土木工程实验技术(结构桥梁)chap1-3ppt课件

土木工程结构试验（结构、桥梁）StructuralExperimentinCivilEngineering,刘立平杨溥,土木工程学院,2011年01月,建筑结构试验普通高等教育“十一五”国家级规划教材高校土木工程专业指导委员会规划推荐教材易伟建，张望喜编著中国建筑工业出版社2005,土木工程结构试验普通高等教育“十一五”国家级规划教材王天稳主编武汉理工大学出版社2010,工程结构试验理论与技术新世纪高等学校研究生适用教材李忠献编著天津大学出版社2004,桥梁结构试验面向21世纪交通版高等学校教材章关永主编人民交通出版社2003,混凝土结构试验方法标准（GB50152-92）,木结构试验方法标准（GB/T50329-2002）,建筑抗震试验方法规程（JGJ101-1996）,第1章绪论（2学时）第2章结构试验设计（2学时）第3章结构静载试验（4学时）第4章结构动载试验（4学时）第5章结构非破损检测与鉴定（4学时）第6章结构模型试验（2学时）第7章桥梁现场荷载试验（4学时）第8章试验数据的处理和分析（4学时）其它现场试验观测与实践（4学时）,目录,第1章绪论,建筑材料结构力学结构试验,传统的结构工程科学,结构设计理论结构计算技术,现代结构工程科学,结构试验,结构工程科学,伽利略Galilei1564-1642,最早的结构试验（1638年）cantileverbeamexperiment,梁端弯矩：M=pL梁承载力：Mud3/L,第1章绪论,1.1结构试验的目的（Purpose）1.2结构试验的分类（Category）1.3结构试验技术的发展（Development）1.4结构试验课程的特征（Characteristic）,本章内容,建筑结构试验是一门必修的专业基础课程。是电学、光学、力学、钢筋混凝土结构和钢结构等学科相互交叉的、实用性很强的一门学科，是用试验的方法研究和测量建筑结构的强度、结构受荷载作用后的反应及评估建筑结构产品质量的一门学科。,掌握-结构试验的基本原理了解-结构试验的仪器、仪表和试验设备认识-结构性能培养-进行结构试验的能力,1.1结构试验的目的,研究性试验鉴定性试验,试验目的,验证基本假定和计算理论创立新的结构理论制定过程技术标准,检验产品、设计和施工质量确定已建结构的承载能力验证结构设计的安全度,1.2结构试验的分类,试验对象,原型试验模型试验小构件试验,足尺、现场（投资大、加载复杂、周期长）,通常缩尺（符合相似理论：几何、力学、材料）,构件试验与计算对比（可以不符合相似理论）,1.2结构试验的分类（续）,静力试验动力试验,荷载性质,单调静力荷载试验低周反复荷载试验（伪静力）拟动力试验,疲劳试验动力特性试验地震模拟振动台试验风洞试验,静力试验的特点加载设备相对来讲比较简单，荷载可以逐步施加，还可以停下来仔细观察结构变形的发展，给人们以最明确、最清晰的破坏概念。动力试验的特点由于荷载特性不同，动力试验的加载设备和测试手段与静力试验有很大的差别，而且要比静力试验复杂得多。,1.2结构试验的分类（续）,荷载持时,混凝土的徐变、预应力钢筋的松弛、结构受温度变化的影响（几个月或几年时间）,短期荷载试验长期荷载试验,1.2.4结构非破损检测,以不损坏结构和不影响结构功能为前提，在建筑结构现场，根据结构材料的物理性能和结构体系的受力性能对结构材料和结构受力状态进行检测的方法。,结构检测,检测目的,无损检测技术半破损检测技术破损检测技术,结构非破损检测,荷载破坏性检测，费用昂贵、耗时较长，仅用于非常重要的结构。,只有几十分钟、几小时或者几天,混凝土检测,检测目的,混凝土强度值内部缺陷（裂缝、空洞等）几何尺寸（钢筋位置，保护层厚度，板厚等）匀质性检测与控制建筑物理特性（热工、隔声、防水等）,1.2.4结构非破损检测（续）,混凝土强度值,内部缺陷,砂浆和块体强度,回弹法贯入法,1.2.4结构非破损检测（续）,几何尺寸,砌体抗压强度,冲击法推出法液压扁顶法,钢结构焊缝缺陷,超声法磁粉探伤法射线法,1.3结构试验技术的发展,大型化,电液伺服压力试验机（5000t）振动台大型风洞大型离心机大型火灾模拟试验系统多向、不同步（行波、多点输入）、动力,美国“远程地震模拟网络”结构工程+地震工程+计算机科学+信息技术+网络技术,测试技术传感器和数据采集技术高精度、抗干扰、性能可靠无线通信智能传感器健康检测高速数据采集仪爆炸、冲击试验长时间、大容量数据存储,计算机仿真,远程化,智能化,第2章结构试验设计原理,2.1概述2.2结构试验设计的基本原则2.3测试技术基本原理,2.1概述,美国质量管理专家戴明（W.E.Deming)50年代初提出一项质量管理循环体系，称为PDCA循环，是一项提高工程质量、改善企业经营管理十分有效的科学方法，被工程界广泛应用。PDCA质量循环体系的基本思想是把质量管理的工作过程分为四个阶段：（1）计划阶段（Plan）（2）实施阶段（Do）（3）检查阶段（Check）（4）处理阶段（Action）,2.1概述,试验任务分析试件设计试验装置与加载方案设计观测方案设计试验终止条件和安全措施,结构试验一般分为以下四阶段：,试验规划与计划试验技术装备试验实施过程4.试验数据分析与总结,试验大纲,试件制作预埋传感元件安装试验装置及试件安装测量元件调试标定仪器设备相关材料性能测试,记录试件初始状态采集并记录试验数据观察并记录试件特征反应（如裂缝、破坏状态等）,整理试验结果判断异常数据绘制试验曲线图表分析试验误差分析并总结试验现象,2.2结构试验设计的基本原则,1、荷载、边界条件和试验环境等,输入,系统,输出,加载装置,试件+测试系统,试验数据,间接加载,2.2结构试验设计的基本原则,2、主次因素影响,诸多因素,消除影响,主要因素次要因素,仔细研究,试验目的,举例：,温度变形,砼收缩变形,砼徐变变形,1.混凝土徐变,2.钢筋混凝土梁,弯曲破坏试验,剪切破坏试验,足够的配箍,足够的纵筋,主要因素？,“大系统测不准”,最简单的方案往往就是最好的方案,2.2结构试验设计的基本原则,3、结构反应的随机性,试验影响因素模糊性材料特性的随机性1.新材料性能的未知2.材料的非线性强度等参数；结构力学模型的不确定性,力学模型（影响因素）,试验,试验,模型参数及规律,统计学方法设计构件数量，排列影响因素；加载设备、测试仪器留有余地；新结构体系、新材料试验预备性试验。,2.2结构试验设计的基本原则,4、试验参数影响,合理取值范围,与试验加载系统有关与试验结构的具体性能有关,构件尺寸,两类试验参数,常见试验结构参数,钢筋混凝土结构砼等级、配筋率、配筋形式、截面形式、荷载形式及位置参数砌体结构块体强度、砂浆等级钢结构构件长细比、截面形式、节点构造方式等,2.2结构试验设计的基本原则,5、测试方法和评价标准,6、试验成本和效率,遵循学科领域中认可的标准或约定（如：加载设备能力、数据采集和记录能力等）,鉴定性试验研究性试验,须符合相关技术标准的规定,试件加工制作预埋传感器试验装置加工试验用消耗材料设备仪器折旧试验人工费用管理费。,试验成本,试验测试精度要求+安全因素,2.2结构试验设计的基本原则,真实模拟结构的荷载、边界条件和试验所处的环境；消除次要因素影响；将结构反应视为随机变量；合理选择试验参数；统一测试方法和评价标准；降低试验成本和提高试验效率。,2.3测试技术基本原理,测试仪器设备的分类（按功能和使用情况分）传感器、放大器、显示器、记录器、分析仪器、数据采集仪或系统。其功能分别为：传感器感受各种物理量（力、位移、应变等），并把它们转换成电量（电信号）或其它容易处理的信号；放大器把从传感器得到的信号放大，使信号可以被显示和记录；显示器把信号用可见的形式显示出来；记录器把采集得到的数据记录下来，作为长期保存；分析仪器对采集得到的数据进行分析处理；数据采集仪用于自动扫描和采集，是数据采集系统的执行机构；数据采集系统集成式仪器，包括传感器、数据记录仪和计算机或其他记录器、显示器等，可用来进行自动扫描、采集，还能进行数据处理等。,传感器：是测量系统的一种前置部件，它将输入变量转换为可测量的信号,测量：为确定试验结构的反应量值而进行的过程；,直接测量间接测量,测量,测量量值=数值计量单位,一般采用国际单位，如：4mm,标定：采用已知的标准物理量校正仪器或测量系统的过程。即：将原始基准器件，或比被标定仪器或测量系统精度高的各类传感器作用于测量系统，通过对测量系统的输入输出关系分析，得到传感器或测量系统得精度的试验操作。,电测法计算机,现代测量技术的特点,第3章结构静载试验,加载方法分类,静载试验（静力荷载试验）：是指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的试验。,重力加载法液压加载法机械加载法,3.1静载试验加载设备,一般指试验过程中试验结构的反应不包含任何惯性作用和加速度的影响。,试验荷载基本要求：荷载的作用方式：必须使被试验结构或构件产生预期的内力和变形方式；荷载值：能以足够的精度进行控制和测量；加载设备和装置不应参与结构工作，不改变结构或构件的受力状态；加载设备本身应有足够的强度和刚度。,利用重物直接加载或通过杠杆作用间接加载,利用液压加载器和液压试验机加载,利用绞车、滑轮组、弹簧和螺旋千斤顶等机械设备加载,3.1.1重力加载,1）重力直接加载法重物荷载可直接堆放在结构表面形成均布荷载或置于荷载盘上通过吊杆挂于结构上形成集中荷载，假如荷载再大，就可以通过杠杆来加载。,重力加载,直接重力加载法杠杆重力加载法,重物间隙要大于5cm?,重物:实验室：铸铁/钢块现场：沙、石、砖等桥梁：载重汽车,保证重物间不搭接，以防止形成拱的作用,3.1.1重力加载,重物加荷来施加集中荷载；用两个荷载料斗（吊篮）在吊篮里可以施加各种重物，来实现集中荷载的加荷。当荷载很大，直接用吊篮加荷，达不到它的荷载值的要求的时候，可以通过杠杆来使这个荷载值增大。,3.1.1重力加载,优点：试验荷载可就地取材，可重复使用，针对试验结构或试件的变形，可保持恒载，可分级加载，容易控制。缺点：加载过程中需要花费较大的劳动力，占据较大的空间，安全性差，试验组织难度大。,3.1.1重力加载,2）杠杆重力加载法利用杠杆原理，将荷载放大作用于结构上，以满足试验要求。,优点：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，对于作持久荷载试验尤为合适。,L,l,3.1.2液压加载,液压加载是目前结构试验中最常见的一种加载方法。,移动式同步液压加载器手动液压千斤顶液压试验机电液伺服液压试验系统,组成：液压泵源+液压管路+控制装置+加载油缸,液压加载设备,液压加载的最大优点：试验操作安全方便，特别是对于大型结构构件，当试验要求荷载点数多、吨位大时更为合适。,3.1.2液压加载（续）,电液伺服液压试验系统,电液伺服液压试验系统是目前结构试验研究中一种比较理想的试验设备，它可以较为精确地模拟试件所受的实际外力，产生真实的试验状态，特别是用来进行抗震结构的静力或拟动力试验尤为合适。,组成：液压泵源+液压管路+控制装置+加载油缸,伺服机构：指利用反馈来控制该机构中运动部件的位置或运动状态的一种闭环系统，而反馈输入来自机构的运动部件。又称为“随动系统”。,将电流信号转换为阀芯的机械运动，通过阀芯的机械运动调整电流伺服阀的输出和输入流量及压力。,电流伺服机构的主要特点,3.1.2液压加载（续）,电流伺服机构的工作原理,电流伺服阀发出指令X,加载油缸工作,反馈信号Xa（加载油缸的力或位移）,|X-Xa|l，A=电阻值R,电阻应变片/电阻应变计，简称应变片；其工作原理是：利用金属导体的“电阻应变效应”，即金属丝的电阻值随其机械变形而变化的物理特性。,R=l/A,电阻应变效应：利用导体或半导体在外界作用下产生机械变形时，其电阻值将发生变化，这一现象称为,圆形截面,3.3.3电阻应变测试中的温度补偿,温度补偿的原因？,消除温度的影响（附加应变），保证应变测试精度,温度补偿方法,有桥路补偿方法（补偿片法）,应变片自补偿方法,3.3.2电阻应变的测量原理,测量原理是：通过惠斯登电桥，将微小的电阻变化转化为电压或电流的变化。,3.3.4电阻应变片和电阻应变仪的构造和种类,电阻应变片,等级：A，B，C，D,电阻应变片的主要性能指标：敏感栅长度（标距）灵敏系数K应变片电阻值使用温度应变极限（最大工作量程）机械滞后、蠕变、疲劳寿命、零点漂移、横向灵敏系数、绝缘电阻等指标,不同类型电阻应变片=图3-43,不同等级电阻应变片性能指标=附录1/P229#,3.3.5电阻应变片的安装及测试技术要点,1.正确选用电阻应变片的类型和规格尺寸；混凝土：长标距；钢：短标距2.正确选用黏贴电阻应变片的胶黏剂；502胶、环氧树脂、酚醛树脂等3.黏贴应变片的工艺步骤；,1、应变片的检查分选：外观检查、阻值检查。2、测点处理：测点检查、打磨、清洗干燥、打底、划线定位。3、片的粘贴：上胶、挤压、加压。4、固化处理：自然干燥或人工固化。5、粘贴质量检查：外观检查、阻值检查、绝缘度检查6、导线连接：引出线绝缘、固定点设置、导线焊接。7、防潮防护,4.用导线连接电阻应变片；不适合长距离测量5.设计应变计温度补偿方案,3.4静载试验用仪器仪表,测量系统,结构静载试验目的：通过试验了解结构的静力性能,仪器仪表的主要性能指标：量程：测量范围灵敏度：输出与输入的比值分辨率：显示的最小变化量的测量值准确度：精确度或精度线性度：与理想线性输入输出的接近长度漂移量：测量系统的不稳定度,结构静载试验对测量仪表的基本要求：根据被测量的物理性质，正确选择仪器仪表的基本功能；预估被测物理量的变化范围，选择仪器仪表的量程和精度；选择可靠性较高的仪器仪表。,结构在静载下形态的变化（定量数据来反映）,3.4静载试验用仪器仪表（续）,测量物理量：位移，包括角位移；力；裂缝；温度等,线位移测试仪器：,1机械式百分表和千分表：2张线式：3电阻式应变式：电子百分表4滑动电阻式：5线性差动电感式：LVDT6磁致伸缩式：7光纤：8容差式：,1水准管式倾角测量仪2电阻应变式倾角测量仪,角位移测试仪器：,3.4静载试验用仪器仪表（续）,力测试仪器：,1机械式力传感器：2电阻式应变式力传感器：3振动弦式力传感器：,使用方便、性能稳定，但不能自动记录。精度1%2%量程。,使用最广泛。精度0.1%0.2%量程。,裂缝测量仪器：,1裂缝部位及走向：放大镜电阻应变片声波表面刷涂料或油漆等脆性材料2裂缝宽度读数放大镜；纸质卡片；,根据索振动频率和边界条件确定索拉力,温度测量仪器：,两大类：接触式测温非接触式测温热电偶温度计金属丝热电阻热敏电阻温度计,3.5结构静载试验准备与实施,试验目的：通过对试验结构或构件直接施加荷载作用，采集试验数据，认识并掌握结构或构件的力学性能。,3.5.1结构静载试验大纲,试验大纲是控制整个试验进程的纲领性文件（而试验方案是其指导下具体实施结构试验的设计文件）其内容一般包括：,概述：试件设计及制作工艺：加载方案与设备测试方案和内容安全技术措施试验组织管理附录,试件（specimen）：结构试验的对象（结构或构件）。试件设计包括：试件形状及构造设计，试验参数，试件尺寸及数量等。,3.5.2试件设计,1.试件形状,基本构件：结构：,2.试件尺寸,试验成本：试验设备能力尺寸对试件性能影响,决定,试件尺寸,类型,足尺/真型构件模型构件（结构）,3.试件数量与试验参数,鉴定性结构试验：根据相关规范和标准的规定选取试件数量。研究性结构试验：由试验目的所规定的试验参数决定。,3.5.2试件设计,3.试件数量与试验参数,全组合方法（全面试验）：假设某结构试验的因子a=5个；每个因子考虑b=4个水平。则总的试件数位：ba=45=1024个试件优点：适用于当因子两两之间存在相互关系的试验；缺点：试件数量太多，耗费过多财力物力，难以进行。解决方法：当因子相互独立时，可采用正交试验法。,几个定义：因子（因素）：是试验中考查对试验指标可能有影响的原因或要素，它是试验当中重点要考查的内容。用A、B、C等来表示水平（位级）：试验中选定的因素所处的状态和条件，1、2、3等来表示因子数a：试验参数的数目水平数b：每个因子可能取值的数目,3.5.2试件设计,正交试验法（theOrthogonalTest）：以日本人田口玄一博士为首的一批研究人员在1949年发明了用正交表安排试验方案，1952年田口玄一在日本东海电报公司，运用正交表进行试验取得了全面成功，之后正交试验设计法在日本的工业生产中得到迅速推广。我国从20世纪50年代开始，以中国科学院数学研究所的研究人员为基础深入研究正交试验设计这门科学，并逐步应用到工农业生产中去，其后正交试验设计得到了广泛研究。,Ln(bc),L4(23)正交表,L9(34)见教材P54#表3-2,L8(27)、L16(216)、L16(45)、L25(56)、L27(313),如：L16(45),3.5.2试件设计,4.试件构造设计,为满足加载及测量要求，应注意以下方面的构造要求：混凝土试件，荷载作用点和支座预埋钢板，防止局部破坏；砌体受压试件：上下表面平整度不满足时，设置垫块；钢结构试件：杆件端部焊接钢板以便传力；浇筑混凝土前预埋应变和温度传感器，并应有可靠保护措施。,3.5.3加载和观测方案,单调加载静载试验主要用于模拟结构承受静荷载作用下，观察和研究结构及构件的强度、刚度、裂缝、稳定性等基本性能和破坏机制、复杂部位的应力分布规律、传力机理、塑性内力重分布等。,1.静载试验的加载制度2.试验观测方案设计1)确定观测项目2)选择测量范围，布置测点位置3)选择测量仪器仪表3.试验前技术准备工作1)材料力学性能测定2)试件安装到位,静载试验的加载制度,加载制度：试验过程中荷载施加程序或步骤，即施加的荷载和时间的关系。包括：加载顺序、加载卸载程序和大小。,加载图式：试验荷载在试验结构构件上的布置形式（包括荷载类型和分布情况）。其设计要求：（1）加载图式应与理论计算简图一致；（2）可采用与计算简图等效的荷载图式，即等效荷载。,加载程序：预载、标准荷载（正常使用荷载）、破坏荷载三阶段。,目的：使结构进入正常工作状态，同时对加载设备、仪器仪表全面检查；分级加载：一般分3级进行，预加载值不超过开裂荷载计算值的30%（砼）、20%（砌体），然后再分级卸载，23级卸完。,每级加载值：因加载阶段而有不同要求；级间间歇时间：即保持分级荷载的持续时间；加载顺序：多荷载作用时，一般先竖向，再水平；进程控制：荷载、位移、混合控制；,试验观测方案设计,1）确定观测项目荷载（力）、位移、转角、应变、裂缝分布、出现顺序和宽度、温度。,整体变形、转角局部特征（如裂缝、应变、钢筋滑移等）,2）选择测量范围、测点布置,鉴定性结构试验：根据相关规范和标准的规定测量试件的强度、变形、裂缝等；研究性结构试验：除上述测量项目外，尚需测量应力应变分布。,3）选择测量仪器仪表,测点的位置必须要有代表性，测点的布置应有利于试验时操作和测读，最优测点数；另外，还应该布置一定数量的校核性测点,初步估算确定测试仪器的量程（力、位移、应变等）；试验精度与分析一致，避免盲目追求高精度。一般的试验，应使仪表的最小刻度值小于5%的最大被测值。,试验前技术准备工作,1）材料力学性能测定是初步估算的前提。包括：,混凝土或砌体的强度、钢筋的材料性能指标等结构或构件开裂荷载、屈服强度和屈服位移、极限强度等,2）试件安装就位,现场清理、检查水电等试验必备条件等；检查加载受力和边界条件等。,3）安装加载设备和测试仪表,加载设备包括：竖向和水平荷载施加；加载设备和传感器须有独立的安装连接装置；平面结构，须在平面外设置支撑体系；仪表编号、记录测点位置、测量通道编号等混凝土构件表面处理，方便观察裂缝等。,3.6结构静载试验示例,试验目的：了解梁的承载能力（弯曲或剪切）和变形性能，要求通过试验得到梁的荷载挠度曲线和弯矩曲率关系。,3.6.1钢筋混凝土简支梁静载试验,3.6.1钢筋混凝土简支梁静载试验,试验结果：,粘贴在钢筋表面；钢筋表面开槽，再粘贴；钢筋切开，开槽，再粘贴；,1）梁弯曲后的曲率曲线安装在梁跨的位移传感器测量值可以确定曲率曲线（半径）,2）梁荷载挠度和截面的弯矩曲率曲线,钢筋的应变片放置：,3）梁的应变分布规律,沿截面高度的应变变化；受压区砼最大压应变；纵筋拉应变；箍筋的应变。,3.6.2钢筋混凝土偏压柱静载试验,1）试件就位立式、卧式；铰支座（单刀或双刀）几何对中、力学对