第3536讲结构试验5

1、第六节 结构非破损检测技术近代试验技术的发展，在结构的现场检验中，目前更多的是采用非破损或半破损试验的检测方法。由于结构现场检测必须以不损伤和不破坏结构本身的使用性能为前提，非破损或半破损检测方法是检测结构构件材料的力学强度、弹塑性性质、断裂性能、缺陷损伤以及耐久性等参数，其中主要的是材料强度检测和内部缺陷损伤探测两个方面。结合我国工程建设的实践和现状，混凝土结构的现场检测技术发展尤为迅速。一、混凝土结构非破损检测技术（一）回弹法检测混凝土强度回弹法的基本原理是使用回弹仪(图1861)的弹击拉簧驱动仪器内的弹击重锤，通 过中心导杆，弹击混凝土的表面，并测得重锤反弹的距离，以反弹距离与弹簧初始长

2、度之比为回弹值及，由它与混凝土强度的相关关系来推定混凝土强度。回弹法测定混凝土强度均采用试验归纳法，建立混凝土强度与平均回弹值rrn及混凝土表面的平均碳化深度dm之间的二元回归公式。 式中 a、b、c为常数项，按原材料条件等因素不同而变化。回弹法测定混凝土强度对于每一试件的测区数目应不少于10个。每一测区的面积不宜大于004,每一测区应记取16个回弹值。回弹值测完后，应在有代表性的位置上量测混凝土的碳化深度，测点数不应少于构件测区数的30。当回弹仪按水平方向测得试件混凝土浇筑侧面的16个回弹值后，分别剔除3个最大值和3个最小值，按余下的10个回弹值取平均值rm。当回弹仪非水平方向测试混凝土浇筑

3、侧面和当回弹仪水平方向测试混凝土浇筑表面或底面时，应将测得回弹平均值按不同测试角度。和不同浇筑面的影响作分别修正。再按每次测试的碳化深度值求得平均碳化深度dm。当碳化深度值极差大于20mm时，应在每一测区测量碳化深度值。对于泵送混凝土由于混凝土流动性大，粗骨料粒径较小，砂率增加，混凝土的砂浆包裹层偏厚等原因，以致结构或构件表面硬度较低，因此混凝土强度要按实测碳化深度值进行修正。检测时的具体注意事项可按照回弹法检测混凝土抗压强度技术规程(jgji232001)有关规定。最后由实测的rm和dm值，按测强曲线或规程附录a测区混凝土强度换算表求得测区混凝土强度的换算值。并由此评定检测结构构件的混凝土强

4、度。（二）超声脉冲法检测混凝土强度结构混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播参数(声速、衰减等)之间的相关关系是超声脉冲检测混凝土强度方法的基础。混凝土是各向异性的多相复合材料，由于混凝土内部存在着广泛分布的砂浆与骨料的界面和各种缺陷(微裂、蜂窝、孔洞等)形成的界面，使超声波在混凝土中的传播要比在均匀介质中复杂得多，使声波产生反射、折射和散射现象，并出现较大的衰减。在普通混凝土检测中，通常采用10khz500khz的超声频率。超声波脉冲实质上是超声检测仪的高频电振荡激励仪器换能器中的压电晶体，由压电效应产生的机械振动发出的声波在介质中传播(图1862)。混凝土强度愈高，相应超声声速也愈大经试

5、验归纳，建立混凝土强度与声速的关系曲线(v曲线)或经验公式。在现场进行结构混凝土强度检测时，应选择试件浇筑混凝土的模板侧面为测试面，一般以200mm200mm的面积为一测区。每个测区内应在相对测试面上对应布置三个测点，相对面上对应的辐射和接收换能器应在同一轴线上。测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合。检测后，由三个测点的平均声时值求得声速的传播速度v。当在试件混凝土的浇筑顶面或底面测试时，声速值应按规定进行修正。最后由试验量测的声速，按v曲线求得混凝土强度的换算值。检测时可参考超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程cecs02：88的有关规定。（三）超声回弹综合法检测混凝土强度超声回

6、弹综合法是建立在超声传播速度和回弹值与混凝土抗压强度之间相互关系的基 础上的，以声速和回弹值综合反映混凝土的抗压强度。超声和回弹都是以混凝土材料的应力应变行为与强度的关系为依据。超声波在混凝土 材料中的传播速度反映了材料的弹性性质，由于声波穿透被检测的材料，因此也反映了混 凝土内部构造的有关信息。回弹法的回弹值反映了混凝土的弹性性质，同时在一定程度上 也反映了混凝土的塑性性质，但它只能确切反映混凝土表层约3cm左右厚度的状态。当 采用超声和回弹综合法时，它既能反映混凝土的弹性，又能反映混凝土的塑性。既能反映混凝土的表层状态，又能反映混凝土的内部构造。这样通过不同物理参量的测定，可以由表及里的，

7、较为确切地反映混凝土的强度。采用超声回弹综合法检测混凝土强度，能对混凝土的某些物理参量在采用超声或回弹法单一测量时产生的影响得到相互补偿。如对回弹值影响最为显著的碳化深度在综合法中可不予修正，原因是碳化深度较大的混凝土，由于它的龄期：较长而其含水量相应降低，以致声速稍有下降，因此在综合关系中可以抵消因碳化使回弹值上升所造成的影响。所以，用综合法的vrm关系推算混凝土强度时，不须测量碳化深度和考虑它所造成的影响。试验证明，超声回弹综合法的测量精度优于超声或回弹单一方法，并减少了量测误差。采用超声回弹综合法检测混凝土强度时，超声的测点应布置在同一个测区的回弹值的测试面上，测量声速的探头的安装位置不

8、宜与回弹仪的弹击点相重叠。测点布置如图1863所示，结构或构件的每一测区内，宜先进行回弹测试，后进行超声测试，同时要注意，只有同一个测区内所测得的回弹值和声速值才能作为推算混凝土强度的综合参数，不同测区的测量值不得混用。在超声回弹综合检测时，结构或构件上每一测区的混凝土强度换算值是根据该区实测的超声波声速v及回弹平均值rm，按事先建立的vrm关系曲线推定的，随后按超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程cecs02：88的规定评定结构或构件的混凝土强度。（四）钻芯法检测混凝土强度钻芯法试验是使用专用的取芯钻机(图1864)，从被检测的结构或构件上直接钻取圆柱形的混凝土芯样，并根据芯样的抗压试验由抗

9、压强度推定混凝土的立方抗压强度。它不需要建立混凝土的某种物理量与强度之间的换算关系，被认为是一种较为直观可靠的检测混凝土强度的方法。由于需要从结构构件上取样，对原结构有局部损伤，所以是一种能反映被试结构混凝土实际状态的现场检测的半破损试验方法。钻孔取芯机是带有人造金刚石的薄壁空芯圆筒形钻头的专用机具，由电动机驱动，从被测试件上直接截取与空芯筒形钻头内径相同的圆柱形混凝土芯样。我国规定，以100mm及150mm，高径比为12的芯样作为芯样抗压试件。为防止芯样端面不平整导致应力集中和实测强度偏低，所以芯样端面必须进行加工，通常用磨平法和端面用硫磺胶泥或水泥净浆补平。钻芯法检测不宜用于混凝土强度等级

10、低于c10的结构。钻取芯样应在结构或构件受力较小的部位和混凝土强度质量具有代表性的部位，应避开主筋、预埋件和管线的位置。对于单个构件检测时，钻芯数量不应少于3个。对于较小的构件，可取2个。当对结构构件的局部区域进行检测时，取芯位置和数量可由已知质量薄弱部位的大小决定，检测结果仅代表取芯位置的混凝土质量，不能据此对整个构件及结构强度作出总体评价。当采用其他非破损方法与钻芯综合检测时，钻芯位置应与该方法的测点布置在同一测区。钻取的芯样试件宜在与被检测结构或构件的混凝土干湿度基本一致的条件下进行抗压试验，求得芯样试件的混凝土强度值。对于hd=1的00mm或50mm芯样试件的抗压强度测试值，可直接作为

11、混凝土的强度换算值。当芯样高径比hd1时，强度换算值应按规定进行修正。单个构件或单个构件的局部区域可取芯样试件混凝土强度换算值中的最小值作为其代表值。检测时必须按钻芯法检测混凝土强度技术规程cecs03：88的规定和要求进行钻孔，取芯后结构上留下的孔洞必须及时进行修补，一般情况下，修补后构件的承载能力仍可能低于未钻孔前的承载能力，所以，钻芯法不宜普遍使用，更不宜在一个受力区域内集中钻孔取芯。（五）拔出法检测混凝土强度拔出法试验是用一金属锚固件预埋人未硬化的混凝土浇筑构件内(预埋法)，或在已硬化的混凝土构件上钻孔埋入一金属锚固件(后装法)，然后测试锚固件被拔出时的拉力，由被拔出的锥台形混凝土块的

12、投影面积，确定混凝土的拔出强度，并由此推算混凝上的立方抗压强度，也是一种半破损试验的检测方法。见图1865。预埋法常用于确定混凝土的停止养护、拆模时间及施加后张法预应力的时间，按事先计划要求布置测点。后装法则较多用于已建结构混凝土强度的现场检测，检测混凝土的质量和判断硬化混凝土的现有实际强度。我国对后装拔出法研究较多，并已颁布有关规程，在工程建设中实施和应用。后装拔出法的试验装置有圆环式和三点式两种，见图1866所示。圆环式拔出装置适用于粗骨料粒径d40mm的混凝土，试验时对混凝土损伤较小，但要求测试部位表面温凝土必须平整。三点式拔出装置适用于粗骨料粒径d60mm的混凝土，试验时对混凝士损伤较

13、大，但对测试部位表面乎整度要求不高。拔出法试验的加荷装置是一专用的手动油压拉拔仪，见图1867。整个加荷装置是支承在承力环或三点支承的承力架上，油缸进油时对拔出杆均匀施加拉力，在油压表或荷载传感器上指示拔力。采用后装法进行单个构件检测时，应在构件上均匀布置3个测点。当3个拔出力中最大拔出力和最小拔出力与中间值之差均小于中间值的15时，仅布置3个测点即可；当最大拔出力或最小拔出力与中间值之差大于中间值的15时(包括两者均大于中间值的15)时，应在最小拔出力的测点附近再加测2个测点；当同批构件按批抽样检测时，抽检数量应不少于同批构件的30，且不少于10件，每个构件不应少于3个测点。测点宜布置在构件

14、浇筑成型的侧面，如不能满足时，可布置在混凝土成型的表面或底面。在构件的受力较大及薄弱部位应布置测点。相邻两点的间距不应小于10h，测点距试件边缘不应小于4h，(h为锚固件的锚固深度)。检测时应按后装拔出法检测混凝土强度技术规程cecs 69：94的规定和要求进行，并进行混凝土强度的换算和推定。（六）超声法检测混凝土缺陷超声波检测混凝土缺陷主要是采用低频超声仪，测量超声脉冲中纵波在结构混凝土中的传播速度、首波幅度和接收信号主频率等声学参数。当结构混凝土中存在缺陷或损伤时，超声脉冲通过缺陷时产生绕射，传播的声速要比相同材质无缺陷混凝土的传播声速要小，声时偏长。更由于在缺陷界面上产生反射，因而能量显

15、著衰减，波幅和频率明显降低，接收信号的波形平缓甚至发生畸变。综合声速、波幅和频率等参数的相对变化，对同条件下的混凝土进行比较，判断和评定混凝土的缺陷和损伤情况。1混凝土裂缝深度检测(1)单面平测法当结构的裂缝部位只有一个可测表面，估计裂缝深度又不大于500mm时，可采用单面平测法。平测时应在裂缝被测部位，以不同测距按跨缝和不跨缝布置测点(布点时应避开钢筋的影响)进行检测。如图1868(a)。平测法检测裂缝深度按下式计算： 式中 hci第i点计算的裂缝深度()；li不跨缝平测时第i点的超声波实际传播距离()；第i点跨缝平测的声时值(s)；v不跨缝平测的混凝土声速值(kms)。这时不跨缝平测的混凝

16、土声速值可由不跨缝平测“时距”坐标图(图1868(b)求得 式中 ln，l1第n点和第1点的测距()；tn、tl第n点和第1点的声速值(s)。(2)双面斜测法当结构的裂缝部位具有两个相互平行的测试表面时，可采用双面穿透斜测法检测。采用斜测法时，换能器按如图1869布置，并逐点对测相应测点声时值ti、波幅值ai和主频率值fi变化情况，判定裂缝的深度以及是否在所处断面内贯通。(3)钻孔对测法对于在大体积混凝土中预计深度在500mm以上的深裂缝，采用钻孔对测法探测。见图18610。在裂缝两侧钻两孔(a、b)，孔径应比所用换能器直径大510mm，孔深应不小于比裂缝预计深度深700mm。经测试如浅于裂缝

17、深度，则应加深钻孔，孔距宜为2000mm。应选用频率为2060khz的径向振动式痪能器，测试前向测孔中灌注清水，作为耦合介质，将发射和接收换能器分别置人裂缝两侧的对应孔中，以相同高程等距(100400mm)自上至下同步移动，在不同的深度上进行对测，逐点读取声时和波幅数据。绘制换能器的深度和对应波幅值的ha坐标图，如图18611所示。波幅值随换能器下降的深度逐渐增大，当波幅达到最大并基本稳定的对应深度，便是裂缝深度hc。测试时，可在混凝土裂缝测孔的一侧另钻一个深度较浅的比较孔(c) (图18610a)，通过b、c两孔测试同样测距下无裂缝混凝土的声学参数，与裂缝部位的混凝土对比，进行判别。钻孔对测

18、法探测和鉴别混凝土质量的方法，同样可应用于混凝土钻孔灌注桩和钢管混 凝土的质量检测。2混凝土内部不密实区和空洞检测当结构具有两对互相平行的测试面时可采用对测法。在测区的两对相互平行的测试面 上，分别画间距为100300mm的网格，确定测点的位置(图18612)。对于只有一对相 互平行的测试面时可采用对测和斜测相结合的方法。即在测区的两个相互平行的测试面上，分别画出网格线可在对测的基础上进行交叉斜测(图18613)。当结构测试距离较大时，可采用钻孔或预埋管测试法。换能器测点布置如图18-614所示。在测位处预埋测试管或钻出竖向测试孔，预埋管内径或钻孔直径宜比换能器直径大510mm，其深度可按测试

19、深度需要而确定。检测时可用一个径向振动式和一个厚度振动式换能器，分别置于孔中和平行于测孔的侧面进行测试。也可在相距预埋管或钻孔间距23m处另设一个测孔，并同时用两个径向振动式换能器分别置于两侧孔中进行测试，如图18-6-10(b)。测试时，记录每一测点的声时、波幅、主频率和测距。当某些测点声时延长，声能被吸收和散射，波幅降低，高频部分明显衰减的异常情况时，通过对比同条件混凝土的声学参量，确定混凝上内部存在不密实区域和空洞的范围。按照超声法检测混凝土缺陷的原理，尚町应用于混凝土表面损伤层检测和混凝土前后两次浇筑之间接触面结合质量的检测。检测时应遵照超声法检测混凝土缺陷技术规程cecs 21：20

20、00的有关规定进行测试、数据处理和判断评定。（七）混凝土结构钢筋位置和钢筋锈蚀的检测1钢筋位置的检测钢筋位置测试仪是利用电磁感应原理，由感应电流强度变化和相位偏移反映钢筋保护层厚度及钢筋直径的函数关系来探测钢筋的位置直径。仪器探头距钢筋愈近，钢筋直径愈大时，感应电流强度与相位差也愈大。2钢筋锈蚀的检测钢筋锈蚀测试仪是利用钢筋因锈蚀而在表面有腐蚀电流存在，使电位发生变化的原理，由探头探测电位高低变化的规律，以判断钢筋锈蚀的可能性及锈蚀程度。二、砖石和砌体结构的现场检测技术砌体结构强度除厂受块材和砂浆等材料强度的影响外，施工制作过程中砌筑工艺对砌体强度的实际影响也是项不可忽视的重要因素。目前在对已

21、建砌体结构鉴定的现场检测中， 较多的是采用砌体原位轴心抗压强度测定法，推定每一检测单元的砌体抗压强度标准值。（一）原位轴压法原位轴压法的试验装置由扁式液压加载器、反力平衡架和液压加载系统组成(图18615)，测试时先在砌体测试部位垂直方向按试件高度上下两端各开凿一个水平槽，将反力平衡架的反力板置于上槽孔，在下槽孔内嵌入扁式加载器，并用白平衡拉杆固定。通过加载系统对试件分级加载，直到试件受压开裂破坏，求得砌体的极限抗压强度。单个测点的槽间砌体抗压强度为式中 fuji第i个测区第j个槽间砌体抗压强度(mpa)；nuji第i个测区第j个槽间砌体的受压破坏荷载值(n)；aij第i个测区第j个槽间砌体的

22、受压面积(mm2)。槽间砌体抗压强度除以换算系数1ij，这时第i个测区第j个测点的标准砌体的抗压强度fmij按下式计算：式中原位轴压法的无量纲强度换算系数1ij为1ij是测点墙体上部的压应力0ij的函数，主要是考虑试件上部压应力0和两侧砌体对被测试件约束影响的修正。测区砌体抗压强度平均值为式中 fmi第i个测区的砌体抗压强度平均值(mpa)；n1测区测点数。（二）扁顶法扁顶法的试验装置是由扁式液压加载器及液压加载系统组成(图18616)。试验时在待测砌体部位按所取试件的高度在上下两端垂直于主应力方向沿水平灰缝将砂浆掏空，形成两个水平空槽，并将扁式加载器的液囊放人灰缝的空槽内。当扁式加载器进油时

23、、液囊膨胀对砌体产生应力，随着压力的增加，试件受载增大，直到开裂破坏，由此求得槽间砌体的抗压强度。槽间砌体抗压强度除以强度换算系数2ij为标准砌体的抗压强度：式中扁顶法的强度换算系数为同样可按公式(1867)计算测区砌体抗压强度平均值fmi。扁顶法除了可直接测量砌体强度外，当在被试砌体部位布置应变测点进行应变量测时，尚可测量开槽释放应力、砌体的应力一应变曲线、砌体原始主应力值和弹性模量。现场实测时，以上两种方法对于240mm墙体试件尺寸其宽度可与墙厚相等，高度为430mm(约7皮砖)；对于370mm墙体，宽度为240mm，高度为490mm(约8皮砖)。砌体原位轴心抗压强度测定法是结构在原始状态

24、下进行检测，砌体不受扰动，所以它 可以全面考虑砖材和砂浆变异及砌筑质量等对砌体抗压强度的影响，这对于结构改建、抗 震修复加固、灾害事故分析以及对已建砌体结构的可靠性评定等尤为适用。此外，这种方 法以局部破损应力作为砌体强度的推算依据，结果较为可靠。更由于它是一种半破损的试验方法，对砌体所造成的局部损伤易于修复。采用原位轴压法或扁顶法检测砌体原位轴心抗压强度时应严格遵照砌体工程现场检测技术标准gbt503152000的有关规定进行试验数据分析和强度推定。该技术标准还有原位单剪和原位单砖双剪两种方法，可直接测定工程现场的砌体抗剪强度，以及通过量测与砂浆强度有关物理参数间接推定砌体砂浆强度的推出法、

25、回弹法和筒压法等六种间接测定方法。间接测定方法的不足之处是不能综合反映工程的材料质量和工程质量，使用时有一定的局限性，但其优点是测试工作较简单，对砌体工程无损伤或损伤较少。三、钢结构现场检测技术（一）钢材强度测定对已建钢结构鉴定时，为了解结构钢材的力学性能，特别是钢材的强度，一般采用表面硬度法间接推断钢材强度。表面硬度法主要是利用布氏硬度计测定(图18617)。测定时，锤击硬度计纵轴顶部，由硬度计端部的钢珠受压时在钢材表面和已知硬度标准试样上的凹痕直径，测得钢材的硬度，并由钢材硬度与强度的相关关系，经换算得到钢材的强度。式中 hb、hs钢材与标准试件的布氏硬度；ds、db硬度计钢珠在钢材和标准

26、试件上的凹痕直径；d硬度计钢珠直径；f钢材的极限强度。测定钢材的极限强度f后，可依据同种材料的屈强比计算得到钢材的屈服强度。（二）超声法检测钢材和焊缝缺陷超声法检测钢材和焊缝缺陷其工作原理与检测混凝土内部缺陷相同，试验时较多采用脉冲反射法。超声波脉冲经换能器发射进入被测材料传播时，当通过材料不同界面(构件材料表面、内部缺陷和构件底面)时，会产生部分反射。在超声波探伤仪的示波屏幕上分别显示出各界面的反射波及其相对的位置，如图18618所示。由缺陷反射波与起始脉冲和底脉冲的相对距离可确定缺陷在构件内的相对位置。如材料完好内部无缺陷时，则显示屏上只有起始脉冲和底脉冲，不出现缺陷反射波。第七节 结构模

27、型试验结构模型试验中的模型试件，是仿照原型(真实结构)并按照一定比例关系复制而成的试验代表物，它具有原型结构的全部或部分特征。模型的设计制作与试验是根据相似理论，用适当的比例尺和相似材料制成与原型几何相似的试验对象，在模型上施加相似力系(或称比例荷载)，使模型受力后重演原型结构的实际工作，最后按照相似理论确定的相似判据整理试验结果，推算原型结构的实际工作。一、相似定理（一）相似第一定理相似现象的性质两个物理现象的相似，要求两个现象具有相同物理性质的变化过程，参与两个现象中 对应的同名物理量之间有固定的比例常数。根据牛顿运动定律，作用于结构的惯性力对于原型结构对于模型结构式中f、m、l和t分别为

28、惯性力、质量，位移和时间。下标p与m分别表示原型和模型。由于要求各同名物理量之间有固定的比例常数 则 式中sf、sm、sl和st为惯性力、质量，位移和时间的相似常数 将公式(1874)代人(1873)得 比较公式(1872)与(1876)得上式相似常数群为两现象相似各相似常数之间需要满足的一定关系，称为模型与原型相似的相似指标，相似现象的相似指标等于1。由公式(1874)和(1877)可得写成一般形式我们称为相似判据，则公式(1878)可写成为由公式(1877)和(18710)说明相似第一定理。即相似现象的相似指标等于1，或相似判据相等。相似判据将两个相似现象中的物理量关系确定下来，并可将在模

29、型研究的结果推广到原型结构上去。相似第一定理说明相似现象的基本性质，相似判据相等是模型和 原型相似的必要条件。（二）相似第二定理相似判据的确定1方程式分析法研究现象的各物理量之间的关系可用方程式表达时，则可以用表达这一物理现象的方 程式导出相似判据。一悬臂梁，在梁端作用一集中荷载p在x截面处的弯矩为截面上的正应力为截面处的挠度为按照各物理量确定相似常数，如上面推导惯性力相似判据的方法可得下列各相似指标可得由此求得三个相似判据为当表达物理现象函数关系为微分方程式时，求相似判据的步骤是：将微分方程中所有微分符号去掉；任取其中的一项去除方程式中的其他各项；所得的各项即为要求的相似判据。一单自由度系统

30、在受强迫力作用后其动力平衡微分方程为：式中，m，c，k，x，t和p(t)分别为质量，阻尼系数，弹簧常数，位移，时间和干扰力。同样模型的微分方程为：当确定各物理量的相似常数sm、sc、sk、sx、st和sp并将(18717)式中模型参数用原型参数与相似常数的乘积表示：比较公式(18718)与(18716)即得由此可得相似判据为：上列说明相似判据的形式变换仅与相似常数有关，而微分符号可不予考虑。2量纲分析法与定理(1)量纲分析概述当研究的问题过于复杂而无法建立表示物理过程的方程式时，可用量纲分析法由量纲 和谐的原理来推导相似判据。它不需要建立现象的方程式，而只要求确定有哪些物理量参 与研究的对象，

31、以及知道测量这些量的单位系统的量纲就可以进行分析。被测量的物理量的种类称为这个量的量纲。量纲只区别量的种类，而不区别同一量的 不同量度单位，量纲实质上就是物理量的广义量度单位。同一类型的物理量，具有相同的量纲。现实世界是存在着众多的物理量，我们可以按其性质将这众多的物理量分成基本物理 量和导出物理量，用来表示基本物理量的量纲称为基本量纲，表示导出物理量的量纲称为 导出量纲。例如在力学中人们取“长度”、“质量”、“时间”为基本物理量，分别用l、m、t表示它们的量纲，则速度、加速度等为导出物理量，相应的量纲可以写成lt1 lt2等，任何导出物理量的量纲都可以用基本物理量的量纲来表示，称用基本量纲表

32、示导出量纲的表达式为量纲公式。在物理学中，选用质量的量纲m、长度的量纲l、时间的量纲t为基本量纲时，称为质量系统；在工程学中，则用力的量纲f、长度的量纲1、时间的量纲t为基本量纲，称为力量系统。这两个系统对于结构工程中常用物理量和物理常数的量纲表示方法见表1871。任何完整的物理方程式中，各项量纲必须相同，因为只有量纲相同的量才能够相加、相减并用等号联系起来，这就是“量纲和谐”，量纲和谐的原理是量纲分析法的基础。(2)定理定理可以表述为：如果一个物理现象可由n个物理量构成的物理方程描述，n个物理量中有k个独立的物理量，即有k个基本物理量，则该物理现象也可以用这些量纲组成的(nk)个无量纲群的关

33、系式来描述，这些无量纲群可以作为该物理现象的相似判据。设某一物理现象的物理方程为：其中j1，j2jk为该物理现象的k个基本物理量，其量纲可表示为j1，j2，jk，其余(nk)个导出物理的量纲为：，按照定理，可以把几个物理量构成的物理方程量纲化为(nk)个无量纲群的关系式现用弹性结构的几何非线性问题来说明。结构任一点应力的大小与作用的荷载p(集中荷载)，结构的几何尺寸l、结构材料的弹性模量e和泊松比有关，写成一般的函数表达式为根据量纲和谐原理，可以建立应力与各影响量之间的量纲关系式各物理量的量纲为把式(18726)代入式(18725)得根据物理方程的量纲均匀性，上述两边同类量的指数应相等，即解得

34、将解代入量纲关系式将上式中的p/l2项移到左边则得上式中c，d是不确定的指数，将都看作为一个量，则它们之间的关系式可写成式中各项均是无量纲的，是式的无量纲化的关系式。令得这就是弹性结构几何非线性静力问题的判据方程，式中1，2，3为相似判据，设计模型时应满足相似条件即相似常数满足相似指标这说明各相似常数不能任意取，应满足上面相似指标的要求。若模型与原型相似则由1m1p可求得应力相似常数（三）相似第三定理相似现象的充分和必要条件要使两个现象相似，除了要求它们满足几何相似、有相同的物理关系表达式及由物理关系表达式求得的相同判据相等外，还要求能唯一地确定这一现象的(如边界条件，初始条件等)条件也必须相

35、似。我们称这些能从同类性质的现象中区分具体现象的条件为单值条件，至此我们可以将相似第三定理表述为在几何相似系统中如两个现象由文字结构相同的物理方程描述，且它们的单值条件相似(单值量对应成比例，且单值量的判据相等)，则两个现象相似。二、模型设计结构模型试验按试验目的的不同可分为：弹性模型为研究在荷载作用下结构弹性阶段的工作性能，用匀质弹性材料制成与原型相似的结构模型。强度模型为研究在荷载作用下结构各个阶段工作性能，包括直到破坏的全过程反应，用原材料或相似材料制成的与原型相似的结构模型。模型设计按下列程序进行：按试验目的选择模型类型；按相似原理用方程式分析法或量纲分析法确定相似判据；确定模型的几何

36、比例，即定出长度相似常数sl；根据相似判据确定其他各物理量的相似常数；设计和绘制模型的施工图。由前推导相似判据过程可见，相似常数的个数是多于相似判据的数目，设计时除首先确定长度相似常数sl外，一般根据可能条件再选定模型材料，亦即确定se和s，然后推导出其他物理量的相似常数。表1872列出一般静力试验弹性模型的相似常数。当设计先确定se和sl时，其他物理量的相似常数都是se和sl的函数，或是等于1，如应变、泊松比和角变位等均为无量纲数，它们的相似常数s、s和s均等于1。对于结构动力试验模型，除与表1872静力模型有关材料特性、几何特性和荷载等物理量有相同的相似关系外，表1873为有关动力性能物理

37、量的相似关系。上述模型设计所得各物理量之间的相似关系均是在假定采用理想弹性材料的情况下推导求得的。实际上较多钢筋混凝土或砌体结构的强度模型要研究结构非线性性能，因此对模型材料的相似要求更为严格，必须按实际情况建立相似关系。从表1872可见se=s的关系，就是要求模型和原型结构的应力应变关系曲线相似，这只有选用与原型结构相同强度和变形的材料时才有可能。在静力模型的相似关系中，当se=s=1时质量密度s=1sl，要求模型材料密度为原型材料的sl倍。这事实上是没有可能的。为此，当需考虑结构本身的质量和重量对结构性能的影响时，需要在模型上施加附加质量，满足材料密度相似的要求。 同样在动力模型中，模拟惯

38、性力，重力时也必须考虑模型和原型结构材料质量密度的相似。由相似关系se(sgs)二s，通常重力加速度相似常数sg=1，则要求模型材料的弹性模量应比原型的小或密度比原型的大，试验时也采用加附加质量的方法，来弥补材料密度不足所产生的影响。三、模型材料（一）弹性模型材料当模型试验的目的在于研究弹性阶段的应力状态，模型材料应尽可能与一般弹性理论的基本假定一致，即要求匀质、各向同性、应力与应变成线性关系和固定的泊松比。模型材料可与原型材料不同，常用的有金属(钢、铝合金)，塑料(环氧树脂、有机玻璃等)、石膏等。1金属材料金属的力学性能大都符合弹性理论的基本假定。常用的有钢材和铝合金，铝合金允许有大的应变量

39、，钢和铝合金的泊松比为030，比塑料更接近混凝土的泊松比。金属的弹性模量比塑料、石膏等都要高，要求试验荷载大，模型加工制作较困难。2塑料制作模型的塑料种类很多，热固性的有环氧树脂，聚酯树脂；热塑性的如聚氯乙烯，有机玻璃。塑料作为模型材料的优点是强度高而弹性模量低，容易加工。缺点是徐变较大，弹性模量受温度变化的影响也大。有机玻璃是各向同性的匀质材料，模型试验中用得较多，由于徐变较大，试验中要控制材料的应力。环氧树脂塑料可在半流体状态浇注成型，然后固化。如在环氧树脂中加入铝粉或其他填充料，可以改善和调整力学性能，以满足材料的相似要求。3石膏用石膏制作模型，其优点是容易加工，成本较低，泊松比与混凝土

40、十分接近，弹性模量可以改变。其缺点是抗拉强度低，要获得均匀和正确的弹性模量比较困难。可以在石膏内掺人一定的掺合料和缓凝剂来改善材料的性能。石膏模型可用石膏浆注入尺寸准确的模子来制作，也有将石膏浇注成整块后进行机械加工。石膏也可用以大致地模拟混凝土的塑性工作，配筋的石膏模型常用来模拟钢筋混凝土板壳的破坏形态。（二）强度模型材料如果模型试验的目的在于研究结构的全部工作特性，包括超载一直到破坏，由于对模 型材料模拟的要求更加严格，通常采用与原型极为相似的材料或原型完全相同的材料来制 作模型。1水泥砂浆水泥砂浆曾被广泛地用来作钢筋混凝土板壳等薄壁结构的模型。它的性能无疑与有大骨料的混凝土不同，但对比上

41、述提到的几种材料来看，它毕竟还是比较接近混凝土的。可以通过调整细骨料含量和水灰比来改善和满足力学性能的要求。2微粒混凝土微粒混凝土同样是由细骨料、水泥和水组成的专门用于结构模型试验的一种新型材料，又称为模型混凝土。它是用2550的粗砂代替普通混凝土中的粗骨料砾石，用01525m的细砂代替普通混凝土中的细骨料砂粒，并按一定级配和水灰比组成。经级配设计在正确控制骨料用量和水灰比的情况下，它的力学性能可以与普通混凝土有令人满意的相似性。骨料粒径要根据模型几何尺寸而定，一般最大粒径不大于截面最小尺寸的13。3模型钢筋模型钢筋一般都是用盘状细钢筋，使用前先要拉直，拉直过程是一次冷加工。为能模拟实际结构中

42、钢筋和混凝土的粘结情况，要求通过专用设备将钢筋表面压痕。以上的加工都会改变材料的性能，使用前要将以热处理，使它恢复到有明显的屈服点，增加钢筋的延性。4模型砖块为模拟砖石或砌块结构的强度模型，基本上是使用与原型结构相同的砖或砌块。由于模型比例的要求，一般是将原型的材料加工切割成小比例尺寸的砖材或砌块，也可以向砖厂或砌块厂按尺寸要求特殊加工。习题：习题：1.下列(b)非破损检测技术不能完成。 a:旧有有建筑的剩余寿命b.确定结构构件的承载力 c.评定建筑结构的施工质量d.确定已建结构构件的材料强度 2.目前在结构的现场检测中较多采用非破损和半破损试验, (c)属于半破损检测方法。a.四弹法b表面硬

43、度法 c钻芯法d.超声法 3.混凝土的现场检测方法很多,下列(d)不是用于检测混凝土的强度。 a.回弹法b.拔出法c.钻芯法 d原位轴压法 4.对回弹仪进行标定时,不正确的是(d)。a.室温5 35 b.室内干燥环境c.平均回弹值802 d.弹击杆每旋转900向下弹击一次5.采用回弹仪对混凝土质量进行检测时,一个测区内应有(c)个测点。a. 10b. 12c. 16d. 266.下列(b) .不是影响回弹法检测混凝土强度的因素。a.测试角度b.骨料粒径c.碳化深度d.浇筑面 7.回弹法不适用于(b)项情况的混凝土强度评定。 a.遭受化学腐蚀、火灾或硬化期间遭受冻伤b.试块的质量缺乏代表性c.缺

44、乏同条件试块或标准块数量不足 d.试块的试压结果不符合现行规范规程所规定的要求,并对该结果有怀疑8.用钻芯法检测混凝土强度,芯样抗压试件的高度与直径之比的范围应为(a)。a12b.23c.3 4d.249.不宜采用钻芯法进行混凝土的强度检测的情况是(d)。a.对混凝土试块抗压强度的试验结果有怀疑 b.因材料、施工或养护不良而发生混凝土质量问题 c.混凝土遭受冻害、火灾、化学、侵蚀或其他损害d检测强度等级低于ci0的混凝土构件强度10.用非破损检测技术检测混凝土强度时,下列对混凝土强度的推定,错误的是(b)a.该批构件混凝土强度平均值小于25mpa,且混凝土强度标准差大于4.5mpa时, 按单个

45、构件检测推定b.超声法批量构件,抽样数不少于同批构件数的30% ,且不少于10件,每个构件 测区不少于10个c.钻芯法推定混凝土强度时,取芯样试件混凝土强度的最小值来推定结构混凝 土强度d.回弹法单个构件,取构件最小测区强度值作为该构件混凝土强度推定值 11.用非破损法和微破损法检测混凝土强度时,不合理的要求是(c)。 a.用回弹法,每个构件10个测区,每个测区16个回弹点 b.用回弹法,碳化测点数不应少于构件测区数的30%c.用钻芯法,对均布荷载受弯构件,芯柱从距支座1/3跨度范围内中和轴部位取样 d.用钻芯法,芯柱直径取100mm,芯样数量对一般构件不少于3个 12.下列拔出法检测混凝土强

46、度的叙述中,不正确的是(a)。 a.测点布置时,相邻两点的间距不小于10h,测点距试件边缘不应小于如 b.按批检测时,抽检数量应不少于同批构件的30% ,并不少于10件 c.用三点式拔出法,用于石子的粒径不大于60mm的混凝土 d.用圆环式拔出法,用于石子的粒径不大于40mm的混凝土13.在评定混凝土强度时,较为理想的方法是(c)。 a.钻芯法b.超声波法c.钻孔后装法d.表面硬度法 14.常用于工程施工中确定混凝土养护、拆模时间、施加后张法预应力的时间等的检测方法是(a)。 a.预埋拔出法b.后装拔出法c.回弹法d.钻芯法 15.用电磁感应法检测混凝土结构中的钢筋位置时,不能取得满意结果的情

47、况是(d) a.配筋稀疏,且保护层较小b.钢筋布置在同一平面内,且间距较大 c钢筋直径较大d.钢筋布置在不同平面内,且间距较小 16.钢筋锈蚀的检测可采用(a)。 a.电位差法b.电磁感应c射线法d.超声法 17.砌体工程现场检测时,可直接检测砌体的抗压强度的检测方法是(a).a.扁顶法b.回弹法c推出法d.筒压法 18.检测混凝土缺陷时,超声波法不适用于检测(b)。a.混凝土裂缝深度b.混凝土内部钢筋直径、位置和钢筋锈蚀程度c.混凝土内部空洞和缺陷的范围d.混凝土表面损伤厚度19.用超声波法对钢结构进行检测时,主要用于(d)。 a.钢材强度检测b.匀质性检测c.钢材锈蚀检测d飞内部缺陷检测2

48、0.建筑结构模型试验的应用范围不包括(b)。 a.代替大型结构试验或作为大型结构试验的辅助性试验b.实际结构性能的鉴定c.作为结构分析计算的辅助手段d.验证和发展结构设计理论21.下列(a)不是试验模型和原型结构边界条件相似的要求。 a.初始条件相似b.约束情况相似c.支承条件相似d.受力情况相似22.在模型设计中,如果lm代表模型的长度, lp代表原型长度,则两者的比值称为 (b)a.相似准数b.相似常数c.相似指标d.相似原理23.结构模型试验用量纲分析法进行模型设计,设计中采用的基本量纲是(d)。 a.长度l、应变、时间t b.长度l、时间t、应力 c应变e、弹性模量e、质量m d.长度

49、l、时间t、质量m24.一简支梁承受均布荷载q作用,模型设计时采用几何相似常数sl=1/10,模型材料与原型相同,即se1,试验要求模型跨中最大挠度与原型相同(f=)，即sf= 1,则均布荷载q的相似常数sq应为(d)。a.1b.1/10 c.1/20 d.1/10025.简支梁跨中作用集中荷载p,模型设计时假定几何相似常数sl=1/10,模型与原型使用相同的材料,并要求模型挠度与原型挠度相同,即fmfp,试求集中荷载相似常数sp等于( )。a.1b.1/10c.1/100d.1026.在静力模型试验中,若长度相似常数sl= lm/lp = 1/4,线荷载相似常数sq=qm/qp = 1/8,

50、则原型结构和模型结构材料弹性模量相似常数se为(b)。a.1/2b.1/2. 5c.2d.2. 527.模型试验材料有一定的要求,通常不一定能做到的是(c)。a.保证相似要求与量测要求b.保证材料性能稳定和材料徐变小 c.保证模型材料与原型材料的一致性d.保证加工制作方便 28.在结构动力模型试验中,解决重力失真的方法是(c)。 a.增大重力加速度b.增大模型材料的体积 c.增大模型材料的密度d.增大模型材料的弹性模量 29.对于结构模型试验的材料的叙述,不正确的是(d)。 a.弹性模量过低的材料,常具有较显著的非线性 b.弹性模量过高的材料,将要求增加荷载量以便获得足够的变形而满足量测要求

51、c.结构模型材料在试验时能产生足够大的变形,以使量测仪表有足够的读数 d.材料徐变大,测量仪表的精度要求可放宽30.结构模型设计中,所表示的各物理量之间的关系式均是无量纲,它们均是在假定 采用理想(b)的情况下推导求得的. a.脆性材料b.弹性材料c.塑性材料d.弹塑性材料31. (c)不属于弹性模型材料。 a.石膏b.塑料c.水泥砂浆d.金属32. (d)不属于强度模型材料。 a.水泥砂浆b.微粒混凝土c.钢筋d.有机玻璃 33.用(d)材料做模型,用来研究钢筋混凝土的弹塑性和极限工作能力比较理想。a.有机玻璃b.石膏c.水泥砂浆d.微粒混凝土 肁节袁螅莀芁薀羁芆莀蚃螃膂莀螅罿肈荿蒄螂肄莈蚇

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