章试验荷载及其设备PPT课件

1、2-22-2重力加载重力加载 重物加载是利用物体本身的重量施加在结构上作为荷载。 在实验室内可以采用的重物有专门制作的标准铸铁砝码，混凝土立方试块、水箱等；在现场试验可以就地取材如砖、砂、石、袋装水泥等建筑材料，或废构件、钢锭等。重物可以直接加在试验结构上，也可以通过杠杆系统间接加在试件上。第1页/共35页2-22-2重力加载重力加载 2-2-12-2-1重力直接加载重力直接加载 1重物加载的形式重物加载的形式 重物荷载可直接堆放于结构表面（如板的试验）作为均布荷载（图2-1）或置于荷载盘上通过吊杆挂在结构上形成集中荷载（图2-2），此时吊杆与荷载盘的自重应计入第一级荷载。图2-1 用重物做均

2、布荷载直接加载试验图2-2 用重物做集中荷载加载试验第2页/共35页2-22-2重力加载重力加载 2 2重物加载应注意的几个问题重物加载应注意的几个问题 （1）当使用砂石等松散颗粒材料加载时，如果将材料直接堆放于结构表面，将会造成荷载材料本身的起拱，而对结构产生卸荷作用，为此最好将颗粒材料置于一定容量的无底箱框之中，然后叠加于结构之上，在试验构件跨度方向施加的箱框数量不应少于两个。 （2）当采用型体较为规则的块状材料加载，如砖块、铸铁块、钢锭等，则要求叠放整齐，每堆重物的宽度L/6（L为试验结构的跨度），堆与堆之间应有一定间隔（约515cm）。 （3）如果利用钢锭作用载重，为了加载的方便与安全

3、，要求每块质量不大于20kg。 （4）当利用吊杆荷载盘施加集中荷载时，每个荷载盘应分开或通过静定的分配梁体系作用于试验对象上，使结构所受的荷载明确。第3页/共35页2-22-2重力加载重力加载 3.3.重物优、缺点重物优、缺点 优点：优点：试验用的重物容易取得，不影响结构的自由变形，特别适用于长期荷载和均布荷载试验。 缺点：缺点：加载过程中需要花费较大的劳动力，此外，利用砂石、砖块等材料作为荷载，它们的容重常随大气温度、湿度改变而发生变化即由于其含水率的变化，以致荷载不易恒定，使荷载值产生误差。 4.4.水作均布荷载水作均布荷载 利用水作均布荷载试验，如图2-3所示。 优点优点：简易方便而且又

4、十分经济。加载时可以直接用自来水管放水，水的比重为1，从标尺上的水深就可知道荷载值的大小，卸载也方便，可采用虹吸管原理放水卸载，特别适用于网架结构和平板结构加载试验。 缺点缺点：全部承截面被水掩盖，不利于布置仪表和观测。当结构产生较大变形时，要注意水荷载的不均匀所产生的影响。 第4页/共35页2-22-2重力加载重力加载图2-3 用水作均布荷载的试验第5页/共35页2-22-2重力加载重力加载 2-2-22-2-2杠杆加载杠杆加载 1 1杠杆加载的形式杠杆加载的形式 当利用重物作集中荷载时，经常会受到荷载量的限制，常采用杠杆原理将荷载值放大，将荷重放大作用于结构上，如图（2-4）所示。图2-4

5、 杠杆加载第6页/共35页2-22-2重力加载重力加载 2.2.杠杆加载的特点杠杆加载的特点 杠杆制作方便，荷载值稳定不变，当结构有变形时，荷载可以保持恒定，对于做持久荷载试验持久荷载试验尤为适合。 杠杆加载的关键是要有牢固稳妥的支承反力装置。 3 3杠杆加载应注意的问题杠杆加载应注意的问题 杠杆比例不宜过大。支点、力点和加载点位置必须明确，并应在同一直线上。 杠杆应有足够的强度、刚度，防止自身的总体失稳。第7页/共35页2-32-3液压加载法液压加载法 液压加载是目前最常用的试验加载方法。 优点：优点：利用油压使液压千斤顶产生较大的荷载，试验操作安全方便。 对于大型结构试验，当要求荷载点数多

6、，采用多点同步加载更为合适。尤其是电液伺服技术在液压加载设备中得到广泛应用后，为结构模拟地震荷载试验创造了有利条件。第8页/共35页2-32-3液压加载法液压加载法 2-3-12-3-1液压加载器液压加载器 液压加载器俗称千斤顶，是液压加载设备中的一个主要部件。 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。 2-3-22-3-2液压加载系统液压加载系统 液压加载系统的组成 储油箱、高压油泵、测力装置和各类阀门组成的操纵台，通过高压油管同时并联连接若干个液压加载器组成。 特点：必须配置各种支承系统，来承受液压器对结构加载时产生的反作用力。 第

7、9页/共35页 2-3-32-3-3大型结构试验机大型结构试验机 1.大型长柱试验机 是一种比较完善的液压加载系统。是在试验室内进行大型结构试验的一种专门设备，比较典型的是结构长柱试验机如右图所示，用以进行梁、柱、墙板、砌体结构等的受压和受弯试验。这种设备的构造和加载原理与一般材料试验机相同。压力传感器压力传感器立柱控制器下承压板上承压板2-32-3液压加载液压加载法法第10页/共35页2-32-3液压加载法液压加载法 2 2结构疲劳试验机结构疲劳试验机 （1）疲劳试验机荷载的特点 在一定范围内产生周期性的单向脉动荷载单向脉动荷载，实现正弦波正弦波的动态疲劳试验。 （2）疲劳试验机的组成 由液

8、压脉动器、控制系统和液压脉动加载器液压脉动器、控制系统和液压脉动加载器三部分组成。液压脉动器液压脉动器是疲劳机的核心部分。 （3）液压脉动器的结构原理 当脉动器中的飞轮带动曲柄连杆转动时，脉动器活塞上下移动而产生脉动油压，传至加载器形成正弦波形的脉动荷载。调整脉动器中曲柄连杆的固定位置，可改变活塞冲程，从而改变脉动量的大小。 （4）脉动频率 100100500500次次/ /分。分。 （5 5）精度及量程 测力值相对误差应为测力值相对误差应为2.0% 2.0% （2级试验机）。荷载量程应同时满足最大荷载和最小荷载的要求。第11页/共35页2-32-3液压加载法液压加载法 2-3-42-3-4电

9、液伺服液压系统电液伺服液压系统 电液伺服液压系统可以较为精确地模拟试件所受的实际荷载，产生真实的受力状态，在结构试验中，用以模拟地震、海浪等荷载对结构物的作用，是比较理想的试验设备，特别适用于进行结构抗震研究的伪静力试验和拟动力试验。第12页/共35页2-32-3液压加载法液压加载法 一、电液伺服系统的工作原理一、电液伺服系统的工作原理 1.1.组成组成 电液伺服加载器或称伺服千斤顶、控制系统和液压源三大部分。 2.2.作用作用 可以将荷载、应变、位移等不同力学参量直接作为控制参数，实行自动控制，并在试验过程中进行控制参量的转换。 3.3.工作原理工作原理 电液伺服闭环控制，控制回路中的关键元

10、件是电液伺服阀。电液伺服阀。 电液伺服阀电液伺服阀是将电信号指令到液压油运作的转换控制元件。伺服阀输出的高压油流量和控制电流成正比。 第13页/共35页2-32-3液压加载法液压加载法 电液伺服闭环控制回路电液伺服闭环控制回路 试验时以电参量通过伺服阀去控制高压油的流量，推动液压作动器执行元件对试件施加荷载。传感器检测出的加载试件的某一力学参量，经转换后以电参量的方式作为反馈信号在比较器中随时与设定的控制电参量进行比较，得出的差值信号经调整放大后控制电液伺服阀再推动液压作动器执行元件，使其向消除差值的方向动作。指令信号调整放大系统比较器加载器传感器油源伺服阀反馈系统闭环闭环控制回路图第14页/

11、共35页2-32-3液压加载法液压加载法 4.4.电液伺服阀的工作原理电液伺服阀的工作原理 在电液伺服闭环回路中由设定值和反馈的电量差值经调整放大后，输入伺服阀的线圈也使带拔杆的磁铁产生偏转，关闭一侧的喷油孔，高压油流向下面的滑阀。在高压油的推动下，滑阀移动，使执行元件的一个控制口和高压油管接通而执行元件的另一个控制口和回油管接通，此时执行元件（作动器）的活塞即向相应方向移动，与此同时，滑阀的移动带动拨杆的反馈弹簧片，使之产生恢复力。当恢复力和由电流输入引起的偏转力相等时，拨杆回到中心位置，滑阀不再移动。因此滑阀的位置与输入伺服阀线圈的电流成正比，也就是与设定信号和反馈信号之差成正比，即执行元

12、件加载的油量与输入电流成正比。伺服阀就这样完成了由电信号指令到液压油输出量的闭环转换。第15页/共35页2-32-3液压加载法液压加载法 2-3-5地震模拟振动台 地震模拟振动台是再现各种地震波对结构进行动力试验的一种先进设备，其特点是具有自动控制和数据采集及处理系统，采用了电子计算机和闭环伺服液压控制技术，并配合先进的振动测量仪器，可以在实验室内进行结构物的地震模拟试验，以求得地震反应对结构的影响。 1.振动台台体结构 2.液压驱动和动力系统 3.控制系统 4.测试和分析系统第16页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法 2-4-12-4-1惯性力加载惯性力加载 一、冲击力加载一、冲

13、击力加载 特点：荷载作用时间极为短促，使结构产生自由振动，适用于进行结构动力特性试验。 1.1.初位移加载法（初位移加载法（张拉突卸法） 借助外力使结构产生一定的初位移，然后突然卸去荷载，利用结构的弹性使其产生自由振动。 优点：结构自振时荷载已不存在于结构，没有附加质量的影响。结构自振时荷载已不存在于结构，没有附加质量的影响。 缺点：仅适应于刚度不大的结构。仅适应于刚度不大的结构。第17页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法mm 突加荷载法 突卸荷载法第18页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法 2. 2. 初速度加载法（初速度加载法（突加荷载法）利用摆锤或落重的方法使结构

14、在瞬时内受到水平或垂直的冲击，产生一个初速度，同时使结构获得所需的冲击荷载。 优点：较小的荷载产生较大的振幅较小的荷载产生较大的振幅。 缺点：荷载将附着于结构一起振动，并且落重的跳动又会影响结构自振阻尼振动，同时有可能使结构受到荷载将附着于结构一起振动，并且落重的跳动又会影响结构自振阻尼振动，同时有可能使结构受到局部损伤。局部损伤。 冲击力的大小要按结构强度计算，不致使结构产生过度的应力和变形。 3.3.反冲激振器（反冲激振器（火箭激振）加载加载 工作原理：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

15、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。第19页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法 二、离心力加载二、离心力加载 1.1.原理原理根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。 2.2.特点特点具有周期性，作用力的大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。 第20页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法 三、机械加载三、机械加载 1.1.常用的机械力加载机具常用的机械力加载机具 吊链、卷扬机、绞车、花篮螺丝、螺旋千斤顶和弹簧吊链、卷扬机、绞车、花篮螺丝、螺旋千斤顶和弹簧等。 吊链、卷扬机、绞车和花篮螺丝等主要配合钢丝或绳索对结构施加拉力，吊链、卷扬

16、机、绞车和花篮螺丝等主要配合钢丝或绳索对结构施加拉力，还可与滑轮组联合使用，改变作用力的方向的拉力大小。连接测力计或拉力传感器可以测量其加载值。 螺旋千斤顶螺旋千斤顶是利用蜗轮蜗杆机构传动的原理加力，使用时需要用力传感器测定其加载值，设备简单，使用方便。 弹簧常用于构件的持久荷载试验，产生的荷载相对比较稳定。弹簧常用于构件的持久荷载试验，产生的荷载相对比较稳定。弹簧加载采用千分表量测弹簧的压缩长度的变化量确定弹簧的加载值。弹簧变形与力值的关系一般通过压力试验机标定来确定。第21页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法 2.2.优点优点设备简单，容易实现，当通过索具加载时，很容易改变荷载

17、作用的方向，故在建筑物、柔性构筑物的实测或大尺寸模型试验中，常用此法施加水平集中荷载。 3.3.缺点缺点荷载值不大，当结构在荷载作用点产生变形时，会引起荷载值的改变。 第22页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法 四、气压加载法四、气压加载法 气压加载法主要利用空气压力对试件施加荷载。它所产生的是垂直于试件或结构模型表面的均布荷载。 气压加载分为正压加载和负压加载正压加载和负压加载两种。 优点：优点：加载、卸载方便，压力稳定。 缺点：缺点：试件受载面无法观测。第23页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法 五、电磁加载法五、电磁加载法 原理：在磁场中通电的导体将受到与磁场方向

18、相垂直的作用力。 1.1.电磁式激振器电磁式激振器 电磁式激振器是由磁系统（包括励磁线圈、铁芯、磁极板）、动圈（工作线圈）、弹簧、顶杆等。 当激振器工作时，在励磁线圈中通入稳定的直流电，使在铁芯与磁极板的空隙中形成一个强大的磁场。与此同时，由低频信号发生器输出一交变电流，经功率放大器放大后输入工作线圈，这时工作线圈即按交变电流的谐振规律在磁场中运动并产生一电磁感应力，使顶杆推动试件产生振动。第24页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法 2.2.电磁振动台电磁振动台 电磁振动原理基本上与电磁激振器一样，实际上是由电磁激振器来推动一个活动的台面而构成。 电磁振动台通常由信号发生器、振动自

19、动控制仪、功率放大器、电磁激振器和台面组成。 电磁振动台是按闭环振动试验闭环振动试验要求设计的。第25页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法 六六. .人激振动加载人激振动加载 在结构动力试验的加载方法中，一般都需要比较复杂的设备，这些在实验室内尚可满足，而在野外现场试验时，往往受到各方面条件的限制难于实现。因此人们设法寻求更简单的试验方法，即可以获得有关结构动力特性的资料和数据，而又无需复杂的设备。 人激振动的关键在于选择好最容易激发振动的空间位置。 第26页/共35页2-42-4其他加载方法其他加载方法 七、环境随机振动激振法七、环境随机振动激振法 环境随机振动激振法也称脉动法。 优点：它不需要任何激振设备，又不受结构形式和大小的限制。优点：它不需要任何激振设备，又不受结构形式和大小的限制。第27页/共35页2-52-5荷载支承设备和试验台座荷