建筑结构实验(概述)

1、建筑结构试验讲义主讲人：曹源 博士 讲师 硕士生导师单位：郑州大学土木工程学院第1章结构试验概论第1讲 结构试验任务注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 教材与课程介绍：姚振纲主编，武汉大学出版社出版 建筑结构试验；其它同类教材可以作为参考教材。该课程偏重于从工程实践的角度来理解建筑结构试验中所涵盖的理论与技术。建筑结构试验所涉及的建筑理论与工程知识非常广泛（类似于大锅菜，麻雀虽小五脏俱全），所需要的基础知识面较广（材料力学、结构力学、混凝土结构原理、弹塑性力学、结构动力学、结构抗震设计等等）。所以课程的讲解奉行拿来主义，需要哪些基础知识就只管拿来，以理解试验技术和试验理论为目的

2、，深入浅出地进行讲解。 教材目录的理解：课程学习之前，首先要重视目录的学习。目录是课程的纲要，需要仔细阅读作者的章节划分，理解章节划分的意义和目的。对于该教材而言，第一章为总体上的概述，让大家在认真学习课程之前对建筑结构试验有一个总体的印象（包括范围、现状、内容、任务、目的和分类等）。第二章和第三章为结构试验的主体组成，包含各类结构试验的一些同性特征。通常情况下，结构试验都需要进行试验加载和数据采集。不同的试验对象和试验目的需要采用不同的加载方法和加载设备进行加载；不同的试验任务需要采用不同的采集仪器进行数据采集。第四章为结构试验设计，是进行结构试验的整体规划，把握结构试验的脉搏，体现结构试验

3、技术。设计过程中要求对结构试件进行设计、选择适宜的加载方法与加载设备、选择有效的测点和数据采集仪器，还要对试验的误差进行分析，对试验中的人身与设备安全采取一定的防范措施。第五章至第七章分类介绍不同试验类型及试验特点，重点透出各类试验的个性特征。第八章非破损检测技术为工程实践中实用性最强的试验技术。各施工场地都会或多或少地经历结构的非破损检测。 结构试验的任务：建筑结构在承受外部荷载及内部形成的各种作用时会产生各种反应。【过程描述】输入（外部荷载或内部作用）系统（建筑结构）响应（各种反应）【正过程】已知输入已知系统未知响应 (KF=U) 易求解【逆过程】未知输入已知系统已知响应 难求解【识别过程

4、】已知输入未知系统已知响应 较难求解建筑结构试验所做的工作其实是【识别过程】建筑结构试验任务的定义。荷载与作用的定义。结构极限状态的定义。各极限状态下的结构参数及其含义。第2讲 结构试验目的及分类注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 结构试验目的生产性试验与科研性试验的划分是根据试验的目的。目的即进行该试验将要起到的作用。目的能否达到直接决定试验的成败。生产性试验各种作用的了解。科研性试验各种作用的了解。 按结构试验对象的尺寸分类原型试验的定义（实际结构）。非破坏性试验或动测试验，考验真实结构的整体性能。模型试验的定义（试验代表物）。破坏性试验或试验对象尺寸有限制的试验。相似模型

5、试验、缩尺模型试验的定义足尺模型试验的定义及作用（破坏性）。 按试验荷载的性质分类结构静力试验介绍。结构动力试验分类及划分依据。结构动力特性试验介绍。（动力学知识点的强化学习。理解动力学参数及其作用）结构动力反应试验概括性介绍（与动力特性试验的区别）结构疲劳试验概括性介绍（疲劳性能参数介绍）结构抗震试验的定义及分类介绍低周反复加载静力试验的特点。拟动力试验及地震模拟振动台试验简要介绍。 结构试验的其他分类短期荷载试验长期荷载试验的定义及其与短期荷载试验的区分试验室结构试验与现场结构试验的划分结构破坏试验与结构非破坏试验的划分第2章结构试验的加载设备和试验装置第1讲 静力加载法注：理论知识点（字

6、体加粗） 分散知识点作为知识补充 结构试验加载概述结构的荷载试验是结构试验的基本方法。荷载形式、大小和加载方式等。加载方法的选择主要决定于试验的任务与试验对象的性质，还取决于实验室的设备和现场所具备的条件。静力试验与动力试验中加载方法与加载设备的分类介绍。选择试验荷载和加载方法时，应满足的要求。 重力加载法重力加载法的定义。重力直接加载法及装置介绍。注意事项及方法优缺点。杠杆加载法及装置介绍。注意事项及方法优缺点。总结重力加载法的优缺点。 液压加载法液压加载法的特点。液压加载器加载。液压加载器类型。液压加载器静力试验加载装置。液压加载器荷载值的测定。液压加载器的标定。液压加载系统加载。液压加载

7、系统的组成。结构试验机加载。 大型结构试验机介绍。疲劳试验机介绍。电液伺服液压加载系统加载。工作原理，系统组成。电液伺服加载器（电液伺服阀）、控制系统、液压源介绍。地震模拟振动台加载。（动力加载法，提前介绍）系统组成。振动台台体结构、液压驱动和动力系统、控制系统、测试与分析系统。 机械力加载法机械力加载常用设备。吊链、卷扬机、绞车螺旋千斤顶弹簧加载法，注意事项和优缺点机械力加载法优缺点 气压加载法气压加载法特点。气囊、密封容器真空加载气压加载法优缺点第2讲 动力加载法注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 惯性力加载法惯性力的概念。冲击力加载的特点是荷载作用时间极为短促，在它的作用

8、下使被加荷载结构产生自由振动，适用于进行结构动力特性试验。初位移加载法（张拉突卸法）初速度加载法（突加荷载法）离心力加载是根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。其特点是运动具有周期性，作用力大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。激振器。振动台。 电磁加载法电磁加载原理。在磁场中通电的导体要受到与磁场方向相垂直的作用力。通交流电产生动荷载，通直流电可产生静荷载。电磁式激振器的组成。（动圈固定在顶杆上）工作原理。当通过工作线圈的交变电流以简谐规律变化时，则通过顶杆作用于结构的激振力也按同样规律变化。在磁场强度和工作线圈导线的有效长度不变的情况下，激振力与通过工作线圈的交流电（易控

9、制）成正比。电磁振动台，实际上是由电磁激振器来推动一个活动的台面而构成。电磁振动台的组成。电磁振动台是按闭环振动试验要求设计的。 其他加载法反冲激振器加载（火箭激振）。适用于现场对结构实物进行实验，但小冲量的也可在实验室内用于构件或模型试验。反冲激振器的主要组成部分。反冲激振器的基本工作原理是：当点火装置内的点火药被点燃后，很快使主装火药到达燃烧温度，主装火药开始在燃烧室中进行平稳的燃烧，产生的高温高压气体便从喷管口以极高的速度喷出。按动量守恒定律得到反冲力，即为作用在被测结构上的脉冲力。人工爆炸加载（人工地震）。地面运动加速度的峰值随炸药量的增加而增大。峰值离爆心距离愈近则愈高；加速度持续时

10、间离爆心距离愈远而愈长。模拟地震要求（炸药量大，试验对象离爆心距离远）采用地面质点运动的最大速度的幅值为衡量标准。需确定炸药量和试验距离。人激振动加载人们利用自身在结构物上的有规律的活动，使结构产生足够大的惯性力，就有可能形成适合做共振试验的振幅。在结构上用人激振动的关键在于选择好最容易激发振动的空间位置。环境随机激振加载没有地震条件下存在着的大地微动称为地面脉动，也称之为环境随机振动。利用高灵敏度的测振仪器，测得地面的极微小的振动波形。千分之几微米到几微米。地面脉动近于“白噪声”，即由无限多个频率成分的振动组成，且各个频率成分是等强的。有一定的地区和地基土壤条件具有一定的脉动卓越周期，它表征

11、某地区地基土壤的部分特征。建筑物坐落在地面上，地面脉动对建筑物的作用相似于激振器产生的一种强迫振动的激振，通过具有滤波作用的建筑物后，出现类似的微幅振动，称为建筑物的脉动反应。脉动反应的波形中包含着该结构的自振特性。利用环境随机激振方法可以测量建筑物的动力特性，而它不需要任何的激振设备，又不受结构型式和大小的限制。第3讲 结构试验装置注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 试验支撑装置试验装置：满足试验荷载设计；实现试验荷载图式；模拟边界条件要求；保证试验加载正常进行。支座滚动铰支座和固定铰支座（滚轴式和刀铰式）铰支座的基本要求：结构在支座处能自由水平移动和自由转动；保证结构在支座

12、处力的传递；结构在支承处没有预埋支承钢垫板，则在试验时必须另加垫板（防止应力集中造成局部破坏）；滚轴长度和直径的选择。梁、桁架；板（固定的球铰支座）固定端支座模拟梁式构件的固定端支座时，上下支座中心线至试件端部的距离为设计嵌固长度的1/6和5/6。柱和框架构件的固定端支座，可用螺栓直接固定于试验台座。受压构件刀铰支座柱或墙的试验，为了求纵向弯曲系数的试验值时，构件两端均应采用刀铰支座。单向铰，双向铰（两个方向都可能产生屈曲）通过调节螺丝来调整刀口与试件几何中线的距离，满足不同偏心距的要求。短柱轴压试验，试验机压板上有球铰，则短柱两端可不再设刀铰支座。梁式受扭构件转动支座。试件两端架设在两个能自

13、由转动的弧形支座上，支座转动中心与试件的扭转中心重合。两支座的转动平面互相平行，并与试件的扭轴相垂直。结构试验支座的型式与构造是随着结构型式和试验要求不同而变化的。支墩现场多用砖块砌筑或用混凝土浇筑而成。试验室可用钢材或钢筋混凝土制成专用支墩。支墩上部应有足够平整的支承面积，制作时要铺以钢板。支墩本身应有足够的强度和刚度。试验荷载作用下，支墩和地基的总压缩变形不宜超过试件挠度的1/10支墩的高度一般在400600mm。仪表安装、测读、裂缝观测和加卸载的要求。各支墩的高差不宜大于试件跨度的1/200 试验传递装置试验传递装置的作用是将加载设备产生的荷载或作用力正确地按试验荷载图式的要求传递到试验

14、的结构上，同时满足荷载量放大、分配和荷载作用形式转换的要求。杠杆利用放大原理。杠杆比例不宜大于1:6。支点、力点和重物重心点必须明确，防止杠杆本身翘屈和失稳。分配梁分配梁的作用是将单一杠杆或液压加载器产生的荷载分配成两个或两个以上的多点集中荷载。分配梁一般均为单跨简支形式，不能用多跨连续梁形式。分配梁层次不宜大于三层。需要不等比例分配时，比例不宜大于1:4，且须将荷载分配比例大的一端设置在靠近固定铰支座的一边，以保证荷载的正确分配、传递和试验的安全。分配梁本身应有足够的强度和刚度。对水平荷载进行分配的分配梁系统，很少用到，需悬挂。卧梁卧梁的作用是将若干个加载点的集中荷载转换成均布荷载施加于试件

15、的端面，保证试件的受载截面获得均匀分布的应力状态。卧梁必须有足够的强度和刚度，与试件端面之间应平整铺设砂浆垫层，砂浆强度不应低于试件混凝土强度等级的50%承受集中荷载作用的试件表面应铺设钢垫板，以防止混凝土或砌体局部受压破坏。 荷载支承装置液压加载器的活塞只有在其行程受到约束时，才会对试件产生推力。杠杆加载需要支承点承受支点的上拔力。竖向荷载支承装置横梁和立柱组成的反力架和试验台座组成。竖向反力装置。水平荷载支承装置水平反力架或反力墙。水平反力架通过螺栓固定于试验台座，反力墙大部分是固定式的。 结构试验台座抗弯大梁式台座，本身是一刚度极大的钢梁或钢筋混凝土大梁。小型构件试验（跨度7m以下，宽度

16、1.2m以下的板和梁）空间桁架式台座，大刚度空间桁架。中等跨度的桁架和屋面大梁。实验室内的结构试验台座是永久性的固定设备，用以平衡施加在试验结构物上的荷载所产生的反力。试验台座的刚度极大。板式试验台座 （槽式试验台座、地锚式试验台座）箱式试验台座 规模较大，加载与测量工作也可在箱形结构内部进行，可作为实验室房屋的地下室或基础。抗侧力试验台座 抗侧力墙与试验台座联成整体，可以提高墙体抵抗弯矩和剪力的能力。深坑中的抗侧力台座。 试验辅助装置平面外支撑、抗侧移装置。保证试验装置的侧向局部和整体稳定，以保证试验工作的正常进行和试验安全。 结构现场试验荷载装置利用现场现有条件，因地制宜，采用不同的加载方

17、法和加载设备，满足试验精度，保证试验安全。第4讲 试验加载习题精讲第3章结构试验的数据采集和测量仪器第1讲 数据采集及测量仪器概述注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 数据采集数据采集就是用各种仪器和装置，对试件系统的输入和输出数据进行测量和记录。数据采集得到的数据是数据处理的原始资料。只有采集到准确、可靠的数据，才能通过数据处理和分析得到正确的试验结果，达到试验的预期目的。数据采集是结构试验的重要步骤，是结构试验成功的必要条件之一。数据采集方法：最简单的量测工具、一般的量测仪器、传感器+记录仪器、数据采集系统。（最经济合理的代价来获取最多的有用数据的原则）试件所受到的作用和试件

18、的反应，如力、温度、应力、应变等都是数据采集的原始数据。数据采集过程，应遵循同时性、客观性这两个原则。数据采集仪器的分类功能和使用情况分类：传感器、放大器、显示器、记录仪、分析仪器、数据采集仪或完整的数据采集系统等。功能分类还可分为：单件式和集成式。工作原理分类：机械式、电测式、光学式、复合式和伺服式。按测量用途分类：测力、测位移、应变计、倾角仪器、频率计、测振仪器。按与结构试件的关系划分：附着式和非附着式；接触式和非接触式。显示和记录方式划分：直读式和自动记录式；模拟式和数字式。模拟和数字的概念；模拟与数字之间的转换。测量仪器的技术指标最小分度值（刻度值）；量程；灵敏度：被测量的单位物理量所

19、引起仪器输出或显示装置示值的大小，即仪器对被测物理量变化的反应能力。分辨率：仪器测量被测物理量最小变化值的能力。线性度；稳定性；重复性；频率响应：动测仪器输出信号的幅值和相位随输入信号的频率而变化的特性。结构试验对测量仪器的要求和仪器标定测量仪器的要求;两种情况的仪器标定（单件标定和系统标定） 仪器的工作原理【传感器工作原理】传感器的功能主要是感受各种物理量（如力、位移、应变等数据信号），按一定规律把它们转换成可以直接测读的形式，然后直接显示；或者是电量的形式，然后传输给后续仪器。机械式、电测式、光学传感器、复合式和伺服式电测试：电阻应变式、磁电式、电容式、电感式、压电式等放大器的主要功能就是

20、把信号放大，然后将其输送到后续仪器。记录器的主要功能就是数据的记录和保存。记录方式：模拟式和数字式。X-Y记录仪、示波器、磁带记录仪和磁盘驱动器。第2讲 静态测量仪器注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 应变测量仪器应变的定义是单位长度内的变形（拉伸、压缩和剪切）。线应变：单位长度内的直线变形；剪应变：单位长度内的剪切变形。理论上，可以定义和计算试件某一点的应变；实际上，只能测量该点处一定范围内的代表应变。（平均应变或平均应变的近似值）电阻应变仪：用应变计作为应变传感器，和应变仪中的电阻原件组成测量电桥，进行应变测量。【电阻应变计（电阻应变片）工作原理】利用某种金属丝导体的“应变

21、电阻效应”，即这种金属丝的电阻值随着其机械变形而变化的物理特性。这种金属丝的电阻值与其长度和截面积的关系如下：R=l/A灵敏度系数越大，单位应变引起的电阻变化也越大。电阻应变计的构造电阻值R，应变计的电阻值R一般为120标距L，即敏感栅的有效长度。应变计测得的应变值是整个标距范围的名义平均应变。灵敏度系数K，表示单位应变引起应变计的相对电阻变化。电阻应变计的粘贴应该使应变计与被测物体变形一致，才能得到准确的应变测量结果。粘贴的好坏对测量结果的影响很大。禁止轻微撕扯和拉扯应变片，粘贴前检片（保证同一组应变计规格型号相同），防潮绝缘处理。应变测量电桥（惠斯顿电桥）惠斯顿电桥将电阻变化转换为电压或电

22、流的变化，使信号得以放大，并可以解决温度补偿等问题。全桥接法；半桥接法；1/4电桥。（等臂电桥，四个桥臂电阻值相等）零位读数法：在电桥中接入一可变电阻，调节可变电阻使电桥恢复平衡，则这个可变电阻调节值与应变计的电阻变化有对应关系，通过测量这个可变电阻调节值来测量应变。直读法（或偏位法）：不用可变电阻，直接测量电桥失去平衡后的输出电压，再换算成应变值。应变测量的温度补偿：通常在试件旁边，与试件同样的温度环境中，放置一与试件同样材料的物体，这一物体只受温度作用，它的应变就代表试件由于温度引起的应变。测量试件应变的同时也测量该物体的温度应变，把试件的总应变减去该物体的温度应变，就可以得到试件由于荷载

23、作用引起的应变。还可以在试件的零应力部位布置应变测点，该测点只受温度影响、与荷载无关，该侧点的应变也可以用于温度补偿。【手持应变仪工作原理】在标距两端粘结两个脚标，通过测量结构变形前后两个脚标之间距离的改变，求得标距内的平均应变。【位移计方法】采用位移计测量一条直线上两点之间的相对位移来表示两点之间的平均应变。【光侧法】 位移测量仪器线位移传感器机械式百分表、电子百分表、滑阻式传感器和差动电感式传感器角位移传感器水准管式倾角仪、电阻应变式倾角传感器及DC-10水准式角度传感器。以重力作用线为参考，以感受元件相对于重力线的某一状态为初值。当传感器随测量截面一起发生角位移后，其感受元件相对于重力线

24、的状态也随之改变，把这个相应的变化量用各种方法转换成表盘读数或各种电量。 力值测量仪器力传感器和液压传感器；机械式和电测式（通过测量应变值再换算成力值） 裂缝测量裂缝的发生和发展、裂缝的位置和分布、裂缝的长度、裂缝的宽度开裂：裂缝发生的时刻和位置。度量：裂缝的宽度和长度【开裂】借助放大镜用肉眼观察（试件表面刷白灰）；应变计或导电漆膜；声发射法【宽度】读数显微镜；裂缝标尺（裂缝比对卡）；裂缝塞尺第3讲 动态测量仪器注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 振动测量仪器结构振动时，其位移、速度和加速度等随时间发生变化。要测量这些振动参数，应该使用测振传感器。结构的振动，取决于结构的动力特

25、性和外荷载。测量结构的动力特性，也要使用测振传感器，通过测量结构振动参数来获得结构动力特性。通常所指的测振传感器即为惯性式测振传感器【测振传感器的基本原理】由惯性质量、阻尼和弹簧组成一个动力系统，这个动力系统固定在振动体上（即传感器的外壳固定在振动体上），与振动体一起振动，通过测量惯性质量相对于传感器外壳的运动，来获得振动体的振动。这是一种非直接的测量方法，传感器动力系统的动力特性对测量结果具有很重要的影响。测振传感器的频率特性使用振动测量仪器时，必须考虑振动体振动频率和测振传感器自振频率n之间的关系。如果要测量振动体的位移，应使/n尽可能大（510或更大）；如果要测量振动体的加速度，应使/n

26、尽可能小。如要测量振动体的位移，振动体的振动频率很低，难以找到频率低很多的惯性式位移传感器，就可以选用加速度传感器，通过两次积分得到振动位移。【磁电式速度传感器】根据电磁感应的原理制成。灵敏度高、性能稳定、输出阻抗低、频率响应范围有一定宽度。输出电压与相对运动速度成正比。电压信号一般比较微弱，需要用电压放大器进行放大。传感器质量弹簧系统的固有频率；灵敏度；频率响应；阻尼。【压电式加速度传感器】利用晶体的压电效应制成。压电效应：一些晶体材料受到压力并产生机械变形时，在其相应的两个表面上会出现异号电荷，当外力去掉后，晶体又重新回到不带电的状态。稳定性高、机械强度高、能在很宽的温度范围内使用、灵敏度

27、较低。质量弹簧系统的固有频率很高，可达数千赫兹。当传感器固有频率远远大于所测振动的频率时，质量块相对于外壳的位移就反映所测振动的加速度。位移与刚度的乘积就是动压力，动压力与压电晶体两个表面所产生的电荷量（或电压）成正比，因此可以通过测量压电晶体的电荷量来得到所测振动的加速度。灵敏度、安装谐振频率、频率响应、横向灵敏度比、幅值范围。电压放大器和电荷放大器。 数据采集系统数据采集系统的组成：传感器部分、数据采集仪部分和计算机（控制器）部分。传感器部分将各种物理量转变为电信号，通过放大器输入数据采集仪部分。数据采集仪的主要部分是A/D转换器。对扫描得到的模拟量进行A/D转换、转换成数字量。计算机（控

28、制器）部分控制整个数据采集过程，还可以对数据进行计算处理、实时打印输出、图像显示和存储。数据采集过程。信号在数据采集过程中的转换。第4讲 数据采集习题精讲第4章结构试验设计第1讲 试件设计与模型设计注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 结构试验设计概述结构试验包括结构试验设计、试验准备、试验实施和试验分析等主要环节。结构试验总体设计主要是根据结构试验的目的对试验工作进行全面规划与设计，由于它起着统管全局和具体指导的作用，是结构试验中极为重要的一项工作，必须予以重视。对科研性试验存在试件设计与模型设计问题；对生产性试验需要更多地现场调研。在整个试验工作中，必须十分严肃认真，否则不仅

29、主观愿望无法实现，同时也会带来人力物力与时间上的浪费，影响试验结果，甚至使整个试验失败或发生安全事故。准备充分、了解情况具体细致、计划全面周到，预估可能出现的意外情况并采取措施。 结构试验的试件设计结构试验的对象称为试件或试验结构。它可以是实际结构的整体或是其中的一部分，也可以是单一的构件。每一项试验中可以突出研究问题的主要因素，而忽略一些只有次要影响的因素。试件的形状满足试验时形成和实际工作相一致的应力状态。必须注意边界条件的模拟。砖石与砌块的墙体试件，可设计成带翼缘或不带翼缘的单层单片墙；若纵墙墙面开有大量窗洞，可设计成有两个或一个窗间墙的双肢或单肢窗间墙试件。试件形状的边界条件的实现与试

30、件安装、加载装置和约束条件有密切关系，必须在总体设计中加以考虑。试件的尺寸原型（实物）和模型两类基本构件性能研究的试件大部分是采用缩尺模型，即缩小比例尺的小构件。对预制构件的鉴定都是选用原型构件，如屋面板、吊车梁等。屋架试验一般是采用原型试件（构件实物）或足尺模型。框架试件截面尺寸为原型的1/41/2框架节点一般为原型比例的1/21剪力墙单层墙体的外形尺寸为0.8*1.01.78*2.74m2多层剪力墙为原型的1/101/3砖石及砌块的墙体试件一般取为原型的1/41/2薄壳和网架等空间结构，采用比例为1/51/20的模型试验局部性的试件尺寸比例可为原型的1/41；整体结构的足尺模型试验可取为原

31、型的1/101/2结构动力试验可在现场原型结构上进行。试件尺寸不能太小,需考虑尺寸效应的影响；试件尺寸太大也没有必要。【尺寸效应】反映结构构件和材料强度随试件尺寸的改变而变化的性质。试件尺寸愈小，表现出相对强度提高愈大和强度离散型也大的特性，所以试件尺寸不能太小。试件的数量生产性试验（抽样检验，划分检验批的要求，检验批次数，每一批次构件数量）科研性试验（单因素，正交试验设计法【正交表】）试件数目少而精，以质取胜。为满足试件安装、加载和量测的需要，试件设计同时应考虑必要的构造措施。预埋垫板、混凝土垫块、钢筋混凝土垫梁、钢筋网片、预埋件在科研性试验时，为了保证试件在某一预定的部位破坏，以期得到必要

32、的测试数据，试件设计就需要对其他部位事先加强或进行局部加固。 结构试验的模型设计模型需和原型结构满足相似要求，才能按相似条件由模型试验推算出原型结构的相应数据和试验结果。模型的相似要求和相似常数【几何相似】模型和原型之间所有对应部分尺寸成比例，模型比例即为长度相似常数。面积比、截面模量比、惯性矩比；（位移比）【质量相似】模型与原型结构对应部分的质量成比例，质量分布相似（动力问题）。质量密度相似【荷载相似】模型与原型在各对应点所受的荷载方向一致，荷载大小乘比例。集中荷载、线荷载、面荷载、弯矩或扭矩、重力【物理相似】模型与原型的各相应点的应力和应变、刚度和变形间的关系相似。法向应力、法向应变、弹性

33、模量、剪应力、剪应变、剪切模量、泊松比、刚度【时间相似】模型与原型在动力问题中相对应的时间成比例。【边界条件相似】支承条件相似、约束情况相似、边界上受力情况相似。【初始条件相似】动力学问题中初始时刻运动的参数相似。初始位移、速度、加速度。模型设计的相似条件结构模型试验的过程客观地反映出参与该模型工作的各有关物理量之间的相互关系。结构静力试验模型的相似条件模型相似常数的个数多于相似条件的数目。模型设计的程序：首先确定几何比例，即几何相似常数；再确定几个物理量的相似常数，确定模型材料，即物理相似常数；再次根据模型与原型的相似条件推导出其他物理量的相似常数的数值。在实际工作中，人们采用人工质量模拟的

34、方法，即在模型结构上用增加荷载的方法，来弥补材料容重不足所产生的影响。但附加的人工质量必须不改变结构的强度和刚度的特性。模型动力试验模型的相似条件要求质点动力平衡方程式相似。参与研究对象各物理量的相似常数之间必定满足一定的组合关系，及相似条件。各物理量之间的关系式均是无量纲的，均是在假定采用理想弹性材料的情况下推导求得的。第2讲 荷载设计与观测设计注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 试件就位与加载方案正位试验：试验结构构件是在与实际工作状态相一致的情况下进行的。异位试验：结构构件安装位置与实际工作状态不一致的情况下进行的试验。原位试验：检验已建结构性能进行现场荷载试验唯一使用的

35、方法。（它的支承情况、边界条件和实际工作状态完全一致，但构件支承不理想，需要考虑邻近构件对试验部分产生的卸载作用。）反位试验正好与正位试验在空间位置上相差1800，构件的受拉区在上部，受压区在下部。便于观测受拉区的裂缝，但须考虑构件自重的影响。卧位试验与正位试验在空间位置上相差900，试验时构件平卧，平行于地面，这特别适合于跨大矢高的屋架和高大的柱子试验。降低试验高度，便于试验观测，需注意自重产生出的平面变形。多采用成对构件试验的方法，以对称的加强构件作为荷载的平衡机构。 试验荷载图式的选择与设计试验时荷载图式要根据试验目的来决定。试验时荷载图式要与结构设计计算的荷载图式一样。采用不同于设计计

36、算所规定的荷载图式的原因。【等效荷载】指的是在它的作用下，结构构件的控制截面和控制部位上能产生与原来荷载作用时相同的某一作用（轴力、弯矩、剪力或变形等）的荷载。这时等效荷载的数值要根据其相同的某一效应的等效条件换算得到。采用等效荷载时，必须全面验算由于荷载图式的改变对结构造成的各种影响。 试验荷载装置的设计试验荷载装置应有足够的强度储备。（特别是动力试验）试验荷载装置要满足刚度要求。（变形、稳定性。静力试验）试验荷载装置要满足试件的边界条件和受力变形的真实状态。（必须注意试件的支承方式，尽可能使它的构造简单） 试验荷载值计算和加载制度的设计试验荷载值计算（混凝土结构）对结构构件的刚度、裂缝宽度

37、进行试验时，应确定正常使用极限状态的试验荷载值。对结构构件的抗裂性进行试验时，应确定开裂试验荷载值。对结构构件进行承载能力试验时，应确定承载能力试验荷载值。长期试验荷载值：短期试验荷载值考虑长期效应组合影响进行修正。生产性试验（根据荷载的标准值确定荷载短期效应组合的设计值）科研性试验（根据实际参数计算试件控制截面上的内力计算值）结构动力试验时，尚需考虑动力荷载的动力系数。【试验加载制度】结构试验进行期间荷载与加载时间的关系。它包括加载速度的快慢、加载时间间歇的长短、分级荷载的大小和加卸载循环的次数等。结构构件的承载能力和变形性质与其所受荷载作用的时间特征有关。不同性质的试验必须根据试验的要求制

38、定不同的加载制度。 观测项目的确定结构静力试验的观测项目：整体变形（挠度、位移、转角和支座偏移等）；局部变形（应变、裂缝、钢筋滑移等）。确定试验的观测项目时，首先应该考虑整体变形，但局部变形也是很重要的。结构低周反复加载静力试验和结构拟动力试验观测项目：延性系数（由结构的极限变形和屈服变形的比值来决定）；荷载-变形滞回曲线。位移、转角、曲率、剪切变形、应变等，可以是整体变形，也可以是局部变形。结构动力试验和抗震动力试验的观测项目：振动频率（周期）、振幅（动位移）、振型、阻尼、加速度和动应变等。 测点的选择与布置满足试验目的的前提下，测点宜少不易多。测点的位置必须具有代表性。利用结构本身和荷载作

39、用的对称性，布置一定数量的校核测点。测点的布置应有利于试验时操作和测读。结构动力试验应将测点布置在要求被测量结构反应的最大部位。 仪器的选择与数据采集仪器仪表的测读应按一定的程序进行，具体的测定方法与试验方案、加载程序有密切的关系。结构静力试验时，量测变形在时间上应有一个统一的规定，这样量测的结果才具有可比性。注意测读初始读数，测读时的同时性。结构动力试验时，测读宜自动化。第3讲 误差控制、安全防护与试验报告注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 结构试验的误差控制试件制作误差材料性能误差试件安装误差试验装置和试验加载误差仪器使用和测试方法误差荷载和量测设备误差结构试验非标准误差实

40、际试验中，由于各种主观和客观的原因，任何测量数据不可避免地都包含了一定程度的误差。随机误差（正态分布，不可避免）、系统误差（可以努力减少）、过失误差（应该且完全可以避免）。 结构试验的安全与防护措施“安全第一”和“预防为主”的方针结构静力试验的安全与防护起吊安装的吊点设置；连接螺栓与地锚连接的强度；防止失稳破坏的侧向支撑；防止试件倒塌的安全托架和支墩垫块；防止加载设备倒塌的钢丝牵引等。结构动力试验的安全与防护整体模型的吊装；连接处的固定；防止共振与疲劳破坏；破坏阶段的人员远离；紧急叫停装置；故障的警报指示装置；不间断电源保障；仪器仪表的固定装置等。 结构试验大纲和试验报告试验方案内容：试验目的

41、；试件设计及制作；辅助试验内容；试件的安装于就位；加载方法；观测方法；试验过程中的观察；安全措施；经费及仪表设备清单。试验报告内容：试验目的；试验对象的简介与观察；试验方法及依据；试验情况及问题；试验成果处理与分析；技术结论；附录。第4讲 试验设计习题精讲第5章结构静力试验第1讲 结构静力试验的加载设计注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 结构静力试验概述结构静力试验是结构试验中最基本最大量的一种试验。【静力试验】在不长的时间内对试验对象进行平稳连续加载，荷载从“零”开始一直加到结构构件破坏或达到预定荷载，或是短时期内平稳地施加若干次预定的重复荷载后，再连续增加荷载直到结构构件破

42、坏。【单调加载】荷载从“零”开始，一直加到结构构件破坏的一次性连续加载方法。静力试验多是单调加载。单调加载试验一般都可以得到结构或构件的结构性能。静力试验中，加载速度很慢，结构变形也很慢。静力试验主要用于模拟结构承受静荷载作用下的工作情况，试验中，可以观测和研究结构构件的承载力、刚度、抗裂性等基本性能和破坏机制。静力试验可以研究：在各种力的要素（拉、压、弯、剪、扭）的单独或组合作用下，基本构件（梁、板、柱和单片砌体）的结构性能和承载力等问题；混凝土构件的荷载与开裂的相关关系；反映结构构件变形与时间关系的徐变问题；钢结构构件的局部或整体失稳问题。对于框架、连续梁、屋架、壳体、网架等由若干基本构件

43、组成的扩大构件，尚可研究构件间相互作用的次应力、内力重分布等问题。对于整体结构，则能揭示结构空间工作、整体刚度、薄弱环节对整体工作的影响。 结构静力试验概的加载设计【加载制度】试验进行期间荷载与时间的关系。【加载图式】试验中荷载的空间布置。试验加载制度取决于不同的试验对象和试验目的。设计混凝土结构构件时，是按不同的荷载效应组合设计值来验算结构的承载力、变形、抗裂性以及裂缝宽度等性能的。在进行混凝土结构试验时必须按试验的性质和要求，分别确定相应于各个受力阶段的试验荷载值。【分级加载】一方面可控制加载速度，另一方面便于观测结构变形随荷载变化的规律，了解结构各个阶段的工作性能。从操作上来看，分级加卸

44、荷载也为加载和观测提供了方便的条件。荷载量分级大小和分级的多少，可根据试验目的、试验期限和结构类型来确定。混凝土结构试验：到达使用状态短期试验荷载值a以前，每级加载20%*a 接近使用状态短期试验荷载值a时，每级加载10%*a 接近开裂试验荷载值b的90%时，每级加载5%*a （生产性试验）接近承载力检验荷载值c时，每级加载5%*c （科研性试验）接近承载力荷载计算值d的90%时，每级加载5%*a 卸载时，级距可以放大，取20%*a50%*a分级加载级间持荷时间的长短取决于结构变形的发展情况，即要求在试验分级加载的持荷时间内结构的变形能充分地反映出来。恒载时间内，应定时连续观测结构的变形与裂缝

45、发展情况。结构构件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。在结构进行正式加载试验前，一般需要对结构进行预载试验。【预载的目的】使结构进入正常的工作状态；检查现场的试验组织工作和人员情况；检查全部试验装置和荷载设备的可靠性，对整个试验起演习作用。预载试验所用的荷载一般是分级荷载的12倍，且不宜超过试件开裂试验荷载计算值的70%。需考虑结构自重的影响。加载图式应该模拟在实际荷载作用下结构的实际内力情况。第2讲 受弯与受压构件的试验注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 受弯构件的试验试件安装和加载方法单向板和梁是受弯构件中的典型构件。采用简支形式的正位试验。常用液压加载器通

46、过分配梁对梁施加几个集中力。板的选择稍多一些。试验中经常用几个集中荷载来代替均布荷载。采用等效荷载。试验项目和测点布置挠度的测量在实际试验加载中，由于荷载作用，梁两个端点处的支座都会或多或少地发生向下的位移，称为支座沉陷，以致使梁产生刚体位移。梁的真正挠度应该去除支座沉陷的影响。宽度较大的梁和板，在截面的量测布置测点，各截面的挠度取两测点读数之平均值。应变的测量弯曲应力的测量（跨中截面上下边缘处），如果需要获得钢筋混凝土梁截面上应力分布规律和确定中和轴的位置，需在跨中截面上沿截面高度增加一定数量的应变测点。在梁的纯弯曲区域内，梁的截面上仅有正应力产生，故在该处截面上可仅布置单向的应变测点。为了

47、进一步探求截面的受拉性能，常常在受拉区的钢筋上也布置测点，以便测量钢筋应变，由此获得梁截面上的内力分布。剪切应力的测量，需要布置三个方向上的应变测点，求得最大主应力的数值和作用方向。且应布置在剪应力较大的部位（支座附近的中和轴处，腹板与翼缘的交接处）。钢筋和弯筋应力的测量（梁的箍筋、弯起钢筋、纵向钢筋）翼缘与孔边应力的测量。孔边的主应力方向已知，故只需布置单向测点。校核测点（梁的端部凸角上的零应力处少量设置）裂缝的测量裂缝测量包括确定开裂的位置和时间、描述裂缝的发展和分布及测量裂缝的宽度和深度。估计裂缝可能出现的截面或区域，沿裂缝垂直方向连续地或交替地布置测点。对于混凝土构件，弯矩最大的受拉区

48、开裂及剪力较大且靠近支座部位的斜截面开裂。每一构件中测量裂缝宽度的裂缝数目一般不少于3条，包括第一条出现的裂缝以及宽度最大的裂缝，取其最大值作为最大裂缝宽度值。每级荷载下出现的裂缝均需在试件上标明，即在裂缝的尾端注出荷载级别和荷载数量。以后每加一级荷载后裂缝长度扩展，需在裂缝新的尾端注明相应的荷载。由于卸载后裂缝可能闭合，所以应紧靠裂缝的边缘13mm处平行画出裂缝的位置和走向。（裂缝展开图）转角和曲率的测量（角位移传感器，两个位移传感器，上下边缘布置应变或位移测点） 受压构件的试验试件安装和加载方法实际工程中，绝大部分框架柱是偏心受压构件，或是同时承受轴力和弯矩的压弯构件。（正位或卧位试验）刀

49、口支座、双刀口铰支座、圆球形铰支座对钢筋混凝土结构，由于其材质的不均匀性，物理对中一般比较难于满足，因此实际试验中仅保证几何对中即可。试验项目和测点布置受压构件的试验，一般是观测其破坏荷载、各级荷载下的侧向位移值及变形曲线、控制截面或区域的应力变化规律以及裂缝开展情况。试件的侧移（百分表、挠度计、对称布置测点）第3讲 空间与整体结构的试验注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 屋架的试验试件安装和加载方法。屋架特点：跨度较大，只能在自身平面内承受荷载，平面外刚度很小，在建筑物中要依靠侧向支撑体系形成足够的空间刚度。大部分杆件只受轴力作用。一般采用正位试验（设置侧向支撑）。两榀框架对

50、顶的卧位试验。两榀框架同时试验。重力直接加载法、杠杆重力加载、同步液压加载等 （等效荷载）试验项目和测点布置屋架挠度和节点位移测量（杆件局部弯曲、局部挠度）屋架杆件的内力测量（对称布置、刚节点会产生次弯矩，在杆截面上产生次应力，因此测点所在截面应尽量离节点远一些。不可将测点布置在节点上，因截面作用面积不明确）屋架端节点的应力分析（为了测量端节点的应力分布规律，要求布置较多的应变花测点，可沿豁口周边布置单向应变测点）预应力锚头性能测量（锚头部位混凝土受拉变形和锚头间混凝土的压缩变形）屋架下弦预应力钢筋张拉应力测量（预埋应变片）裂缝测量（端节点斜裂缝、节点处开裂） 薄壳和网架的试验试件安装于加载方

51、法。薄壳和网架特点：平面面积较大的空间结构。结构支承：固定铰、活动铰及滚轴等。支承形式：四角支承或四边支承壳体弯矩很小，荷载主要靠轴向力来承受。壳体平面尺寸较大，一般可以用重力直接加载法，也可通过预留的孔洞直接悬吊荷载。试验荷载较大时，采用同步液压加载器。气囊也可以考虑。网架试验可用水压加载来模拟竖向荷载。（需解决荷载施加于节点上的问题）也可采用同步液压加载器。试验项目和测点布置空间结构测点较多，需经常利用结构对称和荷载对称的特点，减少测点数量，又不影响了解结构受力的实际工作情况。校核测点的数量，可按试验要求而定。侧边构件上布置挠度计测量垂直和水平位移。壳体三向应变花测点布置（沿壳面对称轴线或

52、对角线布点）。网架类似于平面结构中的桁架测点布置。（纵轴、横轴、斜向对角线及边桁架布点） 整体结构的静力试验整体结构的静力试验是指对已建成的建筑物进行结构试验，试验范围可以是整体结构、部分结构（如楼面结构等）。布置荷载时，应考虑荷载的最不利组合。【钢筋混凝土平面楼盖试验】试验荷载布置楼板的试验（对于多跨连续板，为了使被试验的板跨中出现最不利正弯矩，必须在相互间隔的三个板跨上同时施加荷载，如果是边跨可减少一跨）次梁的试验（连续板下的单跨梁。多跨连续的次梁，考虑方法和连续板相同）主梁的试验（考虑方法和连续板相同）柱的试验（最大压力的荷载布置与最大弯矩不同）通常选用重力荷载（水）对于多跨连续结构，一

53、般只需考虑五跨内荷载的相互影响试验观测梁板的挠曲变形。混凝土应力测定（混凝土结构初始应力的测量，表面刻槽法）混凝土梁板中钢筋应力的测定。【单层工业厂房整体空间工作试验】机械力加载，钢丝绳滑轮组卷扬机及拉力表，柱顶横向水平位移【足尺房屋结构的整体试验】结构抗震试验，液压加载器加载。预压调试阶段、弹性试验阶段和弹塑性破坏试验阶段。水平位移观测（经纬仪）、基础的沉降、转角和水平位移墙体应力应变分布，水平灰缝剪应变分布、墙体裂缝、墙肢水平位移横梁应力状态。（耗费较大的人力物力）第4讲 数据处理、性能检验与试验实例注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 结构静力试验的数据处理原始数据的整理人

54、工纠错，复核仪器参数。数据修约。数字的有效位数。结构变形的计算梁的弯曲变形；梁的转角；梁的曲率；剪切变形；梁的挠度修正应力和内力的计算平截面假定；材料应力应变关系试验结果的表示表格方式；图像方式（曲线图、形态图）；函数形式（确定函数形式，函数表达式系数，回归分析，最小二乘法，一元线性回归分析） 结构性能检验与评定构件的承载力检验承载力检验系数实测值：试件的承载力荷载实测值与承载力检验荷载设计值的比值。结构重要性系数，承载力检验系数允许值1.21.5构件的挠度检验构件的抗裂检验构件的裂缝宽度检验结构性能评定当抽样试件的检验结果不能全部符合要求时，则应按规定增加抽样进行检验。 结构静力试验实例见教

55、材P151。第5讲 静力试验习题精讲第6章结构动力试验第1讲 结构动力特性试验注：理论知识点（字体加粗） 分散知识点作为知识补充 结构动力试验概述结构动力荷载的类型。（地震作用、振动与冲击、风振、环境振动、爆炸）动力试验内容。（测定动力荷载或振源的特性；测定结构动力特性；测定结构在动力荷载下的反应） 结构动力荷载特性试验振动荷载的特性（作用力的大小、方向、频率及其作用规律）。主振源的探测工业厂房内多台振动机械设备逐个开动，观察结构在每个振源影响下的振动情况。分析实测振动波形，按照不同振源将会引起规律不同的强迫振动这一特点，间接判定振源的某些性质，作为探测主振源的参考依据。间歇性的，有明显尖峰和衰减的特点，类似于自由衰减振动，是撞击性振源引起的振动。转速恒定的机器设备将引起规律的、稳定的具有周期性的振动。两个频率接近的简谐振源共同作用时，将会引起拍振。分析结构振动的频率，可以作为进一步判断主振源的依据。结构强迫振动的频率和作用力的频率相同，因此具有这种频率的振源就是主振源。频谱图上幅值最大的频率就是主振源的频率。动力荷载特性的试验测定直接测定法通过测定动荷载本身参数以确定其特性。（加速度传感器安装在运动部件上；各种测力传感器；压力传感器）间接测定法把动力机器安装在专用的，有足够变形的弹性结构上，下面是刚性支座。（