第1章--结构试验概论

1、第一章 结构试验概论,2014.2,现代结构试验方法,扬 州 大 学 建 筑 科 学 与 工 程 学 院 College of Civil Science and Engineering,工程结构,工程结构是以工程材料为主体构成的不同类型的承重构件（梁、板、柱等）相互连接组成的组合体，在一定经济条件的制约下，要求结构在规定的使用期内安全有效地承受外部及内部形成的各种作用，以满足结构在功能及使用上的要求。 工程结构包含有：建筑结构、桥梁结构、隧道结构、地下结构、水工结构及各种特种结构（如高耸结构及各种构筑物等。 应力分析手段：理论计算 实验,现代结构试验方法,工程结构,各种作用、结构状态,应力状

2、态,分析,各种作用、计算理论,结构状态,设计,结构分析,设计理论、计算技术、计算方法,实验、检测,结构试验概论,1 结构试验的目的与任务 2 结构试验分类 3 结构试验设计 4 结构试验准备 5 结构试验实施 6 结构试验分析,现代结构试验方法,1.1结构工程的发展及其对结构试验 研究的要求,1 结构试验的目的与任务,工程实践,结构理论,试验研究,规范标准,计算分析,结 构 工 程 发 展 框 架,现代结构试验方法,1.结构工程实践需要进行结构试验研究， 并促进试验研究的发展,1 结构试验的目的与任务,现代结构试验方法,CCTV大楼鸟瞰图,荷兰大都会建筑师事务所库哈斯 高度达234米 整体用钢

3、量12.5万吨,上海环球金融中心模型试验,2.结构理论的发展与结构试验研究不可分割,1 结构试验的目的与任务,现代结构试验方法,受弯梁的截面上应力分布, 伽利略, 1638年 ，认为受弯截面应力是均匀受拉。 四十年后，法国物理学家马里奥普和德国数学家莱布尼兹对伽利略理论提出修正，认为不是均匀分布，而是三角形分布；后来虽然虎克和伯努力建立了平面假定，但应力分布问题仍未被人们正确认识。 1713年,法国人巴朗, 受弯梁截面的应力分布正确观点，即中和层理论， 1767年，法国科学家容格密里,在没有量测仪器的情况下，首次用试验方法令人信服地证明了截面上压应力的存在“路标试验”。 1821年，法国科学院

4、院士拿维叶从理论上证明现在材料力学受弯公式。 二十多年后，法国科学家阿莫列恩用试验方法验证这个公式。,现代结构试验方法,3.计算分析与试验研究成为结构工程应用研究的主要手段,1 结构试验的目的与任务,现代结构试验方法,4.标准规范的制定可通过试验研究进行验证，并指导试验研究,1 结构试验的目的与任务,现代结构试验方法,1.2 结构试验的任务,通过对结构物受作用后的性能进行观测和对测量参数（如位移、应力、振幅、频率等）进行分析，从而对结构物的工作性能作出评价，对结构物的承载力作出正确的估计，并为验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。,1 结构试验的目的与任务,现代结构试验方法,以实验方式测试有

5、关数据,反映结构或构件的工作性能、承载能力及相应的可靠度，为结构的安全使用和设计理论的建立提供重要依据。,钢筋混凝土简支梁试验,1.2结构试验的任务, 静力：挠度、角应变、线应变、裂缝 动力：频率、阻尼、振型、位移、速度 抗震：强度、刚度、变形（应力和应变系）、 滞回曲线 风洞：测压、动力响应；,现代结构试验方法,1.3 本课程的学习内容,1.结构试验中常用的量测仪器和加载设备的原理、性能和使用技术； 2.规划、组织和进行结构试验的一般原理和方法； 3.收集、整理、计算和评定试验资料的原理和方法。,1 结构试验的目的与任务,现代结构试验方法,在构件结构受力分析工作中，还可以利用计算机软件进行仿

6、真分析，也就是通过有限元软件进行结构分析，如PKPM、SAP2000、ETABS、ANSYS、ABAQUS等；,1、仿真试验的发展,1.4目前发展状况,现代结构试验方法,1 结构试验的目的与任务,现代结构试验方法,1 结构试验的目的与任务,第一阶振型,第二阶振型,第三阶振型,第四阶振型,现代结构试验方法,1 结构试验的目的与任务,1.4目前发展状况,2、利用计算机控制结构试验 实验全过程实现智能化、模拟化； 测试精度、检测效率大大提高,3、与其他学科的融合以及非破损检测技术的发展,1.4目前发展状况,现代结构试验方法,红外热像仪 ：采用红外成像方式测试路面，桥梁质量,非破损检测设备,现代结构试

7、验方法,1 结构试验的目的与任务,混凝土结构雷达 ： 用于测试砼结构物质量，钢筋位置等状况,现代结构试验方法,1 结构试验的目的与任务,钢筋保护层厚度测试仪：钢筋定位，直径及砼保护层厚度测试,现代结构试验方法,1 结构试验的目的与任务,1.4目前发展状况,4.整体试验与足尺试验的应用,2.1按试验目的,1研究性试验 目的： 验证结构计算理论的假定 实例 为制定设计规范提供依据 为发展和推广新结构、新材料与新工艺提供实践经验,2 结构试验分类,现代结构试验方法,某教学大楼倒塌,砌体结构 装修阶段乙部分突然倒塌,模型试验验证,试验结果,墙体水平位移曲线,梁垫上下墙体截面应力分布,反弯点测定,带加气

8、砌块填充墙的钢框架的抗震性能研究,八度区异型柱结构抗震性能研究（规范课题）,2.1按试验目的,2鉴定性试验（生产性试验） 目的： 检验结构的质量，说明工程的可靠性 判断结构的实际承载力，为加固、改建、扩建工程提供数据 处理工程事故，提供技术依据 检验已建结构的可靠性，推断和估计结构的剩余寿命 鉴定预制构件产品的质量,2 结构试验分类,现代结构试验方法,2.2按试验对象,1.真型试验实际结构、足尺结构或构件 2.模型试验相似模型试验； 缩尺模型试验；,2 结构试验分类,现代结构试验方法,模型具有实际结构的全部或主要特征； 模型的设计、制作、试验满足相似理论,2.3按荷载性质,1.静力试验结构静力

9、单调加载试验 结构低周反复静力加载试验（伪静力试验） 拟动力试验(计算机-加载器联机试验) 2.动力试验结构动力特性试验 结构动力反应试验 结构疲劳试验,2 结构试验分类,现代结构试验方法,2.4按试验时间,1.短期荷载试验建立荷载从零开始施加到最后破坏或到某阶段进行卸载。时间总共只有几十分钟、几小时或几天。 2.长期荷载试验 混凝土结构的徐变，材料性能的退化、锈蚀、预应力结构中钢筋的松弛；进行几个月甚至几年，通过试验获得结构变形随时间变化的规律。,2 结构试验分类,现代结构试验方法,2.5按试验场合,1.试验室试验工作条件好,可以应用精密和灵敏的仪器设备进行试验，具有较高的准确度，所以适合于

10、进行研究性试验。 2.现场试验试验方法比较简单粗率，试验精度较差；现场试验多数用以解决生产性的问题。,2 结构试验分类,现代结构试验方法,2.6按结构是否破坏,1.结构破坏试验研究结构从弹性到弹塑性直到极限破坏各个阶段的工作性能。 2.结构非破坏试验综合鉴定重要工程的设计和施工质量。,2 结构试验分类,现代结构试验方法,刚度检验法 承载力检验法,3.1建筑结构试验的一般过程,3 结构试验设计,现代结构试验方法,“结构试验设计”阶段的主要工作,反复研究试验目的，明确试验任务； 确定试验规模、形式、数量、种类、具体计算工作； 确定试件尺寸、试验设备 提出试验大纲,具体工作： 试件设计、加载设计、观

11、测设计,试验计划（大纲）,1.试验目的和要求 2.试验结构的设计、制作，检验构件的抽样 3.试验对象的考察、检查 4.试件的安装就位和试验装置 5.试验荷载、加载方法和设备 6.试验量测项目、方法、测点布置 7.辅助试验内容 8.安全与防护措施 9.试验进度计划 10.试验的组织 11.试验资料整理和数据分析的要求,3.2结构试验的试件设计,1.试件形状造成和设计目的相一致的应力状态 2.试件尺寸框架：1/41/2 节点：1/21 基本构件：压弯16cm 16cm 35cm 35cm 短柱15cm 15cm 50cm 50cm 砖石：1/4 1/2 3.试件数目A.生产性试验：预制混凝土构件质

12、量检验评定标准 B.科研性试验： 测试参数的多少（因子数）：n 各测试参数的水平数（工作状态)：m 全面试验法 正交设计法 4.构造措施：试件安装、加载、局部加固、量测,3 结构试验设计,现代结构试验方法,试件设计时应考虑加荷的构造要求,试件形状,构造一个与实际受力相一致的应力状态。 满足边界条件的要求 便于加载 安全试验,全面试验法,全面试验法：mn,3 结构试验设计,测试参数的多少（因子数）：n 各测试参数的水平数（工作状态)：m,正交试验处理什么问题,例：研究粉煤灰砖的新工艺 目标：抗折强度高 影响因素： 成型用水量：9%，10%，11% 碾压时间：8min，10min，12min 碾压

13、料重：330kg，360kg，400kg 希望解决以下问题： 对指标的影响，哪个因素重要，哪个因素不重要？ 每个因素中以哪个水平为好？ 各因素以何种水平搭配使指标较好？,正交试验,特点：均衡搭配,正交试验设计法,能在很多的试验条件中选出代表性强的少数试验条件，并能通过这较少次数试验条件，推断找到最好的生产条件，同时还可以作进一步的分析。,正交表：L9(34) :L正交表符号； 9试验次数； 3水平数； 4列数（因子）；,现代结构试验方法,3 结构试验设计,正交试验设计法,3 结构试验设计,正交表的两个性质,1.表中任何一列，其所含各种水平的个数都相同： L9(34)中每列中“1”“2”“3”全

14、部都是3个； 2.表中任何两列，所有各种可能的数对出现的次数都相同。 如L9(34) 中，1、2、3的可能数对为（1，1）， （1，2），（1，3），（2，1），（2，2），（2，3），（3，1），（3，2），（3，3），九种，表中任何两列，这九对数皆出现一次。,现代结构试验方法,3 结构试验设计,正交表的两个特点(正交性),1.将正交表任两行交换，或任两列交换，它仍然是正交表。 2.将某一列中的各数码作对换，轮换，它仍然是正交表。,现代结构试验方法,3 结构试验设计,正交试验设计法,3 结构试验设计,3.3结构试验的加载设计,1.试件就位与加载方案 正位试验 异位试验：反位 卧位 原位试验

15、2.荷载图式的选择与设计 应使结构处于最不利的工作状态 与结构设计计算的荷载图式一致 等效荷载的选用,3 结构试验设计,现代结构试验方法,3.3结构试验的加载设计,3.试验加载装置 要求：传力明确、荷载值准确、稳定，控制方便 强度要求 刚度要求 模拟边界条件和变形条件 考虑试件的支承方式,3 结构试验设计,现代结构试验方法,4.加载制度 结构试验中控制荷载大小与加载时间的关系。,空心砖砌体玻璃纤维布加固,加载制度,静力试验：预加载、标准加载和破坏加载三个阶段的一次单调静力加载； 抗震试验：采用控制荷载或变形的低周反复加载； 拟动力试验则由计算机控制按结构受地面运动加速度作用后的位移反应时程曲线

16、进行加载试验。 一般结构动力试验采用正弦激振的加载试验，而抗震动力试验则采用模拟地震地面运动加速度地震波的随机激振试验。,现代结构试验方法,3.4结构试验的观测设计,1.观测项目的确定 2.测点的选择与布置 3.选择测试仪器和测定方法 4.量测时间,3 结构试验设计,现代结构试验方法,观测项目的确定,反映结构整体工作状况的参数，如挠度、转角等整体变形； 反映结构局部工作状况的参数，如应变、裂缝等局部变形； 整体变形能概括结构工作的全貌，基本反映出结构的工作情况，如梁的挠度；局部变形也很重要，如裂缝（混凝土）；,现代结构试验方法,测点的选择与布置, 测点的数量确定:满足要求，宜少不宜多； 测点位

17、置的确定：有代表性； 一定数量的校核性测点布置，如零应力点； 测点的布置有利于试验时操作和测读。,现代结构试验方法,仪器的选择和测读的原则,1.选用的仪器仪表能满足量测所需精度要求，精密仪器使用要有良好的环境和条件；相对误差不超过5。 2.仪器最大被量测值宜在满量程的1/52/3范围内，一般最大被测值不宜大于仪表最大量程的80； 3.选择仪表时必须考虑合理选用仪表规格，测读方便省时，必要时采用自动记录装置； 4.量测仪器的规格应尽可能一致，种类愈少愈好。,现代结构试验方法,3.5材料力学性能试验,1.参数 混凝土抗压强度、抗拉强度、徐变-时间、弹性 模量、应力-应变曲线 钢筋屈服强度、抗拉极限

18、强度、弹性模量、 应力-应变曲线 砖石抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线,3 结构试验设计,现代结构试验方法,3.5材料力学性能试验,2.试验方法 直接试验法标准试件、标准试验方法 间接测定法非破损试验法 半破损试验法 3.基本要求 材性试件与结构试件之间要保证做到严格的材料性质一致、施工工艺一致、养护条件一致。,3 结构试验设计,现代结构试验方法,3.5材料力学性能试验,4.材性试验方法对材料强度指标的影响 混凝土材料 试件尺寸与形状 不同立方体试件抗压强度的换算系数 试验加荷速度 温、湿度的影响 试件受荷面平整度的影响,3 结构试验设计,现代结构试验方法,加荷速度的影响,3.6结构试验报告,1.试验目的 2.试验对象的简介和考察 3.试验方法及依据 4.试验情况及问题 5.试验成果处理与分析 6.技术结论,3 结构试验设计,现代结构试验方法,4 结构试验准备,1.试件的制作 材料试样的留取 试件编号 记录施工日志 2.试件安装就位 3.安装加载设备、量测仪器的率定和安装 “一稳二准三方便，四强五刚六安全” 4.辅助性试验 5.记录表格的设计,4 结构试验准备,现代结构试验方法,注意,1.试件尺寸偏差 2.保护层厚度的控制 3.材料强度控制 4.传感器、应变片的埋置 5.构造措施,构造措施,5 结构试验实施,1.