第三章 工程结构试验加载方法与荷载设备.ppt

1、第三章 工程结构试验加载方法与设施,概述 重力加载法 液压加载法 惯性力加载法 机械力加载法 气压加载法 电磁加载法 人工振动加载法 环境随机振动激振法 支座和荷载支承设备,概 述,作用于工程结构上的荷载种类很多。直接作用荷载有：自重，活荷载等楼层荷载，设备、车辆振动荷载，海浪冲击荷载，地震、爆炸荷载等；间接作用荷载有：温度、收缩、支座沉降等。 按作用范围有：分布荷载、集中荷载；按作用时间长短有：短期荷载、长期荷载；按作用效应有：静力荷载、动力荷载。 除极少数工程结构试验是实测工程结构在实际受力工作状态下的结构反应，绝大多数工程结构试验都是模拟工程结构在实际受力工作状态下的结构反应，因此必须对

2、试验对象施加荷载。 试验荷载的形式、大小以及加载方式等需要根据具体试验目的来确定。 正确的荷载设计和选择合适的加载方法与荷载设备是保证整个试验工作顺利进行的关键之一。,选择试验荷载和加载方法应满足：,试验的荷载图式应与结构设计计算的荷载图式所产生的内力值（即荷载效应）相一致或极为接近（等效）。 荷载传力方式和作用点应明确，产生的荷载数值要稳定（特别是静力荷载）。 荷载分级的分度值要满足试验量测的精度要求，加载设备要有足够的强度储备。 加载装置本身要安全可靠，不仅要满足强度要求，还要满足刚度要求，即还必须按变形条件来控制加载装置的设计，以防止对试件产生卸荷作用而减轻了结构实际承担的荷载。 加载设

3、备要操作方便，便于加载和卸载，并能控制加载速度，又能适应同步加载或先后加载的不同要求； 试验加载方法要力求采用现代化先进技术，减轻体力劳动，提高试验质量。,重力加载法,重力加载就是利用物体本身的重量加于试验对象上作为荷载。,重力直接加载方法,杠杆加载方法,液压加载法,液压加载就是使用液压加载器（千斤顶）对试验对象产生荷载。 液压加载法是目前工程结构试验中比较普遍采用而且较为理想的一种加载方法。 最大优点是利用油压使液压加载器产生较大的荷载，试验操作安全方便。尤其适合大型结构构件试验对荷载点数多、吨位大的要求。 基于液压加载的电液伺服系统，可模拟地震荷载、海浪波动等不同特性的动力荷载，使结构动力

4、试验中的动力加载技术发展到了一个新的高度。,液压加载器（千斤顶）,液压加载器（俗称千斤顶）是液压加载设备中的一个主要部件。 液压加载器的工作原理是用高压油泵将具有一定压力的液压油压入液压加载器的工作油缸，使之推动活塞，对结构施加荷载。 荷载值由油压表示值和加载器活塞受压底面积求得，也可由液压加载器与荷载承力架之间所置的测力计直接测读；或用传感器将信号输给电子秤显示或由记录器直接记录。 结构试验中常用的液压加载器有普通工业用的手动液压加载器，有专门为结构试验设计的单向作用及双向作用的液压加载器。,液压加载器（千斤顶）,普通工业用手动液压加载器,单向作用液压加载器,双向作用液压加载器,液压加载系统

5、,液压加载系统主要是由储油箱、高压油泵、液压加载器、测力装置和各类阀门组成的操纵台通过高压油管连接组成。 当使用液压加载系统进行加载时还必须配置支承系统，作为平衡力系。,大型结构试验机,大型结构试验机本身就是一种比较完善的液压加载系统。 是结构试验室内进行大型结构试验的一种专门设备。如结构长柱试验机，用以进行柱、墙板、砌体、节点与梁的受压与受弯试验。 其构造和原理与一般材料试验机相同，由液压操纵台、大吨位的液压加载器和试验机架三部分组成。,结构长柱试验机,电液伺服液压系统,50年代中期，电液伺服液压系统开始应用于材料试验，是材料试验机技术的一个重大进展。 电液伺服液压系统能较为精确地模拟试件所

6、受的实际外力，产生真实的试验状态，在近代试验加载技术中被广泛的采用。 电液伺服液压系统可用以模拟并产生各种振动荷载，特别是地震、海浪等荷载对结构物的影响，对结构构件的实物或模型进行加载试验，以研究结构的强度及变形特性。 电液伺服液压系统是目前工程结构试验研究中一种比较理想的试验设备，特别是用来进行抗震结构的静力或动力试验。,电液伺服液压系统,电液伺服液压系统采用闭环控制，主要由电液伺服加载器、控制系统和液压源等三部分组成。,液压源,控制系统,电液伺服加载器,电液伺服液压系统,电液伺服液压系统的基本闭环回路包括输入指令信号、反馈信号和误差信号，以便连续地调节反馈使与指令相等，完成对试件的加载要求

7、。,电液伺服液压系统的基本闭环回路,电液伺服液压系统,电液伺服加载器是电液伺服液压系统中的关键设备，是带有电液伺服阀的液压加载器 。,1.铰支基座 2.位移传感器 3.电液伺服阀 4.活塞杆 5.荷载传感器 6.螺旋垫圈 7.铰支接头,电液伺服加载器,电液伺服液压系统,电液伺服阀是电液伺服液压系统中的心脏部分，安装在液压加载器上。 指令发生器发出的信号经放大后输入伺服阀，转换成大功率的液压信号，将来自液压源的液压油输入加载器，使加载器按输入信号的规律对结构施加荷载，同时由伺服阀及结构上量测的荷载、应变、位移等信号通过伺服控制器作反馈控制。 电液伺服阀能根据输入电流的极性控制油的流向，根据输入电

8、流的大小控制液压油的流量。,电液伺服阀,电液伺服液压系统,电液伺服液压系统可将荷载、应变、位移等物理量直接作为控制参数，实行自动控制。 电液伺服液压系统可与电子计算机配合联机使用，使整个系统实现程序控制，从而扩大了系统的功能： 可以输出各种波形信号； 可以进行数据采集和数据处理； 可以控制试验的各种参数； 可以进行试验情况的快速判断。,地震模拟振动台,70年代以来，国外先后建成了一批大中型的地震模拟振动台，在试验室内进行工程结构的地震模拟试验。 地震模拟振动台是再现各种地震波对工程结构进行动力试验的一种先进的试验设备。 地震模拟振动台的特点是具有自动控制和数据采集及处理系统，采用电子计算机和闭

9、环伺服液压控制技术，使用先进的振动测量仪器，使结构动力试验水平提到了一个新的高度。 地震模拟振动台有单向（水平或垂直）、双向（水平-水平或水平-垂直）或三向（二向水平-垂直）振动台。,地震模拟振动台,地震模拟振动台,振动台台体结构,液压驱动和动力系统,控制系统,测试和分析系统,地震模拟振动台,水平垂直双向地震模拟振动台,地震模拟振动台,振动台台面是有一定尺寸的平板结构，其尺寸的规模是由结构模型的最大尺寸来决定。 台体自重和台身结构是与承载的试件重量及使用频率范围有关。 振动台一般都采用钢结构，控制方便、经济而又能满足频率范围要求。 模型重量和台身重量之比宜不大于2。 振动台基础的重量必须很大，

10、一般为台体重量或激振力的1020倍以上。既可以改善系统的高频特性，又可以减小对周围建筑和其他设备的影响。,振动台台体结构,地震模拟振动台,液压驱动系统是是采用电液伺服系统来驱动，在低频时能给振动台以巨大的推力。 加载器的推力取决于可动质量的大小和最大加速度的要求。 液压加载器上的电液伺服阀根据输入信号（周期波或地震波）控制进入加载器液压油的流量大小和方向，从而由加载器推动台面能在垂直轴或水平轴方向上产生相位受控的正弦运动或随机运动。 液压动力系统是一个巨大的液压功率源，能供给所需要的高压油流量，以满足巨大推力和台身运动速度的要求。 液压动力系统中的大型蓄能器组，使高压油的瞬时流量远高于平均流量

11、，能产生具有极大能量的短暂的突发力，以模拟地震对结构产生的扰力。,液压驱动和动力系统,地震模拟振动台,地震模拟振动台有模拟控制和用数字计算机控制的两种控制方法。 模拟控制方法有位移反馈控制和加速度信号输入控制两种。 单纯位移反馈控制，由于系统阻尼小，易产生不稳定现象。如加入加速度反馈，可增大系统阻尼，保证系统稳定。如同时加入速度反馈，可提高系统的反应性能，减小加速度波形的畸变。 加速度信号输入控制是在输入端直接将强地震加速度记录通过二次积分，同时输入位移、速度和加速度三种信号进行控制，推动振动台。,控制系统,地震模拟振动台,用数字计算机控制的方法，是采用计算机进行数字迭代的补偿技术，实现台面地

12、震波的再现，从而提高振动台的控制精度。 试验时，振动台台面输出的波形是期望再现的某个地震记录或是模拟设计的人工地震波。 由于包括台面、试件在内的系统的非线性影响，在计算机给台面的输入信号激励下所得到的反应与输出的期望之间必然存在误差。 可由计算机将台面输出信号与系统本身的传递函数（频率响应）求得下一次驱动台面所需的补偿量和修正后的输入信号。 经过多次迭代，直至台面输出反应信号与原始输入信号之间的误差小于预先给定的量值，完成迭代补偿并得到满意的期望地震波形。,控制系统,地震模拟振动台,测试系统除了对台身运动的位移、加速度等进行测量便于控制以外，还对试验模型的位移、加速度和应变等进行多点测量，了解

13、整个模型的动力反应。 位移测量多数采用差动变压器式和电位计式的位移计，测量模型相对于台面的位移或相对于基础的位移。 加速度测量可采用应变式加速度计、压电式加速度计，或采用差容式或伺服式加速度计。 对模型的破坏过程可采用摄相机进行记录，便于在电视屏幕上进行破坏过程的分析。 数据的采集可以在直视式示波器或磁带记录器上将反应的时间历程记录下来，或经过模数转换送到数字计算机储存，并进行分析处理。,测试和分析系统,地震模拟振动台,水平垂直双向地震模拟振动台系统框图,地震模拟振动台,振动台台面最基本的运动参数是位移、速度和加速度以及使用频率。 位移、速度和加速度需按照试验模型相似比例及试验要求来确定。 使

14、用频率范围由试验模型的第一频率而定。一般结构的第一频率在110HZ范围内，故整个系统的频率范围应该大于10HZ。考虑到高阶振型，频率上限越大越好，但受到驱动系统的限制。当要求位移振幅大，加载器的油柱共振频率下降，必然缩小使用频率范围。 附表列出了国内外已经建成的部分地震模拟振动台及其主要性能指标。,中日美主要地震模拟振动台的性能和主要参数,惯性力加载法,惯性力加载法只在结构动力试验中采用，就是利用物体质量在运动时所产生的惯性力，或者利用弹药筒或小火箭在炸药爆炸时所产生的反冲力，对结构施加动力荷载。 惯性力加载方法有： -冲击力加载 -初位移加载法 -初速度加载法 -反冲激振法 -离心力加载法

15、-直线位移惯性力加载法,冲击力加载-初位移加载法,初位移加载法也称张拉突卸法。在结构上拉一钢丝缆绳，使结构变形而产生初始强迫位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位置附近作自由振动。,用张拉突卸法对结构施加冲击力荷载,冲击力加载-初速度加载法,初速度加载法也称突加荷载法。利用摆锤或落重的方法使结构在瞬时内受到水平或垂直的冲击，产生一个初速度，同时使结构获得所需的冲击荷载。,用摆锤或落重法对结构施加冲击力荷载,冲击力加载-反冲激振法,反冲激振法（也称火箭激振）利用反冲激振器燃烧室内高压气体高速喷出所产生的反冲力对结构激振。适用于现场对结构实物进行试验。,反冲激振器结构,P=WSv/g P-反冲力

16、WS-每秒气体喷出量 v-喷口处气体速度 单个反冲激振器一般布置在建筑物顶部。多个反冲激振器可沿结构不同高度布置,离心力加载,离心力加载是利用旋转质量所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具有规律性。,使用时将激振器底座固定在被测结构物上，由底座把激振力传递给结构，因此要求底座有足够的刚度，以保证激振力的传递效率。 激振力等于各旋转质量离心力的合力。改变离心质量或电机转速，可调整激振力的大小。,直线位移惯性力加载,直线位移惯性力加载系统，是采用电液伺服系统，通过电液伺服阀控制固定在结构上的双作用液压加载器带动质量块作水平直线往复运动而产生惯性力，从而激

17、起结构振动。 改变往复运动的频率和质量块的质量，可改变激振力的大小。 适用于现场结构动力加载。低频性能较好，可产生较大的激振力，适用于1Hz以下的激振。,机械力加载法,机械力加载常用的机具有吊链、卷扬机、绞车、花篮螺丝、螺旋千斤顶及弹簧等。 机械力加载的优点是设备简单，容易实现。缺点是荷载值较小，当荷载作用点处结构产生变形会引起荷载值的改变。,气压加载法,气压加载法就是利用气体压力对结构加载，有两种方式：一种是利用压缩空气对结构构件直接加载；另一种是利用抽真空产生负压对结构构件施加荷载。 气压加载产生均布荷载，适用于平板或壳体试验。 气压加载法的优点是加载卸载方便，压力稳定；缺点是结构受载面无

18、法观测。,电磁加载法,众所周知，在磁场中通电的导体要受到与磁场方向相垂直的作用力。 电磁加载就是根据这个原理，在磁场（由永久磁铁或直流励磁线圈形成）中放入动圈，通入交变电流，使固定于动圈上的顶杆等部件作往复运动，对试验对象施加荷载。 常见的电磁加载设备有电磁式激振器和电磁振动台。,电磁加载法-电磁式激振器,电磁式激振器由磁系统（包括励磁线圈、铁芯、磁极板）、动圈（工作线圈）、弹簧、顶杆等部件组成。动圈固定在顶杆上，置于铁芯与磁极板的空隙中，顶杆由弹簧支承并与壳体相连。 当激振器工作时，在励磁线圈中通入稳定的直流电，使在铁芯与磁极板的空隙中形成一个强大的磁场。同时，由低频信号发生器输出一交变电流

19、，并经功率放大器放大后输入工作线圈，使工作线圈在磁场中运动并产生一电磁感应力F，使顶杆推动试件振动。 电磁激振器可以作垂直激振，也可以作水平激振。 电磁式激振器的优点：频率范围较宽（一般在0200Hz），重量轻，控制方便，按给定信号产生各种波形的激振力。缺点：激振力较小，仅适合于小型结构及模型试验。,电磁加载法-电磁振动台,电磁振动台实际上是利用电磁激振器来推动一个活动台面。 电磁振动台由信号发生器，振动自动控制仪，功率放大器，振动台激振器和台面组成。,电磁振动台的使用频率范围较宽，台面振动波形较好，一般失真度在5以下，操作使用方便，容易实现自动控制。但由于电磁激振器的激振力较小，因此台面尺寸

20、和模型重量均会受到限制，只能作一些小型结构模型试验。,人激振动加载法,人激振动加载法利用人在结构物上有规律的运动，即使人的身体作与结构自振周期同步的前后或者上下运动，产生足够大的惯性力，形成共振使结构产生振动。 对于自振频率比较低的大型结构，能激振到可量测的程度。 一个体重约70kg的人使其质量中心作频率为1Hz、双振幅为15cm的前后运动时，将产生大约0.2kN的惯性力。由于在1临界阻尼的情况下共振时的动力放大系数为50，这就意味着作用于建筑物上的有效作用力大约为10kN。,环境随机振动激振法,环境随机振动激振法也称为脉动法。 微小的地震活动以及诸如机器运转，车辆来往等人为扰动的原因，使地面存在着连续不断的运动，其运动幅值极为微小，而它所包含的频谱是相当丰富的，故称为地面脉动。 受地面脉动的影响，建筑物经常处于微小而不规则的振动之中，称为建筑物脉动。 可以利用建筑物的脉动现象来测定、分析结构的动力特性。 不需要任何激振设备，又不受结构形式和大小的限制。,支座与荷载支承设备-支座,在工程结构试验中，支座是