结构试验教学课件本课程重点归纳

,2020/5/4,1,SchoolofUrbanConstructionandManagement,2020/5/4,2,一、绪论二、结构试验的基本原理三、结构试验加载方法与设备四、结构试验测量技术五、工程结构静载试验六、结构动力试验七、超声法检测混凝土缺陷八、回弹法检测混凝土抗压强度九、建筑钢材的检测与应用,2020/5/4,3,1.结构试验的任务土木工程结构试验的任务是以土木工程结构为研究对象，通过加载技术对研究对象施加各种作用，借助测试技术对结构物受作用后的性能进行观测。通过对测量数据的分析，如变形、应变、温度、振幅、频率、裂缝宽度等，从强度（稳定）、刚度、抗裂性以及结构实际破坏形态来判明结构的实际工作性能，评估结构的承载能力，确定结构对使用要求的符合程度。通过结构实验检验并发展结构计算理论。,一、绪论,2020/5/4,4,2.结构试验的分类,一、绪论,2020/5/4,4,结构试验分类,按试验目的分类,按试验对象分类,按荷载性质分类,按试验时间分类,按试验场合分类,(1)生产鉴定性试验具有直接的生产目的。以实际建筑物或结构构件为试验鉴定对象，经过试验对具体结构构件作出正确的技术结论这类试验常用来解决一下有关问题：a.综合鉴定重要工程和建筑的设计与施工质量。b.对已建结构进行可靠性检验，以推断和估计结构剩余寿命。c.工程改建和加固，通过试验来判断具体结构的实际承载能力。d.处理受灾结构和工程质量事故，通过试验鉴定提供技术依据。e.鉴定预制构件的产品质量。,2020/5/4,5,结构试验分类,按试验目的分类,按试验对象分类,按荷载性质分类,按试验时间分类,按试验场合分类,(2)科学研究性试验科学研究性试验具有研究、探索和开发的性质。其目的在于验证结构设计的某一理论，或验证各种科学的判断、推理、假设及概念的正确性，或者是为了创造某种新型结构体系及其计算理论，而有系统地进行的试验研究。这类试验通常解决以下几个方面的问题:a.验证结构计算理论或通过结构试验创立新的结构理论。b.制订结构设计规范和标准。,2.结构试验的分类,一、绪论,2020/5/4,6,结构试验分类,按试验目的分类,按试验对象分类,按荷载性质分类,按试验时间分类,按试验场合分类,(1)原型试验原型试验的试验对象是实际结构或是按实物结构足尺复制的结构或构件。对于实际结构试验一般均用于生产鉴定性试验。例如核电站安全壳加压整体性的试验，工业厂房结构的刚度试验、楼盖承载能力试验以及桥梁在移动荷载下的动力特性试验等均在实际结构上加载量测,一、绪论,2.结构试验的分类,2020/5/4,7,结构试验分类,按试验目的分类,按试验对象分类,按荷载性质分类,按试验时间分类,按试验场合分类,(2)模型试验由于进行原型结构试验投资大、周期长、测量精度受环境因素等影响，在经济上或技术上存在一定困难。因此，人们在结构设计的方案阶段进行初步探索比较或对设计理论和计算方法进行科学研究时，可以采用按原型结构缩小的模型进行试验。模型是仿照原型（真实结构）并按照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。设计制作及试验是根据相似理论，用适当的比例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（或称比例荷载），使模型受力后重演原型结构的实际工作，最后按照相似理论由模型试验结果推算实际结构的工作。目前在试验室内进行的大量结构试验均属于这一类。,一、绪论,2.结构试验的分类,2020/5/4,8,结构试验分类,按试验目的分类,按试验对象分类,按荷载性质分类,按试验时间分类,按试验场合分类,(1)静力试验静力试验是结构试验中最大量最常见的基本试验，因为大部分建筑结构在工作时所承受的是静力荷载，一般可以通过重力或各种类型的加载设备来实现和满足加载要求。静力试验的加载过程是从零开始逐步递增一直到结构破坏为止，也就是在一个不长的时间段内完成试验加载的全过程，我们称它为结构静力单调加载试验。静力试验的最大优点是加载设备相对来说比较简单，荷载可以逐步施加，还可以停下来仔细观测结构变形的发展，给人们以最明确和清晰的破坏概念。,一、绪论,2.结构试验的分类,2020/5/4,9,结构试验分类,按试验目的分类,按试验对象分类,按荷载性质分类,按试验时间分类,按试验场合分类,(2)动力试验对于那些在实际工作中主要承受动力作用的结构或构件，为了了解结构在动力荷载作用下的工作性能，一般要进行结构动力试验，通过动力加载设备直接对结构构件施加动力荷载。特别是结构抗震性能的研究中除了用上述静力加载模拟以外，更为理想的是直接施加动力荷载进行试验，目前抗震动力试验一般用电液伺服加载设备或地震模拟振动台等设备来进行。由于荷载特性的不同，动力试验的加载设备和测试手段也与静力有很大的差别，并且要比静力试验复杂得多。,一、绪论,2.结构试验的分类,2020/5/4,10,结构试验分类,按试验目的分类,按试验对象分类,按荷载性质分类,按试验时间分类,按试验场合分类,(1)短期荷载试验限于试验条件、时间和基于解决问题的步骤，我们不得不大量采用短期荷载试验，即荷载从零开始施加到最后结构破坏或到某阶段进行卸荷的时间总和只有几十分钟，几小时或者几天。结构的疲劳试验，则整个加载过程也仅在几天内完成，与实际工作有一定差别。爆炸，地震等特殊荷载作用时，整个试验加载过程只有几秒甚至是微秒或毫秒，这种试验实际上是一种瞬态的冲击试验。这种由于具体客观因素或技术的限制所产生的影响，我们在分析试验结果时必须加以考虑。,一、绪论,2.结构试验的分类,2020/5/4,11,结构试验分类,按试验目的分类,按试验对象分类,按荷载性质分类,按试验时间分类,按试验场合分类,(2)长期荷载试验对于研究结构在长期荷载作用下的性能，如混凝土结构的徐变，预应力结构中钢筋的松弛，钢筋混凝土受弯构件裂缝的开展与刚度退化等就必须要进行静力荷载的长期试验。这种长期荷载试验也可称为持久试验，它将连续进行几个月或甚至于数年，通过试验以获得结构的变形随时间变化的规律在现场对实际工作中的结构物进行系统长期的观测，则这样积累和获得的数据资料对于研究结构的实际工作，进一步完善和发展工程结构的理论都具有极为重要的意义。,一、绪论,2.结构试验的分类,2020/5/4,12,结构试验分类,按试验目的分类,按试验对象分类,按荷载性质分类,按试验时间分类,按试验场合分类,(1)试验室试验由于可以获得良好的工作条件，可以应用精密和灵敏的仪器设备进行试验，具有较高的准确度。甚至可以人为的创造一个适宜的工作环境，以减少或消除各种不利因素对试验的影响，所以适宜于进行研究性试验。这样有可能突出研究的主要方面，而消除一些对试验结构实际工作有影响的次要因素。这种试验可以在原型结构上进行，也可以采用模型试验，并可以将结构一直试验到破坏。尤其近年来发展足尺结构的整体试验，大型试验室为之提供了比较理想的条件。,一、绪论,2.结构试验的分类,2020/5/4,13,结构试验分类,按试验目的分类,按试验对象分类,按荷载性质分类,按试验时间分类,按试验场合分类,(2)现场试验与室内试验相比由于客观环境条件的影响，使用高精度的仪器设备来进行观测受到了一定的限制，相对来看，进行试验的方法也比较简单，所以试验精度和准确度较差。现场试验多数用以解决生产鉴定性的问题，所以试验是在生产和施工现场进行的，有时研究或检验的对象就是已经使用或将要使用的结构物，它可以获得近乎完全实际工作状态下的数据资料。,一、绪论,2.结构试验的分类,2020/5/4,14,1.结构试验设计基本原则1.1真实模拟结构所处的环境和结构所受到的荷载1.2消除次要因素影响1.3将结构反应视为随机变量1.4合理选择试验参数1.5统一测试方法和评价标准1.6降低试验成本和提高试验效率本节具体内容参看教材,二、结构试验的基本原理,2020/5/4,15,2.测试技术基本原理2.1传感器技术2.2试验结果的测量2.3标定和校准2.4现代测量技术特点本节具体内容参看教材,二、结构试验的基本原理,2020/5/4,16,1.概述1.1工程结构的作用直接作用：荷载作用，包括结构自重与施加在结构上的荷载间接作用：主要有温度变化、地基不均匀沉降和结构内部物理或化学作用直接作用分类结构试验除极少数是在实际荷载下实测外，绝大多数是在模拟荷载条件下进行的。,三、结构试验加载方法与设备,2020/5/4,17,1.概述1.2加载要求在选择试验荷载和加载方法时，应满足下列几点要求：(1)选用试验荷载的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基本接近；(2)荷载传力方式和作用点明确，产生的荷载数值稳定，特别是静力荷载要不随加载时间、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，加载设备要有足够的强度储备；(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，即尚必须满足刚度要求。防止对试件产生卸荷作用而减轻了结构实际承担的荷载；(5)加载设备必须操作方便，便于加载和卸载，并能控制加载速度，又能适应同步加载或先后加载的不同要求。(6)加载设备要力求采用现代化先进技术，减轻劳动强度，提高检测质量。,三、结构试验加载方法与设备,2020/5/4,18,2.静力加载方法2.1重力加载2.1.1重力直接加载法2.1.2杠杆加载法2.2机械机具加载2.3液压加载2.4气压加载本节具体内容参看教材,三、结构试验加载方法与设备,2020/5/4,19,3.动力加载方法3.1冲击力加载3.1.1初位移加载法3.1.2初速度加载法3.2离心力加载（了解）本节具体内容参看教材,三、结构试验加载方法与设备,2020/5/4,20,4.荷载支承装置试验荷载支承装置是满足试验荷载设计、实现荷载图式、结构受力和边界条件要求以及保证试验加载正常进行的关键之一。支座,三、结构试验加载方法与设备,结构试验中的支座是支承结构、正确传递作用力和模拟实际荷载图式的设备，通常由支座和支墩组成。支座按作用方式不同有滚动铰支座、固定铰支座、球铰支座和刀口支座（固定铰支座的一种特定形式）几种。,2020/5/4,21,4.荷载支承装置试验荷载支承装置是满足试验荷载设计、实现荷载图式、结构受力和边界条件要求以及保证试验加载正常进行的关键之一。支座,三、结构试验加载方法与设备,铰支座要求：1、保证试件在支座处能自由转动。2、保证试件在支座处可将力良好传递。3、试件支座处铰的上线垫板要有一定得刚度。,2020/5/4,22,三、结构试验加载方法与设备,2020/5/4,23,1.概述结构试验测量技术（MeasuringTechniqueofStructuralTesting）指通过一定得测量仪器或手段，直接或间接地取得结构性能变化的定量数据。测量系统测试单元,四、结构试验测量技术,结构（构件）,敏感元件（感受装置）,变换器（传感器）,控制装置,指示记录系统,从被测物体接受能量，输出一定测量数值,将被测参数变换为电量并传送到控制装置进行处理,对变换器的输出信号进行测量计算，并在显示器上显示出来,显示记录所测数据,2020/5/4,24,1.概述结构试验的主要测量参数外力（支座反力、外荷载）内力（钢筋的应力、混凝土的拉、压力）变形（挠度、转角、曲率）裂缝等测量方法直接测量法用一个事先按标准量分度的测量仪表对某一被测量进行直接测定，从而得出该量的数值。是工程结构试验中应用最广泛的一种方法。间接测量法不直接测量待测量，而是对于待求量有确切函数关系的其他物理量进行测量，然后通过函数关系求得待求量。偏位测定法（接触式位移计）零位测定法（天平秤）,四、结构试验测量技术,2020/5/4,25,2.应变测量结构试验中的基本测量内容，在结构试验量检测内容中具有极其重要的地位，往往是其它物理量测量的基础应变测量的方法机测法：简单易行，适用于现场作业或精度要求不高的场合电测法：手续较多，适用范围广，精度较高2.1电阻应变片2.1.1工作原理2.1.2电阻应变片的基本构造2.1.3电阻应变片的技术指标2.2电阻应变仪2.3电阻应变片粘贴技术与实用桥路本节具体内容参看课件,四、结构试验测量技术,2020/5/4,26,3.位移与变形测量3.1位移的测量位移是工程结构承受荷载作用后的最直观反应，是反映结构整体工作情况的最主要参数结构的位移主要指试件的挠度、侧移、转角、支座偏移等参数主要分为机械式、电子式、光电式接触式位移计（机械式）3.2角位移测量3.2.1转角的测量3.2.2曲率的测定4.力的测量5.裂缝的检测（具体内容在“超声法检测混凝土缺陷”讲述）本节具体内容参看教材,四、结构试验测量技术,2020/5/4,27,1.概述静载试验（静力荷载试验）对结构施加静力荷载并考察结构在静力荷载下的力学性能试验。所谓“静力”指试验过程中结构本身运动的加速度效应即惯性力效应可以忽略不计。静载试验是结构试验中最基本和最大量的试验。相对动载试验而言，结构静载试验所需的技术与设备比较简单，容易实现。,五、工程结构静载试验,2020/5/4,28,2.实验前准备2.1调查研究、收集资料2.2制订试验大纲2.3试件准备2.4材料物理力学性能测定2.5试验设备与试验场地的准备2.6试件安装就位2.7加载设备和量测仪表安装2.8试验控制特征值计算本节具体内容参看教材,五、工程结构静载试验,2020/5/4,29,3.加载与量测方案的设计3.1加载方案3.2量测方案4.常见结构构件静载试验4.1受弯构件的试验4.2压杆和柱的试验5.量测数据处理5.1结构变形计算5.2截面内力计算本节具体内容参看教材和课件,五、工程结构静载试验,2020/5/4,30,概述在工程结构所受的荷载中，除了静荷载外，往往还会受到动荷载（动力作用）的作用。动荷载：大小、位置和方向随时间变化的荷载。从动态角度来讲，静荷载只是动荷载的一种特殊形式。动力作用的主要特点：作用及作用效应随时间发生变化。因此考虑动力荷载作用下结构的性能，不仅考虑荷载作用的大小和位置，还应考虑荷载作用的时间及结构响应随时间变化的关系。动力荷载作用下，结构的相应不仅与动力荷载的大小、位置、作用方式、变化规律有关，还与结构自身的动力特性有关。因此一般将结构动力试验分为结构动力特性试验和结构动力响应试验。结构动力特性试验：研究与外荷载无关的结构自身动力学特性。包括：结构的自振频率、振型、阻尼特性等。结构动力响应试验：研究结构在动力荷载作用下位移、速度、加速度及变形、内力变化情况。,六、结构动力试验,2020/5/4,31,2.结构动力特性测试试验结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能。结构在动力荷载作用下的响应不仅与荷载的大小和荷载的形式有关，而且与结构自身特性关系密切。结构自身动力特性包括：自振周期、自振频率、振型、阻尼等。这些特性是结构自身固有的振动参数，取决于结构的组成形式、质量及刚度分布、构造及连接方式等。用试验法测定结构动力特性，首先应设法使结构起振，通过分析记录到的结构振动形态，获得结构动力特性的基本参数。结构动力试验的方法：迫振法：对被测结构施加外界机理，强迫结构起振。通过分析记录得到结构振动形态，获得结构动力特性的基本参数。分为振动荷载法（共振法）和撞击荷载法（自由振动法）脉动试验法：利用地脉动对建筑物引起的振动过程进行记录分析得到结构动力特性的方法。本节具体内容参看课件,六、结构动力试验,2020/5/4,32,3.疲劳试验结构或材料受重复荷载作用后其物理力学性能将发生变化，其强度极限将低于相同静荷载作用下的极限值，这种现象称为结构或材料的疲劳。疲劳破坏是材料损伤累积而导致的一种破坏形态。金属疲劳的特征：交变荷载作用下，在构件的交变应力远低于材料静力强度的条件下有可能发生的疲劳破坏在单调静载实验中变现为脆性或塑性的材料，发生疲劳破坏时，宏观上均表现为脆性断裂，疲劳破坏的预兆不明显。疲劳破坏具有显著的局部特征，疲劳裂纹扩展和破坏过程发生在局部区域。疲劳破坏是一个累计损伤的过程，要精力足够多次导致损伤的交变应力才会发生疲劳破坏。,六、结构动力试验,2020/5/4,33,3.疲劳试验结构疲劳试验的目的疲劳极限应力疲劳试验荷载疲劳试验加载程序本节具体内容参看课件,六、结构动力试验,2020/5/4,34,1.无损检测技术的特点(1)无损于材料、结构的组织和使用性能；(2)可以直接在试体或结构上，对质量或强度进行重复、全面的检测，弥补了因各种因素影响造成材料试件与结构物质量差别的缺点；(3)选用不同的方法，检测和判别结构表层和内部的质量或损伤，操作简便、迅速；(4)随着信息处理技术的发展，有利于实现“在线检测和生产自动化”。,七、超声法检测混凝土缺陷,2020/5/4,35,2.超声波检测基本概念2.1超声波的基本知识2.1.1振动与波（了解）超声波是一种机械振动波。当物体中某一个质点突然获得一定能量，在其自身的平衡位置产生往复运动时，机械振动即产生了。由于物体介质的连续性，则这种振动会传递到邻近的质点，并且一个个传递下去，从而使得振动在物体内传播，这就是机械振动波。注意在机械振动波传播过程中，质点本身是不会传播的，传播的仅仅是振动这种运动方式以及能量。2.1.2波的种类纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波。（波速最高）横波：质点振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波。表面波：质点的振动方向与波的传播方向具有纵波和横波质点振动的综合特性，固体介质表面质点以纵向和横向两种振动的合成振动，便围绕其平衡位置做椭圆形振动。表面波的振动能量随着深度的增加而迅速减小，故只能沿着固体表面传播。,七、超声法检测混凝土缺陷,2020/5/4,36,2.2超声波的物理量速度：超声波单位时间传播的距离，用v表示，单位m/s；频率：等于超声波传播介质中质点振动的频率，用f表示，单位赫兹Hz；周期：在超声波传播介质中，相邻两个同相位质点间波传播的时间间隔，用T表示，单位秒s。f和T互为倒数。波长：振动传播一个周期所走的路程，用表示，单位m;振幅：质点振动幅度，用A表示。它们之间有这样的关系：Tv2.3超声波在媒质截面上的传播特性（了解）一般把超声波在混凝土中的传播路径看成直线。2.4超声波在媒质截面上的传播特性（了解）当声波从一种媒质传播到另一种媒质时，在两种媒质的分界面上，只有一部分声波穿透界面，在另一媒质中继续传播，称之为折射波或透射波；另一部分声波被反射回原媒质称为反射波。穿过界面继续传播的声波，其传播方向、能量及波形等都会发生变化，变化的情况取决于两种媒质的阻抗、声波入射方向等因素。,七、超声法检测混凝土缺陷,2020/5/4,37,2.5混凝土超声检测特点由于混凝土由固-液-气三相组成的具有弹黏塑性的复合材料，其内部存在分布极其复杂的界面，例如砂浆-石子界面、砂浆-气孔界面、砂浆-微裂缝界面等等，因此超声波在混凝土中的传播情况比均匀介质中复杂得多，因此决定了混凝土超声检测具有如下特点：(1)只能采用低频超声波(2)超声波指向性差(3)超声波在混凝土内并非直线传播(4)接收到的信号十分复杂,七、超声法检测混凝土缺陷,2020/5/4,38,3.超声法检测混凝土缺陷技术规程（CECS21:2000）超声检测中的基本原则：(1)超声波优先选择最短路径即在超声传播路径周围，当存在不同介质时，根据不同介质的声速差异，超声波总是优先选择最快到达的那一条路径，由于钢筋中的纵波声速大大高于混凝土(5900m/s)，因此，当超声传播路径周围存在钢筋时，则超声波往往会从钢筋“短路”。为避免钢筋的影响，一般应使传播路径不与钢筋轴线平行或应使两个换能器连线与该钢筋的最短距离不小于超声测距的16。同时，超声波的这种特性也是用来检测混凝土表层损伤深度、裂缝深度等的一个依据。当混凝土是均质的时候，一般认为超声波在混凝土中是直线传播的。因此，当检测混凝土结合质量时，就必须让超声波穿过结合面，为此常常必须采用斜测法等。（了解）(2)正常混凝土的超声参量基本上符合正态分布,七、超声法检测混凝土缺陷,2020/5/4,39,3.1裂缝深度检测3.1.1一般规定3.1.2单面平测法基本假定：(1)裂缝附近混凝土质量基本一致(声速基本相等)；(2)跨缝声速和不跨缝声速一致；(3)超声波绕过裂缝尖端传播。本节内容参看超声法检测混凝土缺陷技术规程（CECS21:2000）,七、超声法检测混凝土缺陷,2020/5/4,40,3.2不密实区不密实区是指因振捣不足、漏浆、石子架空等原因造成的蜂窝状缺陷，或者因水泥缺少而形成的松散状以及遭受意外损伤造成的疏松状混凝土区域。不密实区和空洞检测要求检测部位必须具有一对或两对相互平行的测试面。3.3钢管混凝土缺陷检测本节内容参看超声法检测混凝土缺陷技术规程（CECS21:2000）,七、超声法检测混凝土缺陷,2020/5/4,41,是利用标准能量为2.207J的混凝土回弹仪检测普通混凝土结构或构件抗压强度的方法。回弹法是目前国内应用最为广泛的结构混凝土抗压强度检测方法回弹法是目前国内结构混凝土抗压强度检测的首选方法1.回弹法特点通过回弹仪检测混凝土表面硬度从而推算混凝土强度的方法优点：无损伤，可复测仪器轻便，使用方便，操作简单测试速度快，可做较多数量，代表性高测试费用低可以基本反映构件混凝土抗压强度的规律缺点：只反映表面强度,八、回弹法检测混凝土抗压强度,2020/5/4,42,2.回弹法检测基本原理2.1混凝土强度fcu与回弹值R混凝土表面受到弹击后产生塑性变形和弹性变形：塑性变形：消耗能量，变形的程度与表面硬度有关，硬度高，塑性变形小，消耗能量少；弹性变形：未消耗能量，传递给回弹仪，硬度高，弹性变形大，回弹高度高混凝土强度fcu与回弹值R相关：混凝土强度高表面硬度大弹性变形大回弹值大（回弹高度）而回弹法则是建立混凝土的抗压强度fcu与回弹值R之间关系的函数：fcuf（R）,八、回弹法检测混凝土抗压强度,2020/5/4,43,2.2影响fcu-R的主要因素(1)回弹仪测试角度对测试值的影响由于受重力的作用，回弹仪在非水平方向上的测试结果与水平方向上的测试结果不同，因此，对不同的测试角度需要进行修正。(2)混凝土不同浇注面对回弹值的影响在混凝土的浇注表面，由于泌水、浆厚等原因测得的回弹值偏低，混凝土的浇注底面，由于骨料的下沉、离析等原因，测得的回弹值比侧面高。因此，对不同的测试面需要进行修正。(3)不同模板材料对回弹值的影响常用钢模、木模所形成的混凝土表面状况有明显的差异，回弹值也会有所不同。对于木模成型的混凝土表面，应用砂轮磨平厚测量。,八、回弹法检测混凝土抗压强度,2020/5/4,44,2.2影响fcu-R的主要因素(4)养护条件对回弹值的影响采用标养与自然养护时，对于混凝土R-f关系曲线有显著影响。在相同强度下，自然养护的回弹值高于标准养护的回弹值。实验研究表明，当混凝土强度超过30MPa时，两者的差异可以忽略不计。(5)表面湿度对回弹值的影响湿度越大回弹值越低，这种影响随混凝土强度的提高而变小。现场检测中应尽可能采用干燥状态下的混凝土。(6)龄期和碳化深度对回弹值的影响龄期越长，回弹值越大，碳化层厚度随龄期的增长而加大。回弹值随碳