简支梁结构试验

“简支梁（跨度32m）静、动载试验方案”摘要：为了获得简支梁在荷载作用下的承载力、抗裂度和各级荷载作用下的挠度及裂缝开展情况，需对简支梁进行静、动载试验，通过测定其应变、挠度和裂缝宽度来评定其承载力指标、挠度指标和裂缝等级指标。关键词：静载试验、动载试验、应变测量、挠度测量、裂缝测量一，工程概况及试验要求简支梁属于一般受弯构件，所以试验主要测试其跨中截面最大弯矩工况。对于简支梁，试验要求测定其承载力、抗裂度和各级荷载作用下的挠度及裂缝开展情况。二，实验目的及依据1，实验目的对该简支梁结构进行试验有一定的目的，根据不同的试验目的，结构试验可以分为生产性试验和科研性试验。生产性试验常用来解决以下问题：综合鉴定重要工程和建筑的设计与施工质量，对已建结构进行可靠性检验以推断和估计结构的剩余寿命，工程改建和加固时通过试验判断结构的实际承载能力，处理受灾结构和工程质量事故时通过实验鉴定提供技术依据，鉴定与质结构的产品质量；科研性实验可以用来验证结构计算理论的假定以及为发展推广新结构、新材料与新工艺提供实践经验。2,实验依据结构试验的主要参数包括外力（支座反力、外荷载）、内力、变形（挠度、转角、曲率）、裂缝等，相应的量测仪器包括荷载传感器、电阻应变仪、位移计、读数显微镜等。应变测量用电阻应变计，其量测依据是惠斯通电桥，利用惠斯通电桥测出输出电压，从而得出构件的应变值；力的测量是利用传感器感受力引起的应变量，将其转换为电阻，再把应变片接入桥路，则电桥的输出变化就正比于被测力的变化；裂缝的量测是利用读数显微镜，实验前先用石灰浆刷在试件的表面并待其干燥，试件受荷后便在石灰涂层表面留下裂缝，通过显微镜就可以读出裂缝的宽度。三，试验所需设备及测试断面选择1，试验所需设备大部分结构试验是在模拟荷载条件下进行，本实验的简支梁当然也不例外，因而如何模拟以及模拟荷载与实际荷载的吻合程度对试验成功与否非常重要。结构实验中荷载的模拟方法、加载设备有很多种。在静力试验中有利用重物直接加载法、通过重物与杆杆作用的间接加载的重力加载法；利用液压加载器（千斤顶）、液压加载系统（液压试验机、大型结构试验机）的液压加载法；利用吊链、卷扬机、绞车、花篮螺丝和弹簧的机械加载法，以及利用气体压力的气压加载法。在动力试验中一般利用惯性力或电磁系统激振，比较先进的设备有：自动控制、液压和计算机系统相结合组成的电液伺服加载系统和由此作为振源的地震模拟振动台加载等设备，以及由人工爆炸和利用环境随机激振（脉动法）的方法加载。试验加载设备应该满足以下基本要求：（1） 荷载值准确稳定且符合实际荷载作用模式及传递模式，产生的内力或在要分析部位产生的内力与设计计算等效。（2） 荷载易于控制，能够按照设计要求的精度逐级加载和卸载。（3） 加载设备本身应具有足够的承载力、刚度，确保加载和卸载安全可靠。（4） 加载设备不应参与试验结构或构件的工作，不影响结构自由变形，不影响试验结构受力。（5） 试验加载方法力求采用先进技术，减少人为误差，提高工作效率。2,测试断面选择（1） 挠度的测量简支梁的挠度值是测量数据中最能反映其综合性能的一项指标，期中最主要的是测定梁跨中最大挠度值。为了求得真正挠度，必须考虑支座沉降。如果跨中的挠度是相对地面进行测定的话，则同时还必须测定梁两端支承处相对同一地面的沉降值，所以最少要选择三个断面布置三个测点。（2） 应变的测量简支梁试验时要测量由于弯曲产生的应变，一般在梁承受正负弯矩最大的截面或弯矩有突变的截面上布置测点。为了校核试验的正确性及便于整理实验结果时进行误差修正，经常在梁的端部凸角上的零应力处设置少量测点，以检验量测过程是否正确。（3） 裂缝测量对于钢筋混凝土简支梁，在实验时，经常需要测定其抗裂性能。一般垂直裂缝产生在弯矩最大的受拉区段，因此在这一区段截面连续设置测点。四，静载试验方案静载试验的加载过程是使荷载从零开始逐步递增一直加到试验某一预订目标或破坏为止，也就是在一个不长的时间段内完成试验加载的全过程。现对简支梁进行静载试验。1，试件的安装和加载方法简支梁是受弯构件中的典型构件，也是土木工程中的基本承重构件。因而在试验安装时多采取正位试验，其一端采用铰支座，另一端采用滚动支座。为了保证构件与支承面的紧密接触，在支墩与钢板、钢板与构件之间应用砂浆找平。由于梁所受的荷载较大，当施加集中荷载时可以用杠杆重力加载，更多的则采用液压加载器通过分配梁加载，或用液压加载系统控制多台加载器直接加载。构件试验时的荷载图式应符合设计规定和实际受荷情）兄。为了试验加载的方便或受加载条件限制时，可以采用等效荷载图式，使试验构件的内力图与实际内力图形相等或接近，并使两者最大受力截面的内力值相等。在简精彩文档支梁试验中，经常利用几个集中荷载来代替均布荷载，如下图采用在跨度四分点加两个集中荷载的方式来代替均布荷载，并取试验梁的跨中弯矩等于设计弯矩时的荷载作为梁的试验荷载，这时支座截面的最大剪力也可以达到均布荷载的剪力设计数值。当然，如能采用四个集中荷载来加载试验，则会得到更满意的效果。图1，等效荷载加载图式采用上列等效荷载试验能较好地满足M与V的等效，但试件的变形（刚度）不一定满足等小条件，应考虑修正。2,试验项目和测点布置如前所诉，简支梁的试验一般测定构件的承载力、抗裂度和各级荷载作下的挠度及裂缝的开展情况。（1）挠度的测量为了求得梁的正真挠度，试验必须考虑支座沉陷的影响。实验时由于荷载的作用，其两端的支座常常会有沉陷，以至于使梁产生刚性位移，所以至少要布置三个测点，测点布置图2（a）所示。图2（a） 梁的挠度测点布置对于跨度较大（大于6000mm）的梁，为了保证测量结果的可靠性，并求得梁在变形后的弹性挠度曲线，测点应增加至5—7个测点，并沿梁的跨间对称布置，如图2（b）所示。图2（b） 梁的挠度测点布置（2）应变的测量简支梁一般在梁承受最大正负弯矩最大的截面或弯矩有突变的截面上布置测点。如果只需要求测量弯矩引起的最大应力，则只需在截面上下边缘纤维处安装应变计即可。对于钢筋混凝土梁，由于材料的非弹性性质，截面上的应力分布往往是不规则的。为了求得截面上应力分布的规律和确定中和轴的位置，就需要增加一定数量的应变测点，而且测点愈多，则中和轴的位置越准确，截面上应力分布的规律也愈清楚。试验简支梁测量应变的测点布置图如图3所示PPPP图3 简支梁测量应变的测点布置图截面1-1测量纯弯曲区域内正应力的单向应变测点截面2-2测量剪应力与主应力的应变网络测点（平面应变）截面3-3两端零应力区校核测点（2）裂缝测量对于钢筋混凝土简支梁试验，经常需要测定其抗裂性能。一般垂直裂缝产生在弯矩最大的受拉区段，因此在这一区段内连续设置测点，如图4（a）所示。q图4（a）简支梁受拉区抗裂测点布置图4（a）所示的测点布置对于选用手持式应变仪测量最为方便。如果采用千分表或者电阻应变仪，由于各仪器的不连续性，为防止裂缝正好出现在两个仪器的间隙内，通常将仪器交错布置，如图4（b）所示。裂缝未出现以前，仪器的读书是逐渐变化的，如果构件在某级荷载作用下开裂时，则跨越测点的仪器读数将会有较大的跳跃，此时相邻的测点仪器读数可能变小，有时甚至会出现负值，而荷载应变曲线会产生突然转折的现象。混凝土的细微裂缝，常常不能用肉眼观察到，如果发现上述现象，即可判明已经开裂。至于裂缝的宽度，则可根据裂缝出现前后两级荷载所产生的仪器读数差值来表示。当裂缝用肉眼可见时，其宽度可用最下刻度为0.01mm及0.05mm的读数放大镜测量。斜截面上的主拉应力裂缝，经常出现在剪力较大的区段内。由于混凝土梁的斜裂缝约与水平轴成45°左右的角度，则仪器标距方向应与裂缝方向垂直。本实验中，简支梁构件中测定裂缝的裂缝数目一般不少于3条，包括第一条出现的裂P P图4（b）简支梁受拉区抗裂测点布置缝以及开裂最大的裂缝，凡测量宽度的裂缝部位应在试件上标明并编号，各级荷载下的裂缝宽度数据应记在相应的记录表格上。每级荷载下出现的裂缝均需在试件上标明，即在裂缝的尾端注出荷载级别或荷载数量。以后每加一级荷载后裂缝长度扩展，需在裂缝新的尾端注明相应荷载，由于卸载后裂缝可能重合，所以应仅靠裂缝的边缘1—3mm处平行画出裂缝的位置起向。试验完毕后，根据上述标注在试件上的裂缝绘出裂缝展开图。五，动载试验方案结构在动力荷载作用下的响应不仅与荷载的大小和荷载的形式有关，而且与结构自身的特性关系密切。例如在受到冲击荷载作用时，结构开始振动，荷载停止作用后，结构仍然会继续振动很长时间，振动的形式与结构自身的特性密切相关。因此，研究简支梁结构在动力荷载作用下的响应必须首先研究结构的自身动力特性。结构自身的动力特性包括结构的自振频率、自振周期、振型、阻尼等特性，这些特性是结构自身固有的振动参数，它们取决于结构的组成形式、质量及刚度分布、构造及连接方式等等。虽然结构结构的自振周期和振型可以通过计算得到，但是真实结构的组成、材料特质和连接方式等因素与理论计算时采用的数值有一定的误差。因此，通过实验手段来研究结构的动力特性具有重要的意义。用实验测定结构的动力特性，首先应使结构起振，通过分析记录到的结构振动形态，获得结构动力特性的基本参数。结构动力特性试验方法有迫振方法和脉动试验方法两大类。迫振方法是对被测结构施加外界激励，强迫结构振动，根据结构的响应获得结构的动力特性。常用的迫振方法有：自由振动法和共振法。动脉试验方法是利用地动脉对建筑物引起的振动过程进行记录分析以得到结构动力特性的试验方法，这种试验方法不需要对结构另外施加外界激励。对于被实验中的简支梁结构进行动力试验，采用迫振方法。1，自由振动法自由振动是设法使结构产生自由振动，通过分析记录仪记录下的有衰减的自由振动曲线，获得结构的基本频率和阻尼系数。使结构产生自由振动的方法很多，通常可以采用突然加荷和突然卸荷法，在现场试验中还可以使用反冲击激振器对结构产生冲击荷载，使结构产生自由振动。采用自由振动法测量结构的动力特性，拾振器一般布置在振幅较大处，最好在结构中多布置几点，以便观察结构的整体振动情）兄。应用自由振动法量测就够自由振动的量测系统如图5所示，记录曲线如图6所示。自由振动量测系统AI―I―I―I―I―I―I―I―I 时标信号图6自由振动时间历程曲线从实测得到的有衰减的结构自由振动时间历程曲线上，可以根据时间信号直接测出基本频率，两个相位相同的相邻点的时间间隔即为一个周期。为了消除荷载的影响，一般不用最初的一、两个波。同时为了提高精度，精彩文档实用标准文案可以取若干个波的总时间除以波数得出平均数作为基本周期，其倒数即为基本频率。结构的阻尼特性用对数衰减率或临界阻尼比表示，由于实测的振动记录一般没有零线，因此在测量阻尼时采用从峰到峰的方法，这样方便而且精度高。由自由振动法测得到的周期和阻尼系数均比较准确，但其缺点是只能测得基本频率。2,共振法共振现象就是结构在受到与其自振周期一致的周期荷载激励时，若结构的阻尼为零，则结构的响应随着时间的增加为无穷大；若结构的阻尼不为零，则结构的响应也较大。共振法就是利用结构的这种特性，使用专门的激振器，对结构施加简谐荷载，使结构产生稳态的强迫振动，借助对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性的基本参数。采用共振法对结构进行动载试验时，连续改变激振器的频率，使结构产生第一次共振、第二次共振、第三次共振……，就可以得到结构的第一阶频率、第二阶频率、第三阶频率等。共振曲线如图7所示。由于阻尼振动结构的频率反应受到阻尼的影响，因此可以从振幅一频率曲线的特性求得阻尼系数。曲线上峰值对应的频率即为结构的固有频率。阻尼系数为： 212,临界阻尼比： 。图7共振曲线图7共振曲线六，试验评价指标简支梁结构试验的检验指标包括有：承载力检验、挠度检验、抗裂检验和裂缝宽度检验。根据结构性能检验的要求，对被检验的构件，应按承载力、挠度、抗裂和裂缝宽度进行性能检验，并应按下列规定进行评定：1，对本实验而言，当简支梁结构性能检验的全部检验结果的标准要求时，该构件的结构性能评定为合格。当第一次构件的检验结果不能全部符合标准要求，但能符合第二次检验要求时，可以再抽两个试件进行检验。第二次检验时，对承载力和抗裂检验要求降低5%;对挠度检验提高10%;对裂缝宽度不允许再作第二次抽样。对第二次抽取的第一个试件检验时，若都能满足标准要求，则可直接评为合格。若不能满足标