建筑结构试验课件第二章-结构试验设计

第二章结结构试验设设计主要内容2.1概述2.2试件设计2.3结构试验的的模型设计计2.4结构试验荷荷载设计2.5结构试验的的观测设计计2.6材料的力学学性能与结结构试验的的关系2.7结构试验大大纲和试验验基本文件件第二章结结构试验设设计第二章结结构试验设设计教学内容:1．试件和模模型设计：：包括相似似理论，试试件模型设设计，模型型材料，注注意的问题题；2．荷载设计计：包括荷荷载图式，，加载程序序，等效荷荷载；3．测试方案案：包括测测试项目，，测点的选选择和布置置，测量仪仪器的选择择；4．测试报告告；5．试验中的的安全措施施。第二章结结构试验设设计第二章结结构试验设设计重点：试件模型型设计，荷荷载图式，，加载程序序，等效荷荷载，测点点的选择和和布置，测测量仪器的的选择。教学要求1．熟练掌握握试件模型型设计；2．熟练掌握握荷载图式式，加载程程序，等效效荷载；3．熟练掌握握测点的选选择和布置置，测量仪仪器的选择择；4．熟练掌握握试验中的的安全措施施；5．掌握模型型材料，测测试报告；；6．了解相似似理论，注注意的问题题。第二章结结构试验设设计2.1结构试验设设计概述结构试验全全过程包括括：试验设设计、试验验准备、试试验实施和和试验分析析等几部分分。结构构试验设计计定义(P9)：♦对结构试试验进行全全面的设计计与规划；；♦设计的计计划和试验验大纲对试试验起着统统管全局和和具体指导导的作用。。第二章结结构试验设设计2.1结构试验设设计概述试验设计的的主要内容容（以简支支梁试件设设计为对象象）(1)确定试验参参数，结合合试验经费费与时间，，进行试件件设计。如适筋梁试试验：强剪剪弱弯原则则、板的抗抗剪问题、、梁截面尺寸的确定定、经济配配筋率问题题。(2)加载设计。支承条件、、加载方式式（等弯矩矩段）、加加载设备、、加载制度（荷载与与位移混合合控制）。。(3)观测设计。P-Δ、挠度、裂裂缝、应变变、曲率等等。尽可能能多地测量量内容，充分利利用试验。。第二章结结构试验设设计2.1结构试验的的试件设计计♦缩尺模型与与足尺模型型缩尺模型必必须满足严严格的相似似条件。♦试件设计的的内容及要要求内容：试件件形状的选选择、试件件尺寸与数数量的确定定、构造措措施等；要求：结构构与受力的的边界条件件、试验的的破坏特征征、试验的的加载条件件。第二章结结构试验设设计2.1结构试验的的试件设计计2.2.1试件形状基本本原则：受受力条件和和边界条件件的模拟。。如框框架节点的的试验方案案，板柱结结构的受力力特征（板板带宽度的的选取）。。2.2.2试件尺寸尺寸寸效应（构构件与结构构）；混凝凝土抗压强强度试验100×100×1000.95150×150×1501.0200×200×2001.05第二章结结构试验设设计2.1结构试验的的试件设计计2.2.3试件数量生产性试验验：按试验任任务的要求求来确定试试件数量。。科研性试试验：(1)单因素根根据因素素的水平平数来确确定试件件数量；；(2)多因素采采用正交交试验设设计法来来进行试试验设计计并对试试验验结果进进行科学学分析。。多因素试试验存在在的问题题：(1)全面试验验的次数数（试件件数量））与实际际可行的的试验次次数之间间的矛盾盾。n个因素，，m个水平，，则全面面试验次次数mn。(2)实际所做做的少数数试验与与全面掌掌握内在在规律的的要求之之间的矛矛盾。第二章结结构试试验设计计2.1结构试验验的试件件设计正正交试验验设计：：指利用用事先制制好的正正交表来来安排多多因素试试验，并并进行试试验结果果分析的的一种试试验设计计方法。。♦♦正交交表是正正交试验验设计法法中合理理安排试试验并对对试验结结果进行行统计分分析的一一种特殊殊表格。。♦♦常用正交交表有L4(23)、L9(34)、L12(31×24)等。试验次数数因素的水水平数因素数第二章结结构试试验设计计2.1结构试验的试试件设计正交表的特点点（凡符合下下列两个特点点的表均称为为正交表）：(1)每一列中，不不同的数字出出现的次数相相等；(2)任意两列中，，将同一横行行的数字看成成有序数对（（左列的数放放在前，右列列的数放在后后）则每种数数对出现的次次数相等。如如（1、2）（1、1）（2、1）（2、2）各出现一次次。第二章结构构试验设计2.1结构试验的试试件设计L4(23)正交表第二章结构构试验设计2.1结构试验的试试件设计完全试验的试试件数量第二章结构构试验设计2.1结构试验的试试件设计L9(34)正交表第二章结构构试验设计2.1结构试验的试试件设计L12(31×24)正交表第二章结构构试验设计2.1结构试验的试试件设计正交试验结果果分析——直观分析法♦目目的：(1)确定各因素的的主次关系；；(2)确定各影响因因素的最佳水水平。♦具具体步骤：(1)填写评价指标标，将每个试试件的试验结结果填入正交交表的右栏内；(2)计算各因素的的水平效应值值Kmf、Kmf和极差Rm值。(3)比较各因素的的极差R值，根据其大大小，列出各各因素的主次关系。R值较大者，即即对试验结果果的影响较大大、即主要因素。(4)比较同一因素素下各水平的的效应值Kmf，能使使指标标达到到满意值值的为为较理理想的的水平平值。Kmf正交交表表中中m列第第f水平平相应应的的指指标标值值之之和和Kmf＝Kmf，m列第第f水平平的的重复复次次数数Rmm列中中Kmf的极极大大值值与与极小小值值之之差差第二二章章结结构构试试验验设设计计2.1结构构试试验验的的试试件件设设计计2.2.4结构构试试验验加加载载与与测测试试对对试试件件设设计计的的要要求求:试件件支支承承条条件件的的要要求求：：支支承承点点的的水水平平、、局局压压、、支支承承点点的的明明确确（（跨跨度度））。。试件件加加载载点点的的要要求求：：分分配配梁梁（（简简支支梁梁型型式式））、、局局压压。。试件件破破坏坏型型式式和和破破坏坏机机制制的的要要求求：：如如弯弯与与剪剪的的破破坏坏问问题题、、节节点点与与梁梁柱柱构构件件的的强强度度问问题题、、防防止止粘粘结结滑滑移移的的措措施施。。试验验测测量量的的要要求求：：预预埋埋件件、、预预留留孔孔道道、、预预贴贴应应变变片片。。辅助助试试件件的的要要求求：：试试件件材材料料的的材材性性试试件件、、节节点点或或局局部部结结构构构构件件的的单单体体试试件件。。第二二章章结结构构试试验验设设计计2.3结构构试试验验的的模模型型设设计计结构构模模型型设设计计要要求求按按相相似似理理论论进进行行设设计计，，以以保保证证““试试验验过过程程与与试试验验结结果果相相似似””。。♦几何何相似♦材料料相似♦物理理相似♦荷载载相似科研性试试验中常常采用小小型试件件，即缩尺模型型。第二章结结构试试验设计计2.3结构试验验的模型型设计相似原理理相似原理理是研究自自然界相相似现象象的性质质和鉴别别相似现现象的基基本原理理，由三三个相似似定理组组成：♦第一相似似定理：彼此相相似的现现象，单单值条件件相同，，其相似似准数也也相同，，由牛顿顿在1786年首先提提出，它它确定了了相似现现象的性性质。♦第二相似似定理：某一现现象各物物理量之之间的关关系方程程式，都都可表示示为相似似准数之之间的函函数关系系。相似似准数常常用π表示。第第二相似似定理也也称π定理，为为模型设设计提供供了理论论基础。。♦第三相似似定理：现象的的单值条条件相同同，并且且由单值值条件导导出的相相似准数数相等，，是现象象彼此相相似的充充要条件件。第二章结结构试试验设计计2.3.1模型的相相似要求求和相似似常数相似常常数的的独立立性几何相相似要求模模型和和真型型之间间所有有对应应部分分尺寸寸成比比例。。Sl（长度度）、、SA（面积积）、、Sw（抗弯弯模量量），，SI（惯性性矩）），Sx（位移移）、、Sε（应变变）。。质量相相似Sm（质量量）、、Sρ（比重重）。。荷载相相似SP（集中中力））、Sw（面力力）、、Sq（体力力）、、SM（弯矩矩）。。第二章章结结构试试验设设计2.3.1模型的的相似似要求求和相相似常常数物理相相似Sσ（应力力）、、Sτ（剪力力）、、Sγ（剪切切角））、SE（弹性性模量量）。。时间相相似St，时间间相似似不是是指时时刻相相似，，而是是指时时刻的的间隔隔相似似。边界条条件相相似指指模模型的的支承承与约约束条条件相相似。。初始条条件相相似针针对对动力力问题题，包包括初初始位位置、、位移移、速速度、、加速速度等等。第二章章结结构试试验设设计2.3.2模型的的相似似条件件按模型型设计计的相相似理理论确确定相相似条条件的的方法法有：：方程程式分分析法法、量量纲分分析法法。方程式式分析析法：已知知各参参数与与物理理量的的函数数关系系，并并有显显式表表达式式时。。适用用于较较简单单的物物理现现象。。量纲分分析法法：对较较复杂杂的物物理现现象，，不能能用显显式表表达来来描述述各参参数与与物理理量之之间的的函数数关系系。此此时，，物理参数的的合理选择择对模型设计计具有决定定性的作用用。取决于对该该物理现象象的正确认认识程度第二章结结构试验设设计2.3.2模型的相似似条件1、静力试验模模型的相似似条件2-262-272-28可见，相似似常数的数数目多于相相似条件的的数目，模模型设计时时须预先假假设几个相相似常数，，一般假设设几何相似似常数Sl和材料相似似常数SE。第二章结结构试验设设计2.3.2模型的相似似条件考虑自重荷荷载的模型型相似条件件:sr——为材料容重重的相似常常数①当，σm=σp，Sσ=1，Sr=1/Sl此时模型材材料很难实实现，只能能采用附加加质量方法法，但强度度与刚度须须保持不变变。②当材料相相当，Sr=SE=1，σm=Sl.σp、fm=Sl2.fp，须提高测测量精度。。第二章结结构试验设设计2.3.2模型的相似似条件2、动力试验模模型的相似似条件单自由度体体系受迫振振动的振动动方程：第二章结结构试验设设计2.3.2模型的相似似条件2、动力试验模模型的相似似条件(续)关于重力加加速度的相相似常数Sg模型试验中中的相似关关系：当选用Sg=1，而Sl一般（1/2,1/6）之间，SE/Sρ∈[1/2,1/6],这在模型选用材材料时很难难实现，通通常需对材料试级配配。当选用材料料相同，SE＝Sρ＝1，则Sg＝1/Sl，采用附加质量法法。第二二章章结结构构试试验验设设计计2.3.2模型型的的相相似似条条件件3、钢筋筋混混凝凝土土结结构构和和砌砌体体结结构构试试验验模模型型的的相相似似条条件件（（教教材材P24~25）材料料性性能能：：混混凝凝土土应应力力、、应应变变、、弹弹性性模模量量、、泊泊松松比比、、质质量量密密度度、、钢钢筋筋应应力力、、应应变变、、钢钢筋筋弹弹性性模模量量、、粘粘结结应应力力。。几何特性性：长度度、线位位移、角角位移、、钢筋面面积。荷载：集集中荷载载、线荷荷载、面面荷载、、力矩。。第二章结结构试试验设计计2.3.2模型的相相似条件件4、材料模型型模型材料料的要求求：♦相似似要求：：材料的的基本性性质相似似。♦测量量要求：：为便于于测量仪仪表有足足够的读读数，弹弹性模量量应适当当低一些些。♦材材料性性能稳稳定，，受环环境温温度、、湿度度的影影响较较小。。♦加加工制制作方方便。。第二章章结结构试试验设设计2.3.2模型的的相似似条件件5、模型材材料的的种类类：♦金金属（（一般般钢材材和铝铝合金金）：：弹性性好、、变形形量大大、泊泊松比比与钢钢筋砼砼相似似。♦塑塑料和和有机机玻璃璃：强强度大大、弹弹性模模量低低、各各向同同性、、加工工方便便、但但徐变变较大大、热热稳定定性较较差。。♦石膏：：加工容易易、成本低低、泊松比比与砼十分分接近、弹弹性模量可可人为调整整、但抗拉拉强度低、、较脆。石石膏被广泛泛用于制作作弹性模型型，也可大大致模拟砼砼的塑性性性能。♦水泥砂砂浆：相比比上述三种种材料，最最接近混凝凝土，常用用于制作砼砼薄壁结构构，此时采采用的钢筋筋为钢丝或或铅丝。♦细石混混凝土：非非弹性性能能较难模拟拟，缩尺比比例不宜太太小。主要要缺点是粘粘结应力模模拟不好，，不适用于于研究Wmax、f等第二章结结构试验设设计2.4结构试验荷荷载设计结构试验荷荷载的分类类：♦按作用用形式:集中荷载、、分布荷载载。♦按作用用方向:垂直荷荷载、、水平平荷载载、任任意方方向荷荷载。。♦单单调荷荷载、、重复复荷载载、反反复荷荷载。。♦动动力荷荷载、、静力力荷载载。第二章章结结构试试验设设计2.4结构试试验荷荷载设设计2.4.1试验加加载图图式定义：：试验荷荷载在在试验验结构构上的的布置置形式式（包包括荷载类类型与分布情情况）试验加加载图图式要要与结结构设设计计计算时时荷载载图式式一致致。第二章章结结构试试验设设计2.4结构试试验荷荷载设设计2.4.1试验加加载图图式在试验验时常常采用用不同同于设设计计计算的的荷载载图式式：对设计计计算算时采采用的的荷载载图式式的合合理性性用所所怀疑疑，因因此在在试验验时采采用某某种更更接近近于结结构实实际受受力情情况的的荷载载布置置方式式。在不影影响结结构的的工作作和试试验成成果分分析的的前提提下，，由于于受试试验条条件的的限制制和为为了加加载的的方便便，改改变加加载图图式。。第二章章结结构试试验设设计2.4结构试试验荷荷载设设计2.4.2试验加加载装装置的的设计计保证试试验正正常进进行，，对试试验加加载的的设备备装置置，必必须进进行专专门的的设计计。使使用现现有设设备时时对装装置的的强度度刚度度进行行复核核计算算。对于加加载装装置的的强度度，首首先要要满足足试验验最大大荷载载的要要求，，保证证有足足够的的安全全储备备，同同时要要考虑虑到结结构受受载后后有可可能使使局部部构件件的强强度有有所提提高。。（见见教材材P26~27）第二章章结结构试试验设设计2.4结构试试验荷荷载设设计2.4.2试验加加载装装置的的设计计试验加加载装装置包包括♦竖竖向加加载装装置：：荷载载架♦水水平加加载装装置：：反力力架、、反力力墙（（砼制制）♦其其他加加载装装置：：(1)荷载传传递装装置分分配梁梁、垫垫块或或垫梁梁、滑滑动轴轴承等等；(2)荷载支支承装装置支支座（（固定定式、、滑动动式、、铰接接式、、滚动动式））、支支墩。。第二章章结结构试试验设设计2.4结构试试验荷荷载设设计2.4.2试验加加载装装置的的设计计试验加加载装装置的的基本本要求求：♦满足最最大试试验荷荷载的的要求求，并并有一一定的的安全全储备备50～100％；♦满足足自身刚刚度的要要求；♦符合试验验结构的受力力条件，能模模拟试验结构构的边界条件件和变形条件件；♦满足试件件的支承条件件：如支承点点的摩擦力影影响使实际弯弯矩减小；♦构造简单单，加工、组组装方便。第二章结构构试验设计2.4结构试验荷载载设计2.4.3结构试验的加加载制度定义：结构试验中中控制荷载与与加载时间的的关系。结构试验的加加载制度分类类：♦单调静力力加载：预加加载、预定荷荷载、破坏荷荷载♦伪静力加加载：荷载与与位移混合的的低周反复加加载（见后图图）♦伪动力加加载：由计算算控制，按地地震位移反应应时程曲线加加载♦抗震动力力加载：按模模拟地震时地地面运动加速速度地震波加加载《混凝土结构试试验方法标准准》(GB50152—92)《建筑抗抗震试试验方方法规规程》(JGJ101-96)第二章章结结构试试验设设计2.4结构试试验荷荷载设设计2.4.3结构试试验的的加载载制度度低周反复复加载制制度第二章结结构试试验设计计2.5结构试验验的观测测设计观测设计计的内容容：确确定测试试项目、、选择测测点位置置、选择择测试仪仪器和测测试方法法。2.5.1观测项目目的确定定试件在荷荷载作用用下的变变形分为为以下两两类：♦整体体变形：：能够反反映试件件的整体体工作性性能，如如P-Δ、P-γ曲线。♦局部部变形：：ε、ωmax、f、τ-s曲线等。第二章结结构试试验设计计2.5结构试验验的观测测设计2.5.2测点的选选择与布布置测点的选选择♦一表表一个试试验数据据；♦测量量的点位位愈多愈愈能了解解结构的的应力、、应变情情况；♦在满满足试验验目的下下，测点点宜少不不宜多，，节约仪仪器设备备，避免免人力浪浪费，提提高效率率，保证证质量。。第二章结结构试试验设计计2.5结构试验验的观测测设计2.5.2测点的选选择与布布置测点的布布置原则则♦满足足试验要要求为目目的，宜宜少不宜宜多；♦测点点的位置置要有一一定的代代表性；；♦应布布置一定定量的校校核性测测点（受受力明确确的部位位）；♦测点点的布置置应便于于试验时时操作和和测读。。第二章结结构试试验设计计2.5结构试验验的观测测设计2.5.3仪器的选选择与测测读的原原则（教教材P30）仪器的选选择：1、符合测量量精度与与量程，，相对误误差±5%；2、满足最最大应变变和挠度度，最大大被测值值小于80%；3、自重轻轻、体积积小、不不影响结结构的工工作；4、测读方方便，宜宜采用自自动记录录装置；；5、测量一一起型号号规格尽尽量少；；6、动测时时，仪表表的线性性范围频频响特性性和相位位特性。。第二章结结构试试验设计计2.5结构试验验的观测测设计2.5.3仪器的选选择与测测读的原原则（教教材P30）测读原则则：1、按程序序进行，，测定方方法与试试验方案案、加载载程序有有关。2、全部仪仪器的读读数必须须同时进进行，每每人读测测仪器数数量不宜宜太多；；3、观测时时间选择择加载间间歇时间间内，每每次加载载后某一一时刻开开始测读读，到下下一级加加载前再再测读；；4、当荷载载维持较较长时间间不变时时，按规规定时间间测读；；5、测读时时记录环环境温度度；6、重要数数据边记记录，边边整理，，计算每每级荷载载下的读读数差，，与预计计理论值值比较。。第二章结结构试试验设计计2.6材料的力力学性能能与结构构试验的的关系2.6.1概述结构设计计中最基基本的公公式R≥S♦R需要试件件材料的的基本力力学性能能数据：：♦抗震震试验中中尚需要要考虑周周期性反反复荷载载下的材材料本构构关系（（见下图图）。第二章结结构试试验设计计2.6材料的力力学性能能与结构构试验的的关系2.6.1概述包兴格效效应：钢钢材在拉拉（压））超过弹弹性极限限后、反反面弹性性极限会会明显降降低。1887年，德国国包兴格格提出。。测定试件件材料力力学性能能的方法法：♦直接试验验法，同同条件试试件；♦间接测测定法（（非破损损试验法法或半破破损试验验法），，回弹仪仪、超声声波法等等。第二章结结构试试验设计计2.6材料的力力学性能能与结构构试验的的关系2.6.2材料试验验结果对对结构试试验的影影响真正的试试件材性性很难准准确测得得：1、混凝土土弹性模模量平均均值波动动10%；混凝土土强度波波动10%；钢筋强强度波动动5~10%；2、模版尺尺寸、形形状、浇浇筑、振振捣、砌砌筑、养养生的影影响。第二章结结构试试验设计计2.6材料的力力学性能能与结构构试验的的关系2.6.3试验方法法对材料料强度指指标的影影响试件尺寸寸与形状状的影响响：尺寸寸效应（（加载面面的约束束及内部部缺陷））试验加荷荷速度（（应变速速度）的的影响钢筋：强强度随加加荷速度的提高高而增大大第二章结结构试验设设计2.6材料的力学学性能与结结构试验的的关系2.6.3试验方法对对材料强度度指标的影影响混凝土：随随加荷速度度的增加而而提高其强强度和弹性性模量混凝土的抗抗压试件试试验中，加加荷速度使使截面应力力变化从每每秒0.25MPa提高到每秒秒7MPa,抗压强度指指标增长9%；当从0.25MPa/s的应力降低低到