建筑结构试验(第三章)

1、建筑结构试验建筑结构试验第三章 结构试验的数据采集和测量仪器第三章第三章 结构试验的数据采集和测量仪器3-1 概述概述3-2 仪器的工作原理仪器的工作原理3-3 应变测量仪器应变测量仪器3-4 位移测量仪器位移测量仪器3-5 力值测量仪器力值测量仪器3-6 裂缝测量仪器裂缝测量仪器3-7 振动测量仪器振动测量仪器3-8 数据采集系统数据采集系统 3-1 概述概述1.数据采集的方法 1）人工测量、人工记录，如用直尺测量位移、裂缝宽度； 2）仪器测量、人工记录，如用百分表测位移； 3）用仪器测量、记录，如X-Y函数仪，或用传感器、放大器和磁带记录仪进行测量和记录； 4）用数据采集系统进行测量和记录

2、。2.数据采集的原则：同时性和客观性。3.数据采集时的数据流通过程：对试件的作用和试件的反应：对试件的作用和试件的反应：力、位移、速度、加速度、应变、力、位移、速度、加速度、应变、应力、温度、裂缝等应力、温度、裂缝等传感器传感器（放大器）（放大器）记录器记录器（显示器）（显示器）3-1 概述概述4. 仪器设备按功能分：传感器、放大器、显示器、记录仪、分析仪器、数据采集仪。5.仪器设备按工作原理分： 1）机械式仪器； 2）电测仪器； 3）光学测量仪器 4）复合式仪器； 5）伺服式仪器（有控制功能）。7.仪器设备按测量用途分： 1）测力仪器； 2）位移仪器； 3）应变计； 4）倾角仪器； 5）频率

3、计； 6）测振仪器。8.仪器设备按与结构的关系分： 1）附着式和非附着式； 2）接触式和非接触式。3-1 概述概述9. 测量仪器的技术指标：1）刻度值；2）量 程；3）灵敏度；4）分辨率 5）线性度；6）稳定性；7）重复性；8）频率响应10.结构试验对测量仪器的要求 1）仪器自重要轻，不应该影响结构的工作； 2）具有合适的灵敏度和量程； 3）安装使用方便，稳定性和重复性好，有较好的抗干扰能力； 4）价廉耐用，可重复使用； 5）多功能，多用途。3-3 应变测量仪器应变测量仪器 应变是单位长度内的变形（拉伸、压缩和剪切）平均应变根据应力与应变之间的转换关系，通过测结构或构件表面、内部应变应变来得到

4、结构或构件的应应力力状态。 钢材的拉伸试验中，在其屈服之前，其应力应变之间存在着线性关系 我们就可以通过测应变来测应力，而应变测试方法比较简单，因为根据应变的定义：E3-3 应变测量仪器应变测量仪器式中： 应变 测区长度的变化量 测区的原始长度，称之为标距标距 LLLL3-3 应变测量仪器应变测量仪器如在机测中，将 放大后测量；在光测中，将 变化转换光波长的变化；在电阻应变测试技术中，将 转换为传感元件的电阻并进一步转换为电压的变化等等。 LLL3-3 应变测量仪器应变测量仪器应变测试的仪器和方法：应变测试的仪器和方法：电阻应变仪手持应变仪位移计方法（附着式应变仪）光测法（云纹法、激光衍射法、

5、光弹法） 3.3.2 电测法电测法电阻应变测试技术电阻应变测试技术 电测法：利用电的某些特性如电阻、电流、电压、频率等的变化与结构应变之间的转换关系来测定结构的应变。电阻应变测试技术的基本原理通过粘贴在结构表面上的传感元件（电阻应变片）把所测的结构应变转换为电阻的变化，再通过桥路、仪器把电阻的变化转换为电压的变化并加以放大，由显示器显示出应变值。工作框图： 结构应变电阻值应变片桥路 电压应变指数3.3.2 电测法电测法电阻应变测试技术电阻应变测试技术电阻应变片的特性：电阻应变片的特性：几何尺寸：标距0.2300mm电阻值：120欧左右灵敏系数(K) 2.0左右横向敏度(H)应变片主轴方向的应变

6、引起垂直于主轴方向的 应变响应极限应变应变片的工作限度（2000微应变）绝缘电阻电阻应变片的引出线与结构材料之间的电阻值 （200M欧以上）最大工作电流25100mA（电阻丝通电会发热）机械滞后应变片感受结构的变形会滞后一段时间，解决办 法：反复加载几次。零漂与濡变：零漂是指在恒温、结构不受力情况下应变片指示的应变值随时间而变化用/h表示。原因是受潮、电磁场干拢；濡变结构受荷稳定后，应变片指示的应变继续变化。温度效应应通过桥路补偿或自补偿给予消除3.3.2 电测法电测法电阻应变测试技术电阻应变测试技术应变片的选用应变片的选用 选类型、选标矩（大、中、小片）选类型、选标矩（大、中、小片） 1）构

7、件的材性：均质）构件的材性：均质钢丝、钢板、钢筋、有机玻钢丝、钢板、钢筋、有机玻璃用中小片（标距璃用中小片（标距2、3、5、10mm）；非均质）；非均质砼标距砼标距3倍最大粒径倍最大粒径(100、150、300mm) 2）结构受力：应力梯度大用小片，应力集中用箔式）结构受力：应力梯度大用小片，应力集中用箔式小片，应力变化不大用中大片，单向应力场用单轴片，小片，应力变化不大用中大片，单向应力场用单轴片，已知主应力方向的双向应力场用双轴片，主应力方向已知主应力方向的双向应力场用双轴片，主应力方向未知的复杂应力场用三、四轴片未知的复杂应力场用三、四轴片 3）环境、气候、时间）环境、气候、时间秋季、时

8、间短用纸基；春季、秋季、时间短用纸基；春季、时间长用胶基时间长用胶基3.3.2 电测法电测法电阻应变测试技术电阻应变测试技术 电阻应变测试技术的优点：电阻应变测试技术的优点：灵敏度高，可测到1；标距小，箔式应变片最小标距可达0.2mm，可测点应力，用于应力集中测试；可远距离测试；可测动、静应变；通过应变测量可转换为测力（轴力、弯矩、扭矩、剪力）、位移等；3.3.2 电测法电测法电阻应变测试技术电阻应变测试技术 缺点：缺点：测表面应力准确度高，测内部应力需要一定技术；测应力集中不准确；测量系统线路多、易干拢，易受环境（温度、湿度、电磁场）干拢； 3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 电阻

9、应变片的构造： 电阻应变片由三个部份组成：基底基底（纸张、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等胶膜）敏感栅或电阻丝栅敏感栅或电阻丝栅（康铜、镍、铬等特殊材料制成）引出线引出线 基底起到保护及固定敏感栅的作用，敏感栅或电阻丝栅直接感受结构变形并将结构变形转换为电阻变化，引出线连结到测量桥路上； 3.3.2 电测法电测法 电阻应变片电阻应变片 应变片构造1敏感丝栅；2基底；3覆盖层；4引出线43121-4 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 3.3.2电测法电测法电阻应变片电阻应变片 电阻应变片的工作原理：电阻应变片的工作原理： 利用电阻丝的应变效应，所谓电阻丝的应变效应指的是电阻丝的电阻值随其本身变形（

10、伸长或缩短）而改变的一种物理性质。 )24( ALR3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 通过数学分析，对R求微分得：由材料力学可知：整理得：令： Ks 电阻丝的灵敏系数)34(/AALLRR)44(/2/RR)54(/21/RR/12(45 )SK 3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 由于电阻应变片是由电阻丝按一定规格绕制而成的，因此电阻应变片同样有如下的电阻变化率与应变的关系：其中K为电阻应变片灵敏系数，一般的电阻应变片的灵敏系数比电阻丝的灵敏系数来得小。 )64(/KRR3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 应变片类型应变片类型 1.绕丝式应变片（U式） 构造：

11、由电阻丝绕制而成，根据基底材料的不同可分为纸基、胶基 特点：制作简单、价格便宜、纸基易受潮、横向灵敏度大 引出线电阻丝电阻丝回弯头3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 应变片类型应变片类型 2. 短接式应变片绕丝式的改进（H式） 构造：纵横向电阻丝通过点焊连接 特点：横向灵敏度小、焊点易脱落，不适用于动测 横向短接电阻丝引出线点焊3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 应变片类型应变片类型 3.箔式应变片短接式应变片的改进 构造：敏感栅由很薄的金属箔片采用光刻技术制成，弯头截面大。 箔式应变片3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 箔式应变片的特点: 敏感栅截面为矩形，较圆

12、断面大，粘合面积大不易脱落，传递应变较丝式好;具有较大的散热能力；弯头大，横向效应小可忽略；蠕变、机械滞后小、寿命高；由于采用光刻技术，标距可小到0.2mm，可用于点应力测试。 3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 应变片的组成：单轴片双轴片三轴片四轴片 3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 单轴片双轴片三轴片片片120片片片四轴片3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片 应变片选用应变片选用结构材性 均质材料：钢丝、钢板、钢筋用中小片（标距2、3、5、10mm） 非均质材料：如混凝土应选用标距长的应变片结构受力 应力梯度大用小片，应力集中用箔式小片，应力变化不大用中大片，

13、单向应力场用单轴片，已知主应力方向的双向应力场用双轴片，主应力方向未知的复杂应力场用三、四轴片3.3.2 电测法电测法电阻应变片电阻应变片粘贴工艺粘贴工艺 选片测点表面处理贴片干燥固化焊线防护粘贴要求：粘贴要求： 1）测点基底平整、清洁、干燥；）测点基底平整、清洁、干燥； 2）粘接剂的电绝缘性、化学稳定性和工艺性能良好；）粘接剂的电绝缘性、化学稳定性和工艺性能良好； 3）蠕变小；）蠕变小； 4）粘贴强度高，温、湿度影响小；）粘贴强度高，温、湿度影响小； 5）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； 6）粘贴牢固，方位准确。）粘贴牢固，方位准确。3.3.2 电测法电测法静态

14、电阻应变仪静态电阻应变仪 将电阻应变片阻值的变化，转换为电压的变化，并放大后测量。4 电测法电测法静态电阻应变仪静态电阻应变仪 3.3.2 电测法电测法静态电阻应变仪静态电阻应变仪 惠斯登电桥（串并联桥路）惠斯登电桥（串并联桥路）BACDRRRR1243UuDB1II23.3.2 电测法电测法静态电阻应变仪静态电阻应变仪通过电学分析，可得输出电压：对上式求微分，利用R/R=K并令R1 =R2 = R3 =R4 =R，可得： )74()(43214231RRRRRRRRUUBD3.3.2 电测法电测法静态电阻应变仪静态电阻应变仪上式表明，输出电压的变化量与桥路电阻应变的关系，完成了应变应变电阻电

15、阻电压电压的转换，从而可以通过测试电压的变化来测试应变，这就是电阻应变仪工作原理，其中： 上式表明：桥路总输出应变等于邻臂应变相减，对桥路总输出应变等于邻臂应变相减，对臂应变相加臂应变相加。 )84(40UKUBD)94(432103.3.2 电测法电测法静态电阻应变仪静态电阻应变仪基本测量桥路基本测量桥路 ：全桥测量法半桥测量法每臂双片测量法3.3.2 电测法电测法半桥测量法半桥测量法3.3.2 电测法电测法半桥测量法（举例）半桥测量法（举例）3.3.2 电测法电测法桥路特性桥路特性r2r(1)r 电桥，温度补偿：电桥，温度补偿：半桥（弯曲桥路），温度互补半桥（弯曲桥路），温度互补半桥（泊松

16、比桥路），温度互补半桥（泊松比桥路），温度互补全桥（弯曲电路），温度互补全桥（弯曲电路），温度互补全桥（弯曲泊松比），温度互补全桥（弯曲泊松比），温度互补全桥（泊松比桥路）全桥（泊松比桥路） ，温度互补，温度互补4r2(1)r 2(1)r 3.3.3 机测法机测法 定义： 利用机械式测试仪器来实现对应变的测量 常用仪器： 手持式应变仪 接触式应变仪手持式应变仪手持式应变仪 手持式应变仪手持式应变仪 手持式应变仪构造原理1刚性的金属杆；2插轴（尖形）；3薄钢片；4千分表；5-千分表的测杆；6刚性的金属杆213L546平均应变LL接触式应变计接触式应变计 接触式应变计测装置1金属夹头；2顶杆；3位

17、移计；4试件12341）平均应变2）精度高于手持式LL千分表千分表 10090807060504030208712365千分表构造图 1短针齿轮；2齿轮弹簧；3长针；4测针5一测杆弹簧；6，7齿轮；8一齿条；9一颈箍；10一顶头910千分表千分表 构造： 千分表由测杆、齿轮、弹簧、指针和度盘等各种零部件组合而形成四个机构：传感机构（千分表中的触杆）转换机构（千分表中的大小齿轮及弹簧）指示机构（千分表中的指针）机体和保护部分工作原理及特点工作原理及特点机测法工作原理：机测法工作原理：将测区长度的变化通过千分表的测杆传递给一组齿轮，通过齿轮将长度的变化进行放大并改变方向，转换为指针在刻度盘上的转动

18、并指示出值，进而计算出应变值。机测法特点：机测法特点：安装便捷，读数方便、准确度高、对环境的适应性强，即一般不受温湿度影响，以及电磁场的干扰，性能可靠，但灵敏度不高，需要人工测读、速度慢、工作量大。 3.3.4 光测法光测法 定义： 利用光的某些特性如波长的变化与应变之间的转换关系，通过光的波长的变化来实现对应变的测量 传感器：光纤布拉格光栅传感器 （fiber optic Bragg grating strain sensor） 表面式光纤应变传感器表面式光纤应变传感器内埋式光纤应变传感器内埋式光纤应变传感器表面式温度光纤传感器表面式温度光纤传感器内埋式光纤温度传感器内埋式光纤温度传感器3.

19、3.5 应变数据处理应变数据处理应力应变转换关系应力应变转换关系 单向应力场 钢材 1）采用规范弹模计算：2）利用实测应力应变曲线确定： E3.3.5 应变数据处理应变数据处理应力应变转换关系应力应变转换关系混凝土混凝土 1）曲线确定法 2）用初始的弹性模量值计算 E3.3.5 应变数据处理应变数据处理应力应变转换关系应力应变转换关系混凝土混凝土 3）假设曲线法 020002hhhahRphphahR00015. 01020200hLLhLhLhR3.3.5 应变数据处理应变数据处理应力应变转换关系应力应变转换关系双向应力场双向应力场 1）点应变 双向应力场中，任意角度的应变值： 取其极值，可

20、得主应变大小及方向： cossinsincos22xyyx2200222xyyxyxyxxytg23.3.5 应变数据处理应变数据处理应力应变转换关系应力应变转换关系双向应力场双向应力场 2）点应力 双向应力场中，任意角度的应力值： 取其极值，可得主应力大小及方向： 2sin2cos22xyyxyx220022xyyxyxyxxytg2203.3.5 应变数据处理应变数据处理应力应变转换关系应力应变转换关系双向应力中，应力应变关系双向应力中，应力应变关系 或)(1yxxE)(1xyyExyxyxyEG)1 (2)(12yxxE)(12xyyE3.3.5 应变数据处理应变数据处理应力应变转换关系

21、应力应变转换关系举例45度应片花的计算 1R2R3R45yxyyxx904502121213.3.5 应变数据处理应变数据处理应力应变转换关系应力应变转换关系举例60度应片花的计算 60R32RR1xyyxxyyxx4343414343411206003.4 位移测量仪器位移测量仪器线位移传感器线位移传感器 测量量：结构的反应、结构的作用、支座位移 测量仪器：1）机械百分表（千分表） 2）电子百分表（千分表） 3）滑阻式传感器 4）差动式传感器 5）直尺3.5 力值测量仪器力值测量仪器测量仪器：力传感器、液压传感器所测量：作用力、支座反力种类：1）钢环拉力计 2）环箍式压力计 3）钢丝张力测力计 4）筒式拉压传感器 5）压力传感器 6）拉力传感器3.6 裂缝测量裂缝测量结构和构件的裂缝发生、发展、裂缝位置、分布、长度和宽度是反映结构性能的重要指标。对混凝土和砌体结构，裂缝往往是结构破坏的前兆和标志裂缝测量的内容：裂缝测量的内容：1）开裂；2）宽度测量发现开裂的方法：发现开