现代结构试验方法

1、土木工程概论土木工程概论u应变量测应变量测u位移与变形量测位移与变形量测u力的量测力的量测结构试验量测技术结构试验量测技术第三章第三章土木工程概论土木工程概论 对输入与输出数据的量测、采集和分析处理。对输入与输出数据的量测、采集和分析处理。 输入数据：试件所受到的外部作用，如输入数据：试件所受到的外部作用，如力、位移和温度力、位移和温度等。等。 输出数据：试件的反应，如输出数据：试件的反应，如应变、应力、裂缝、位移、速度、应变、应力、裂缝、位移、速度、加速度加速度等。等。 数据的量测与采集方法数据的量测与采集方法 人工测量、人工记录人工测量、人工记录 仪器测量、人工记录仪器测量、人工记录 仪器

2、测量、仪器记录仪器测量、仪器记录 自动化采集系统测量、记录、处理自动化采集系统测量、记录、处理3.1 3.1 概述概述土木工程概论土木工程概论3.2 量测仪表的基本概念量测仪表的基本概念 仪器设备分类仪器设备分类 按功能和使用情况：按功能和使用情况：传感器、放大器、显示器、记录仪、分析传感器、放大器、显示器、记录仪、分析 仪器、数据采集仪和数据采集系统仪器、数据采集仪和数据采集系统等。等。 感受部分感受部分放大部分放大部分分析仪器分析仪器显示记录部分显示记录部分传感器传感器放大器放大器显示器、记录仪显示器、记录仪计算机、程序计算机、程序土木工程概论土木工程概论按仪器用途：按仪器用途：应变计、位

3、移传感器、测力传感器、倾角传感器、应变计、位移传感器、测力传感器、倾角传感器、频率计和测振传感器频率计和测振传感器等。等。量测仪表主要性能指标量测仪表主要性能指标 量程：量程：仪表所能量测的最小至最大的量值范围。仪表所能量测的最小至最大的量值范围。 最小分度值：最小分度值：仪表的指示所能指出的最小测量值。仪表的指示所能指出的最小测量值。 精确度：精确度：仪表的指示值与被测值的符合程度。仪表的指示值与被测值的符合程度。 灵敏度：灵敏度：被测量的单位变化引起仪表示值的变化值。被测量的单位变化引起仪表示值的变化值。 分辨率：分辨率：测量被测物理量最小变化值的能力。测量被测物理量最小变化值的能力。 稳

4、定性：稳定性：规定时间内保持示值与特性参数不变的能力。规定时间内保持示值与特性参数不变的能力。 滞后：滞后：恒定环境条件下，起始值到最大值来回输出的最大恒定环境条件下，起始值到最大值来回输出的最大偏差值或该值与最大量程的百分比。偏差值或该值与最大量程的百分比。土木工程概论土木工程概论 量测仪器基本方法量测仪器基本方法偏位测定法：偏位测定法：按仪表发生的偏转或位移定出被测值。按仪表发生的偏转或位移定出被测值。 该方法为土木工程结构试验与检测常用方法，如：百该方法为土木工程结构试验与检测常用方法，如：百 分表、双杠杆应变仪、动态电阻应变仪均属于该方法。分表、双杠杆应变仪、动态电阻应变仪均属于该方法

5、。零位测定法：零位测定法：用已知的标准量去抵消未知量引起的转。用已知的标准量去抵消未知量引起的转。 如称重天平。该方法更为精确，若进行放大后更为精如称重天平。该方法更为精确，若进行放大后更为精 确。确。土木工程概论土木工程概论结构试验对仪器设备的使用要求：结构试验对仪器设备的使用要求：符合量测所需的量程和精度要求；符合量测所需的量程和精度要求；动态试验量测仪表，其线性范围、频响特征以及相移特性等都满动态试验量测仪表，其线性范围、频响特征以及相移特性等都满 足试验要求；足试验要求；自重轻、尺寸小，不影响结构工作；自重轻、尺寸小，不影响结构工作；同一试验中选用的仪表和传感器种类应尽量少，以便统一数

6、据的同一试验中选用的仪表和传感器种类应尽量少，以便统一数据的 精度，简化量测数据的整理工作和避免错误；精度，简化量测数据的整理工作和避免错误；选用仪表时应考虑试验环境条件。选用仪表时应考虑试验环境条件。 土木工程概论土木工程概论 电测和机测两类电测和机测两类 应变量电测法应变量电测法 RU Un 构件截面应力值测定方法构件截面应力值测定方法n 电阻应变计粘贴技术电阻应变计粘贴技术 保证测点感受元件（应变计）与试件同步变形保证测点感受元件（应变计）与试件同步变形应变应变应力应力EE（或或-关系曲线）关系曲线）n 应变量测原理应变量测原理l/ll/ln 应变量测方法应变量测方法应变计应变计电桥电桥

7、放大放大指示指示3.3.3 3 应变量测应变量测土木工程概论土木工程概论 电阻应变计电阻应变计 1 1、电阻应变计的原理及构造、电阻应变计的原理及构造 （1 1）工作原理）工作原理 灵敏系数灵敏系数土木工程概论土木工程概论 （2 2）构造：构造：敏感栅：敏感栅：将应变变换成电阻变化量将应变变换成电阻变化量基底和覆盖层：基底和覆盖层：定位和保护电阻丝、绝缘定位和保护电阻丝、绝缘粘结剂：粘结剂：固定敏感栅固定敏感栅 引出线：引出线：电桥接线电桥接线土木工程概论土木工程概论 2 2、电阻应变片主要技术指标、电阻应变片主要技术指标 （1 1）标距：）标距：敏感栅在纵轴方向的有效长度敏感栅在纵轴方向的有

8、效长度L L。 （2 2）规格：）规格：以使用面积以使用面积L LB B表示。表示。 （3 3）电阻值：）电阻值：应变片阻值一般在应变片阻值一般在120120左右。左右。 （4 4）灵敏系数：）灵敏系数：抽样确定。抽样确定。 （5 5）应变极限：）应变极限：保持线性输出时所能量测的最大应变值。保持线性输出时所能量测的最大应变值。 （6 6）机械滞后；）机械滞后； （7 7）疲劳寿命；）疲劳寿命；（）零飘；（）零飘；（）蠕变；（）蠕变；（）绝缘。（）绝缘。土木工程概论土木工程概论 1 1、电桥基本原理、电桥基本原理 桥路：不平衡电桥桥路：不平衡电桥 测量方法：偏位测量法测量方法：偏位测量法 电阻

9、应变仪的测量电路电阻应变仪的测量电路土木工程概论土木工程概论 偏位测量法缺点：偏位测量法缺点： 1 1）电源电压波动影响量测结果的准确性）电源电压波动影响量测结果的准确性 2 2）检测计需要很高的灵敏度和较大的测量范围）检测计需要很高的灵敏度和较大的测量范围 桥路：平衡电桥桥路：平衡电桥 测量方法：零位测量法测量方法：零位测量法 2 2、平衡电桥原理、平衡电桥原理土木工程概论土木工程概论 双电桥电路：双电桥电路：输出灵敏度高，现代应变仪输出灵敏度高，现代应变仪一般采用。一般采用。 3 3、温度补偿技术、温度补偿技术 应变片电阻值随温度变化原因：应变片电阻值随温度变化原因： 1 1）电阻值随电阻

10、丝温度变化而变化；）电阻值随电阻丝温度变化而变化； 2 2）试件温度变化导致应变片产生温）试件温度变化导致应变片产生温度变化，引起一附加电阻变化。度变化，引起一附加电阻变化。 桥路输出电压：桥路输出电压：土木工程概论土木工程概论 温度补偿方法温度补偿方法: : 1 1）温度补偿应变计补偿法；）温度补偿应变计补偿法； 2 2）工作应变计温度互补偿法；）工作应变计温度互补偿法； 3 3）温度自补偿法）温度自补偿法土木工程概论土木工程概论 1 1、实用电路及其应用、实用电路及其应用 （1 1）实用电路）实用电路 实用电路与电阻片粘贴技术实用电路与电阻片粘贴技术土木工程概论土木工程概论 1 1）全桥电

11、路：）全桥电路：测量桥四个臂上全部接入工作应变片。工作片测量桥四个臂上全部接入工作应变片。工作片兼作温度补偿片。可提高量测灵敏度。兼作温度补偿片。可提高量测灵敏度。 2 2）半桥电路：）半桥电路：测量桥分别接入两个工作片和两个固定电阻。测量桥分别接入两个工作片和两个固定电阻。工作片兼作温度补偿。可提高量测灵敏度。工作片兼作温度补偿。可提高量测灵敏度。 3 3）1/41/4桥电路：桥电路：测量桥由一个工作片、一个温度补偿片和两测量桥由一个工作片、一个温度补偿片和两个固定电阻。温度补偿片温度补偿。不能提高量测灵敏度。个固定电阻。温度补偿片温度补偿。不能提高量测灵敏度。 （2 2）应用）应用 桥路输

12、出灵敏度取决于应变片的贴片位置和方向，以及接线桥路输出灵敏度取决于应变片的贴片位置和方向，以及接线方式。根据具体情况进行桥路设计，可得桥路输出的不同放大系方式。根据具体情况进行桥路设计，可得桥路输出的不同放大系数。数。土木工程概论土木工程概论放大系数放大系数 2（1）放大系数放大系数 2土木工程概论土木工程概论 2 2、电阻应变片粘贴技术、电阻应变片粘贴技术 （1 1）粘贴要求：）粘贴要求： 1 1）测点基底平整、清洁、干燥；）测点基底平整、清洁、干燥； 2 2）粘结剂的电绝缘性、化学稳定性及工艺性能良好，蠕变小，）粘结剂的电绝缘性、化学稳定性及工艺性能良好，蠕变小，粘贴强度高粘贴强度高，温湿

13、度影响小；温湿度影响小； 3 3）同一组应变计规格型号应相同；）同一组应变计规格型号应相同； 4 4）应变片的粘贴应牢固，方位准确，不含气泡；）应变片的粘贴应牢固，方位准确，不含气泡； 5 5）粘贴前后阻值不改变；）粘贴前后阻值不改变； 6 6）粘贴干燥后，敏感栅对地绝缘电阻一般不低于）粘贴干燥后，敏感栅对地绝缘电阻一般不低于500500MM； 7 7）应变线性好、滞后、零飘、蠕变等要小，保证应变能正确传）应变线性好、滞后、零飘、蠕变等要小，保证应变能正确传递。递。土木工程概论土木工程概论（2 2）粘贴方法及步骤）粘贴方法及步骤1 1）应变片检查分选，外观、阻值检查；）应变片检查分选，外观、阻

14、值检查； 2 2）测点处理：包括测点检查、打磨、清洗、打底、）测点处理：包括测点检查、打磨、清洗、打底、 测线定位；测线定位； 3 3）应变片粘贴：上胶、清洗、打底、测线定位；）应变片粘贴：上胶、清洗、打底、测线定位； 4 4）固化处理；）固化处理； 5 5）粘贴质量检查，外观、阻值和绝缘度检查；）粘贴质量检查，外观、阻值和绝缘度检查； 6 6）导线连接）导线连接； 7 7）防潮处理。）防潮处理。土木工程概论土木工程概论 应变的其他量测方法与仪表应变的其他量测方法与仪表 （1 1）机测法）机测法 （2 2）光测法）光测法土木工程概论土木工程概论 结构位移：指构件的挠度、侧移、转角、支座偏移等。

15、结构位移：指构件的挠度、侧移、转角、支座偏移等。 1 1、接触式位移计、接触式位移计 组成：组成：测杆、齿轮、指针和弹簧等机械零件。测杆、齿轮、指针和弹簧等机械零件。 性能指标：性能指标：刻度值、量程和允许误差。刻度值、量程和允许误差。 结构线性位移量测结构线性位移量测类型类型刻度值刻度值/ /mmmm量程量程/ /mmmm允许误差允许误差/ /mmmm千分表千分表0.0010.0011 10.0010.001百分表百分表0.010.015 5、1010或或30300.010.01挠度计挠度计0.050.05 或或0.10.15050、100100或或3003000.050.05或或0.10.

16、13.3.4 4 位移与变形量测位移与变形量测土木工程概论土木工程概论土木工程概论土木工程概论 量程量程为为3030150150mmmm，读数分辨率读数分辨率可达可达0.010.01mmmm。 位移传感器位移：位移传感器位移：2 2、应变梁式位移传感器、应变梁式位移传感器土木工程概论土木工程概论 3 3、滑线电阻式位移传感器、滑线电阻式位移传感器 组成：组成：测杆、滑线电阻和触头测杆、滑线电阻和触头 原理：原理：运用半桥接线，由相邻运用半桥接线，由相邻两臂电阻增量相减的特性的输出电两臂电阻增量相减的特性的输出电压。压。 量程为量程为1010100100mmmm以上。以上。土木工程概论土木工程概

17、论量程可达量程可达500500mmmm。 4 4、差动变压器式位移传感器、差动变压器式位移传感器土木工程概论土木工程概论5 5、位移测量的其他方法、位移测量的其他方法土木工程概论土木工程概论 1 1、转角测定、转角测定 结构转动变形测量结构转动变形测量土木工程概论土木工程概论2 2、曲率测定、曲率测定a a、b b、土木工程概论土木工程概论3 3、剪切变形测量、剪切变形测量土木工程概论土木工程概论4 4、扭角测量、扭角测量土木工程概论土木工程概论 结构静载试验所需测定的力，主要是结构静载试验所需测定的力，主要是荷载与支座反力荷载与支座反力，其次，其次有预应力施力过程中钢绳（丝）的有预应力施力过

18、程中钢绳（丝）的张力张力等。等。 量测力的仪器分为量测力的仪器分为机械式机械式和和电测式电测式两种。两种。 电测仪器具有体积小、反应快、适应性强等优点。电测仪器具有体积小、反应快、适应性强等优点。 1 1、荷载和反力测定、荷载和反力测定 荷载传感器形式：荷载传感器形式：拉伸型、压缩型拉伸型、压缩型和和通用型通用型。 核心部件：核心部件：厚壁筒厚壁筒 接线方法：接线方法：全桥全桥 放大系数：放大系数：灵敏度：灵敏度：设计荷载设计荷载设计应力设计应力弹性模量弹性模量3.4 3.4 力的测量力的测量土木工程概论土木工程概论土木工程概论土木工程概论2 2、拉力和压力测定、拉力和压力测定 测力计基本原理

19、：测力计基本原理：钢制弹簧、环箍或簧片受力后产生弹钢制弹簧、环箍或簧片受力后产生弹性变形，变形通过机械放大后，用指针度盘或位移计来反应性变形，变形通过机械放大后，用指针度盘或位移计来反应力的数值。力的数值。土木工程概论土木工程概论3 3、结构内部应力测量、结构内部应力测量n 内埋式应力栓内埋式应力栓n 内埋式差动电阻应变计内埋式差动电阻应变计n 振动丝应变计振动丝应变计土木工程概论土木工程概论 裂缝检测裂缝检测 裂缝检测方法：裂缝检测方法： 1 1）放大镜或肉眼观测）放大镜或肉眼观测 2 2）读数显微镜）读数显微镜 3 3）裂缝标准宽度板）裂缝标准宽度板 4 4）裂缝塞尺）裂缝塞尺 5 5）裂

20、纹扩展片）裂纹扩展片 6 6）脆漆涂层）脆漆涂层3.5 3.5 裂缝、应变场应变及温度测定裂缝、应变场应变及温度测定 7 7）声发射技术）声发射技术 8 8）光弹贴片）光弹贴片土木工程概论土木工程概论土木工程概论土木工程概论 应变场应变测量应变场应变测量1 1、牛顿插值公式、牛顿插值公式2 2、应变场内任意点的应变、应变场内任意点的应变土木工程概论土木工程概论 1 1）计算）计算A A、B B、C C三点应三点应变；变； 2 2）基于）基于A A、B B、C C三点应三点应变，再次利用牛顿插值公式，变，再次利用牛顿插值公式，计算任意点计算任意点 x x 的应变。的应变。2 2、应变场的应变分布

21、、应变场的应变分布土木工程概论土木工程概论土木工程概论土木工程概论 内部温度测量内部温度测量土木工程概论土木工程概论3.6 3.6 动载试验量测设备动载试验量测设备 振动参量量测方法有机械式振动测量法、光学测量法机械式振动测量法、光学测量法和电测法和电测法等。 电测法将振动参量（位移、速度、加速度）振动参量（位移、速度、加速度）转换成电量，而后用电子仪器放大、显示或记录。其灵敏度高，且便于遥控、遥测，是目前最常用的方法。 振动测量系统由拾振器拾振器、测振放大器和记录仪等部分组成。 拾振器按量测参数分为位移式、速度式和加速度式位移式、速度式和加速度式；按构造原理可分为磁电式、压电式、电感式和应变

22、式。土木工程概论土木工程概论3.6.1 3.6.1 惯性式拾振器的力学原理惯性式拾振器的力学原理tXxsin00)(mmmkxxxxm )sin()cos(022tXtnBexmntm设被测振动物体规律质量块m的振动微分方程为上式通解为其中：mkn/2mn/2土木工程概论土木工程概论22220021nnnmXX212nnarctg22220021nnnmXXnn/其中：阻尼比土木工程概论土木工程概论1）当）当 ， 时时1/n11212222nnn180 满足此条件的测振仪满足此条件的测振仪称位移计。位移计体积较称位移计。位移计体积较大较重，使用时对被测系大较重，使用时对被测系统有一定影响，特别

23、对于统有一定影响，特别对于一些质量较小的振动体不一些质量较小的振动体不太适用。太适用。mkn/2土木工程概论土木工程概论2）当）当 ， 时时1/n11211222nn0tg 满足此条件的测振满足此条件的测振仪称加速度计。仪称加速度计。0220XXnmxxnm 21土木工程概论土木工程概论3.6.2 3.6.2 测振传感器测振传感器 拾振器除应正确反映振动体的振动反映振动体的振动外，尚应不失真地将位移、速度及加速度等振动参量转换为电量振动参量转换为电量，以便用量电器进行测量。土木工程概论土木工程概论 磁电式速度传感器的特点是灵敏度高、性能稳定、输出磁电式速度传感器的特点是灵敏度高、性能稳定、输出

24、阻抗低、频率响应范围有一定宽度，通过对质量弹簧系统参阻抗低、频率响应范围有一定宽度，通过对质量弹簧系统参数的不同设计，可以使传感器既能量测非常微弱的振动，也数的不同设计，可以使传感器既能量测非常微弱的振动，也能量测较强的振动，是工程振动测量中最常用的拾振仪器。能量测较强的振动，是工程振动测量中最常用的拾振仪器。 感应电动势可表达为感应电动势可表达为：1 1、磁电式速度、磁电式速度传感器传感器BLnvE q 此类传感器惯性质量此类传感器惯性质量块的位移反映所测振动的块的位移反映所测振动的位移，而传感器输出的电位移，而传感器输出的电压与振动速度成正比，又压与振动速度成正比，又称惯性式速度传感器。称

25、惯性式速度传感器。土木工程概论土木工程概论q 磁电式传感器的主要技术指标有：磁电式传感器的主要技术指标有： （1 1）固有频率：）固有频率：传感器质量弹簧系统本身的固有频率，是传传感器质量弹簧系统本身的固有频率，是传感器的一个重要参数。感器的一个重要参数。 （2 2）灵敏度：）灵敏度：传感器的拾振方向感受到一个单位振动速度时，传感器的拾振方向感受到一个单位振动速度时，传感器的输出电压。传感器的输出电压。 （3 3）频率响应：）频率响应：灵敏度随所测频率不同有所变化，这个变化灵敏度随所测频率不同有所变化，这个变化的规律就是传感器的频率响应。对于阻尼值固定的传感器，频的规律就是传感器的频率响应。对于阻尼值固定的传感器，频率响应曲线只有一条。如传感器阻尼可选择和调整，则阻尼不率响应曲线只有一条。如传感器阻尼可选择和调整，则阻尼不同