建筑结构试验第一章课件

1、建筑结构试验建筑结构试验华北水利水电大学土木与交通学院华北水利水电大学土木与交通学院20201 14.054.05 建筑结构试验：建筑结构试验：对建筑结构或者是它的构件施加一定的荷载（广义），然后用现代的测试手段对它引起来的各种反应等进行测量，通过这些测量来观测结构对荷载的反应能力，考查结构是否符合使用和设计要求，同时，也可以通过观测，来得到荷载与它产生的变形之间的关系，为计算提供实践根据。 建筑结构：建筑结构：由工程材料构成的不同类型的承重构件相互连接的各种组合体。在一定经济条件的制约下，要求结构在规定的使用期限内和规定的使用条件下安全有效的承受外部及内部的形成的各种作用，以满足功能及使用上

2、的要求。 结构试验：结构试验：主要内容包括工程结构试验的设计、结构静力试验和动力试验的加载模拟技术、结构试验的量测技术、结构试验的量测技术、结构试验的数据采集及处理技术以及结构现场检测与评价技术。第一章 建筑结构试验概论1.1 建筑结构试验任务1.2 建筑结构试验的目的1.3 建筑结构试验的分类1.4 结构试验技术的发展1.1 建筑结构试验任务1.1.研究对象研究对象：建设工程的结构物2.2.主要任务主要任务：在试验研究对象上，以仪器设备为工具，利用各种实验为手段，在荷载或其他因素作用下，通过对结构物受作用后的性能进行观测和对测量参数进行分析，从强度、刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判明结构

3、的实际工作性能，从而对结构物的工作性能作出评价，对结构物的承载能力作出正确估计，确定结构对使用要求的符合程度，为验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。P-曲线（构件）M-关系（截面）承载力、挠度、裂缝 平截面假定验证 钢筋混凝土简支梁在静力集中荷载作用下，可以通钢筋混凝土简支梁在静力集中荷载作用下，可以通过测得梁在不同受力阶段的挠度、角变位、截面应变和过测得梁在不同受力阶段的挠度、角变位、截面应变和裂缝宽度等参数，来分析梁的整个受力过程以及结构的裂缝宽度等参数，来分析梁的整个受力过程以及结构的强度、挠度和抗裂性能。强度、挠度和抗裂性能。 所以，建筑结构试验是以试验方式测定有关数据，所以，建筑

4、结构试验是以试验方式测定有关数据，由此反映结构或构件的工作性能、承载能力和相应的安由此反映结构或构件的工作性能、承载能力和相应的安全度，为结构的安全使用和设计理论的建立提供重要根全度，为结构的安全使用和设计理论的建立提供重要根据的学科。据的学科。3.3.建筑结构试验的作用建筑结构试验的作用v是发展结构理论和计算方法的重要途径v是发现结构设计误区的主要手段v是验证结构理论的唯一方法v是建筑结构质量鉴定的直接方式v是制定各类技术规范和技术标准的基础例1 是发展结构理论和计算方法的重要途径 简支受弯梁试验（著名的路标试验） 研究简支受弯梁截面应力分布简支受弯梁试验：（路标试验）17世纪初，伽利略提出

5、截面应力均匀分布；17世纪中，有人将其修正为三角形分布；1713年，巴朗（法国）提出正确的应力分布型式，但未进行试验验证；1767年，容格密里提出路标试验；1821年，拿维叶(法国科学院院士)推导了受弯构件应力分布的计算公式；1850年，阿莫历思(法国科学院院士)完成了试验验证。例2 是发现结构设计误区的主要手段人们对于框架矩形截面柱和圆形截面柱的受力特性认识较早，在工程设计中应用最广。 20世纪80年代，出现了异形截面柱框架（“丁”型、“L”型和“十”字型）。起初误认为柱子的受力特性与柱的截面形式无关。但通过试验证明，柱子的受力特性与柱子截面的形状有很大关系，矩形截面柱的破坏特征属于拉压型破

6、坏，异形截面柱的破坏特征属于剪切型破坏。例3：是验证结构理论的唯一方法作为一门实验科学，目的是对结构物的受力性能作出评价，并为验证和发展计算理论提供依据。 当计算理论比较完善，足以分析结构物的受力特性时，则无须进行结构试验。当计算理论有待完善或分析对象为新材料、新工艺或新型结构时，则需要进行结构试验。例4：建筑结构的质量鉴定离不开结构试验防灾减灾：受到灾害（风灾、雪灾、地震）的建筑物要进行检测，评价其安全度，为加固提供依据。旧有建筑：超期或使用较长时间的建筑物，有沉降、裂缝、变形等现象，为使用者提供加固依据及加固方案。功能改造：原有建筑要改造，因使用多年后其材料性能、支承边界条件、荷载作用与原

7、始设计不同了，需要用试验检测手段提供结构设计改造的科学依据。4.4.电子计算机技术发展对结构试验学科的影响电子计算机技术发展对结构试验学科的影响 电子计算机技术的发展，不仅为用数学模型方法进行计算分析创造了条件，同时使以有限元方法为代表的数值方法得到了空前发展。 在传统的理论与试验之间提供了一条通过计算建立联系的新途径，使结构工程学科由理论-试验的两极构成变为理论、试验和计算三足鼎立的新学科结构。 与此同时，利用计算机控制的结构试验，也为实现荷载模拟、数据采集和数据处理以及整个试验实现自动化提供了有利条件，使结构试验技术的发展发生了根本变化。5.5.结构试验在工程结构学科中的作用和意义结构试验

8、在工程结构学科中的作用和意义 结构试验是以试验方式测试有关数据，反映结构或构件的工作性能、承载力以及相应可靠度，为结构的安全使用和设计理论的建立提供重要的依据。 实践是检验真理的唯一标准，科学实践是正确认识事物本质的源泉，可以帮助人们认识事物的内在规律。在结构工程学科中，需要正确认识结构的性能和不断深化该认识，结构试验是一种已被实践所证明了的行之有效的方法。1.2 1.2 建筑结构试验的目的建筑结构试验的目的建筑结构试验目的 生产检验性试验（又称鉴定性试验或检验性试验） 科学研究性试验1 1、生产检验性试验、生产检验性试验（1）特点:非探索性，有比较成熟的计算理论，针对实际结构或构件。（2）目

9、的：具有直接的生产目的，以实际建筑物或结构为试验鉴定对象，经过试验对具体结构作出正确的技术结论。（3）应用场合： 对结构的设计施工进行鉴定； 判断改建和加固的工程结构的实际承载力； 为工程事故鉴定处理提供技术依据； 对已建结构进行可靠性检验，判断和估计结构的剩余寿命； 鉴定预制构件产品的质量。上海南浦大桥秦山核电站2、科研性试验（1）特点:具有研究探索开发的性质，针对试件而不是实际结构或构件。（2）目的:验证结构设计计算的各种假定，通过制定各种设计规范，发展新的设计理论，改进设计计算方法，为发展和推广新结构、新材料及新工艺提供理论依据于实践经验。（3）应用场合： 验证结构计算理论的假定； 为制

10、定或修订设计规范提供依据； 为发展和推广新结构、新材料、新工艺提供实践经验。1.3 1.3 建筑结构试验的分类建筑结构试验的分类按照试验对象来分类：真型试验与模型试验按照荷载性质来分类：静力试验与动力试验按照试验时间来分类：短期荷载试验与长期荷载试验按照试验场合来分类：实验室试验与现场试验按照破坏程度来分类：破坏性试验与非破坏性试验一、真型试验与模型试验一、真型试验与模型试验1.真型试验试验对象：实际结构或实际的结构构件实物试验一般为生产性、非破坏性的现场试验。实际的结构构件试验，即一根梁、一块板或一榀屋架特点优点：完全反应真实结构受力特性，试验结论可靠缺点：费用高、加载难度大、试验周期长、精

11、度受环境因素干扰影响2.模型试验试验对象： 缩尺试件（按一定比例关系复制），具有实际结构全部或部分特征特点 优点：实施方便，费用低，可反复观察 缺点：严格相似条件难实现，尺寸效应分类 相似模型试验 缩尺模型试验 足尺模型试验亚洲第一、世界第三高度亚洲第一、世界第三高度的东方明珠电视塔（高的东方明珠电视塔（高468m）是高次超静定预）是高次超静定预应力钢混高塔结构。应力钢混高塔结构。在三向六自由度模拟振动在三向六自由度模拟振动台上完成了模型比例为台上完成了模型比例为1/50的电视塔结构相似模的电视塔结构相似模型的抗震动力试验。型的抗震动力试验。模型材料为在结构筒体竖模型材料为在结构筒体竖向施加预

12、应力的模型混凝向施加预应力的模型混凝土，试验测出了结构动力土，试验测出了结构动力特性及在不同烈度时的结特性及在不同烈度时的结构地震反应和结构破坏特构地震反应和结构破坏特征。征。相似模型试验 严格相似几何相似、力学相似、材料相似 用适当的比例尺和相似的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，使模型受力后重演原型结构的实际工作状态，最后按相似条件推算实际结构的工作。缩尺模型试验 不须遵循严格的相似条件，可选用与原型结构相同的材料，并按一般的设计规范进行设计和制造。将该模型的试验结果与理论计算对比校核，用以研究结构性能，验证设计假定与计算方法的正确性，并可以将试验结果所证实的一般规律

13、与计算理论推广到实际结构中去。 在各种结构设计规范的编制上，大量利用这类试验来提供数据、建立公式和制定条文。钢混结构受弯试验 上海体育馆的屋盖体系是直径为125m的圆形三向钢网架结构，采用了1/20的缩尺模型来验证该体系网架的变形和内力分布，同时探求了在理论计算中的次应力问题，试验数据与计算相符。足尺模型试验足尺模型试验 主要用于结构抗震研究的发展 对结构整体性能的试验研究，对结构构造、各构件之间的相互作用、结构整体刚度以及结构破坏阶段的实际工作进行全面观测了解。如装配整体式框架结构、钢混大板、砖石结构、异形柱框架等不同开间或不同层高的足尺结构。 为保证测试精度，防止环境因素对试验的干扰影响，

14、可将现场试验转移到实验室内进行。近年来国内大型结构实验室已考虑此类试验的建设。港珠澳大桥埋置承台足尺试验研究项目港珠澳大桥埋置承台足尺试验研究项目（港珠澳沉管预制足尺模型试验混凝土浇筑）（港珠澳沉管预制足尺模型试验混凝土浇筑）二、静力试验与动力试验二、静力试验与动力试验1.1.结构静力单调加载试验结构静力单调加载试验 是结构试验中最大量最常见的基本试验，主要研究结构强度、刚度和抗裂性和破坏机理。加载过程在短时间内对试验对象进行平稳地连续施加荷载，荷载从“0”开始一直加到结构构件破坏或达到预定荷载，或是在短时期内平稳地施加若干次预定的重复荷载后，再连续增加荷载直到结构构件破坏。特点优点：加载设备

15、简单，荷载可逐步施加，试验观测方便，给人以明确而清晰的破坏概念。 例：对承受动力荷载的结构为了解结构静力荷载下其工作特性，在动力试验前应先进行静力试验，如结构疲劳试验。缺点：不能反映应变速率对结构性能的影响，不能反映结构动力性能。例：在结构抗震静力试验中静力试验的结果与任意一次确定性非线性地震反应相差较大。目前，采用计算机与加载器联机试验系统可以弥补这一缺点，但每个加载周期远远大于实际结构的基本周期。2.2.结构动力试验结构动力试验 对于在实际工作中主要承受动力作用的结构，为了了解结构在动力荷载下的工作性能，可通过动力加载设备直接对结构施加动力荷载。特点优点：能真实反映结构动力特性和动力响应缺

16、点：加载设备和测试手段复杂分类 结构动力特性试验 结构动力反应试验 结构疲劳试验结构动力特性试验结构动力特性试验 指结构受动力荷载激励时，在结构自由振动或强迫振动下，量测结构自身所固有的动力性能的试验。 试验可以采用人工激振法（自由振动法、强迫振动法）或环境随机激振法，量测结构的自振频率、阻尼系数、振型等基本参数（也称动力特性参数）。 例：环境随机振动法测索力-随着大跨和特大跨斜拉桥的出现,斜拉索每延米的重量一般已超过50kg,甚至达到100kg,长度超过 100m,甚至达到 300m。在这种情况下,对拉索已不可能用人力激振,来获得理想的振态,测定索频;也不适宜预先进行实索标定,求得索力和频率

17、相关关系。结构动力反应试验结构动力反应试验 指结构在动力荷载作用下，量测结构或特定部位动力性能参数和动态反应的试验。包括振幅、频率、速度、加速度、动应变、动挠度等 主要表现在：抗爆试验；桥梁上驶过汽车、列车时引起的跳车试验；高耸建筑在风载下的抗风试验；结构疲劳试验结构疲劳试验 指结构在等幅稳定、多次重复荷载下，为测试结构疲劳性能而进行的动力试验。量测的疲劳性能参数有疲劳强度和疲劳寿命，即量测多次重复荷载下的结构疲劳破坏时的强度值和荷载的重复次数。 例：工业厂房的吊车梁、预应力构件的锚具、悬挂吊车的屋架等均需进行疲劳试验。3.3.结构抗震试验结构抗震试验 是在地震或模拟地震荷载作用下研究结构抗震

18、能力的专门试验。 周期性抗震试验-偏重于结构抗震性能的研究和评定。 非周期性抗震试验-偏重于对结构抗震能力的研究和评定。 低周反复静力试验（周期性）低周反复静力试验（周期性） 拟动力试验（非周期性）拟动力试验（非周期性） 地震模拟振动台试验（非周期性）地震模拟振动台试验（非周期性）低周反复静力试验低周反复静力试验又称拟静力试验，是抗震试验的一种。控制结构变形或控制施加荷载，由小到大对试验对象施加多次低周反复作用的力或位移，次数反复不是很多，但是荷载加载比较大，可以形成结构在正反两个方向加载和卸载的过程，使建筑物左右摆动，来模拟地震对结构的作用，并评定结构的抗震性能和能力。可以应用于各种结构的抗

19、震性能研究。可以用来比较或验证抗震构造措施的有效性和确定结构的抗震极限承载力。由于其加载周期远大于结构自振周期，故属于静力试验的范围。低周反复静力试验特点该方法突出优点是它的经济性和实用性，因此应用具有广泛性；对试验设备要求较低；在试验过程中可以随时停下来观测试件的开裂和破坏状态，检验校核试验数据和仪器工作情况，并根据试验需要改变加载历程；试验的加载历程是研究者预先确定的，与实际地震作用历程无关，另外由于加载周期长，不能反映实际地震作用时应变速率的影响。拟动力试验拟动力试验又称为“伪动力试验”或“计算机-加载器联机试验”。是将计算机计算和控制与结构试验有机地结合在一起的一种试验方法。试验加载可

20、按输入地面运动加速度时程，控制加载器施加荷载。它是一种边分析边试验的抗震研究方法。可研究结构的恢复力特性，结构的加速度反应和位移反应、结构的开裂、屈服和破坏全过程，完成荷载模拟、试验加载、数据采集和分析计算等，由闭环控制实现试验自动化。拟动力试验特点在整个数值分析过程中不需要对结构的恢复力特性作任何假设，直接从试件上实时取得，这对于分析结构弹塑性阶段的性能特别有利；由于拟动力试验加载周期可设置较长时间，因此同样有条件给试验者足够时间来观测结构性能变化和受损破坏的过程，从而获得比较详尽的数据资料；由于拟动力的加载器作用力较大，可进行大比例尺试件的模拟地震试验，从而弥补小比例模型的尺寸效应，并能较

21、好的反映结构的构造要求；拟动力与拟静力试验方法的区别 拟动力试验的加载过程是拟静力的，但它与拟静力试验方法存在本质的区别，拟静力试验每一步的加载目标(位移或力)是已知的，而拟动力试验每一步的加载目标是由上一步的测量结果和计算结果通过递推公式得到的。因此，试验结果代表了结构真实的地震反应，这也是拟动力优于拟静力之处。地震模拟振动台试验地震模拟振动台试验 主要进行结构物的地震模拟试验，配合先进的测试仪器设备和数据采集分析系统，即可以在振动台台面上再现天然地震记录，使结构抗震试验水平得到提高，又促进了结构抗震研究工作的发展。 主要用于检验结构抗震设计理论、方法和计算模型的正确与否，尤其是许多高层结构

22、和大型桥梁结构、海洋结构都是通过缩尺模型的模拟振动台试验来检验设计和计算结果的。地震模拟振动台试验特点再现各种形式的地面运动加速度记录，模拟结构受地震作用从弹性到弹塑性到破坏的过程和破坏现象。能再现各种形式的地震波，为试验多波输入分析提供了可能；可以模拟若干次地震现象的初震、主震及余震的全过程的全过程，因此能够了解试验结构在相应各个阶段的力学性能，从而直观了解和认识对结构产生的破坏现象；可以借助人工地震波的研究及输入，模拟在任何场地上的地面运动特征，进行结构随机振动分析；一些特种结构，特别是与其他结构共同作用时，振动台试验可以帮助我们获得感性认识，并提供建立力学模型的根据。三、短期荷载试验与长期荷载试验三、短期荷载试验与长期荷载试验短期荷载试验一般试验全过程持续几分钟到几天优点：加载设备简单，试验观测方便缺点：不能反映结构动力性能 备注：实际上，主要承受静力荷载的结构上的荷载大部分是长期作用的，由于客观因素或技术的限制，不得不大量