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土木工程试验 田恒义 建工学院2013年03月 telSCHOOLOFCIVILENGNIEERING 第5章常见结构试验类型 单调加载静力荷载试验伪静力试验拟动力试验结构动力特性试验结构动力响应试验结构疲劳试验桥梁结构原位荷载试验 5 1单调加载静力试验 5 1 1荷载图式的选择与设计 单调静力荷载试验是指试验荷载逐渐单调增加到结构破坏或预定的状态目标 研究结构受力性能的试验 荷载图式 荷载在构件上的布置形式 类型和分布方式 设计原则 与理论计算图示一致或内力等效的荷载图示 即试验期间荷载与试件的关系 或称荷载谱 包含荷载程序与荷载大小 1 荷载程序三阶段 图5 1 1静载试验加载程序 预载标准荷载 正常使用荷载 破坏荷载 5 1单调加载静力试验 5 1 2荷载制度 2 荷载大小预载预载的目的在于 使试件各部分接触良好 进入正常工作状态 荷载与变形关系趋于稳定 检验全部试验装置的可靠性 检验全部量测仪表工作正常与否 检查现场组织和人员的情况 起演习作用 一般分三级 三次 每级取标准荷载的20 脆性材料结构 不宜超过计算开裂荷载的70 含自重 5 1单调加载静力试验 分级加载分级加载目的 加载速度易控制 变形易观测及分析 各点加载易协调 图5 1 1静载试验加载程序 5 1单调加载静力试验 正式加载分级 正常使用荷载之前 每级加载值不应大于正常使用荷载的20 一般分5级加至正常使用荷载 接近极限或开裂荷载时减小荷载范围增加次数 满载时间 标准短期荷载作用下的持续时问 混凝土及钢30min 空载时间 受载结构卸载后到下一次重新开始受载之间的间歇时间称空载时间 混凝土45分钟 钢30分钟 5 1单调加载静力试验 卸载卸载一般可按加载级距进行 也可以放大1倍或分2次卸完 5 1单调加载静力试验 5 1 3试验装置 5 1单调加载静力试验 受弯构件的试验加载方案 a b c 图5 1 2简支梁试验等效荷载加载图示 5 1单调加载静力试验 受弯构件的试验量测方案挠度测量布置 5 1单调加载静力试验 受弯构件的试验量测方案应变测量 梁正截面应变分布的测点布置 a 截面最大纤维应变 b 测量中和轴的位置和应变分布规律 5 1单调加载静力试验 受弯构件的试验量测方案裂缝观测 混凝土受拉区抗裂测点布置1 7 混凝土应变片测点 5 1单调加载静力试验 受弯构件的试验量测方案裂缝观测 a b 图5 1 10混凝土斜截面裂缝测点布置 5 1单调加载静力试验 受压构件的试验测点布置 偏压短柱试验测点布置1 试件 2 铰支座 3 应变计 4 应变仪测点 5 挠度计 5 1单调加载静力试验 伪静力试验又称低周反复荷载试验 属于工程结构抗震试验 其基本原理是用低周往复循环加载的方法对结构构件进行静力试验 试验中控制结构的变形值或荷载量 使结构构件在正反两个方向反复加载和卸载 用以模拟结构在地震作用下的受力过程 伪静力试验pseudo statictesting 5 2伪静力试验 1 变形控制加载法 位移控制 A 变幅加载 恢复力模型 强度 变形 滞回特性 破坏机理等 B 等幅加载 强度及刚度退化等 C 变幅等幅混合加载 二次加载或加载历史对性能的研究 图5 2 4变幅加载图5 2 5等幅加载 5 2伪静力试验 5 2 1单向反复加载制度 a b 图5 2 6混合加载 2 荷载控制加载法 3 荷载 变形双控制加载法先控制力 屈服之后控制位移 5 2伪静力试验 1 x y轴双向同步加载 2 x y轴双向非同步加载 图5 2 7双向低周反复加载制度 5 2伪静力试验 5 2 2双向反复加载制度 a b 梁柱节点试验装置与变形特征 5 2伪静力试验 5 2 3试验装置 5 2伪静力试验 以剪切变形为主的构件低周反复试验装置 5 2伪静力试验 5 2伪静力试验 以弯剪变形为主的构件低周反复试验装置 5 2伪静力试验 1 荷载及支座反力2 荷载 变形曲线3 塑性铰区段曲率或转角4 节点核心区剪切角5 梁柱纵筋应力6 核心区箍筋应力7 钢筋滑移8 裂缝 5 2伪静力试验 观测方案 梁柱节点测点布置 1 4 3 2 5 3 2 2 5 2伪静力试验 滞回曲线是结构伪静力试验中 以试验荷载为纵坐标 以结构变形为横坐标的连续曲线 5 2伪静力试验 5 2 4几个常用概念 结构荷载 1 开裂荷载 2 屈服荷载和屈服变形 3 极限荷载 4 破坏荷载和极限变形 5 2 10荷载 变形关系曲线 5 2伪静力试验 5 2 4几个常用概念 结构刚度 1 初次加载刚度 2 卸载刚度 3 反向加载 卸载刚度和重复加载刚度 4 等效刚度 5 2伪静力试验 5 2 4几个常用概念 骨架曲线在伪静力试验所得荷载 变形滞回曲线中 取所有每一级荷载第一次循环的峰点 卸载顶点 连接的包络线作为骨架曲线 它是每次循环的荷载 变形曲线达到最大峰点的轨迹 5 2伪静力试验 5 2 4几个常用概念 延性系数延性系数是试验结构构件塑性变形能力的一个指标 按下式计算 在荷载下降段相应于破坏荷载的变形 相应于屈服荷载的变形 5 2伪静力试验 退化率强度退化率反映试验结构构件抗力随反复加载次数增加而降低的指标 当研究刚度退化时 即在位移不变条件下 随反复加载次数的增加而刚度降低的情况 用环线刚度表示并按下式计算 5 2伪静力试验 能量耗散结构构件吸收能量能力的好坏 可由滞回曲线 结构或构件在反复荷载作用下的力与非弹性变形间的关系曲线 所包围的滞回环面积和它的形状来衡量 由滞回曲线的面积可以求得等效黏滞阻尼系数 5 2 11等效黏滞阻尼系数计算 5 2伪静力试验 受弯钢筋凝土构件的滞回曲线 5 2伪静力试验 1水平集中力模拟地震力 为等效静力 由静力的方法验证结构部分动力性能 2试验荷载谱人为设计 试验频率低 不能体现地震的动力特性 5 2伪静力试验 伪静力试验的特点与不足 5 3拟动力试验 5 3 1拟动力试验 5 3拟动力试验 5 3 1概念 数值计算与拟动力试验之间的比较 5 3拟动力试验 加载装置拟动力试验的加载设备一般由计算机 加载装置与加载控制系统等组成 计算机是加载过程的控制和试验数据采集都由计算机来实现 同时对试验结构的其他反应参数 如应变 位移等进行演算和处理 加载装置与加载控制系统其功能是根据该时刻由计算机传来的位移指令转换为电压信号输入 用于电液伺服系统 使加载器按指定指令工作 拟动力试验可采用与静力试验或拟静力试验一样的加载装置 5 3拟动力试验 试验步骤 1 在计算机系统中输入地震加速度时程曲线 并按一定的时间间隔数字化 2 把各时刻的地震加速度值代入运动方程 解出时刻的地震反应位移值 3 由计算机控制电液伺服加载系统 将施加到结构上 实现这一步的地震反应 4 量测此时试验结构的反力 并代入运动方程 按地震反应过程的加速度进行时刻的位移的计算 量测试验结构反力 5 重复上述步骤 按输入时刻的地震加速度值 求解位移和结构反力 连续进行加载试验 直到试验结束 输入地震波的加速度时程曲线 5 3拟动力试验 拟动力试验的特点与局限性特点1 拟动力试验是将地震实际反应所产生的惯性力作为荷载加在试验结构上 2 加载过程完全可以看成是静态的 试验结构重现地震作用的反应也就可以人为的缓慢进行 特别是破坏过程 更利于观察和研究 局限性1 不是实时的试验分析过程 2 要求有一定的设备和技术条件 3 拟动力试验是用静力试验方法来重现 5 3拟动力试验 5 3 2地震模拟振动台试验 5 3拟动力试验 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 5 3 2地震模拟振动台试验 5 3拟动力试验 5 3拟动力试验 结构的动力特性反映结构本身所固有的动力特性 包括结构的自振频率 阻尼系数 比 振型等参数 动力参数或模态参数 这些参数决定于结构的形式 刚度 质量分布 材料特性及构造连接等因素 而与外载无关 结构的动力特性是进行结构抗震计算 解决结构共振问题及诊断结构累积损伤的基本依据 5 4结构动力特性试验 5 4结构动力特性试验 5 4 1频率 1自由振动法2强迫振动法 共振法 3环境随机振动法 脉动法 图6 2 2自由振动时间历程曲线 t 5 4结构动力特性试验 自由振动法 5 4结构动力特性试验 共振时的振动图形和共振曲线 5 4结构动力特性试验 强迫振动法 由共振曲线求阻尼系数和阻尼比 A x B xm 0 707xmax 用共振法测建筑物振型 5 4结构动力特性试验 强迫振动法 脉动信号记录图 5 4结构动力特性试验 环境随机振动法 5 4结构动力特性试验 环境随机振动法 5 4结构动力特性试验 5 4 2振型 5 4结构动力特性试验 5 4 3阻尼 结构的动力响应试验是测定结构在实际工作时的振动参数 振幅 频率 及性状 例如动力机器作用下厂房结构的振动 在移动荷载作用下桥梁的振动 地震时建筑结构的动力反应 强震观测 等 量测得到的这些资料 用来研究结构的工作是否正常 安全 存在何种问题 薄弱环节在何处等 5 5结构动力响应试验 5 5结构动力响应试验 5 5 1周期性动力响应试验 5 5 2非周期性动力响应试验 1强迫振动共振加载2有控制的逐级动力荷载测试 1地震模拟振动台2爆破震动3天然地震 工程结构中存在着许多疲劳现象 如承受吊车荷载作用的吊车梁 直接承受悬挂吊车作用的屋架 这些结构物或构件在重复荷载作用下达到破坏时的应力比其静力强度要低得多 这种现象称为疲劳 结构疲劳试验的目的就是要了解在重复荷载作用下结构的性能及变化规律 5 6结构疲劳试验 5 6 1疲劳测试项目 5 6 2疲劳测试荷载 1 抗裂性及开裂荷载 2 裂缝宽度及其发展 3 最大挠度及其变化幅度 4 疲劳极限值 5 6结构疲劳试验 5 6 3疲劳测试程序 5 6 4疲劳试件安装要求 5 7桥梁结构原位荷载试验 5 7 1荷载工况 为了满足鉴定桥梁承载力的要求 试验荷载工况的选择应反映桥梁结构的最不利受力状态 简单结构可选1 2个工况 复杂结构可适当多选几个工况 但不宜过多 在进行各荷载工况布置时 可参照截面内力 或变形 影响线进行 一般设两三个主要荷载工况 同时可根据试验桥梁结构体系的具体情况再设若干个附加荷载工况 5 7桥梁结构原位荷载试验 5 7 2荷载级别 1 静载级别为了加载安全和了解结构应变和变位随试验荷载增加的变化关系 对桥梁荷载试验各主要工况的加载应分级进行 而且一般安排在开始的几个加载程序中执行 附加工况一般只设置最大内力加载程序 l 分级控制的原则 当加载分级较为方便时 可按最大控制截面内力荷载工况均分为4 5级 当使用载重车加载 车辆称重有困难时也可分成3级加载 2 车辆荷载加载分级的方法 逐渐增加加载车辆数 先上轻车后上重车 加载车位于内力影响线的不同部位 5 7桥梁结构原位荷载试验 5 7 2荷载级别 2 动载级别在动载试验中 跳车 刹车 重物卸载 跑车以及脉动试验中 需对跑车的速度和重物的重量进行分级处理 动载试验一般安排标准汽车车列 对小跨径桥也可用单车 以不同车速分别进行匀速跑车试验 跑车速度一般定为每小时5km 10km 20Km 30km 40km 50km 高速公路桥梁采用60km 5 7桥梁结构原位荷载试验 5 7 3静载试验测点设置 5 7桥梁结构原位荷载试验 5 7 4动载试验测点设置 5