中南大学结构试验--第四章-结构静载试验PPT课件

.,1,第四章结构静载试验4-1试验准备,1.调查研究、收集资料（1）设计资料：设计图纸、计算书、设计所依据的原始资料（2）施工资料：施工日志、材料性能试验报告、施工记录和隐蔽工程验收记录（3）使用资料：使用过程、环境、超载情况或事故过程等情报调研,.,2,4-1试验准备,2.编写试验大纲（1）概述（2）试件设计及制作要求（3）试件安装与就位（4）加载方法与设备（5）量测方法和内容（6）辅助试验（7）安全措施（8）试验进度计划（9）试验组织管理（10）附录,.,3,4-1试验准备,3.试件准备4.材料物理力学性能测定5.试验设备与试验场地的准备6.试件安装就位7.加载设备和量测仪表安装8.试验控制特征值的计算,.,4,4-2加荷方案设计,试验加荷方案的决定因素：研究目的和要求试验对象的结构形式结构构件在试验空间位置加荷图式加荷程序,.,5,4-2加荷方案设计,4-2-1结构类型与搁置位置1.结构类型框架结构大梁：集中荷载板和壳体结构：均布荷载墙和柱：竖向和水平向的集中荷载2.构件在试验空间位置（1）正位试验（2）异位试验（反位、卧位试验）,.,6,4-2加荷方案设计,4-2-2试验加荷图式一、加荷图式指试验荷载在试件上的布置形式。二、等效加荷图式应满足的条件1.等效荷载产生的控制截面上的主要内力应与计算内力值相等。2.等效荷载产生主要内力图形与计算内力图形相似。3.由于等效荷载引起的变形差别，应给于适当修正。4.控制截面上的内力等效时，其次要截面上的内力应与设计值接近。,.,7,5.3.1试件安装和加载方法,例：如图简支梁承受均布荷载qkN/m的作用，梁计算跨度为L米，不计梁自重，求四分点二集中力等效荷载的大小。,均布荷载作用下弯矩图,解:跨中截面为控制截面在均布荷载作用下跨中截面弯矩：在等效荷载作用下跨中截面弯矩：,令,即,若采用三分点二集中力加载,注：若计梁的自重，则需扣除自重的影响。,.,12,4-2加荷方案设计,4-2-4加载程序设计确定加荷时间与加荷量的过程称为加载程序设计下图是一个典型的静力试验加载制度。,.,13,4-2加荷方案设计,1.预加载预载目的：（1）使结构进入正常工作状态，荷载与变形关系趋于稳定。（2）检查加荷设备工作是否正常，加荷装置是否安全可靠。（3）检查测试仪表是否进入正常工作状态（4）使试验工作人员熟悉自己担任的任务，掌握调表、读数等操作技术，保证采集的数据正确无误。,.,14,预载试验所用的荷载一般是分级荷载的12级，预载时的加载值不宜超过该试件开裂荷载值计算的70%。应注意考虑结构自重的影响，应将其作为试验荷载的一部分。此外，作用在结构上的加载设备的重力，应在施加的荷载中扣除，且不宜大于使用状态短期试验荷载的20%。,.,15,4-2加荷方案设计,2.荷载分级（1）分级的目的控制加载速度；便于观察结构变形随荷载变化的规律，了解结构在各个阶段的工作性能。为读取各种数据提供所必需的时间。分级方法应考虑能得到比较准确的承载力试验荷载、开裂荷载值和正常使用状态的试验荷载值及其相应的变形。,.,16,4-2加荷方案设计,（2）确定分级加载值的大小依据：混凝土结构试验方法标准（GB50152-92）。,.,17,4-2加荷方案设计,分级加载值的大小：在达到使用状态短期试验荷载值以前，每级加载不宜大于该荷载值的20%；超过该荷载后，每级加载不宜大于该荷载值的10%；加载达到开裂荷载计算值的90%以后，每级加载不宜大于使用状态短期试验荷载值的5%；试件开裂后恢复正常加载；对于研究性试验，加载达到承载力试验荷载计算值的90%以后，每级加载不宜大于使用状态短期试验荷载值的5%；对于检验性试验，加载接近承载力检验荷载时，每级加载不宜大于承载力检验荷载设计值的5%。卸载时可取使用状态短期试验荷载值的20%50%。,.,18,4-2加荷方案设计,（3）荷载作用及空载时间荷载作用时间一般：t10min在使用状态短期试验荷载值作用下恒载30min。对科研性试验，要求在开裂试验荷载计算值作用下恒载30min；生产鉴定性试验应不少于10mim.对于新结构或跨度大于12m的屋架、桁架及薄腹梁在使用状态短期试验荷载值作用下恒载12h。恒载时间内应定时连续结构的变形与裂缝发展情况。,.,19,4-2加荷方案设计,空载时间结构受荷载作用后的残余变形是说明结构工作性能的重要指标。因此在试验过程中还应观测结构卸载后的变形恢复能力和残余变形的数值。为了使卸载后结构的变形得到充分的恢复，试验空载时间一般为恒载时间的1.5倍，对于混凝土构件为45分钟，对于新结构或跨度大于12m的屋架、桁架及薄腹梁在使用状态短期试验荷载值作用下恒载18h。空载期间也需定时观测记录。,.,20,4-3观测方案设计,制定观测方案的决定依据：结构的变形特征；控制截面上的变形参数。测试方案通常包括以下几个内容：确定观察和测量的项目。选定观测区域、布置测点。按量测精度要求选择仪器和设备。,.,21,4-3观测方案设计,4-3-1观测项目结构在静力荷载作用下的变形分成两类：整体变形和局部变形。确定观测项目时首先应该考虑整体变形因为结构任何部位的异常变形或局部破坏都能在整体变形中得到反映，不仅能反映结构的刚度变化，而且还可以反映结构弹性或非弹性工作性质。观测项目和测点数量要满足必须满足结构分析和推断结构工作状态的需要。,.,22,4-3观测方案设计,4-3-2测点布置1.挠度测点（1）最大挠度在最大挠度处及支座处布置测点。（2）整体挠度曲线沿结构跨度方向及支座处布置测点，通常跨度不大于6m时，跨度内不少于3个测点，跨度大于6m时适当增加测点，见下图。,.,23,4-3观测方案设计,.,24,4-3观测方案设计,2.应变测量（1）弯曲应力的测量如果只要测量弯矩引起的最大应力。一般在截面上下边缘纤维处安装应变计(对称)。见图5-4。,（2）截面应变分布规律为求得梁截面上应力分布的规律和确定中和轴的位置，一般沿截面高度布置测点（至少需5个），如图5-4、图5-5。,.,26,4-3观测方案设计,（3）剪切应力的测量在荷载作用下的梁截面2-2上既有弯矩作用，又有剪力作用，为平面应力状态。为求得梁截面上的最大主应力及剪应力的分布规律，需要布置应变花，求得最大主应力的大小及方向。,.,27,4-3观测方案设计,（4）钢箍和弯筋应力的测量为研究梁的抗剪承载力，通常在钢箍和弯筋上布置应变测点。如图5-6。,.,28,4-3观测方案设计,（5）翼缘与孔边应力的测量对于翼缘较宽较薄的T型梁，其翼缘部分受力不一定均匀，以致不能全部参加工作，这时应该沿翼缘宽度布置测点，测定翼缘上应力分布的情况，见图5-7。梁腹板上开孔，孔边应力集中，应力梯度较大，应沿孔边布置测点。见图5-8,.,29,4-3观测方案设计,3.混凝土开裂应变的测定（连续布置应变计）在截面受拉区最外层表面沿受力主筋方向拉应力最大区段内连续搭接（标距与标距互相衔接）布置应变计法，总长不小于30倍最大主筋直径或23倍计算裂缝间距，见图5-10。当应变片的应变增量有突变时的荷载值为开裂荷载。（某应变片读数突增，则裂缝出现在该应变片标距内，而相邻应变片读数会因应力放松而突减）。,.,30,4-3观测方案设计,.,31,4-3观测方案设计,斜截面上的主拉应力裂缝，经常出现在剪力较大的区段内对于箱形截面或工字形截面，则腹板与翼缘相交处常是主拉应力较大的部位，故在这些部位布置开裂测点，如图5-11。,.,32,4-3观测方案设计,通常应测定受拉面的最大裂缝宽度、在钢筋水平位置上的侧面裂缝宽度以及斜截面上由主拉应力作用产生的斜裂缝宽度。每一构件中测量裂缝宽度的裂缝数目一般不应少于3条，取其最大值为最大裂缝宽度值。,.,33,4-3观测方案设计,4-3-3量测仪表的选择1）所用仪器能很好地符合量测所需的精度要求，要防止盲目选用高准确度和高灵敏度的精密仪器。一般要求仪表的最小刻度值不大于5%的最大被测值。2）仪器的量程应该满足最大变形和各种测量的需要。最大被测值宜在仪器满量程的1/52/3范围内，不宜大于选用仪器最大量程的80%。3）附于结构上的仪表要求自重很轻，体积很小，不影响结构的工作。4）选择仪器必须考虑测读的方便、快速、省时。5）为了简化工作，避免差错，量测仪器的型号、规格尽可能选用一样的，种类愈少愈好。,.,34,4-4量测数据整理,试验资料的整理和分析就是指“将试验所得的原始数据系统化、经过计算绘成图表和曲线或用数学表达式形象而直观地反映出结构的工作性能及其变化规律性”的全过程。第一阶段：试验前资料整理第二阶段：试验中的资料整理第三阶段：试验后的资料整理,.,35,4-4量测数据整理,4-4-1挠度的修正1支座沉降影响的修正如图4-4-1.1所示，梁跨内某点D与左支座A的距离为x，左、右支座及点D的位移值分别为、，求点D处的挠度值。,解：若左支座A沉降，右支座B不沉降，点D产生的位移为若左支座A不沉降，右支座B沉降，点D产生的位移为点D的挠度,对于跨中点C，若其位移值为，则修正后挠度值运用上式时应注意：实测位移值V=末读数-初读数，它是一个代数值。应注意装表方向，若支座处装表方向与测点方向不同时，规定一个方向为正方向，将装表方向不同的测点位移代数值前加“-”号。实际位移方向由测点的装表方向及表的读数差值的符号决定。伸臂梁不能套用该式。,.,39,4-4量测数据整理,2.结构构件自重和加载设备重力影响的修正挠度是指由全部荷载（含自重）引起的变形值，但百分表的安装是在试件安装后进行的，此时自重挠度已产生，试验所得实测挠度仅由外加荷载所产生，故实际挠度值还应加上自重作用产生的挠度。一般自重挠度是难以测出来的，故采用计算法求，通常根据构件开裂前挠度与荷载成线性关系。,图4-4-1.2自重挠度计算法,式中：构件自重和加载设备重力产生的跨中弯矩值。从外加试验荷载开始至构件出现裂缝的前一级荷载为止的加载值产生的跨中弯矩值。从外加试验荷载开始至出现现裂缝的前一级荷载为止的加载值产生的跨中挠度实测值。修正后跨中挠度实测值：,.,42,4-4量测数据整理,3.加载图式影响的修正当试验采用的加载图式是按“内力等效”的原则确定的等效荷载图式时，由于内力等效并不等于“变形等效”，故实测的挠度要考虑“等效荷载”与实际荷载作用的差异，要对测量值进行修正，方法是引入加载图式修正系数。跨中点C修正后挠度值,.,43,提问：为何自重引起的挠度也要进行加载图式影响修正？分子为均布荷载作用下的挠度，分母为等效荷载作用下的挠度。,.,44,4-4量测数据整理,4-4-2弹性构件截面内力计算1.公式法已知四个角点a、b、c、d的应变值分别为a、b、c、d。因对截面法向正应力可能有贡献的外力成分有：轴向力N、立面弯矩Mx、平面弯矩My及弯曲扭转双力矩B。,.,45,式中：扇性惯性矩主扇性面积解方程即可求得各种内力值。,4-4量测数据整理,.,46,4-4量测数据整理,2图解法例：如图4-4-2.3，一对称的箱形截面上布置4个应变测点，测得应变后换算成应力，用一定的比例尺绘出应力图(因构件在弹性限度内受力，故应力呈直线规律变化)并延至边缘，得边缘四个角点a、b、c、d的应力分别为：a=-44MPa、b=-22MPa、c=24MPa、d=54MPa，试用图解法分析截面上的应力及其在各角点上的大小。,图4-4-2.3图解法分析截面应力,a,b,d,c,-33,+36,+39,-36,+11,-13,-11,-22,-33,-11,+13,+15,+39,+15,-15,+24,解：(1)求上、下盖板中点处的应力(2)分析对上、下盖板中应力有贡献的内力及其大小判别Mx产生的正应力在四角点上的方向分别为：a、b为压应力，c、d为拉应力。,(3)分析上下盖板的应力成分中去掉N及Mx后的其它内力成分a、d为拉应力、b、c为压应力a、c为压应力、b、d为拉应力,(4)验算图解的正确性表中应力单位：MPa可见图解正确。（6）绘制各种内力成分的应力图,.,51,4-4-3平面应力状态下的主应力计算对于处于平面应力状态的点的应力状态通常采用“应变花”法测量，即测出沿三个方向的应变，由材料力学计算公式（1）求出三个应变分量进而求出主应力大小及方向、最大剪应力。,式（1）,.,52,例：采用45直角应花时，将代入式（1），得(1)求出该点的三个应变分量(2)求出该点的三个应力分量,.,53,由广义虎克定律得,.,54,(3)求该点的主应力大小、方向及最大剪应力对于其它型式的应变花，其主应力大小、方向及最大剪应力的计算规律相同，参数A、B、C随应变花型式不同而异。,.,55,4-4量测数据整理,4-4-4试验曲线与图表绘制（一）绘制曲线的原因及目的试验曲线是复杂的试验现象浓缩的表述方式，将各级试验荷载下的一系列试验数据按一定的坐标绘制成形状简单的试验曲线：（1）能够形象而直观地反映结构的工作状态及其变化规律；（2）有助于进一步按数理统计和解析几何的方法去寻找数学表达式。,.,56,4-4量测数据整理,（二）坐标选择的原则试验曲线要在一定的坐标下绘制：（1）绘制曲线时要选择适当的坐标轴的比例;（2）坐标的起点值不一定要以零开始;（3）习惯上，坐标的横轴x表示自变量，纵轴y表示因变量，但在绘制试验曲线时，视具体情况，也常常选纵坐标y表示自变量，横坐标表示x表示因应变量，选纵坐标表示自变量还是因变量的原则是：直观方便。如绘制梁的整体位移曲线时，选y轴为因变量，但在绘制柱的整体位移曲线时选y轴为自变量。,（三）“无量纲”变量的应用平面直角坐标只能表示两个变量之间的关系，在实际工作中，常会遇到自变量不止一个的情况，此时可采用“无量纲”变量作为坐标变量来解决，不然，可能会无法用曲线来表述它们的内在规律。如钢筋混凝土矩形单筋受弯构件正截面的强度计算公式在进行了大量的试验后，每一个试件的配筋率、混凝土立方强度，截面形状和尺寸都有差别，若以每一个试件的试验极限弯矩和计算极限弯矩逐一对比，就无法用曲线表示，但是如果纵坐标取弯矩比为一无量纲变量，分别以或为横坐标，即可得到如图4-4-4.1（a）和（b），对于截面尺寸相差较大的梁，其弯矩绝对值可以相差很多，但是在此图中却能很好地一起表现出共同的规律来。如图2-24分别说明，当配筋率超过临界值（）或混凝土强度低于临界值（）时，按公式计算将偏于不安全。,这里弯矩比就是一个无量纲变量，可见，无量纲变量就是两个量纲相同的变量之比值，这个比值的特点是：(a)无量纲；(b)是一个变量，故称之为“无量纲”变量。,图4-4-4.1混凝土强度试验,.,59,4-4量测数据整理,（四）曲线型式的选配绘制曲线应尽可能选比较简单的线型来相配，显然，最简单的线型是直线型，而最简单的试验曲线就是用直线段去连接各数据点而形成的折线。两试验数据点之间的连线理论上可用各种类型的曲线，但因二点之间的各点其值是不知道，无论用什么曲线都难以定量表达，既然只能作定性的表述，连接曲线的型式就越简单越好，绘图就越方便。对于较重要的试验，除了绘制试验曲线外，还应绘制回归曲线。,.,60,4-4量测数据整理,（五）常用的试验曲线及其图形1.荷载变形曲线在荷载变形曲线中，一般有三种情况。如图4-4-4.2所示，曲线1及曲线2的OA段，说明结构处于弹性状态下工作。曲线2则表现出结构由弹性发展到弹塑性再到塑性的发展过程，曲线的两次转折A、B分别是由于拉区混凝土开裂和受拉主钢筋屈服引起的。荷载-变形曲线能够充分反映出结构实际工作的全过程及其基本性质，并且在整体挠曲曲线中会有相应的显示，可以互为验证。曲线3属于反常现象，它的挠度增长率一开始就大于荷载的增长率，说明试验存在问题，可能是仪器观测上的错误，也可能是在加载过程中邻近构件、支架等参与工作代为分担荷载所致。,A,B,C,挠度,荷载,图4-4-4.2荷载挠度曲线的基本形状,曲线1,曲线2,曲线3,O,.,62,4-4量测数据整理,常用的荷载变形曲线（1）结构的整体变形曲线结构的整体变形曲线反映结构的轴线随荷载变化的曲线，它能充分反映出整个结构实际工作的全过程及其基本性质。从整体变形曲线上可以看出结构的弹性与非弹性性质，对称结构承受对称的荷载变形是否对称，结构是否开裂（如图4-4-4.3加载至60%F时开裂）。,.,64,4-4量测数据整理,（2）测点的荷载挠度曲线测点的荷载挠度曲线反映了测点的挠度随荷载变化的规律，能说明测点的工作状态是处于弹性阶段还是塑性阶段，同时也能从某些点的突变来暴露结构的局部现象（如开裂与否）见图4-4-4.2曲线2。,.,65,4-4量测数据整理,2测点的荷载应变曲线测点的荷载应变曲线可以用来控制或分析结构最大应力的增长和变化情况。图4-4-4.4为钢筋混凝土矩形截面梁受弯试验时控制截面上测点1、3、4、6和钢筋测点7的基本情况。点6位于受压区，其应变增长基本上呈直线发展，点1、3的突变是因为截面混凝土开裂而引起，测点4先受压后受拉是因为混凝土受拉区开裂后使中性轴上移之故。测点7是开始时钢筋与混凝土共同工作，荷载与应变成线性关系，随着荷载增加受拉区混凝土开裂，曲线产生转折，拉应力全部由钢筋承担，随着荷载进一步增加钢筋应力达到屈服，产生第二次转折。,图4-4-4.4荷载应变曲线图及截面应变图,.,67,4-4量测数据整理,3截面应变图选取控制截面，沿其截面高度布置测点，用一定的比例尺将某一级荷载下各测点的应变值连接起来，即为截面应变图，见图4-4-4.4(b)。显然，有一级荷载对应地就有一截面应变图。从各级荷载下绘出的截面应变图，可以清楚地看出截面应变分布的规律和变化过程，用它可以确定截面的实际内力及中性轴的位置。绘制测点的荷载应变曲线和截面应变图时应注意：若在标距范围内出现裂缝，则该应变片的读数不应再用。,.,68,4-4量测数据整理,4裂缝分布图试验过程中，在构件的主侧面及受拉在上绘出裂缝随荷载变化开展的过程，在裂缝末端打上一短横线并注上出现裂缝的荷载值及裂缝宽度，试验结束后用照相记录其裂缝和破坏特征，或用坐标纸按比例作描绘记录。根据裂缝分布图，可以评定结构的破坏形态，同时根据抗裂检验系数的大小、裂缝的形成和发展及长度和宽度，可以校核结构的刚度。,4-4-4.5梁的裂缝分布图及破坏形态,.,70,4-5结构性能评定,（一）科研试验科研性试验，其目的主要是为了探索结构内在的某种规律，应对试验数据进行分析，找出互有联系的诸变量之间的相互关系，并建立其数学表达式，如果是为检验某一计算理论的准确性或适用程度，根据混凝土结构试验方法标准计算校验系数,.,71,4-5结构性能评定,（二）检验性试验对于检验性试验，依据混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204-2002）第9.3条规定，预制构件应按标准图或设计要求的试验参数及检验指标进行结构性能检验。检验内容：a.钢筋混凝土构件和允许出现裂缝的预应力混凝土构件进行承载力、挠度和裂缝宽度检验；b.要求不出现裂缝的预应力混凝土构件进行承载力、挠度和抗裂检验。预应力混凝土构件中的非预应力杆件按钢筋混凝土构件的要求进行检验。,.,72,4-5结构性能评定,1.承载力检验(1)承载力检验系数承载力检验系数实测值：式中：结构构件的承载力检验系数实测值；结构构件达到承载力极限状态标志之一时的内力实测值（包括自重），根据试验结构构件的承载力荷载实测值求得（承载力检验荷载实测值）；S荷载效应组合的设计值（包括自重），即内力组合设计值（承载力检验荷载设计值）。,.,73,（2）承载力的检验要求当按混凝土结构设计规范的规定进行检验时，应符合下式的要求当按构件实配钢筋的承载力进行检验时，应符合下