土木工程试验与测试技术 课件 第5章 试验加载方法与设备

5试验加载方

法与设备5.1重物加载

5.1.1重物直接加载

5.1.2杠杆加载方法

5.1重物加载

5.1重物加载

重物加载是利用物体本身的重力作为模拟荷载作用在试验结构或构件上，在实验室内可以采用的重物有专门制作的标准铸铁法码、混凝土试块、水箱等；在现场试验可以就地取材如砖、砂、石、袋装水泥等建筑材料。由于重物可以通过直接或间接的将荷载加载到结构或构件上，所以重物加载又可以分为重物直接加载和杠杆加载两种。重物直接加载是通过将重物直接均匀的摆放在试验结构上形成均布荷载，如图5-1所示或通过将重物放在荷载盘上利用吊索挂在结构上形成集中荷载如图5-2所示，后者多用在现场做屋架试验。同时吊索可以巧妙的通过滑轮结合来达到改变荷载方向方便试验的效果。需要注意的是在利用到荷载盘和吊索等装置的时候需将其重量计入。这类加载方法可以就地取材，可利用一块一块重物分级荷载，加载方便且荷载稳定，但是加载过程较为费力，占用空间，安全性差。

5.1.1重物直接加载当块体材料时，需要注意每堆重物之间应该有5~15cm间隔，重物的宽度不能超过，且当使用铁块时，为了安全和操作方便铁块的重量不要超过25kg，如图5-1所示。当采用松散材料时，为了避免因这些材料之间放在结构上时因材料本身摩擦而造成的卸载作用，须将其放在编织袋或木箱中。当采用水作为加载材料时，可以通过水的比重为1，测量虹吸其高度计算模拟荷载的大小，使用完毕，利用虹吸管原理放水卸载。这个方法可以节省劳动，但是需要注意当荷载过大时结构变形对荷载分布的影响。该方法既可以利用将水灌在桶中模拟集中荷载，也可以在楼顶等大面积地方砌上水池模拟均布荷载，如图5-3所示。

5.1.1重物直接加载1-平板试件2-防水布3-水4-水池壁5-水位标尺杠杆加载法是当加载条件收到限制，荷载量过大时，可以利用杠杆原理将荷载扩大然后作用在结构或构件上，如图5-4所示。杠杆需要有足够的平直度和刚度，可以通过支撑点、加载点和重物悬挂点的位置三点的位置距离关系确定杠杆的放大比例，且这三点尽量在同一条直线上，以避免结构变形而使原本设计的放大率发生改变。杠杆制作方便且荷载稳定，当结构变形时荷载值仍不变，适合做持久荷载试验。

5.1.2杠杆加载方法杠杆加载的装置根据平衡力的性质，分为承压平衡式和拉杆平衡式，如图5-5所示。

5.1.2杠杆加载方法有一种利用到重物加载的试验器具是杠杆式小型压缩徐变仪。杠杆式小型压缩徐变仪基本构造，如图5-6所示。杠杆式小型压缩徐变仪的基本原理是当施加模拟轴向荷载时，将仪器的横梁端部加上砝码，利用其自重并放大施加到试件上。

5.1.2杠杆加载方法5.2气压加载5.2气压加载

气压加载是利用空气压力对结构施加均布荷载的方法，常用于平板及壳体结构的荷载试验气压加载包括正压加载及负压加载两种：正压加载，通过压缩空气对结构施加压力，产生的均布荷载；

图5-7（a）为正压加载示意图，加载过程中可直接通过压力表就可反映加载值，加卸载方便，加载强度大，最高可达180kN/m2，多用于结构模型。图5-7（b）为负压加载示意图，加载过程中需根据真空表量测真空值，以此推算加载值，由连接密闭空间与外界的短管与控制阀门保持恒压。5.2气压加载5.3机械机具加载5.3机械机具加载

机械加载可以利用简单的设备施加模拟荷载，且利用到索具时也可以改变荷载的方向，但是机械荷载也有一定的局限性，不能施加较大的荷载值，也会受到结构在荷载作用点变形的影响。机械器具的加载通常有吊链、绞车、倒链葫芦、卷扬机、弹簧、螺旋千斤顶等，如图5-8所示。5.3机械机具加载

弹簧加载法是利用加载器使弹簧变形，然后再用螺母拧紧，撤掉加载器后，弹簧仍是压缩状态，利用弹簧弹力施加荷载。弹簧变形值与压力的关系要在试验前确定清楚。弹簧加载通常用于构件的持久荷载试验。弹簧式压缩徐变仪就是利用弹簧加载。

弹簧式压缩徐变仪有3根纵向承力丝杆，4个横向承压板。承力丝杆和承压板，将徐变仪分为三个区段：荷载调节（千斤顶）区段、试件持荷徐变区段以及压缩弹簧区段，如图5-9所示。5.3机械机具加载5.4液压加载5.4液压加载

5.4.1手动液压加载器

5.4.2大型结构试验机

5.4.3地震模拟振动台

5.4.4台阵系统

液压加载（油压加载）为结构试验中被使用最为广泛、方便的一种加载方式。主要施加集中荷载，其优点为通过液压加载器（千斤顶）产生较大荷载，操作简便，安全系数高。适用于结构点数多，大吨位的大型结构试验时。

液压加载系统主要包括：高压油泵、工作油缸、阀门、活塞、液压加载器、试验台座等组成，构造原理为高压油泵将液压油压入油缸，推动活塞运动，进而对结构产生集中荷载。

加载值可通过在液压加载器与承力架中间布置压力计获得，也通过油压表的显示值除以加载器活塞受压面积得到。在使用液压加载器系统在试验台座或现场进行试验时还须配备各种支承系统，以承受液压加载器对结构加载时产生的平衡力系。液压加载器主要分为手动液压加载器（液压千斤顶）、电动液压加载器。5.4液压加载5.4.1手动液压加载器

手动液压加载器（液压千斤顶）由液压加载器与手动油泵两部分组成，图5-11是液压千斤顶的实物图，图5-12为手动液压加载器组成原理图。5.4.1手动液压加载器

若在液压加载器油泵处加装分油器，由一个储油箱供给多个加载器工作，以达到多点同步加载的目的（同步液压加载系统）。在此基础上，分油器接口处加装减压阀，即可满足多点同步异荷加载的目的（同步异荷加载系统）。原理如图5-13所示。5.4.1手动液压加载器

目前，液压同步系统的实现形式很多，依据其使用目的，执行元件的数量、类型。安装形式、运行方向和控制元件的不同等可以分为很多类。液压同步系统分类如表5-1所示。表5-1液压同步系统分类 分类方式液压同步系统类型按有无反馈量开环同步闭环同步按实现的控制任务速度同步位置同步按执行元件类型液压缸同步液压马达同步按执行元件的安装形式与运行方向卧式同步立式同步按液压缸的形式双作用液压缸同步单作用液压缸同步按执行元件的数量双执行机构液压同步多执行机构液压同步按液压控制元件流量控制容积控制伺服(比例)控制按液压控制方式伺服阀控制比例阀控制数字阀控制电控变量泵控制5.4.1手动液压加载器双向液压加载

在单向液压加载器的油缸两端各开一个进油孔，加装油管接头连接油泵，通过油泵与转向阀交替供油即可产生拉，压的双向作用，可在试验结构施加往复循环荷载也称低周反复荷载。5.4.2大型结构试验机大型结构试验机本身为相对完善的液压加载系统，属于结构试验中大型专业设备，主要包括结构疲劳试验机，结构长柱试验机，万能材料试验机等。主要由主机与测力系统两部分组成，二者通过高压软管联结。可用于金属材料在静力作用下作拉伸、压缩、弯曲试验，亦可做混凝土、砖、橡胶、石、塑料等材料的试验及构建试验。（1）万能材料试验机万能材料试验机同时也被称为万能拉力机，万能材料试验机是一个比较广义的说法，目前阶段，万能试验机的品种多达上百种，单纯以某一种分类方式进行界定的话，无法做到对试验机类型的有效覆盖，也不能完全地对万能试验机的性能做出有效的分离。5.4.2大型结构试验机液压式万能材料试验机分为加载、测力、自动绘图三个部分组成，其组成原理如图5-13所示。5.4.2大型结构试验机（2）结构长柱试验机结构长柱试验机可配备专门的数据处理设备，并通过接口与计算机链接，通过程序实现自动化操作。可令试验机的操作与数据同时处理，提高试验的效率。实物图如图5-14所示，结构原理图如图5-15所示。5.4.2大型结构试验机（3）结构疲劳试验机结构疲劳试验机主要由脉冲发生系统、控制系统、千斤顶工作系统三部分组成，主要用于金属材料、复合材料及零部件、弹性体的疲劳力学性能试验。可实现拉伸、压缩、弯曲、拉压加载。实现高周疲劳、低周疲劳、断裂力学等试验借鉴Ansker公司和Instron疲劳试验机的机械单元和控制单位，国内的科研人员不断创新研制出一系列疲劳试验机，如图5-16所示。5.4.2大型结构试验机（4）电液伺服加载系统

电液伺服液压加载系统最早于上世纪四十年代开始应用于材料试验机上，由控制系统、电液伺服作动器、液压源等组成。电液伺服系统因可以较为真实，准确的模拟出真实的构件在使用过程中的受力状态，因此被迅速利用到地震模拟振动台以及结构试验加载系统中，经过多年完善，改进目前已是一种完善，先进，理想的液压加载设备。尤其适用于进行结构抗震研究的拟静力试验与拟动力试验，且在结构试验中使用扮演愈加重要的位置。5.4.2大型结构试验机

电液伺服系统主要包含控制系统、液压源、电液伺服动作器、液压管路等组成，电液伺服阀接收到命令（电信号）后，通过电液伺服动作器将电信号转换为活塞杆运动，从而完成对结构的加载。其示意图如图5-17所示。5.4.2大型结构试验机

①控制系统由电液伺服阀和计算机联机组成，由电液伺服阀来实现电-液信号的转换和控制。按放大级数可分为单机阀、二级阀、三级阀。目前中，大型振动台都多采用三级阀。电液伺服阀组成包括滑阀，喷嘴，电动机，挡板，反馈杆等组成，构造原理如图5-18所示。5.4.2大型结构试验机

当电信号传输至伺服线圈，电圈产生磁力使衔铁发生偏转，进而带动挡板偏移，挡板两边喷油嘴的流量平衡被破坏，在两个喷腔间产生压力差，导致滑阀产生位移，高压油被压入加载器的油箱，活塞开始工作，同时滑阀的位移推动反馈杆发生偏转，另一处挡板重复以上动作。如此反复运动，使加载器产生动荷载或者静荷载。而高压油的流量及方向因电信号的改变而改变，在闭环电路的控制下，共同组成了“电液伺服工作系统”，控制系统结构原理如图5-18所示。5.4.2大型结构试验机

②液压源由油泵输出的高压油为整个电液伺服系统提供动力，因此也称泵站，通过伺服阀来控制液压油进出加载器的第二个油腔产生拉压双向荷载。点液伺服系统的液压源需要有安全保障部分及检测仪器以保证液压源的安全使用，另外电液伺服系统在使用过程中需保证液压油额压力和流量的稳定，其所用的液压油的洁净程度要求更高，在供油，回油管路中均加装过滤器，保证动作器上的电液伺服阀能够可靠、安全的工作。且液压源在使用过程中需不断进行冷却降温以保证其工作温度在额定范围内，超过额定温度，否则导致设备的损坏或液压油的失效。因此，液压源均配有冷却器及相应的冷却水供应系统。5.4.2大型结构试验机

③电液伺服动作器电液伺服作动器是电液伺服实验系统的动作执行者，其构造如图5-19所示。5.4.3地震模拟振动台地震模拟振动台是用于再现各类地震波对结构进行动力试验的重要大型设备，与静力加载试验、拟静力试验等方式相比，地震模拟振动台能够较完整地再现地震过程，具有惯性力加载、结构动力条件接近、可重复试验、能够研究结构的非线性动力行为等诸多优点，在模型结构甚至部分原型结构试验中，得到了广泛应用和普遍认可，大量应用于结构动力特性、设备抗震性能、结构抗震措施检验、结构地震反应和破坏机理等研究领域。5.4.3地震模拟振动台地震模拟振动台组成主要包括：振动台台体基础、液压驱动和动力系统、控制系统、测试和分析系统四部分组成，振动台系统原理图如图5-20所示。5.4.3地震模拟振动台（1）振动台台体基础振动台台面是有一定尺寸的平板结构，需要有足够的刚度和承载力，台面常用材质主要分为钢筋混凝土结构、钢结构、铝合金铸造结构三种类型。振动台应安装在质量很大的基础上，基础的重量一般为可动部分重量或激振力的10～20倍以上，可以改善系统的高频特性，并减小对周围建筑和其他设备的影响。（2）液压驱动和动力系统液压驱动系统用于向振动台施加大规模推力，目前世界上已建成的大中型地震模拟振动台，基本均采用电液伺服系统来驱动。它在低频时能产生大推力，故被广泛使用。5.4.3地震模拟振动台（3）控制系统模拟控制方法又分为两种。一种是采用位移反馈控制的PID控制方法，同时利用压差反馈作为提高系统稳定的补偿，德国SCHENCK公司就是采用这种控制方法；另一种方法是将位移、速度和加速度共同进行反馈的三参量反馈控制方法，美国MTS公司就是采用这种控制方法。（4）测试和分析系统测试系统一般是测量位移、加速度和应变等参数，总通道数可达百余点。位移测量多数采用差动变压器式和电位计式的位移计，可测量模型相对于台面的位移或相对于基础的位移；加速度测量采用应变式加速度计、压电式加速度计，近年来也采用差容式或伺服式加速度计。在试验过程中，数据可经过直视式示波器记录或数字计算机存储，软件分析处理。5.4.4台阵系统台阵系统是由多个地震模拟振动台控制系统共同组合而成。基于网络的分布式台阵控制，是一种布设灵活、造价较低、应用方便的结构动力试验设备，优点是各个振动台控制系统既可以同步运行，亦可分别作为独立的振动台使用，结构原理如图5-21所示。5.4.4台阵系统相对于单台系统，地震模拟振动台台阵具有快速性(实时性)、强耦合性(多台之间存在机械耦合和控制耦合)、同步性要求严格和非线性(试件非线性和控制系统非线性)影响明显等特点，其建设难度较大。同时，由多个中型或者小型振动台组成多振动台共同工作的台阵系统具有明显的技术和经济优势:（1）台阵布置灵活，可以实现多维多点的地震波输入以考虑地震场效应;（2）台阵的单台规模相对较小，对能源的需求比较宽松;（3）台阵的单台设计容易实现标准化，性价比较好;（4）可靠性高、维护简单、使用方便；（5）各振动台之间通过网络通信独立工作、互不影响，同时传送各种数据，可以满足远距离振动控制和远程监控；（6）振动台台阵可以独立进行小型结构振动试验，也可以组成一个大型振动台进行大尺寸结构抗震性能试验。5.4.4台阵系统台阵系统研究现状可追溯于1979年，日本建设省土木研究所建造了4台3m×2m的单向水平振动台台阵，成为了世界上第一个拥有振动台台阵系统并基于此设备开始研究结构抗震性能的国家。随后，美国Buffalo大学于2003年建成两台3.6m×3.6m的台阵系统；美国NevadaReno大学于2003年建成3台4.3m×4.6m的双水平向三自由度振动台台阵系统；重庆交通科学研究院于2004年建成两台三向六自由度6m×3m振动台台阵系统，并可进行20m跨桥梁模型试验；同济大学在建4台6m×4m双水平向台阵系统，可进行70rn跨桥梁模型试验；福州大学已建成3子台台阵系统，其中一台(4m×4m)位置固定，其余两台(2.5m×2.5m)可以根据试验模型尺寸需要自由调节台面的位置；中南大学于2021年建成4m×4m六自由度固定台和三个4m×4m六自由度移动台所组成，四个振动台均建在同一直线上，可独立使用，也可组成多种间距台阵，单个振动台具有三向六自由度、大行程、宽频带等特点。5.4.4台阵系统北京建筑大学于2022年建成载重均为60T、台面尺寸5m×5m三向六自由度多功能地震模拟振动台四台，每台可单独控制，也可双台、三台或四台组成台阵系统联动，其实物图如图5-22所示。5.5动力激振加载法5.5动力激振加载法

5.5.1惯性力加载法

5.5.2电磁加载

5.5.3现场动力试验的激振方法

5.5.4反冲激振法

5.5.5直线振荡电动机交变加载

5.5.1惯性力加载法

惯性力加载法是在结构动力试验中，利用物体质量在运动时产生的惯性力对结构施加动荷载。因此，按产生惯性力的方法通常将其分为冲击力加载法、离心力加载法和直线位移惯性力加载法。

（1）冲击力加载：冲击荷载就是使结构在瞬间的作用下自由振动。根据加载方法的不同可以分为初位移法和初速度法两种。

①初位移加载法（张拉突卸法）初位移加载法是用钢拉杆拉动结构，使结构有一定的初始变形，然后松开拉杆，结构在静力平衡的位置做自由振动。可以通过调整拉杆的截面，来控制钢拉杆在不同位置断裂，获得不同的初位移，具体情况如图5-23（a）所示。5.5.1惯性力加载法对于小模型则可采用图5-23（b）的方法，使悬挂的重物通过钢丝对模型施加水平拉力，剪断钢丝造成突然卸荷。这种方法只能用在刚度不大的结构，虽然有了这个限制，但是可以减少结构的附加质量的影响。在释放和牵引时，需要保证在同一个平面内振动，防止因为其他平面的振动而对试验产生影响。②初速度加载法（突加荷载法：初速度加载法是利用摆锤或重物下落时的瞬间的力量，使结构产生一个初速度，这时引起的是速度的函数，而不是力的函数。5.5.1惯性力加载法

用如图5-24（a）的摆锤进行激振时，如果摆锤和建筑物有相同的自振周期，摆锤的运动就会使建筑物引起共振，产生自振振动。使用图5-24（b）的方法时，荷载将附着于结构一起振动，并且落重的跳动又会影响结构自振阻尼振动，同时有可能使结构受到局部损伤。这时冲击力的大小要按结构强度计算，不致使结构产生过大的应力和变形。

用垂直落重冲击时，落重取结构自重的0.1%（指试验对象跨间），落重高度≤2.5m，为防止重物回弹再次撞击和局部受损，拟在落点处铺设15cm～20cm的砂垫层。5.5.1惯性力加载法蓄能落锤式动静组合加载试验系统就是利用初速度加载法。蓄能落锤式动静组合加载试验系统可以进行不同动静组合条件下变形破坏特征方面的研究，探究在不同动静组合条件下的破坏机制。蓄能落锤式动静组合加载试验系统主要由5个部分构成：框架、冲击力加载系统、静载荷加载系统、载荷控制系统及高速数据信号采集系统。如图5-25所示。5.5.1惯性力加载法a.冲击力加载系统冲击力加载系统由第三液压油缸、活塞杆、落锤释放装置、拉杆、套筒、弹簧及落锤等组成。系统的构成如图5-26所示。5.5.1惯性力加载法

第三液压油缸固定在顶板梁中心，中心开有孔使液压油缸的活塞杆可以穿过。落锤释放装置如图5-27所示，由定位套、定位体、压盖、卡爪及复位弹簧组成，通过螺纹固定在第三液压油缸活塞杆末端，拉杆上端卡入落锤释放装置中。5.5.1惯性力加载法c.高速数据信号采集系统

数据信号采集系统由冲击力测试系统、冲力传感器和DHDAS动态信号采集分析系统等组成。冲击力测试系统由冲击力传感器、单通道高速数据采集仪及采集软件组成。冲击力传感器量程0~200t，采样频率≤50kHz，单通道高速数据采集仪采样频率为128kHz。冲击力传感器通过采集仪连接电脑，通过采集软件可以采集冲击过程力值大小和冲击时间，绘制冲击力时程曲线。DHDAS动态信号采集分析系统由采集仪与采集分析软件组成，该系统通过粘贴于试样上的应变片采集冲击过程中试件应变，通过DHDAS软件进行显示和储存，实现连续、自动的数据采集，保证了数据的可靠性。5.5.1惯性力加载法（2）离心力加载

离心力加载是根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。其特点是运动具有周期性，作用力的大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。离心力加载一般采用机械式激振器。激振器由机械和电控两部分组成：机械部分主要是由两个或多个偏心质量组成，一般的机械式激振器工作频率范围较窄，大致在50～60Hz以下，由于激振力与转速的平方成正比，所以当工作频率很低时，激振力就较小；电气控制部分采用单相可控硅，速度电流双闭环电路系统，对直流电机实行无级调速控制。通过测速发电机作速度反馈，通过自整角机产生角差信号，送往速度调节器与给定信号综合，以保证两台或多台激振器不但速度相同且角度亦按一定关系运行。5.5.1惯性力加载法（3）直线位移惯性力加载直线位移惯性力加载是利用电液伺服系统来提供动力，通过电液伺服阀控制固定在结构上的液压加载器使质量块作水平直线往复运动。如图5-28所示，就是利用质量块的往返运动的惯性造成结构的震荡。惯性的大小与质量块的质量和平台频率有关，所以可以改变指令信号的频率和质量块的质量来改变激振力的大小。该加载方法适用于现场结构动力加载，在低频条件下各项性能较好，可产生较大的激振力，但频率较低，只适用于1Hz以下的激振。5.5.2电磁加载

电磁加载是利用在磁场（永久磁铁或激磁线圈中）放入动圈，通入交变电流即可产生交变激振力，促使台面（振动台）或固定于动圈上的顶杆（激振器）作往复运动，推动试件做强迫振动。若在动圈上通一定方向的直流电，则可产生静荷载。电磁加载设备由电磁式激振器和振动台组成，构造见图5-29。5.5.2电磁加载

电磁激振器的工作原理是利用磁钢和外壳形成磁场，动圈与顶杆连在一起，在支撑弹簧的支撑下可以上下运动。动圈如果输入的是交流电，则会产生方向上下改变的交变力F为：

(5.1)式中B－磁场强度；

L－动圈绕线有效其长度；

Im－通过动圈的电流幅值；

ω－激振器激振圆频率；

t－时间。

通过顶杆将电磁力F传到试验物体上，施加的激振力与交流电的频率一样作简谐运动。可以通过信号发生器调节频率。其频率一般在0~200Hz，推力可以施加到3kN~8kN，其优点是重量轻、操作方便、可以产生任意波形的振动力，但缺点是激振力小，可以用在小型结构。5.5.3现场动力试验的激振方法

在结构动力试验的加载方法中，一般都需要比较复杂的设备，这些在试验室内尚可满足，而在野外现场时，往往受到各方面条件的限制室内复杂的设备难以实现。因此人们设法寻求更简单的试验方法，既可以获得有关结构动力特性的资料和数据，而又无需复杂的设备。

（1）人体激振动加载法在试验中发现，人们可以利用自身在结构物上有规律的活动，即使人的身体作与结构自振同步的前后运动，亦可产生足够大的惯性力，形成共振振幅，该种方法称为人体激振动加载法。5.5.3现场动力试验的激振方法

在建筑业，因为人体激振而发生过恶性桥梁倒塌事件。在1981年7月17日，美国堪萨斯城凯悦酒店天桥因婚庆挤满人群，部分人们正在跳舞。建筑学家认为一个原因是跳舞的人们有节奏的振动引发共振使结构断裂，另一个原因就是桥面人员过多，负荷过重，具体情况如图5-30所示。此次事故造成114人死亡。因此，共振对荷载的放大作用不容小觑。5.5.3现场动力试验的激振方法（2）人工爆炸激振法人工爆炸激振法是指在试验结构附近场地采用炸药进行人工爆炸，利用爆炸产生的冲击波对结构进行瞬时激振，使结构产生强迫振动。可按经验公式估算出人工爆炸产生场地地震的加速度a和速度v。

(5.2)

(5.3)式中Q－炸药量，单位是t；R－试验结构距离爆炸源的距离，单位是m；m、n、q－与试验场地土质有关的系数。5.5.3现场动力试验的激振方法（3）环境随机振动激振法建筑物经常处于微小而不规则的脉动中，此种微小而不规则的振动来源于微小的地震活动、机器运作、车辆行驶等，使地面存在连续不断的运动，其运动的幅值极为微小，而它所包含的频谱是相当丰富的，故称为建筑脉动。利用建筑物的脉动（环境激励），采用高灵敏度的传感器、放大记录设备，量测建筑物的响应，借助于随机信号数据处理的技术，分析确定建筑物的动力特性的方法，俗称脉动法，也称环境随机振动激振法。利用该种脉动现象来分析测定结构的动力特性，它不需要任何激振设备，又不受结构形式和大小的限制，是一种有效而简便的方法。5.5.4反冲激振法

近年来在结构动力试验中研制成功了一种反冲激振器，也称火箭激振。它适用于现场对结构实物进行试验，小冲量反冲激振器也可用于室内试验。反冲激振器的结构示意图如图5-31所示。激振器的壳体是用合金钢制成，它的结构主要由：燃烧室壳体、底座、喷管、火药、点火装置五部分组成。

反冲激振器的基本工作原理是点火装置使火药燃烧，火药产生的高温高压气体便从喷管口以极高的速度喷出。如果气流每秒喷出的重量为

W，则按动量守恒定律可得到反冲力P。5.5.4反冲激振法

反冲激振器的输出特性曲线如图

5-32

所示，主要分为升压段、平衡压力工作段及火药燃尽后燃气继续外泄阶段。根据火药的性能、重量及激振器的结构，可设计出不同的特性曲线采用单个反冲激振器激发时，一般是将激振器布置在建筑物顶部，并尽量登于建筑物质心的轴线上，这样效果较好。如果将单个激振器布置在离质心位置较远的地方或在结构平面的对角线上以相反方向布置两台相同反冲力的激振器，可以进行建筑物的扭振试验。若将多个反冲激振器沿高耸结构不同高度布置，还可以进行高阶振型的测定。5.5.5直线振荡电动机交变加载

反冲激振器的输出特性曲线如图

5-32

所示，主要分为升压段、平衡压力工作段及火药燃尽后燃气继续外泄阶段。根据火药的性能、重量及激振器的结构，可设计出不同的特性曲线采用单个反冲激振器激发时，一般是将激振器布置在建筑物顶部，并尽量登于建筑物质心的轴线上，这样效果较好。如果将单个激振器布置在离质心位置较远的地方或在结构平面的对角线上以相反方向布置两台相同反冲力的激振器，可以进行建筑物的扭振试验。若将多个反冲激振器沿高耸结构不同高度布置，还可以进行高阶振型的测定。5.5.5直线振荡电动机交变加载

电液伺服式试验机具有荷载值大、位移行程较大，但是对能量的利用率较低，效率不到10%。电磁谐振式试验机可以实现较高频疲劳试验，并且对能量的利用率高，但是其位移行程较短，容易受到使用限制，力值波形不好。吉林大学针对这两者出现的问题，提出将直线振荡电动机作为疲劳试验机当中激振器的一种可行性的想法。直线振荡电机具有频率使用范围广、力值波形好、位移行程较大、可控性好等优点。动磁铁式直线振荡电动机由振荡动子元件、谐振弹簧、电机外壳、励磁绕组线圈组成，振荡动子元件由永磁体、动子铁芯、动子输出轴组成，电机外壳内部设置放置励磁绕组线圈的环形空间。5.5.5直线振荡电动机交变加载

振动元件通过上下位置设置的谐振弹簧，在励磁绕组线圈内不通电的时候静止在定子壳体内，动子输出轴可以两端开口输出力值和位移。电机结构示意图如图5-33所示。

直线振荡电动机的工作原理磁场有两部分叠加而成，一部分是永磁体发出的恒定磁场强度B1，另一部分是励磁绕组线圈中由于通入了电流而产生的交变磁场B2。根据磁阻的相关理论可知，磁感线会在磁阻最小的路径进行闭合。正是由于这两个磁场B1和B2之间的相互作用，进而产生了一个轴向的驱动力，驱动振荡动子元件做指定频率的直线振荡运动。5.6加载装置

5.6.1试验台座

5.6.2水平反力墙或反力架

5.6.3竖向荷载架

5.6.4分配梁5.6.5支座与支墩5.6.6现场加载的试验装置5.6加载装置在试验室内，结构试验台座是永久性的固定设备，用以平衡施加在试验结构物上的荷载产生的反力。试验台座的台面一般与试验室地坪标高一致，这样可以充分利用试验室的地坪面积，使室内水平运输搬运物件比较方便，但易干扰试验活动，也可以高出地平面，使之成为独立体系，这样试验区划分比较明确，不受周边活动及水平交通运输的影响。合理选择台座很重要。台座的承载能力一般在200kN/m2～1000kN/m2。设计台座时，其纵向和横向均应按各种试验组合可能产生的最不利受力情况进行验算与配筋，以保证具有足够的强度和整体刚度。用于动力试验的台座还应有足够的质量和耐疲劳强度，防止引起共振和疲劳破坏，尤其应注意局部预埋件和焊缝的疲劳破坏。如按结构的不同，目前国内外常见的试验台座有以下几种，接下来将进行详细介绍。

5.6.1试验台座（1）槽式试验台座这是目前国内用得较多的比较典型的静力试验台座。其构造特点是沿台座纵向全长布置几条槽轨。该槽轨是用型钢制成的纵向框架式结构，埋置在台座的混凝土内。槽轨的作用在于锚固加载支架，用以平衡结构物上的荷载产生的反力。如果荷载架立柱用圆钢制成，直接可用两个螺帽固定于槽内；如果荷载架立柱由型钢制成，则在其底部设计成钢结构柱脚的构造，用地脚螺丝固定在槽内。其横向剖面图如图5-34所示。

5.6.1试验台座图5-34槽式试验台座横向剖面图1－槽轨；2－型钢骨架；3－高强度混凝土；4－混凝土（2）地锚式试验台座这种台座在台面上每隔一定间距设置一个地脚螺丝，螺丝下端锚固在混凝土内，顶端伸出到台座表面特制的地槽内，并略低于台座表面标高，如图5-35所示。使用时，通过套筒螺母与荷载架立柱连接。平时用盖板将地槽盖住，以保护螺丝端部，并防止杂物落入孔穴。这种台座的缺点是螺丝受损后修理困难。此外，由于螺丝位置是固定的，所以安装试件的位置受到限制，不如槽式台座方便。

5.6.1试验台座图5-35地锚式试验台座1－地脚螺丝；2－台座地槽（3）箱式试验台座这种台座本身就是一个刚度很大的箱形结构，台座顶板沿纵、横两个方向按一定间距留有竖向贯穿的孔洞，以固定立柱或梁式槽轨，如图5-36所示。这种台座的加载点位置可沿台座纵向任意变动。其缺点是型钢用量大，槽轨施工精度要求较高。由于地脚螺丝容易松动，故不适用于动力试验。更大型的箱形试验台座同时还可兼作为试验室房屋的基础。因而场地的空间利用率高，加载器设备管路易布置，台面整洁不乱。它的主要缺点是安装和移动设备较困难。

5.6.1试验台座图5-36箱式试验台座1－箱型台座；2－顶板上的孔洞；3－试件；4－加荷架；5－液压加载器；6－液压操纵台（4）槽锚式试验台座这种台座兼有槽式及地锚式台座的特点，如图5-37所示。同时由于抗震试验的需要，利用锚栓一方面可固定试件，另一方面可承受水平剪力。

5.6.1试验台座图5-37槽锚式试验台座1－滑槽；2－高强度混凝土；3－槽钢；4－锚栓（5）抗弯大梁式台座在预制构件厂和小型结构试验室中，当缺少大型试验台座时，也可以采用抗弯大梁式或空间桁架式台座，以满足中小型构件试验或混凝土制品检验的要求。抗弯大梁台座本身是一根刚度极大的钢梁或钢筋混凝土大梁，其构造如图5-38所示。

5.6.1试验台座图5-38抗弯大梁台座的荷载试验装置1－试件；2－抗弯大梁；3－支墩；4－分配梁；5－液压加载器；6－荷载加载架（5）抗弯大梁式台座当用液压加载器和分配梁加载时，产生的反作用力通过门型荷载架传至大梁，试验结构的支座反力也由台座大梁承受，使之保持平衡。抗弯大梁式台座由于受大梁本身抗弯强度与刚度的限制，一般试验跨度在7m以下、宽度在1.2m以下的板和梁。其实物图如图5-39所示。可以用圆钢或型钢制成的加荷架，作为台座的荷载支撑及传动机构。

5.6.1试验台座图5-39抗弯大梁式台座实物图（6）空间桁架式台座这种台座是由型钢制成的专门试验架，一般用于进行中等跨度的桥架及屋面大梁的试验，如图5-40所示。它可施加为数不多的集中荷载，液压加载器的反作用力由空间桁架自身平衡。

5.6.1试验台座图5-40空间桁架式台座1一试件（屋面大梁）；2一空间桁架式台座；3一液压加载器水平反力装置主要由反力墙（或反力架）及千斤顶水平连接件等组成。反力墙一般为固定式，而反力架则有固定式和移动式两种。对于固定式反力墙，国内外大多采用混凝土结构，并且和试验台座刚性连接以减少自身的变形。在混凝土反力墙上，按一定距离设有孔洞，以便用螺栓锚住加载器的底板，反力墙与千斤顶的连接方式大致分为三种，纵向滑轨式锚栓连接、螺孔式锚栓连接、横向滑轨式锚栓连接。利用反力墙组成的水平反复加载试验装置，见5-41（a）。移动式反力架一般采用钢结构，通过螺栓与试验台座的槽轨锚固。利用反力架和千斤顶滚轴装置组成的水平反复加载试验装置，见图5-41（b）。

5.6.2水平反力墙或反力架

(a)反力墙组成的试验装置

(b)反力架千斤顶组成的加载装置

5.6.2水平反力墙或反力架图5-41水平反力装置1－反力墙；2－试验台座；3－推拉加载器；4－试件；5－反力架；6－千斤顶滚轴连接

5.6.2水平反力墙或反力架有的实验室为了提高反力墙的承载能力，将试验台座建在低于地面一定深度的深坑内，利用坑壁作为抗侧力墙体，这样在坑壁四周的任意面上的任意部位均可对结构施加水平推力，如图5-42所示所示。图5-42在深坑中的抗侧力试验台座1－试件；2－液压加载器；3－坑壁；4－深坑台座；5－锚孔（1）荷载架在试验室内荷载架一般是由横梁、立柱组成的反力架和试验台座等组成，也可利用适宜于试验中小型构件的抗弯大梁或空间桁架式台座。在现场试验时则通过反力架用平衡重块、锚固桩头或专门为试验浇筑的钢筋混凝土地梁平衡试件的荷载。荷载架主要是由立柱和横梁组成。它可以用型钢制成，特点是制作简单，取材方便，可按钢结构的柱与横梁设计，横梁与柱的连接采用精制螺栓或圆销。（2）加载器（千斤顶）与荷载架连接件在一般静力试验时，只要使千斤顶与试件保持稳定即可。但在抗震试验时，由于水平地震反复作用，试件要发生侧移。此时垂直千斤顶要求对试件的荷载点保持不变，即必须同试件一起移动。这时需要依靠千斤顶与横梁之间的滚轴来实现。见图5-43（a）中的千斤顶滚轴连接图所示。

5.6.3竖向荷载架

（a）竖向荷载架

（b）水平荷载架

（c）钢筋砼反力墙

图5-43加载器与荷载架示意图

1－横梁；2－千斤顶；

1－三角架；2－千斤顶；

1－试件；2－伺服千斤顶；3-地脚螺栓

3－压梁

3－地脚螺栓

5.6.3竖向荷载架分配梁的作用是将集中荷载转变为多点荷载作用于试件上，制作分配梁的材料必须达到一定的刚度（多采用型钢），且组合为静定简支梁，避免影响结构的变形。分配梁的配置一般不宜超过两层。分配梁加载示意图如图5-44所示。

5.6.4分配梁（a）单层分配梁(b)双层分配梁(c)双层L型分配梁图5-44分配梁加载示例1－分配梁；2－试件支座和支墩在结构试验中是根据结构实际受力条件进行模拟设计，是支