(a)所示施加竖向荷载用 的拉杆对墙体的侧向位移产生约束而图 4-2-9b所示的加载方式就能消除约束而较好地 符合实际受力情况 图 4-2-9 墙体低周反复试验的荷载装置 1液压加载器2拉杆3滚轴4试件 在加载装置中还必须注意试件的支承方式梁的弯剪试验中在加载点和支承点的摩 擦力均会产生次应力使梁所受的弯矩减小当支承反力增大时滚轴可能产生变形甚至 接近塑性会有非常大的摩擦力使试验结果产生误差 三结构试验的加载制度 试验加载制度是指结构试验进行期间控制荷载与加载时间的关系它包括加载速度的快 慢加载时间间歇的长短分级荷载的大小和加载卸载循环的次数等结构构件的承载能 力和变形性质与其所受荷载作用的时间特征有关对于不同性质的试验必须根据试验的要 求制订不同的加载制度 对于预制混凝土构件在进行质量检验评定时可按预制混凝土构件质量检验评定标 准gbj-321-90的规定进行一般混凝土结构静力试验的加载程序可按混凝土结构试 验方法标准gb50152-92的规定对于结构抗震试验则可按建筑抗震试验方法规程 jgj101-96的有关规定进行设计 第四节结构试验的观测设计 第四节结构试验的观测设计 一观测项目的确定 在确定试验的观测项目时首先应该考虑反映结构整体工作和全貌的整体变形如结构 挠度转角和支座偏移等通过挠度的测量不仅能了解结构的刚度而且可以知道结构的 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 弹性或非弹性工作性质挠度的不正常发展还能反映出结构中某些特殊的局部现象转角 的测定往往用来分析超静定连续结构 对于某些试验反映结构局部工作状况的局部变形也是很重要的如应变裂缝和钢筋 滑移等例如钢筋混凝土结构的裂缝的出现能直接说明其抗裂性能再如在作非破坏性 试验进行应力分析时控制截面上的最大应交往往是推断结构强度的最重要指标 二测点的选择与布置 利用结构试验仪器对结构物或试件进行变形和应变测量时在满足试验目的的前提下 测点应是宜少不宜多任何一个测点的布置都应该服从于结构分析的需要 测点的位置必须要有代表性在结构物的最大挠度和最大应力部位上必须布置测量点 位如果目的不是要说明局部缺陷的影响就不应该在有显著缺陷的截面上布置测点 在测量工作中由于部分测量仪器会有工作不正常的情况或发生故障往往还有很多 偶然因素影响量测数据的正确性为了保证测量数据的可靠性还应该布置一定数量的校核 性测点校核测点可以布置在结构物的边缘凸角上也可以布置在理论计算比较有把握的区 域此外我们还经常利用结构本身和荷载作用的对称性在控制测点相对称的位置上布置 一定数量的校核测点 三仪器的选择与测读的原则 (1)试验所用仪器要符合量测所需的精度要求一般的试验要求测定结果的相对误差 不超过 5也就可以了为此应使仪器的最小刻度值不大于 5的最大被测值 (2)仪器的量程应该满足最大应变或挠度的需要 最大被测值宜在仪器满量程的 152 3 范围内一般最大被测值不宜大于选用仪表最大量程的 80 (3)如果测点的数量很多而且测点又位于很高很远的部位这时应采用电阻应变仪 多点测量或远距测量对埋于结构内部的测点只能用电测仪表 (4)选择仪表时必须考虑测读方便省时必要时须采用自动记录装置 (5)为了避免差错同类参数的量测仪器应尽可能选用一样的型号规格但在校核测点 上往往使用另一种类型的仪器以便比较 (6)动测试验使用的仪表尤其应注意仪表的线性范围频响特性和相位特性要满足试 验量测的要求 仪器仪表的测读应按一定的程序进行具体的测定方法与试验方案加载程序有密切的 关系在拟定加载方案时要充分考虑观测工作的方便与可能反之确定测点布置和考虑 测读程序时也可根据试验方案所提供的客观条件密切结合加载程序加以确定 由于结构构件的变形特别是混凝土构件的变形在一定程度上与荷载持续时间有关因 此在结构静力试验中量测变形在时间上应有一个统一的规定这样量测的结果才具有 可比性在静力试验时应注意以下各点 1结构在试验加载前应在没有外加荷载的条件下测读仪表的初始读数 2试验时在每级荷载作用下应在规定的荷载持续时间结束时量测结构构件的变 形结构各部位测点的测读程序在整个试验过程中宜保持一致各测点之间的读数时间间隔 不宜过长原则上是全部测点仪器的读数必须在同一时间段内进行因为只有将同一时间段 内得到的读数综合起来才能说明结构当时的实际工作情况当仪器数量较多时应分区同时 由几人测读如果采用自动记录仪器进行巡回检测更为合适 3 结构刚度试验时 在使用状态试验荷载作用下的 30min 的持续时间内 宜在 5min 10min15min 和 30min 时量测结构构件的变形这样可以了解变形发展的稳定性 对在使用状态试验荷载作用下需要持续时间恒载试验不少于 12h 的结构构件在整 个荷载持续时间内宜在 10min30min60min2h6h 和 12h 时分六次测读可以由此绘 制构件的变形时间曲线 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 4当构件在空载时要量测其变形恢复情况及残余变形值时应在全部荷载卸载后 的 45min 时间内分别在 5min10min15min30min 和 45min 时进行仪表测读对需要在 卸载后持续 18h 量测变形恢复及其残余变形的构件宜分别在 10min30min1h2h6h 12h 和 18h 时量测变形 同样在结构动力试验时也必须严格控制仪表测读时间如结构疲劳试验时也需要 在一定疲劳次数后分别进行仪表测读 在试验中对于重要的控制测点的读数应边作记录边作整理与预计理论值进行比 较以利于发现问题并及时纠正 第五节结构试验的误差控制 第五节结构试验的误差控制 从某种意义上来看结构试验是一种特殊的计量工作在试件制作材料选用安装就 位加载量测和数据采集等各个阶段都可能存在或产生各种误差为此在试验设计工作 中必须对各个环节可能产生的误差加以控制使之提高测试精度保证试验质量 一试件制作误差 结构试验大量的试验对象是混凝土结构构件在试件制作过程中由于材料膨胀收缩与 模板变形等因素经常使混凝土构件外形尺寸产生误差另外由于钢筋骨架绑扎的初始误 差和施工振捣移动等原因会使钢筋骨架变形主筋错位和保护层厚度改变 对于砌体构件因块材材质的离散以及施工砌筑技术的影响以致试件的平整度垂直 度与实际尺寸误差更大 混凝土构件外形尺寸的偏差主筋位置变动引起截面有效高度的变化和砌体试件砌筑质 量对试件的强度和承载力都会产生相当大的影响 为减少试件制作误差产生的影响试验前必须量测试件主要受力区的实际外形尺寸 试验后打开混凝土实测主筋位置和保护层厚度采用试件的实测尺寸进行理论计算可以 大大减小误差 二材料性能误差 在结构试验中结构构件的受力和变形特点除受荷载作用等外界因素影响外还取决 于组成构件的材料抵抗外力的性能因此建筑材料的力学性能直接影响结构构件的质量 试验中由材料的试块来确定材料强度并据此计算构件的变形和承载力 由材料标准试块或试件试验确定的强度是一种名义强度因材料本身的离散性和试验方 法等因素使试验得到的名义强度与实际强度之间存在着误差这样也就会将这种误差带 到结构试验的结果中去 为了减小材料强度的误差要求确定材料强度的试块和结构试件具有同一性对混凝土 而言即要求有相同强度等级的混凝土相同的模板成型相同的振捣和养护条件相同时 间拆模和同时进行试验对于钢材由于材料的匀质性较好一般可以同级同批同直径 取样作为代表如能按构件主筋逐根取样则减小误差的效果更为显著砌体材料由块材和 砂浆两种非匀质材料砌筑而成二者强度的优劣直接影响砌体强度此外砌筑技术也是不 可忽视的主要因素为了减小误差也必须保持试块材质的同一性同批试件砌筑工艺的同 一性和试验龄期的同一性 材料试验必须按标准方法进行并注意试块尺寸效应和试验加载速率对材料强度的影响 和可能产生的误差 三试件安装误差 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 试件安装就位前要正确仔细地定出支座反力作用线的位置注意试件安装就位的正确 性防止受弯构件的计算跨度和柱或压杆的计算长度与计算简图不一 要正确定出荷载作用点的位置确定压杆截面中心线或偏心荷载作用的偏心距避免引 起构件截面内力的差异支座约束条件要严格与计算假定一致防止因支座变形而增大摩擦 力 产生次弯矩或局部应力集中 防止因支承面不平整而引起试件扭转或出平面的变形倾覆 四荷载和量测设备误差 结构试验需要在荷载作用下量测结构的反应在试验设计时应严格按混凝土结构试 验方法标准gb50152-92和建筑抗震试验方法规程jgj101-96等规定要求的精度等 级和误差范围选用加载设备和量测仪表进行试验为控制试验的误差必要时尚须进行系 统的计量标定 五结构试验方法非标准误差 在材料力学性能试验时混凝土试块的尺寸形状和加载速率等都有相应的标准对其 作出严格的规定在进行混凝土和砌体等构件试验时尺寸效应对强度同样会产生影响所 以试件尺寸同样不能太小另外这类构件在临近破坏时强度随时间变化的非线性关系 非常突出加载时间愈长强度愈低为此对同批同类试件的试验方法加载时间历程 应加以统一防止产生差异以致无法对比 第三章试验数据采集及测量仪器 第三章试验数据采集及测量仪器 在结构试验研究中被测参数与结构的应力和变形性能密切相关结构静态参数可分为 局部纤维应变和整体变形两大类结构动态参数主要是结构的动力特性和结构振动随时间而 变化的动态反应 由于静态和动态参数的特征不同 采用的量测仪表和量测方法也有所区别 由于各种参数的量测仪表有各自的构造特点和工作原理因而分类方法也各有差异例 如利用弹簧齿轮等机械零件制成的仪表称机械式仪表利用电阻电容电感等元件制成 的仪表称电测仪表根据仪表与试件之间的关系又可将仪表分为接触式和附着式按记录方 式不同又可分为数字式和模拟量式其他还有按光学声学学科分类的仪表等 在结构静力试验中多数量测仪表是由机和电组成的复合式仪表以及附有数字显示系 统的数字式仪表它们具有直观准确和使用方便等优点例如受弯构件的挠度受压构件 的侧向变位和整体结构的层间位移等都可以用数字式位移计测量局部纤维的应变可直接 用应变仪测量 在结构动力试验中仅对参数的某一瞬时值进行测量是不能代表结构振动的实质的必 须量测结构振动的全过程这种参量的量测仪表大多属于动态模拟量测仪表它的优点是储 存的信息量大测点数不受限制记忆速度快和具有再现的能力对模拟量作定量分析时必 须进行严格的标定模拟量记录的主要缺点是不直观 结构试验对量测数据的精确度要求通常是根据试验的目的和要求来确定并根据精度 要求选择量测方法和量测仪表为此对量测仪表的技术性能使用方法和适用范围等作全 面的了解是完全必要的 第一节测量仪表的基本概念 第一节测量仪表的基本概念 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 测量可定义为狭义测量和广义测量两种狭义测量就是被测的量与同性质的标准量进行 比较并确定被测的量是标准量的多少倍标准量应该是国家专门机构所指定的量具有足 够稳定的性能标准量所采用的单位愈小对一给定的被测量而言其测量精确度则愈高 广义测量是指对被测对象进行检出变换分析处理判断控制和显示等这些环节的 组合称为测试系统换句话说在广义测量系统中有以敏感元件为中心的检出部分有转 换信号提高效率的变换放大部分有执行信息分析处理的数据分析处理部分和联系以上各 部分的控制系统等随着计算机自动控制技术的迅速发展广义量测系统正在不断改进和完 善目前已在工程结构试验中广泛应用 一测量仪表的组成及技术指标 狭义测量仪表和广义测量系统从形式上看虽然有差别甚至毫无共同之处但是二者实 现其测量任务时它们必备的基本功能却是相同的即每种测量仪表都应具备检出变换 放大和显示记录等基本功能一切量测仪表也都是由具备这些功能的元件或部件组合而成 量测仪表的组成如图 4-3-1 所示其中检出变换部分的敏感元件一般都直接与被测对 象接触或直接附着在被测对象上用来图 4-3-1 量测仪表的组成感受被测对象的参数变化 有时还需要将感受的参数经过变换后才能送入放大系统最后送至读数器显示仪或记录器 等进行数字或模拟记录 反映量测仪表性能优劣的是仪表的技术指标量测仪表的主要技术指标如下 1.刻度值 a 设置有指示装置的仪表一般都配有分度表刻度值是指分度表上每一最小刻度所代表 的被测量的数值刻度值的倒数为该仪表的放大率 v即 v=1 a 2.量程 s 量程是指测量上限值和下限值的代数差即仪表刻度盘上的上限值减去下限值 s=xmax-xmin通常下限值 xmin=0这样 s=xmax在整个测量范围内仪表提供的可靠程度并 不相同通常在上下限值附近测量误差较大故不宜在该区段内使用 3.灵敏度 k 灵敏度 k 是指某实际物理量的单位输出增量与输入增量的比值k=y x当仪表的 输出特性曲线为一条直线时则其各点的斜率相等k 为常数如图 4-3-2a所示若输 出特性曲线为一条曲线说明仪表的灵敏度将随被测物理量的大小而变化如图 4-3-2b 中 x1x2 处的灵敏度是不相等的 图 4-3-2 仪表的灵敏度 4分辨率 当输入量从某个任意非零值开始缓慢地变化时我们将会发现只要输入的变化值不超过 某一数值仪表的示值是不会发生变化的因此使仪表示值发生变化的最小输入变化值叫作 仪表的分辨率 5滞后 某一输入量从起始量程增至最大量程再由最大量程减至最小量程在这正反两个行程 输出值之间的偏差称为滞后滞后常用全量程中的最大滞后值与满量程输出值之比来表示 这种现象是由于机械仪表中有内摩擦或仪表元件吸收能量所引起 6精确度 精确度简称精度它是精密度和准确度的综合反映精度高的仪表意味着随机误差和 系统误差都很小精度最终是用测量误差的相对值来表示的误差愈小精度越高在工程 应用中为了简单表示仪表测量结果的可靠程度可用仪表精确度等级 a 来表示 a=gmax xmax-xmin100%3-1 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 式中gmax最大绝对允许误差值 xmaxxmin测量范围的上下限值 7可靠性 仪表的可靠性可定义为在规定的条件下满足规定的技术指标包括环境使用维 护等满足给定的误差极限范围内连续工作的可能性 或者说构成仪表的元件或部件的功能 随着时间的增长仍能保持稳定的程度现代的测试仪表元件数目都很多每个元件都应该有 很高的可靠性才能保证仪表具有可靠性 二测 量 方 法 常用的测量方法有直接测量法和间接测量法偏位测定法和零位测定法 1直接测量法和间接测量法 直接测量法是用一个事先按标准量分度的测量仪表对某一被测的量进行直接测定从而 得出该量的数值直接测量法是结构试验中最广泛应用的一种方法但直接测量不等于必须 用直读式仪表进行用电压表直读式仪表和电位差计比较式仪表测量电压均属直接 测量所谓间接测量就是不直接测量待求量 x而是对与待求量 x 有确切函数关系的其他 物理量 y1 y2yn 进行直接测量 然后通过已知函数关系式求待求量 x 的值 即 x=f y1 y2yn例如测量一构件某特定点上的应力一般都是通过测定应变然后根据函数关系 式=e)再导出应力间接测量法是直接测量不便进行时或没有相应仪表可采用时 或直接测量引起误差过大时使用 2偏位测定法和零位测定法 偏位测定法和零位测定法都属于直接测量法当测量仪表是用指针相对于刻度线的偏位 来直接表示被测量的大小时这种量测方法就称为偏位法用偏位法测量时指针式仪表内 没有标准量具而只设有经过标准量具标定过的刻度尺刻度尺的精确度不可能做得很高 因而这种测量方法的测量精度不高零位法是使被测的量 x 和某已知标准量 x对仪表指 零机构的作用达到平衡即两个作用的总效应为零总效应为零指零机构的示值为零则 表示被测量的值就等于该已知标准量的值在零位法中测量结果的误差主要取决于标准量的 误差因而测量精度高于偏位测定法但采用零位法测量必须及时调整标准量这就需要一 个时间历程因此其测量速度受到限制 偏位法测量和零位法测量在结构试验中都被广泛采用以后所述及的接触式位移计百 分表动态电阻应变仪等都是采用偏位法进行测定 我们熟悉的天平秤和静态电阻应变仪的 测量原理都是采用零位法进行测量工作的一般认为零位法比偏位法测量更精确尤其当 利用桥路特性对被测量加以放大后量测精度可以进一步得到提高 三仪器误差及消除方法 仪器本身的误差属于系统误差范畴关于测量误差详见本书第八章有关内容产生系 统误差的原因主要是由于仪器在生产工艺上或设计上的缺陷所造成的(例如零件的尺寸 安装 位置和刻度分划不准确等或者是由于使用日久带来的零件磨损零件变形等造成在设计 原理上用线性关系近似地代替非线性关系也会产生系统误差 仪器系统误差出现的规律可区分为定值误差和变值误差两种在整个测量过程中误差 的大小和符号都保持不变称为定值误差例如仪器的刻度不准确变值误差较复杂分为累 进误差周期误差和按复杂规律变化的误差三种在测量过程中随时间递增或递减的误差 称累进误差周期性地改变其数值及符号的误差称为周期误差 消除系统误差的基本方法是事先找出仪器存在的系统误差及其变化规律并对其建立 各种修正公式或绘制修正曲线编制修正表格等这就需要对仪器进行定期率定率定方 法有如下三种 (1)在专门的率定设备上进行这种设备能产生一个已知标准量的变化由它和被率定 第四编 混凝土结构性能试验操作技术 仪器的示值作比较求出被率定仪器的刻度值这种方法其率定设备的准确度要比被率定仪 器的准确度高一个等级以上 (2)采用和被率定仪器同一等级的标准仪器作比较来进行率定所谓标准仪器 其准确度并不比被率定的仪器高但它不常使用因而可认为该仪器的度量性能技术指标可 保持不变准确度也为已知显然这种率定方法的准确度取决于标准仪器的准确度因 为被率定仪器和标准仪器具有同一精度故率定结果的准确度要比上述方法差但本法 不需要特殊率定设备所以常被采用 (3)利用标准试件率定仪器将标准试件放在试验机上加荷使标准试件产生已知的变 化量根据这个变化量就可以求出安装在试件上的被率定仪器的误差此法准确度不高但 它更简单容易实现所以被广泛采用 此外对于在工作期间随时要求进行率定的仪器可将专门的率定装置直接安装在仪器 内部例如动态电阻应变仪内部就设有这种内标定装置 第二节应 变 测 量 第二节应 变 测 量 应变定义为单位长度范围内的伸长或缩短在结构试验中相当一部分仪器的测量结果都 是以指示部分的长度变化来表示例如测得单位长度内的伸长量就可以导出应变l l又如 结构试验中需要测定荷载或作用力的大小而人的感觉器官又不能直接去观测力的大小这 时就可以借助仪器将力变换为仪器中某一部件相对于另一部件的位移而导出力的大小如 f=cl lc 为仪器部件的刚度)这种方法在测力计及各种传感器中得到广泛应用 测量构件表面或材料表面的纤维应变是结构试验测试的一项重要内容结构的位移 应力力转角等都可以由应变通过已知函数关系式导出应变测量一般可分应变机械测法 和应变电测法两类 一应变的机械测量法 1手持应变仪 手持应变仪如图 4-3-3 所示它是一台自成套的应变仪主要由两片弹簧钢片连接两个 刚性骨架组成两个骨架可作无摩擦的相对移动骨架两端附带