第3章工程结构静载检测

第3章工程结构静载检测,1、检测方案的确定2、构件的安装就位3、荷载设计4.测点布置,1、检测曲线的绘制2、检测挠度的计算,第3章工程结构静载检测,3.1概述静载检测：考虑结构或构件在静力荷载作用下，测得结构或构件的各种变形、内力变化及承载能力。在大量的结构检测中，大多为静载检测。例如：除了科研性质的试验外，建筑工程的质量验收，旧有结构的实际承载能力，改建、扩建、加固、补强处理等等。另外，对批量生产的预制构件进行质量鉴定，抽样检测及对新型结构或工艺提供试验佐证等。为此，静载检测部分作为结构检测工作中一项最常见也是最基本，最重要的测试工作。,3.2荷载设计和观测设计3.2.1检测方案的确定检测方案时进行试验的纲领性文件。它是检测的成败的前提。在制定方案前必须：（1）了解试验目的；（2）实地考察试验对象；（3）熟悉并研究有关背景材料；（4）必要时先做有关的材性试验。检测方案的具体内容包括：1.检测目的及技术依据鉴定性检测:（1）检测对象的基本情况和要求进行检测的原因；（2）检测所要达到的目的；（3）检测的主要内容及有关测试的技术参数；（4）注明试验所遵循的技术标准、规范、规程。研究性检测:（1）该课题的基本现状，研究的必要性及现实意义；（2）检测的主要内容和要求及有关的测试技术参数。（3）必要时应附上理论计算和说明。,2.试验场地的选定和测点布置；3.试件的安装就位以及试件支座的装置形式；4.加载方法，包括加载设备及装置，加载图式，加载程序等5.试验的安全措施。包括人员、仪器、试件的安全及试验时的防护措施等；6.测量方法，仪器的型号，仪表的布置，编号等；7.试验进度；8.附录，包括经费，器材、工具等。,3.2.2被测件的安装就位1正位检测所谓正位检测即是将试件处于实际受力状态。对于梁、板和屋架等简支的静定构件，正位检测时，结构构件的受压区在上，受拉区在下，结构自重和它所承受的外荷作用在同一垂直平面内，符合实际受力状态。因此，在结构检测中应优先采用正位检测。对于有长柱试验机的柱子检测可采用正位检测。2.卧位检测对于自重较大的梁、柱，跨度大、矢高的屋架及桁架等重型构件，当不便吊装运输和进行检测时，可在现场就地采用卧式检测。这样就大幅度降低试验装置的高度。便于布置检测仪表和数据的测量。现场卧式检测多采用如图（吊车梁成对卧式试验）的成对构件检测的方式，形成两两构件互为平衡机构。并在平卧下方放置滚轴或平板车，以减少构件变形及支承面的摩擦阻力和自重弯矩，使其保持水平状态。,卧式检测,3.反位检测对于混凝土构件进行抗裂或裂缝宽度检测时，为了便于观测裂缝和读取裂缝宽度（例如裂缝出现在受拉区梁的底部），可将试件倒过来安装，使受拉区在上，这样还可以减少加载装置如反力架。当施加由下往上的荷载时，首先要抵消构件的自重（即需要施加的荷载要加上构件的自重）。当构件的自重较大时，要防止由于构件的自重时受压区，即反位后，梁的下缘开裂。故对于自重较大的构件不易采用反位检测。4.原位检测原位检测是针对已建结构而言的。即在原结构现场，对原型结构或构件进行检测。这时，由于是处于实际工作状态，它与在实验室里做单个结构或构件是不同的。要注意支座不是理想的支座，邻近的构件对试件会产生部分卸载作用等。在检测方案的制定时应考虑这些问题。,3.2.3检测荷载的设计1.加载图式它是检测荷载在试件上的布置形式。它包括荷载的类型（如：重力加载或液压加载等）和荷载分布情况（如：均布加载或集中加载等）。加载图式要尽量与结构设计计算的荷载图式一致。使检测时荷载下结构工作情况与实际情况最为接近。有时也采用不同的设计计算所规定的荷载图式进行检测。比如，在不影响结构或构件工作或检测分析的前提下，由于受检测条件的限制和为了加载方便而改变加载图式。例如：当承受均布荷载的梁，由于检测条件的限制，无法实施均布荷载，就可采用多点集中荷载来代替均布荷载（如采用分配梁技术）。检测后再对检测数据进行还原修正。这样既减少了实施难度，又简化了检测装置。另外，当一种加载方式不能反映检测所要求的几种极限状态时，可采用不同的加载图式分别在几个被测件上进行检测。,2检测荷载的几个概念(1)正常使用短期荷载检测值它是结构在正常工作状态下应能承受的荷载的检测值。它由结构永久荷载标准值和可变荷载（使用荷载）所组成。其中：正常使用短期荷载检测值；结构永久荷载标准值，它包括：结构的自重和结构的装饰重（如嵌缝重、粉层重等）构成。可变荷载（或称使用荷载）如：人、桌椅、雪载等。,(2)长期荷载(频遇)组合值它是结构在长期使用期内（设计基准期内）针对可变荷载考虑偶然遇到的其能量较大而持续时间较短的荷载（如冲击荷载、爆炸、地震荷载等）时，结构应能承受的荷载频遇组合值。其中：荷载长期频遇组合值；可变荷载的频遇系数，通常取0.4。,(3)短期承载力检测值它是结构最大能承受的短期荷载检测值。其中：短期承载力检测值；、分别为永久荷载的分项系数和可变荷载的分项系数。其数值分别取为：1.2和1.4。,3.检测加载程序加载程序是指对试验所进行的加载级距，加、卸载的循环次数，级间间隙时间等有序的安排。（1）预载其目的是：1）密实节点或接合部位，使结构或构件处于正常的工作状态；2）检查试验装置是否可靠，试验仪器仪表是否正常；3)人员是否各就各位，已做好准备工作。预载可分两级或三级，每级不超过20，且预载不超过40，并卸载至零。对于混凝土结构或构件，预载不应超过所计算的开裂荷载值的70。,（2）检测加载至少分为5级，每级为20，加至。但对于混凝土构件或结构，先每级为20，当荷载达到计算开裂荷载值的90时，应不大于5计算开裂荷载值的级距加载至结构或构件开裂，以便确定实测开裂荷载值，加载至。（3）检测先取20至，然后，以10加至90，再以5直至出现承载力极限状态的标志，以确定其承载力的实测值。,3.2.4检测测点布置检测测点布置有如下原则：（1）在满足检测目的的前提下，测点不宜过多，使检测工作重点突出。（2）测点要具有代表性，便于分析计算。（3）为了确保测量数据的可靠，应布置一定数量的校核点。测点的布置要尽量使测量时安全、方便及满足仪器的一些特殊要求。,1位移测点布置(1)对于梁、单向板、桁架等受弯构件（a）若宽度不超过0.6m，挠度表沿跨度方向单排布置；（b）若宽度超过0.6m，挠度表沿跨度方向双排布置，以两边仪表的平均值为位移观测值；（c）具有边肋的单向板，沿跨度方向布置三排挠度表，测量边肋和板宽中心线的最大挠度；（d）跨度不超过6m的构件，沿跨度方向布置三个挠度表，跨度大于6m的构件沿跨度方向相应增加挠度表；（e）屋架、桁架的上下弦受力状态不同，应分别布置挠度表；（f）高跨比较大的桁架或其它构件，还要布置观测水平位移和出平面的侧向位移的仪表。,(2)对于双向板，空间薄壳结构等双向受力结构，挠度测点应沿两个跨度方向或沿主曲率方向的跨度或挠度最大的部位布置挠度表。(3)对于柱、框架、杆、塔或足尺房屋结构等，为了测定整体位移及变形曲线，一般沿主轴方向的跨中或挠度最大的部位布置位移计。(4)对于高层楼房或其它高耸结构，为了测定在风荷载下的顶部位移，可使用经纬仪。,2应变测点布置（1）主应力方向已知,（a）对于轴向受力构件，为了消除荷载偏心影响，可在试件两相对侧面沿平行于杆轴方向布置两个应变片。取两片的平均值作为实测应变。,（b）对于受弯构件，若测定最大应力，可在最大弯矩作用的截面的上、下缘布置应变测点；若测定中和轴位置或验证平截面假定，应沿侧面高度方向布置一定数量的应变测点，测点数不应少于5个。,（c）对于弯矩和轴力共同作用的构件，应在最大弯矩作用的截面处沿平行于杆轴方向的两个侧面布置两个或四个应变测点。,（d）对于有开孔薄腹梁或薄壁容器，可沿孔边切线方向布置应变测点。,（e）对于梁的剪压破坏的斜裂缝开裂应变的测定，可在构件内力最大的受拉区沿受力主筋方向连续布置应变测点。,轴向受力构件,受弯构件：测定中和轴位置,压弯构件,剪切破坏的梁,(f)对于超静定梁或框架，可在估计的反弯点位置两旁布置两个应变测点。测出应变后，按比例得出应变为零的反弯点的位置。,（2）主应力方向未知在结构的平面应力状态的某些部位，主应力和剪应力的是方向未知的。此时，可在同一个点，沿三个不同方向（如45度、直角或60度等腰三角）布置应变花测点。由相应的计算式得出主应力。3转角测点布置（1）对于高跨比较大的桁架（或其它构件），应在支座处布置倾角仪，测定倾斜度。（2）对于柱、杆、塔等结构，应在支座处布置倾角仪，测定基础转角。,3.3变形、开裂和破坏特征观测检测观测是试验中的重要环节，应预先制定方案有序进行。检测人员要对检测对象不断地观察和分析，对重要的数据应在检测过程中随时整理分析，并与理论预算值进行比较。对于异常情况要及时查清原因，排除故障或事故隐患。待弄清原因并排除异常后，再继续加载观测。必要时可能要以实际情况作及时调整试验方案。此外，还要统观全局，时刻注意人员、仪器设备的安全。,3.3变形、开裂和破坏特征观测,对于允许有裂缝，但对裂宽有要求的结构或构件，测量其开裂的裂宽时，对于受弯构件的正截面裂缝，应在构件的侧面受拉主筋处测量最大裂宽；对于斜截面裂缝应在斜裂缝与箍筋交汇处或斜裂缝与弯起钢筋交汇量取斜裂缝宽度。每一测区或每一构件测定裂缝宽度的裂缝数目，一般取目估的最大三大条裂缝来量取。量取时用毛笔在裂缝旁沿裂缝轨迹描下裂缝行迹。要表明在各级荷载下的裂宽。,4破坏特征（1）钢筋混凝土构件的破坏特征：,（a）在荷载不增加的情况下，由设置在构件受拉主筋处的应变测点出现连续变化或受拉主筋处拉应变达到。(b)梁的跨中挠度达到跨度的1/50，悬臂结构的挠度达到悬臂长的1/25。(c)受拉主筋处的垂直裂缝宽度达到1.5。(d)受拉斜裂缝宽度达到1.5，或斜裂缝末端受压区混凝土剪压破坏，或沿斜截面混凝土斜压破坏。(e)受拉主筋在端部滑脱达到0.2，或其它锚固破坏。（f）受拉主筋被拉断。（g）受压混凝土构件混凝土被压坏。,（2）钢结构构件的破坏特征：(a)螺栓或铆钉剪断或脱落。(b)主要螺栓或铆钉松动，节点板变形。(c)在荷载不再增加的情况下，由设置在构件最大拉应力测点或最大压应力的测点出现应变读数值连续变化。(d)节点焊缝开裂。(e)受压或受弯部分屈曲或整体失稳。,当出现以上任何一种破坏特征都可判定结构或构件破坏。即定为该荷载为极限破坏荷载的实测值。同样具体确定是本级还是上一级，还是两级平均值作为破坏荷载实测值的方法与确定开裂荷载类同。试验完成后要及时描出裂缝图及拍照。记录下其破坏特征及其描述。如是钢筋混凝土的正截面或斜截面破坏；钢结构的失稳破坏等。,焊缝开裂破坏,3.4静载检测数据处理及分析检测数据处理是检测的后期阶段。通常需做如下工作：（1）绘制各种测试曲线；（2）将原始数据进行处理、计算、分析并与理论值作比较，分析差异的原因；（3）对实测出的有规律的重要现象做出合理的解释；（4）评定结构或构件的工作性能；（5）验证设计计算理论或导出新的结论。3.4.1检测曲线的绘制常见的测试曲线有（1）荷载变形曲线；（2）荷载应变曲线；（3）截面应变图；（4）裂缝开展分布图。,1荷载变形曲线意义：由结构变形关系曲线，可判断结构或构件在荷载作用下的工作状态。曲线1：结构处于弹性阶段；曲线2：结构处于弹塑性阶段（当混凝土开裂时，会出现A、B转折点）；曲线3：(1)在加载过程中仪器出现故障；(2)邻近构件、支架参与工作分担了荷载；(3)整体钢筋混凝土结构经多次加载后，也会出现此钟情况；(4)钢筋混凝土结构在卸载过程中也会出现此种情况。,2.荷载应变曲线意义：由荷载应变曲线显示荷载与应变的内在关系以及应变随荷载增长的规律。以梁为例:,应变测点1位于受压区，应变增长基本呈线性状；,应变测点2位于受拉区，由于该区混凝土开裂较早，使得转折突变点较低；,应变测点3位于主筋处，混凝土开裂稍后，以至转折突变点较高；,应变测点4位于主筋处，第一次混凝土开裂转折点，由于主筋再次强化，直到当主筋达到极限时，才发生第二次转折突变；,应变测点5位于截面中部偏上，靠近受压区，先受压，再逐步过渡至受拉。混凝土在底部开裂后，其中和轴逐渐上移。,3截面应变图它是沿试件截面（一般选择控制截面）高度方向布置应变测点，将某一级荷载下的测点的应变值连接起来的图形。意义：由截面应变图来了解试件沿截面高度分布的规律及其变化过程以及观察其中中和轴的移动情况。以梁为例，A为第一级荷载，B为第二级荷载，C为第三级荷载。1、2、3、4、5分别为五个沿截面高度均匀分布的应变测点。,4裂缝开展分布图在检测过程中始终跟踪描下裂缝开展的轨迹和各级荷载大小及相应的裂宽大小。其目的是为了了解结构在荷载作用下的工作状态。检测结束后，立即拍照，并在坐标纸上按比例作出裂缝展开图。按实测时实际裂缝绘出开展部位、方向、长度以及每级荷载下的裂宽等信息。,3.4.2检测挠度计算在计算结构或构件时，需要对实测的挠度进行修正，以获得真实的挠度。1支座沉降影响的修正（1）对于简支静定结构构件若左右两支座沉降测量值分别为和，跨中实测挠度值为，则扣除支座沉降后的试验挠度值为：（2）对于悬臂结构构件若固定端的沉降和自由端的挠度实测值分别为：和，而悬臂长为，扣除固定端沉降后悬臂下倾的角度为，则扣除固定端沉降后的试验挠度值为：,2结构构件自重影响的修正结构构件会由于自身的重量而产生挠度。此挠度属于结构构件挠度的一部分。对于这种结构构件自重而引起的挠度，采用实测的方法不易测得，而通常采用近似计算法来得到。由于结构构件在弹性范围内，其挠度与弯矩成正比，即依据“弯矩等效原则”有：其中：结构构件自重产生的挠度；结构构件自重产生的弯矩；检测中结构构件在第i级荷载下的弯矩；试验中结构构件在第i级荷载下且扣除了支座沉降的挠度实测值。,此外，对于桁架、屋架自重所产生的挠度，可在其弹性阶段内，按荷载挠度比例式求出自重所产生的挠度：其中：结构构件自重；结构构件在弹性范围内的第i级荷载下的荷载值。则，考虑以上两种修正后的挠度值为：,3等效荷载图式影响修正由于某种原因，用等效集中荷载代替设计时的均布加载时，由于集中荷载与均布荷载两种加载方式它们的内力包络图不同，造成一定的挠度结果的差异。则按如图修正系数进行修正。上式中修正系数注意：如果设计本来就是施加集中荷载自然就不必此修正了。因为就是要测得在集中荷载作用下的挠度。,4徐变影响的修正由于长期荷载作用下的挠度比短期荷载作用下的挠度要大。而检测测试是短期荷载下的挠度值，它们之间的换算式为：通常，也可按规范有关条文取用。正常使用短期荷载检测值；荷载长期效应组合值。,3.5结构（或构件）的性能评定这里，结构构件的性能评定主要是鉴定性检测。其评定指标包括三方面的内容：1.承载力评定；2.挠度评定；3.抗裂性能评定。1.评定指标（1）承载力评定其中：结构构件承载力检验系数实测值，其中，初次观测到承载力检验标志之一时的荷载实测值。短期承载力检测值；结构构件的安全等级和重要系数；结构构件承载力检验系数允许值（由设计标准图集或下表给出）。,承载力检验指标值（表3-1）：,结构构件安全等级（表3-2）：,（2）挠度评定挠度指标是指结构构件在下的挠度。其中：在正常使用短期荷载检测值下，结构构件短期挠度实测值；结构构件短期允许挠度值。注意：规范上所给出的挠度允许值指的是长期挠度允许值。而检测所得的是短期挠度值。在此挠度评定（比较）中应同是短期或同是长期才可比较。故可将规范的长期挠度允许值转换为短期的挠度值与短期的挠度实测值进行比较。转换式：通常，也可按规范有关条文取用。,（3）抗裂性能评定对于严格要求不出现裂缝的构件称之为一级构件；对于一般性要求不出现裂缝的构件称之为二级构件；对于允许出现裂缝但对裂宽有限制的构件称之为三级构件。对于一、二级构件进行抗裂评定；对于三级构件进行裂宽评定。（a）抗裂评定其中：抗裂检验系数实测值；，构件开裂时的荷载实测值。构件抗裂检验系数允许值；，允许开裂荷载值。或由设计标准图集给出。,（b）裂宽评定其中：作用下，受拉主筋处最大裂缝宽度实测值；下，作用下受拉主筋处最大裂缝宽度允许值。,表3-3最大裂缝宽度允许值,2.荷载设计注意：要分级加载，以便测准三个指标；由于构件自重已经由构件自身施加上去了，在实际加载时，即要扣除此已经加上去的自重；对于板壳结构施加均布荷载注意画格、分区。（1）在挠度评定和抗裂性能评定时，加载值：，加载系数；。取0.4，0.6，0.8，1.0（2）在承载力评定时，加载值：，加载系数；;取，其（1）（6）为破坏标志序号。,3.实例列举有一甲I组冷拔低碳钢丝（10I4）配筋