第二章__结构试验的加载设备[课堂讲课]

1、第二章,结构试验的加载设备,1,知识分享,作用于工程结构上的荷载 荷载又称为作用，可分为直接作用和间接作用,一、概 述,作用,直接作用,间接作用,结构自重,建筑物面的活荷载,机械设备的振动荷载,桥梁上的车辆振动荷载,地震等荷载等,温度变化,混凝土收缩,支座沉降等,2,知识分享,加载设备基本要求,1）试验荷载的作用，应符合实际荷载作用的传递方式，能使被试验结构、构件再现其实际工作状态的边界条件，使截面或部位产生的内力与设计计算等效。 2）产生的荷载值应当明确，满足试验的准确度，除模拟动力作用之外，荷载值应能保持相对稳定，不会随时间、环境条件的改变和结构的变形而变化,3,知识分享,3）加载设备本身

2、应有足够的承载力和刚度，并有足够的储备，保证使用安全可靠。 4）加载设备不应参与结构工作，以致改变结构的受力状态或使结构产生次应力。 5）应能方便调节和分级加(卸)载，易于控制加(卸)载速率，分级值应能满足精度要求。 6）尽量采用先进技术，满足自动化的要求，减轻劳动强度，方便加载，提高试验效率和质量,4,知识分享,加载设备分类,按荷载性质分：静力试验设备、动力试验设备。 按加载方法分：重力加载、普通液压加载、电液伺服加载、人工爆炸加载、惯性力加载、电磁系统激振、压缩空气或真空加载、机械力加载、地震模拟振动台等,5,知识分享,二、重力加载,重力加载概念 利用物体本身的重量施加于结构作为荷载，又分

3、为直接重力加载和间接重力加载。 加载物体 1）实验室：标准铸铁砝码、混凝土立方试块、水等； 2）现场：砂、石、砖块等或钢锭、铸铁、废构件等。 直接重力加载法 1）直接放在结构表面上形成均布荷载； 2）重物置于荷载盘上，通过吊盘形成集中荷载； 3）借助钢索和滑轮导向，对结构施加水平荷载； 4）大面积平板结构，可采用水作试验荷载,6,知识分享,7,知识分享,间接重力加载法 利用杠杆将荷重放大后作用在结构上,重力加载系统优缺点 优点：设备简单、取材方便、荷载恒定及加载形式灵活。 缺点：荷载量不能很大，操作笨重而费工,8,知识分享,重力加载的要求,加载重物的重量不随时间变化。砂、石、砖等应控制其含水量

4、，液体加载应有防水渗漏措施。 加载重物堆放时，应防止重物起拱产生卸荷作用。砂、石等粒状材料应采用容器分装，逐级称量，规则堆放；砖、砝码等块状材料应整齐堆放，并留空隙（3050mm）. 水作为均布荷载时，不应含泥沙。 称量重物的衡器，示值误差应小于1,9,知识分享,三、液压加载,液压千斤顶的构成： 由活塞、油缸和密封装置构成。 液压千斤顶的工作原理： 用高压油泵将具有一定压力的液压油压入液压加载器的工作油缸，使之推动活塞，对结构施加荷载,F=P*A F:对结构施加的荷载值； P：液压油压强； A：活塞工作面积,10,知识分享,根据力的产生方式不同，也可分为单作用式和双作用式。单作用式对结构施加单

5、向压力，用于结构静力试验；双作用式有两个油腔和两个供油口，可用于低周反复荷载试验。双作用式又分为单出杆式和双出杆式,11,知识分享,双作用双出杆式液压千斤顶,12,知识分享,常用的液压加载设备： 手动液压加载器（千斤顶）、电动液压加载器、结构试验机和电液伺服加载器。 手动液压千斤顶,由手动油泵、液压千斤顶、油路和压力表组成。 装置轻便，适合人工搬运，便于现场及高空作业，但加载能力一般不超过1000KN,13,知识分享,采用电力驱动油泵，加载能力高，可达10000KN,电动液压千斤顶,14,知识分享,大型结构试验机,由液压操作台、液压千斤顶、试验机架、管路系统组成。比较典型的大型结构试验机是结构

6、长柱试验机，国内普遍使用的长柱试验机是5000kN，试件最大高度可达6m，用以进行柱、墙板、砌体、节点和梁的受压与受弯试验,15,知识分享,试验机类型 1）材料万能试验机 2）结构长柱试验机 组成：液压操纵台、大吨位液压加载器和试验机架,3）卧式结构试验机 4）结构疲劳试验机 组成：脉动发生系统、控制系统和千斤顶工作系统,16,知识分享,电液伺服液压加载系统 1）系统工作原理 组成：液压源、控制系统和执行系统。 系统可将荷载、应变和位移等物理量作为控制参数，实行自动控制,人计算机程序或指令,模拟控制器 指令转换为电信号,电液伺服阀 电信号转换为液压信号,电液伺服作,动器 对试件施加力、位移或应

7、变,试件 实际工作信号,力、位移等传感器 测量反馈调节器,调差信号,普通液压加载系统 开环,17,知识分享,18,知识分享,19,知识分享,电液伺服振动台,用来模拟地震过程或产生人工地震波。由台面和基础、高压油源、管路系统、电液伺服作动器、模拟控制系统、计算机控制系统和数据采集系统组成,20,知识分享,同济大学实验室地震模拟振动台，台面尺寸4mX4m，最大试件质量25t,21,知识分享,3）优缺点 优点：能产生较大的荷载，试验操作安全方便，加载速度快。特别是对于大型结构构件试验，当要求荷载点数多、吨位大时更为合适。尤其是电液伺服加载系统能模拟地震荷载、海浪波动等不同特性的动力荷载。 缺点：投资

8、较大、维护费用高，使用受到一定限制。 4）应用 可以做静态、动态、低周疲劳和地震模拟振动台试验及利用造波机用于海洋结构试验等,22,知识分享,四、其他加载技术,机械机具加载 机械加载机具：绞车、卷扬机、倒链、花篮螺丝、螺旋千斤顶及弹簧等,23,知识分享,葫芦、卷扬机、倒链葫芦、绞车和花篮螺丝等主要用于远距离或高耸结构加载。联结滑轮组可以改变作用力的方向和拉力大小。拉力大小通常用拉力测力计测定 。 弹簧和螺旋千斤顶：弹簧与螺旋千斤顶均适用于施加长期荷载。螺旋千斤顶由涡轮蜗杆等组成，手动顶升采用类似普通手动液压千斤顶。弹簧加载通过旋动螺帽，靠弹簧的弹力加压，用百分表测其压缩变形确定其荷载。 机械机

9、具加载设备简单、索具加载时易改变方向。但荷载值较小,24,知识分享,气压模拟加载,2）用真空泵抽出试件与台座围成的封闭空间的空气，形成大气压力差对试件施加均匀荷载。负压,1）用空气压缩机对气包充气，给试件施加均匀荷载。正压,25,知识分享,优缺点 优点：加、卸载方便，荷载稳定，构件破坏时能自动卸载，构件外表面便于观察与安装仪表。 缺点：内表面无法直接观察。 气压加载特别适合于曲面结构加载。气压加载需要一个对试件无约束的密封容器或气囊,26,知识分享,惯性力加载法,用于对结构施加动力荷载，激发结构产生动力反应，用来分析结构的自振频率、阻尼等动力特性参数。 有初位移法、初速度法、反冲击法和离心力法

10、。 初位移法： 通过钢丝绳对结构构件施加拉力，使结构产生一初始位移，然后突然释放，使结构产生自由振动,27,知识分享,初速度加载法,利用运动重物对结构施加瞬间的水平或垂直冲击，使结构产生初速度而获得所需的冲击荷载。 也叫突然加载法，有摆锤法和落锤法。摆锤法应防止摆锤和建筑物有相近的自振频率。落锤法为避免重物下落后的跳动，可采取加砂垫层的措施,28,知识分享,反冲击激振法,也叫火箭激振，通过点燃火药，使高温高压气体从喷管口喷出，从而给结构施加反冲击荷载,离心力加载法,利用旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载,29,知识分享,当一对偏心质量按相反方向运转时，离心力将产生一定方向的激振力,P=

11、m2r,m :偏心块质量 ：偏心块旋转角速度 r ：偏心块旋转半径,通过调整偏心转轮的位置，可产生水平或垂直的激振力。多台同步激振器同时使用时，不但可提高激振力，还可扩大使用范围。扭振试验、水平振动台,30,知识分享,电磁加载法,优点：频率范围宽、重量轻、控制方便、可按给定信号产生多个波形的激振力； 缺点：激振力不大、适用于小型结构试验,工作原理：在磁场中的通电导体受到与磁力线方向垂直的作用力。电磁激振器就是根据这个原理制成的。 组成：电磁激振器由励磁线圈、动圈、弹簧、顶杆等组成，可进行静、动载试验,31,知识分享,人激振动加载法,利用人的身体重量做与结构自振周期相近的往复运动，可产生较大的激

12、振力，从而可能产生适合完成振动试验的物体振动幅值,例如荡秋千,环境随机振动激振法,也叫脉动法；大气运动、河水流动、机械振动、汽车行驶等都会产生激振力，并使结构产生各种振动，通过精密仪器的记录和分析，就可以测定结构的动力特性,32,知识分享,五 结构试验荷载支承装置,支座与支敦 支座：按作用方式不同可分为滚动铰支座、固定铰支座、球铰支座和刀口支座。铰支座一般用钢材制作,33,知识分享,1）铰支座： 铰支座一般用钢材制作，其型式有滚轴式和刀铰式两种,板梁式铰支座,34,知识分享,受压构件刀式铰支座,对柱或墙板的试验时，构件两端均应采用刀铰支座。刀铰支座有单向铰和双向铰两种。双向刀铰支座适用于可能发

13、生双向屈曲时使用。 柱或墙板偏心受压试验：可以通过调节螺丝来调整刀口与试件几何中线的距离，满足不同偏心矩的要求。 短柱轴压试验：如结构试验机上下压板之一已有球铰，则短柱两端可不设刀铰支座,35,知识分享,36,知识分享,37,知识分享,铰支座的基本要求,保证结构在支座处自由水平移动（滚动铰支座）和自由转动。 保证结构在支座处力的传递。 保证结构在支承处局部受压强度。 滚轴长度（铰支座的长度）：一般取等于试件支承处截面宽度； 垫 板：上垫板宽度b与试件支撑宽度一致，长度L不小于R/bfc，厚度不小于垫板宽度的1/6，且可按下式计算： d=(2fca2/f)1/2(a为滚轴中心到垫板边缘的距离,3

14、8,知识分享,2）固定支座,对于柱或框架等构件，可用螺栓直接固定于试验台座。对于梁式构件，在实验室内可利用试验台座和拉杆锚定装置模拟固定端支座,柱、框架固定支座,39,知识分享,梁式构件固定端支座构造,40,知识分享,支墩,现场试验的支墩：多用砖块砌筑或用混凝土浇注而成，支墩上部应有足够平整并应垫钢板。支墩本身应有足够的强度和刚度，支承底面积要按地耐力进行复核验算，保证试验时各支墩不发生过度的变形或不均匀沉降。在试验荷载作用下，支墩和地基的总压缩变形不超过试件挠度的110。 实验室试验的支墩：用钢材或钢筋混凝土制成专用支墩，支墩的高度一般在400600mm，以满足仪表安装、观测和加卸荷载的要求

15、,41,知识分享,双向板在两个跨度方向的高差和偏差应满足上述要求。 (3)连续梁各中间支敦应采用可调式支敦，按支敦反力的大小调节支敦高度,基本要求： (1)支敦和地基总变形量不宜超过试件挠度的1/10。试验使用两个以上支敦时，各支敦应具有相同的刚度。 (2) 单向简支试件的两个铰支座的高差应符合设计要求，其偏差不宜大于试件跨度的1/50,42,知识分享,荷载传递装置,将加载设备产生的荷载按试验荷载图式的要求传递到试验的结构上，同时满足荷载放大、分配和荷载作用形式转换的要求。有杠杆、分配梁和卧梁。 1杠杆 利用放大原理，将施加的较小荷载，经过杠杆的传递而获得放大几倍的作用力，杠杆比例不宜大于1：

16、6,43,知识分享,2分配梁,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梁形式，不能用多跨连续梁的形式,44,知识分享,3.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的端面，保证试件的受载截面获得均匀分布的应力状态。为了保证荷载的正确传递，卧梁必须有足够的强度和刚度。如需降低卧梁的刚度，应适当增加集中荷载的个数。卧梁安装时与试件端面之间应平整辅设砂浆垫层，砂浆强度不应低于试件混凝土强度等级的50,45,知识分享,墙体轴向加载试验装置,46,知识分享,荷载支承装置 1竖向荷载支承装置,在实验室内一般是由横梁立柱组成的反力架

17、和试验台座组成。反力架可以是用型钢制成的门型支架，横梁与柱的连接采用精制螺栓或圆销。强度刚度都较大，能满足大型结构构件试验的要求，支架的高度和承载能力可按试验需要设计。 另一种是用大截面圆钢制成的立柱，配以型钢制成的横梁，这时在圆钢立柱两端车成螺纹，用螺帽固定横梁并与台座连接固定。轻便，但刚度较小,47,知识分享,48,知识分享,2.水平反力架或反力墙,反力架：一般是由钢结构制成的可移动桁架式支架，液压加载器固定于反力架的立柱上。由于受强度和刚度控制，它能承受的荷载不大，一般适用于中小型试件试验使用,49,知识分享,50,知识分享,反力墙:钢筋混凝土结构或钢结构制成。反力墙与试验台座连成整体，组成抗侧力试验台座。在反力墙纵横方向按一定距离设有锚孔，以便安装液压加载器，满足加载器在反力墙的任意位置对试件施加水平荷载的要求,51,知识分享,52,知识分享,53,知识分享,3.试验台座,抗弯大梁式台座：中小型构件试验或混凝土制品检验的要求,54,知识分享,空间行架台座:一般用于试验中等跨度的构架及屋面大梁,55,知识分享,实验室内台座：用以平衡施加在试验结构物上的荷载所产生的反力和固定横向支架。台座的刚度极大，承载能力一般为2OO1000kPa。用钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土做成。有板式试验台座、槽式试验台座、地锚式试验台座、箱式试验台。