建筑结构实验汇总.doc

第1章绪论学习辅导一、建筑结构试验的分类结构试验按试验的目的、对象、荷载性质、试验场所以及试验持续时间可将结构分为生产检验性试验和科学研究性试验；真型试验与模型试验；静力试验与动力试验；短期荷载试验与长期荷载试验。1生产检验性试验和科学研究性试验按试验的目的可将建筑结构试验分为生产检验性试验和科学研究性试验。生产检验性试验以直接生产为目的；科学研究性试验的目的是验证结构计算的各种假定、发展新的设计理论、改进设计计算方法、修改和制定各种规范，为发展和推广新结构、新材料和新工艺提供理论和试验的依据。生产检验性试验通常解决以下问题：（1）结构的设计和施工通过试验进行鉴定；（2）预制构件的性能检验；（3）工程改建或加固； （4）工程事故的处理；（5）服役结构的可靠性鉴定。科学研究性试验通常解决以下问题：（1）验算结构计算理论的假定；（2）为制定设计规范提供依据；（3）为发展和推广新结构、新材料与新工艺提供实践经验。2真型试验与模型试验真型试验的试验对象是实际结构（或构件）或者按实际结构（或构件）足尺寸复制的结构（或构件）。真型试验适用于生产检验性试验；有些研究结构整体性能的试验，如工业厂房结构的刚度试验、高层结构风振测试及采用脉动法测量结构的动力特性等试验；实际构件试验；足尺寸复制结构的试验等。真型试验的特点：通过试验可以对结构构造、各构件的相互作用、结构的整体刚度以及结构破坏阶段的实际工作进行全面观测了解；但是，真型结构试验的投资大、周期长、测量精度受环境影响较大。模型试验的试验对象是仿照真实结构并按一定比例复制而成的试验代表物，它具有真实结构的全部或部分特征，是比真型结构尺寸小得多的缩尺结构。对模型试验的要求是：模型试验必须保证模型与真实结构几何相似、材料相似和力学相似，完全满足相似理论。试验力学常常用这种模型，在水利工程中也用此类模型。在“钢筋混凝土结构”及“砖石结构”课程中讲到的试验研究绝大多数是用这种模型做出来的。3静力试验与动力试验静力试验也称为结构静力单调加载试验。由于大部分建筑结构在工作中承受的是静力荷载，所以静力试验是结构试验中数量最大、最常见的基本试验。结构抗震静力试验是以静力的方式模拟地震作用的试验。它是用周期性的反复的静力荷载施加于结构上，研究结构抗震强度的一种静力试验，称为低周期反复加载试验，也称为伪静力试验。静力试验的最大优点是所有加载设备相对简单，荷载逐级施加，可以停下来仔细观测结构变形，给人一明晰的破坏概念。动力试验包括振动试验和疲劳试验。对于承受动力作用的结构或构件，为了了解结构的动力特性及在动力荷载作用下的响应，一般要进行结构动力试验。4短期荷载试验和长期荷载试验短期试验只能反映出结构的短期性能。绝大多数试验都是短期荷载试验，这种试验与结构实际工作状况不完全相同。长期荷载试验是研究结构的长期性能，如徐变、结构的长期刚度和抗裂性能、混凝土的耐久性等。二、结构性能检验简介在生产检验性试验中，为工程验收与预制构件产品检验而进行的试验称为结构性能检验。这是经常进行的一类非常重要的试验。本节主要介绍了预制钢筋混凝土构件的性能检验方法，即分批复式抽样检验的方法，其中包括：抽样的方法和判别产品质量的方法，以及构件检验的技术指标。钢筋混凝土预制构件的结构性能的检验方法和质量评定标准是我们学习的重点。检验指标分为正常使用状态和承载力极限状态。正常使用状态下，钢筋混凝土构件的检验指标有允许挠度和允许裂缝宽度；预应力钢筋混凝土构件的检验指标有允许挠度和构件抗裂检验系数允许值。构件抗裂检验系数就是构件开裂荷载实测值与构件正常使用荷载标准值之比。承载力极限状态下，检验指标为承载力检验系数。承载力极限荷载实测值与承载力检验荷载设计值之比称为承载力检验系数。当构件丧失承载能力时，由于受力形式不同，呈现不同的破坏形态，称为承载力极限标志。根据承载力极限标志的不同，规定了不同的构件承载力检验系数允许值。应掌握达到承载能力极限状态的检验标志。第二章加载装置与试验设备学习辅导【内容提要和学习指导】1-1重物加载在建筑结构试验和检验中重物加载是最经常使用的加载方法之一，是使用容重较大的又容易获得的物质对结构或构件施加荷载的方法。重物加载的优点是：1.适于长时期的建筑结构试验，并能保持荷载值的稳定；2.荷载重物容易获取，加载方法简单方便，经济可靠。为了施加较大的集中荷载，往往利用荷载放大机构。杠杆是最简单的荷载放大机构，又因其制造简单方便，荷载值恒定不变，适用于长时期的试验加载。在试验时应根据具体情况选择不同的加载重物，不论采用哪种物质作为重物荷载，必须在试验前对荷载值进行称重，保证重物荷载值的准确性。由于重物荷载的体积庞大，在进行建筑结构破坏性实验过程中应采取尽安全保护等措施，保证试验的安全。1-2机械式加载机械式加载方法就是利用简单的机械设备对结构施加荷载，机械式加载对建筑结构可施加集中荷载。机械式加载的优点是加载机械设备简单可靠，实现加载容易。1-3气压加载1气压加载气压加载是使用压缩空气或高压氮气建筑结构施加均布荷载。压缩空气和高压氮气是通过橡胶气囊给结构施加荷载的，为了提高气囊的试验压力荷载，结构的四周应砌筑支承边墙，使结构、支承边墙和地面将气囊包围在其中，达到增高气体荷载压力的目的。2负压加载气压加载的另一种方法是抽真空，形成大气压力差实现对结构的均布加载。气压加载适用于对板壳等大面积的结构物施加均布荷载，其优点是加卸荷载方便可靠，荷载值稳定易控制。1-4液压加载液压加载在建筑结构试验中是理想的加载方法之一，它不但可以对建筑结构物施加静荷载，也可施加动荷载。液压加载的原理清晰，加载设备操作简单方便、安全可靠，能产生较大的荷载，而且荷载容易控制准确稳定，并能实现多点同步加载，是目前建筑结构试验应用最广技术先进的加载方法之一。1液压加载的分类液压加载器根据结构和不同的功能分为：液压千斤顶、单向作用液压加载器、双向作用液压加载器和电液伺服作动器。液压千斤顶是一种简单的起重工具，可用于施加集中荷载。单向作用液压加载器不能单独使用进行加荷，需要配备液压系统，形成液压加荷系统。其结构简单，加荷工作行程大，可在使用中倒置安装，易实现多点同步加载。双向作用液压加载器的特点是：活塞两侧液压油的作用面积基本相当，因此，双作用液压加载器可施加往复拉压加载，为抗震结构试验中的低周往复加载试验提供了加载器具。电液伺服加载器是在双作用液压加载器的基础上配置电液伺服阀、拉压力传感器和位移传感器组成的可控加载装置。2液压系统液压加载系统包括液压系统和荷载支承系统，液压系统由液压控制系统和液压加载器组成。液压控制系统由油箱、高压油泵、测力装置及各种阀门组成。一个液压系统可以控制多个液压加载器。配置不同的荷载支承系统，利用液压加载系统可做各种建筑结构（屋架、梁、柱、板及墙板等）静载试验。电液伺服作动器的电液控制系统，包括液压系统及微机控制系统。液压系统由油泵站及电液伺服作动器组成。微机控制系统包括：装有模数（A/D）及数模（D/A）转换卡的微机、应变仪及信号放大器组成。由电阻应变片、位移传感器和拉压力传感器与数据采集系统组成闭环控制。电液伺服加载系统具有频响快，灵敏度高，控制精度好，适应性强等优点，在建筑结构试验中应用范围较广，电液伺服作动器和控制系统可以完成结构静荷试验、结构动荷试验、结构低周疲劳和模拟地震试验等等。3液压加载器荷载的标定液压加载器必须经过国家质量技术监督局认证的具有检测资质的试验室或检测站的标定, 标定液压加载器时应采用实际使用方式进行标定，建立荷载压力表示值的关系曲线，才能保证试验荷载值的准确性。标定液压加载器时，由于压力表示值的低端和高端属于压力表低灵敏度的区域，因此，在压力表示值不灵敏区域内不可进行液压加载器的标定。在压力表示值的灵敏区域内均匀地取6个以上测量点，测取压力表示值和相应的试验机荷载示值，反复测试三次取各测点的平均值，然后进行一元线性回归分析，给出压力表示值与液压加载器顶出力间的拟合直线方程，在试验时利用直线方程的关系进行加载。1-5动荷加载方法1惯性力加载初始位移加载法是对结构或构件施加荷载，使其产生变形，然后突然卸掉荷载，使结构或构件产生自由振动的方法。这种加载方法对结构振动没有附加质量的影响，适用于测量结构自振频率。张拉突然卸荷法另一种加载方法是利用重物使结构产生初始位移，自动脱钩器使重物荷载突然卸荷，产生自由振动。由于重物的质量对结构不产生附加质量的影响，对测量结构的自振频率是一种较理想的加载方法。初速度加载法就是使加载器具提高势能水平，然后施放加载器具的势能转变为动能，加载器具获得一定的速度后撞击试验结构，使结构获得冲击荷载。2激振器加载法根据激振器加载方法的不同，分为机械式激振器和电磁式激振器。机械式激振器是利用离心力施加周期性荷载的，而电磁式激振器是利用磁极的性质施加荷载的。机械式激振器的适应性较强，使用时需要将激振器底座固定在试验结构的加荷点处，直接进行加载。也可把机械式激振器与活动平台相联，组成机械式振动平台。机械式激振器频率低，振动波形失真度较大，而且加载设备体积庞大，设备较笨重，产生的噪声很大，这是机械式激振器的缺陷。电磁式激振器安装在不同的支座上可以实现水平激振加载或垂直激振加载，是建筑结构动力试验的重要加载设备。电磁式激振器的优点是：频率范围较宽，一般在0200Hz，个别的产品可达1000Hz；重量轻，控制方便，激振力由几十公斤到几百公斤。缺点是激振力较小，仅适合于尺寸较小的建筑结构模型试验。3爆炸加载爆炸加载就是利用火药或炸药使之燃烧或引起爆炸，产生冲击荷载作用于试验结构或建筑物。炸药爆炸后以应力波或冲击波的形式作用于试验结构或建筑物，而火药燃烧是通过火箭激振加载器以激振力的形式作用于结构或建筑物。爆炸加载利用地面和地下进行炸药爆炸加载，使地面产生瞬间的动力效应。在通常情况下，试验结构距起爆中心较远时，才能较好地模拟地震对试验结构产生的动力效应，获得满意的试验结果。火箭激振加载也称为反冲激振器加载，是利用火箭发动机的原理对试验结构施加荷载的。火箭激振加载器特别适宜在现场进行建筑物自振频率和动力反映试验中使用，在使用火箭激振加载器进行试验过程中，应将火箭激振加载器固定牢固，注意防火。1-6加载辅助设备1荷载支承装置荷载支承装置必须具有足够的强度和刚度，才能胜任工作保证实验顺利进行。荷载支承装置分为竖向荷载支承装置和水平荷载支承装置。在试验室中使用的荷载支承装置是积木拼装式的，这类试验荷载支承装置的特点是通过不同的组合，适应不同尺寸的试件，满足不同的试验工况。在施工现场进行结构实验检测时，可使用简易的荷载平衡支承装置，如：现场的基础桩或堆积的重物来平衡竖向加载力。剪力墙是试验室中理想的水平荷载支承结构。桁架式水平荷载支承装置用型钢制造而成，它只能承受不太大的水平荷载作用，通常在中小型结构试件试验中使用。桁架式水平荷载支承装置是一种可移动的试验支架，它可以根据试验需要固定在指定位置，使用两个反力架也可实现水平面内X-Y两个方向上加载。2荷载传递装置荷载传递装置的功能是将加载装置产生的作用力按试验荷载图式的要求正确地传递到试验结构上。荷载传递装置结构简单，如：杠杆、卧梁和分配梁，但是在结构试验中起着重要的作用。卧梁的功能就是在试验时将若干个加载装置的集中荷载转变为均布荷载作用于试件的加载表面。分配梁的功能是将加载装置施加的一个集中荷载按一定比例分配成两个集中荷载。为了一个集中荷载分成多个集中荷载，可采用多层分配梁。 1-7试件支承装置试件的支承装置是实现试验结构力边界条件及位移边界条件关键的试验装置之一，因此，在结构试验中只有正确地使用支承装置，才能确保结构试验的顺利进行。试件支承装置包括：支座和支墩。1支座支座的工作状况是支座与试验结构表面接触支承着试验结构，支座的反力作用于试验结构，支座本身由支墩支承。经常使用的支座按作用形式不同分为滚动铰支座、固定铰支座、固定球铰支座、活动球铰支座和固定端支座。滚动铰支座允许结构在支承点处横方向上自由移动，支反力的作用方向是在接触点处公共法线上，并指向试验结构。固定铰支座与滚动铰支座不同之处是不允许试验结构在支承点处产生横向位移。固定球铰支座允许试验结构在三个方向上产生转动，支反力使试验结构处单向受压荷载作用，活动球铰支座有五个自由度。固定端支座不允许试验结构产生转动和移动。在进行结构试验时，应根据结构实际的受力情况选用相应的支反力才能获得正确的实验数据。2支墩支墩与地面接触，是支座的支承装置。试验室使用钢制或钢筋混凝土制的支墩，支墩可以自由移动。现场进行结构试验时使用的支墩由砖块砌筑或由混凝土浇注而成，这些支墩往往是一次性使用，所以它们的结构是简易的。支墩的上表面应预埋钢板。支墩自身应有足够的强度和较大的刚度，支墩的底面积要保证在试验过程中不产生过量的不均匀沉降。1.建筑结构试验分为哪几类？有何作用？2.静力试验与动力试验、伪静力试验与拟动力试验、原型试验与模型试验有何联系与区别？3.某试验拟用3个集中荷载代替简支梁设计承受的均布荷载，试确定集中荷载的大小及作用点，画出等效内力图。4.用动态电阻应变仪测量动应变和用静态电阻应变仪测量静应变的异同点是什么？5.何谓结构的动力特性？结构动力特性包括哪些参数？测定方法有哪几种？这些方法各适用于什么情况下的测振以及所能测定的参数是什么？6.伪静力试验和静力试验与结构疲劳有何异同之处？7.拟动力试验和伪静力试验与地震模拟振动检测有何异同之处？8.加载系统应满足哪些基本要求？9.用长24cm宽12cm的砖（25N）给双向跨度均为626cm的矩形钢筋混凝土楼板加均布荷载，试作区格划分；放置10层砖所加的均布荷载是多少？10.电液伺服程控结构试验系统由哪几个主要部分组成？其自控系统的工作原理是怎样的？11.在图3.4（b）所示的牵引起重加载布置方式中，若滑轮组的机械效率为0.9，滑轮摩擦系数为0.96，测力计读数为1000N，拉索与地面的夹角30，问此时结构所受水平方向的拉力有多大？ 12.在图3.8（a）所示的加载示意图中，为了对结构施加5250N的突卸荷载，试确定极限强度为380MPa的受拉钢棒的直径。13.衡量仪器性能的主要指标有哪些？14.电阻应变片的工作原理是什么？15.测力计的一般原是是什么？16.回弹法检测混凝土设计强度的技术要点有哪些？17.超声-回弹综合法检测混凝土强度的基本原理是什么？技术要点有哪些？18.某住宅楼的钢筋混凝土梁，粗骨料为碎石，因对混凝土施工质量有疑义，故采用综合法评定其强度，原始记录如教材P109习题4.9表，问该试件的混凝土强度推定值是多少？ 19.用脉冲反射式纵波探伤法对一截面高10cm的钢试件探伤，当探头移至某一部位时，量得荧光屏上始脉冲与底脉冲的间距为10个单位，伤脉冲与底脉冲的间距为3个单位，问探头至缺陷的距离是多少？ 20.为什么要对结构试验采集到的原始数据进行处理？数据处理的内容和步骤主要有哪些？21.进行误差分析的作用和意义何在？22.误差有哪些类别？是怎样产生的？应如何避免？23.试验数据的表达方式有哪些？各有什么基本要求？第三章 测试仪表一、应变测量在混凝土当中进行应变测量，主要的是用应变片来进行。其次，当然还有机械式的仪表，这个教材中都有介绍。这里主要介绍电阻应变片测量方法。1应变片教材图31， 下面介绍一下电阻应变片的结构。大家看这张图。假如说把这个应变片仔细来看的话，那么它有四部分，其中一个部分就是基底，就是4所指的，这是个基底，上面是有电阻丝，这个电阻丝是测量应变的主要部分，然后在电阻丝上面加一个覆盖层，这就是2，电阻丝做好以后再加两个引出线，就是好把它连到仪器上，这就是电阻片的基本结构。电阻片有很多种。按照基底所用的材料不同，可以分为两种，一种是纸基的，就是说这个基底是用绝缘纸来做的，一般的就是电容器纸；还有一种胶基，它是用塑料来做的。要从电阻丝的构造情况来分类，它也有两种，一种叫做线绕的，就是说它用很细的电阻丝这么一圈一圈绕上的，这种叫线绕式的电阻应变片；还有一种是箔式的电阻应变片，一般胶基的都作成箔式的，它的生产工艺就类似于生产印刷线路板那种工艺，就是用光刻来完成的。纸基和胶基这两种电阻片，它们各自有各自的特点。比如说纸机的电阻片，一般它的成本低，而且容易粘贴，容易把它粘贴到试件上。但是，它防潮的性能比较差，比如说空气当中湿度很大，或者你的试件含水量大，那么它可能就提早破坏了。而胶基的特点正好和纸基相反，就是说它的机体材料的成本要比纸基的高，所以整个电阻片的成本要比纸基的高，它的粘贴上要比纸基困难，因为胶基的在和其它的，比如说和金属粘接的时候它就相对困难一点，它本身较硬，但是它防潮性能很好。另外胶基的电阻应变片因为它是用光刻的方法做成的，所以电阻片可以做的很短，电阻丝的长度最小的可以做到0.2毫米，而且可以做成各种各样的电阻片，所以它的工艺比较灵活。2应变片测量的原理如何通过应变片来测量出来应变呢？我们首先要了解丝栅材料的灵敏系数。（1）丝栅材料的灵敏系数丝栅材料的灵敏系数是怎么定义的呢。首先，我们来看一个电阻丝。任何一个电阻丝，它本身当然有电阻，它的电阻一般和这么几项有关系：一个是和电阻丝的长度有关，很显然越长，电阻越大；另外就和电阻丝的截面积有关，当然截面积越大，电阻越小；其次它还有一个本身的特性，就是电阻系数，因为大家知道有些材料电阻就小，比如说铜材料电阻就小，其它的有些金属材料电阻就大。所以电阻丝的电阻与电阻丝的长度、截面积和电阻系数有关。大家看这个公式，实际上这就是一个电阻的公式，就是说电阻用R来表示，这个就是电阻系数，这个L是电阻丝的长度，A是它的面积，如果把这个电阻对它取全微分，然后再和整个电阻做比较，求它相对的电阻变化，比如说用电阻的全微分比上这个电阻值，然后公式右边也是取全微分，然后再用它这个去除，结果整理以后就可以得到教材（36）这个式子，这个推导过程文字教材中有，在这就不详细介绍了。（36）推导的结果就是这个电阻变化率，也就是相对的电阻变化，实际上是由两部分组成，一部分是，是材料的泊松比，后面是金属丝的，这是一项；还有一项是电阻率的变化率。也就是说，整个的电阻变化率是和什么有关系呢？是和电阻丝的应变，和电阻变化率的相对变化有关系，但是后边这一项，就是相对的电阻变化率这一项，对于一般的金属材料还很小，主要是前面这一项构成的。因此，如果我们用电阻的相对变化去替换全微分，就变成R比R，也就是电阻丝的电阻变化率，这一项因为它基本上不变化，我们可以把它忽略，那么它被应变来除，得到，把叫做电阻丝材料的灵敏系数，因为它是指的电阻丝的应变和它的相对电阻变化率之间关系，我们把它叫，这个对一般的金属材料它基本上是一个常数，所以我们就把它当作一个常数来对待，这是电阻应变片测量最基本的一点，就是因为它的应变和电阻变化率，存在一个线性关系了，因为它等于常数。但是光一个电阻丝还不能构成电阻应变片。所以还要求出来电阻应变片的灵敏系数，下面重点就介绍一下电阻应变片的灵敏系数。这个就是个整体的了。它这个灵敏系数也采用了电阻丝灵敏系数那种形式，但是它的含意是有不同了，这项含义，就是R比R，这个电阻相对变化也称为电阻变化率，这个意义是一样的，这个当然是指整个应变片的电阻变化率，下面这个应变就不是指电阻丝的应变，而是指把这个应变片已经贴到材料上了，是这个材料的应变，虽然这个公式的形式是相同的，但是含义是不一样的，那么这个比，也近似是个常数，把这个常数叫做电阻应变片的灵敏系数，因为它是应变片整体的电阻变化率和试件的应变的比值，这个比值K这个数值，它是通过试验得到的，它不是理论计算值，它是个试验得到的。在试验的时候都是由应变片的出厂厂家在一个标准的条件下来测定的。一般说来它用一个标准梁，上面加上荷载以后，让它产生一定的应变，同时测量上面贴的电阻片的电阻相对变化率，那么求得它的比值就是电阻片的灵敏系数，这个灵敏系数值一般在买电阻片的时候，包装盒上都要注明的。因为测定灵敏系数的时候不可能每一个都测了，它也是采取抽样的，所以它是一批应变片，它有统一的灵敏系数。把这个公式转换一下，就变成下面这种形式，就是说电阻片的电阻变化率，也就是R/R=K，也就是说用电阻应变片来测量应变的时候，那么这个应变，由于试件的应变，就会使电阻片产生一个电阻变化率，而且这个电阻变化率要比应变大K这么多倍。这个式子是用电阻应变片测量应变最基本的一个转换关系。大家一定要很好的把它掌握。用电阻应变片来测量应变,就是把应变片牢牢地贴到试件上,然后去测量电阻片产生的电阻变化率,通过电阻变化率去换算出来试件的应变，根据前面咱们介绍过的电阻应变片的构造，那么就可以看出来电阻片有很多优点，下面就介绍一下电阻片具体的技术性能，包括哪几项。（2）应变片的基本技术性能，主要有三项：一个是标距，一个是电阻值，一个就是它的灵敏系数。所谓标距，比如说电阻片，它的标距，不是指整个电阻片的长度，而是指电阻片当中电阻丝栅的长度，就是说它的基底，要比丝栅长一些，指的是丝栅的长度，这个是它的标距，一般标距规格很多，它最小可以做成0.2毫米，最大的一般现在用的就是100毫米左右，再长的实际上粘贴起来就有困难了。选择标距的长短，取决材料的均匀程度，比如说材料比较均匀，就可以用标距比较小的。比如说金属材料就用标距比较小的，那就用在5毫米或者10毫米大的；而对于混凝土材料，因为当中有骨料有沙浆，所以它实际上应变不均匀，它用的标距比较大，一般的选择原则，就是要大于骨料直径的三倍。那就根据混凝土骨料力径的大小，来选择电阻应变片的标距的大小。另外一个方面考虑的，就是看应力的变化梯度，比如在这一个区域内，应力变化梯度特别剧烈，那么就应该选择标距短的，比如测量应力集中就应该用标距小的电阻应变片。下面一个指标是电阻值，就是它本身总的电阻值，这个电阻值一般对测量的影响不是很大。电阻片的电阻，一般都是在60欧姆到1000欧姆之间，大多数都是120欧姆或者是360欧姆左右，它允许从60欧姆到1000欧姆之间。第三项指标就是方才介绍的电阻片的灵敏系数。这个值，当然它是固定的，当它选择生产厂家用的某电阻丝，那么它的灵敏系数就是固定的了。它就测给你，一般都在2.0左右，比如说1.9-2.1左右，都在2左右这个上下的波动，就是说使用的时候要利用这个值，因为刚才那个公式，要利用灵敏系数值去换算出来应变，所以这个值很重要，但是确切的具体这个值的多少对测量是影响不大的。（3）电阻片的特点一个特点是它的质量很轻，刚度很小，这个是测量仪器最大的优点。因为要测量一个试件的应变，如果测量仪器刚度很大，实际上就等于给试件附加上一个刚度，这样测量就影响结构的变形，而且，你质量大，假如说加到试件上，那么它本身就变成荷载了，但是对于咱们做结构的，好像还不是太突出，假如说做的材质很轻，做很薄的膜的一个试验，那么仪器的质量和刚度影响就突出了。另一个特点就是它的标距、规格很多。方才咱们说了，它可以从0.2做到100，所以它适合各种情况的测量，它的适用范围也是很广泛的，因为一般的电阻应变片，当然是在常温、常湿这个条件下，但是它也可以根据你的要求做，出来很多适用特别条件的应变片，比如说可以做高温的应变片，所以应变片的应用是很广泛的，不单在结构试验上，在其它的各种试验上也都经常要用到的。3应变仪的原理前面我们介绍了应变片能够把试件的应变反应成电阻变化，那么我们通过什么办法来把电阻变化来测量出来呢？那当然这样就得有应变仪。下面就介绍一下应变仪，介绍一下应变仪的测量原理。应变仪里面最基本的也是与我们使用应变仪最有直接关系的部分就是慧斯登电桥，这部分与我们使用应变仪关系最大了。（1） 慧斯登电桥教材图34，下面看这个图，这个图就是一个慧斯登电桥的图，在应变仪里面这个A、B、C、D，实际上是仪器面板上有四个接线柱，那么在这四个接线柱之间要外接电阻应变片，使它形成一个电桥，就是A、B之间要接上一个电阻片，B、C之间接上一个电阻片，C、D之间也要接上一个电阻片，D、A之间也要接上一个电阻片。那么这四个电阻应变片就构成一个电桥。仪器里面有一个恒压的电源，它供给电桥电压，那么它供给是从A、C接进去，那么把A、C叫做供电对角线，它供给电桥的电流，B、D两点就接出来了测量B、D两点间的电压变化，我们现在假定用一个精密电压表，测量B、D两点的电压变化。因为电阻片刚才说它的规格、它的电阻值就是从60欧姆到1000欧姆，而电压表的内阻一般都很大，起码要10兆欧姆以上，所以我们就可以假定电压表的内阻是无限大，电压表的内阻要是无限大，就可以把B、D两点间看成是开路的，就相当于什么都没接一样，那么这时候这个电桥就变成一个简单的回路了。那就是说其中有一条回路是从A、B到C,一条回路是从A、D到C,这样我们就可以用简单的电路来进行分析。那么主要分析A、C之间有一个恒定的电压以后,看看B、D之间输出的电压究竟是多少。假定C为0,那么B、D之间的电压，实际就是A、C之间电压被和来分压。它这个公式就是UBC，就是B、C之间电压，等于U*R2/(R1+R2),同样,UDC就是D、C之间电压，等于U*R3/(R3+R4),而B、D两点的电压之差就是输出的电压，把这两个式子相减,然后整理就可以得到这么一个关系了，就是：U*(R1*R3-R2*R4)/(R1+R2)*(R3+R4)。那么从公式中可以看到如果分子等于零,实际输出就是零,也就是(R1*R3-R2*R4)等于零,输出就是零,这个时候叫做电桥平衡。（2）慧斯登电桥的特点就是当这个电阻关系成立的时候,输出就是零,把这个称为电桥平衡，等于零这个关系也可以写成比例关系,就可以写成R1:R2=R3:R4，那从图上就可以看出,只要相邻桥壁的电阻，比如说R1、R2这两个电阻和R3、R4这两个电阻要是成比例的话，实际电桥输出就是零，这是电桥的平衡。用电阻应变测量最初使的状态，也就是说没有应变的状态，就要调整电桥让它处于平衡状态，那么要使平衡，在应变里实际上是用两种特殊情况，一种情况就是这四个电阻完全相等，就是R1=R2=R3=R4这是一种状况；还有一种状况就是让R1=R2,R3=R4，当然R1和R3之间不一定相等,只要R1=R2，R3=R4就可以了。那么这时候这电桥就是平衡了。大家再回来看图,就是说初始状态没有应变的时候,电桥是平衡的,就是说，或者这四个电阻全等,或者R1=R2,R3=R4,那么电桥输出是零。当电阻片上都有应变，也就是说每个电阻片都产生一个电阻变化，就是说R1上产生一个电阻变化，R2上产生一个电阻变化，R3上也产生一个电阻变化，R4上也产生一个电阻变化，就是说每一个电阻上都增加一个电阻增量，带到这个公式里面去，就变成这么一个式子，R1上增加一个电阻R1, R3上增加一个电阻增量R3，同样,R2上也有一个电阻增量，R4上也有一个电阻增量,下面也一样，R1、R2上都有一个电阻增量,R3、R4上也有一个电阻增量,再乘上电源电压U，就等于它的输出了。把这个式子整理以后就得到这么一个近似的关系了,它的近似在什么时候成立呢?就是它的相对电阻不太大的时候,电桥输出电压近似等于四分之一的U，U当然就是供桥电压。里面是四项代数和,其中第一项是第一个电阻的相对变化,就是R1/R1,第二项中间是个负号，就是R2电阻的相对变化，第三项是R3的相对变化，第四项是R4的相对变化,这个符号是第一项是正的,第二项是负的,第三项是正的，第四项是负的。那也就说明这个对于电阻应变测量是最基本的一个关系式，就是说你测量出来的电桥输出，实际反应这四个电阻的相对变化率的代数和，而且它的关系是这样的，就是R1和R2这两个是相邻的桥臂,，R1是正向，R2是个负向；R3是个正向，R4是个负的。这就构成相邻的桥臂上这两上相对电阻变化是互相相反的，就是说第一个是正的，第二个是负的，而R3是正的，R3是和R1是相对的桥臂，这个R4也是负的。这个关系大家要掌握，因为以后大家在连接电阻片最后在整理读出应变值的时候是和这个有很大关系的。这是电阻变化率，如果我们把电阻变化率和应变的关系代到式子里面去，就会得到这样了，前面是1/4U乘电阻片的灵敏系数K，里面就是这四个应变片各自产生的应变的代数和。如果这四个电阻都是应变片，也就是说都有应变,当然这就是四个应变，把这种连接，就是四个桥壁上都接电阻片这种连接称为全桥连接,那么它就是四个应变。如果把其中两个电阻，一般是把R3和R4这两个桥臂不接电阻应变片，而接固定的电阻，就是精密的电阻。那么这个时候，R3和R4上相对变化就没有了,就是当R3：R3=R4：R4=0的时候,这个式子就变成这种形式，后面应变部分就变成两项了，只有1和2，把这种连接称为半桥连接。大家一定要很好的理解这两个式子，在每一个桥臂上产生的应变对整体读数的影响，那么就是说相对桥臂上的应变是相加，而它相邻桥臂上的应变都是相减，这个与将来咱们测量应变电桥的连接关系很大。（3）应变片的热效应及其补偿。就是说电阻应变片我们贴到试件上了。但是我们在试验过程当中可能因为温度有变化,比如说早晨和中午温度可能有变化，那么这个变化对最后产生的应变有什么影响呢这个影响究竟有多大和怎么样消除它就是这一部分所要介绍的内容。这个图就表示有这么一个试件,我们中间贴上一个电阻片,假如说温度发生变化了,这个电阻片肯定要和试件一起变化,否则电阻片就不起作用了,由于它这种热变化有什么影响呢?我们假想看底下这一部分,底下这实线是表示什么呢,是表示试件由于温度升高,原来虽然和电阻片长度是一样的，这么一块,可是由于温度升高,它伸长了,伸长到这个位置,这实线是表示试件的伸长,这个虚线是表示什么呢?表示电阻片假如我没粘贴到试件上,那么它自由伸长,它原来虽然这么长，经过温度升高,它自由伸长到虚线这个位置,它比试件要小一块，比如说它热涨系数比试件小。这是说电阻片没粘贴在试件上,可实际上电阻应变片是贴到试件上的,它一定要和试件一起变化，它要和它一起变化，也就是说由于温度增长，虽然试件还没有产生应变,可是由于温度升长，就把这个电阻片拉长了一段以后，才能和试件一起变形，所以这个电阻片由于温度变化,而且试件的线膨胀系数和电阻丝的限膨胀系数不一样，那电阻丝就被拉长了，它被拉长了，那当然它就要产生应变了，这是一部分。还有一部分，就是电阻率随着温度变化它也变化，温度升高了，电阻率也会升高，所以这样随着温度升高或者降低，电阻也会发生变化。那么由于这两项变化的结果就使得电阻应变片，虽然试件没有受力，可是它也产生应变的变化了,就是说产生电阻率的变化,电阻率的变化我们通过仪器测量，实际上就是等于相当于应变变化了，所以把这一部分变化叫做电阻片的热效应。这个热效应一般是很大的，可能一度到几十个微应变,如果把这个不消除的话，那么实际上就直接影响测量结果，那么为了消除这个热效应，怎么来解决呢?这个称为温度补偿方法。这个温度补偿方法就是这样，上面是我们要做的真实的试件,这上头当然就受力,它会产生应变,我们再选取一个和你试件材料相同的一个试块,把它叫补偿块,在这上面也贴一个电阻应变片，就各自贴个电阻应变片，如果这个试件上已经受力了，它会由于受力产生一个应变，另外它由于温度变化也会产生一个应变。在这个补偿块上因为它不受力，所以它不可能有工作应变,它只有一个由于温度的变化引起的应变。我们采用半桥连接，也就是说A、B之间接R1,接到工作片,也就是接试件上电阻片，在B、C之间接补偿片，也就是说不产生应变变化这个应变片。那么按照前面介绍的公式,它这个电桥的输出,电桥的输出实际上就是1/4UK乘A、B之间应变和B、C桥上应变之差，那么在A、B之间,也就是R1上的应变是两项,一项是工作应变,一项是热应变，再减去R2这个电阻片上的应变,它只有热应变,而这两个热应变。因为它在试块的材料相同,电阻片也是相同,而且试验的时候要把补偿块,放在和试件很近的地方,就是它受的温度变化也是相同的,所以这两个热应变是相同的,那么一相减后就等于零,所以结果反应出来的就是工作应变了。所以通过这种连接就把温度的效应就消除了。就是说电阻片的这种贴法,在试件上贴工作片,另外再采取一个补偿块，上面贴补偿片,把这两个电阻片接成半桥的方式，把工作片接在A、B之间，把补偿片接在B、C之间，那么其它两个桥臂就是用机器内部提供的两个固定电阻，这种连接方式是最基本的连接方式，也是以后经常要用到的连接方式。上面咱们介绍了电阻片的构造和它的原理以及怎么样通过仪器来读取电阻片产生的电阻变化和消除温度引起来的热应变。并且着重介绍了最常用的一种电阻片的粘贴方式和连接桥路。4测量桥路用电阻应变片来测量应变最基本的桥路已经介绍过了。但是，我们还可以利用慧斯登电桥的特性来灵活的接成其它的形式, 以达到可以提高测量灵敏度。下面第一就介绍在轴相拉压的情况下，在轴向拉压实际上它表面的应力状况就是单相应力状态。在轴向拉压实际上它表面的应力状况就是单相应力状态，单相应力状态的情况下它的应变是在轴向是拉压应变,它的横相应变是和它的轴向应变成比例的,这个比值当然就是波长比,利用这一点就可以把桥路改变另外一种形式。下面介绍第一种情况就是测量应变片互补的半桥测量方案。教材图3-5，这个图上表示的是个试件受到轴向的拉力，在它的表面它的应力状态就是单相应力状态，它的应变，就是轴向是个拉伸应变，横向是和它成比例的一个横向应变，所以在这种情况下电阻片的贴法就可以在轴向贴一个主要的测量的应变片，而把做补偿的应变片也贴到这个试件上，就把它贴成横向应变的方向就是R2，它实际上也起一个补偿应变片的作用，那么因为在这种状态下在R1这个应变片上它感受到的应变，除了拉力产生的轴向应变之外，当然也有温度应变,在R2上产生的应变是它的横向应变和温度应变，所以把这两个应变片接成半桥的形式像右面这个图。那么R1接到AB这个桥臂上，R2接到BC这个桥臂上，当然慧斯登电桥一定要有四个桥臂，那两个桥臂就是两个固定电阻，这两个固定电阻一般仪器里都是设定的，就是利用仪器里设定的两个电阻，在这里再强调一遍，所谓电桥并不是把慧斯登电桥接成只有两个电阻，而它仍然必须四个电阻，只是那两个电阻不是应变片，那么按照电桥的输出的规律，那么它就变成最后它的输出就变成R1桥臂的应变减去R2桥臂的应变，就变成1减2，1实际上是工作应变加上一个热应变，2就是一个横向应变加上一个热应变，这两个减的结果就是它的工作应变，也就是由于拉力产生的应变乘（1+）的系数，也就是使这个应变值大了（1+）倍。教材图3-10，在拉压的情况下，第二种情况就是，测量应变片也是互补全桥测试方案。这个贴法基本上和上面的相同，不过它是在一个受拉的试件的两个表面，这两个表面当然必须是对称的两个表面，一共贴四个应变片，其中两个应变片是沿着拉压力的方向，那两个应变片是横相的，这时候把四个应变片，接成全桥的形式，那就是说AB之间，接R1，BC之间，接R2，CD之间，接R3，DA之间，接R4，这样结果相对的这两个桥臂，是相加的，那么相临的桥臂是相减的，而相减的都是横相的应变，所以它这样，这四个应变组合起来它的代数和实际上就是两倍的(1+)的工作应变，所以它的灵敏度就更高了，这两种接法多半都用在传感器上。下面第三种情况就是弯曲的情况，弯曲的试件由于它加力的力对中不好，为了其它的条件引起了除了弯曲之外可能还有轴力的影响，为了消除轴力的影响，就可以按照下面的办法来粘贴电阻片。其中第一个就是测量应变片互补的半桥测试方案。教材图3-11。大家看图，这假定是一个试件，它除了受了弯曲之外，还受有一个轴力，那么这个轴力可能是由于加荷不准确而引起的，也可能就是有一个轴力作用，就是轴力和弯矩的联合作用，但是我们要单独测量它弯矩引起来的应变，如果这个试件是个对称的，它有对称轴，那么在这个对称轴的，对称的两个表面，受弯试件某一个截面的两个表面对称的贴两个电阻片，一个当然是R1，一个是R2。把这两个电阻片同样接成半桥的形式，也就是在AB这个桥臂上接R1，在BC这个桥臂上接R2，在R1上它感受的应变是三项，就是一个是由弯曲引起来的应变，还一项轴力引起来的应变，当然还包括温度引起来的应变。同样在R2上也是由弯曲引起的应变，由轴力引起的应变，和温度引起的应变，因为应变仪读的应变。它反应的正负总是以AB两点间接的电阻片为准的。假如说AB桥臂上接电阻片，它要是受拉，读出数来就是正应变，而在BC上读出的应变值总是和它相反的，而它受弯的应变，头一项是它受弯的应变，当然R1上受弯的应变它是压的，应该是个负应变，R2上应变因为它是受拉边，所以它是正应变。所以这两个最后的读数。应该这两个桥壁上的应变之差，也就是1-2等于AB上整个的应变,减去BC上整个的应变，最后它应该等于弯曲应变的两倍。那么它得出的符号就看AB间接哪个应变了,AB间接压应变,也就是R1上的压应变,那么最后应该得负值,读出来是负值,如果R1上是压应变,那么它得出就是正值。在弯曲的应变片接法第二种,就是测量应变片互补的全桥方案，教材图3-12。它的试件和上次是一样的，就是说它有一个轴力，有一个弯矩作用，但是这时候为了节省全桥，所以贴的电阻片就是四个电阻片，就像右面图表示这样，在它的与对称轴对称的两个边缘各贴两个电阻片，也就是在上边缘贴两个电阻片，也就是受拉边贴两个电阻片，受压边贴两个电阻片，接上电桥，那就是把R1接到AB上，把R2接到BC上，R3接到CD这个壁上，R4接到DA，这样构成一个全桥。这个全桥最后它的应变读数当然是这四个应变的代数和，那么是这整个的弯曲引起应变的四倍，它的读数的正负号，同样取决于AB桥臂上电阻片的应变方向，比如受拉得出正的，受压得出负的。关于用电阻应变片来测量应变就介绍这么多。当然测量应变还有其它方法，请大家看文字教材。二、位移的测量位移测量第一个问题，就是百分表及电子百分表。（1）百分表，百分表也包含挠度计所谓百分表基本上形式就是这个样子,就是说它有一个测杆和一个表体，测量的时候就测量测杆的移动，它所以把它叫为百分表，就因为测杆相对表，移动1%毫米，它在表盘上读数刚好是一个格，也就是说它一个刻度就相对应着1%毫米，用百分表测挠度的时候，就是在没有变形前先读表针指示的一个读数，然后当它变形以后，也就是当表杆移动了再读一次数，那么这两个数之差，就是整个的变形。而所谓挠度计，是这样，百分表的基本用途是在机械测量上的，就是测量机械加工精度的，所以它的量程只有10毫米，一般这个称为百分表，但是我们在做结构试验的时候，测变形有时候很大，因此就把它量程加大了，比如说我拿着的这个百分表实际上它就是个挠度计了,它的量程实际上是3厘米,也就是30毫米了，所以一般把量程大的就称为挠度计,就是说它是专门为测量挠度而设计的。（2）电子百分表，这里包含电阻应变式位移传感器所谓电子百分表,就是在百分表里面又加了一套机构,可以通过测量它的应变,实际上就是把位移信号转变成电信号,所以把它叫电子百分表,那么它的转变机构大家请看图,实际上中间黑的是测杆,这就是百分表的测杆,或者是位移传感器的测杆,它的测杆上当然带出一个杆,其中连着一个弹簧,而在传感器的壳,或者百分表的壳上固定了一个悬壁的弹簧,这个弹簧当然就相当悬臂梁，在壳这端是固定端，这端靠弹簧的拉力，拉动可以让它变形,而在悬壁的弹簧壁尾端就是根部贴两个电阻片，这和刚才咱们介绍的弯曲时候的，半桥连接方式是一样的，就是上面贴一个电阻片,下面贴一个电阻片,就是一个是R1，一个是R2，一般是把它接成半桥的形式，AB这两个接线柱之间接一个电阻片，在BC接一个电阻片，这可以接成半桥来测量,测量悬壁弹簧片的应变,当测杆位移要是大的时候,当然它的应变也大，这个测杆小的时候，应变也小。也就是说这两个电阻片上的应变实际上是反应位移值的,所以把它称为电阻应变式位移传感器。如果要把里面这个感应机构装到百分表里面，就变成了电子百分表。这个实际就是一个电子百分表，里面机构当然看不见，但是它外面有一条引出线，就构成可以接到应变仪上去，它本身还保留了百分表的一些结构，就是说它可以直接用眼睛来读指标,也可以用应变仪来读它的应变，这就叫电子百分表。这个就是一个位移传感器,实际上它内部结构是和图上是一样的，这是传感器的壳,里面是测杆，这个测杆的移动就可以在弹簧片上产生应变而由电路可以接到应变仪上去读，当然也可以把位移传感器做成这种形式。这就是外表不一样，实际原理是一样的。这是电子百分表和位移传感器。电子百分表和位移传感器的精度当然取决于应变片最后能输出多大应变，一般的为了使弹簧片能够长期使用，而且贴的电阻片也不坏，一般的设计传感器的时候都维持它的应变值是一千个微应变，无论它测量的量程多大，比如说测10毫米的传感器，或者可以测100毫米的传感器，都使得弹簧片上产生的应变大概在1000个微应变左右，那么按照这个桥路连接，因为它等于是应变片互补的半桥连接。所以它是它产生应变的两倍读数，所以一般传感器在应变仪上读数,那就是说无论它的量程规格当然不一样,比如说可以小，可以大，但是它最大量程时候的最大读数都在2000个微应变左右。比如说它量程是5公分的，那么它读到5公分，输出应变也是2000个微应变。比如它是10公分的位移传感器，它读到10公分的时候也是2000个微应变。在测量位移除了电阻应变式位移传感器之外，还有一种差动变压器式位移传感器，差动应变器就是这样了。教材图3-20，它中间测杆4也是可以移动的，但是它整个传感器的壳里面是有三组线圈，中间这一组是初级线圈，两边的这两组是次级线圈，这就构成一个变压器。但是变压器中间要有个铁芯，变压器中间铁芯实际上就是这个测杆，它的测杆只有中间这一段是由铁磁材料够成的，其它的测杆很长了，那一部分实际上是非铁磁材料的，通俗的讲，铁磁材料它在磁场里可以被磁化，变成磁铁；而非铁磁材料即使在磁场里它也没有影响。那么它有铁磁材料就是一段，而在初级线圈里工作的时候就通一个交变的电流，那么它产生一个固定的磁场，但是由于在磁场内铁芯的位置不一样，它的磁导率不一样，所以它产生的磁感应强度是有变化的，假如说这铁芯靠近左边，那么它这个初级线圈和次级线圈介质就是铁磁材料了，所以它们之间的磁感应强度就要强，而在初级线圈和右边这个线圈之间这个磁感应强度就低，所以在左边这个