同济大学《建筑结构试验》课件.ppt

,1,建筑结构试验,建 筑 结 构 试 验,任课教师：薛伟辰,2,建筑结构试验,建筑结构试验课程介绍,建筑结构试验是以实验技术为手段，测量能反映结 构或构件实际工作性能的有关参数，为判断结构的承载 能力和安全储备提供重要根据。,建筑结构试验是工业与民用建筑专业的一门专业技 术课程。本课程的任务是使学生获得建筑结构试验方面 的基础知识和基本技能，能够进行一般建筑结构试验的 设计与实施。,3,建筑结构试验 结构试验设计,试件设计,加载方案 荷载设备,测试方案 数据采集和测 量仪器,4,建筑结构试验 课 时 安 排,第一章 结构试验概论 第三章 结构试验的荷载设备,（2课时） （2课时）,第四章 结构试验的数据采集和测量仪器 （2课时）,第二章 结构试验设计 第五章 结构单调加载静力试验 第六章 结构低周反复静力加载试验 第九章 结构试验现场检测技术 第十章 结构试验的数据处理,（4课时） （2课时） （2课时） （2课时） （2课时）,5,建筑结构试验,第一章,结构试验概论,6,建筑结构试验,结构试验与理论分析的关系：,作为一门试验科学，目的是对结构物的受力性能作 出评价，并为验证和发展计算理论提供依据； 当计算理论比较完善，足以分析结构物的受力特性 时，则无须进行结构试验；,当计算理论有待完善或分析对象为新材料、新工艺 或新型结构时，则需要进行结构试验。,如结构的弹性内力计算与塑性承载力设计方法、长期性能、耐 久性等,7,建筑结构试验,简支受弯梁试验：（著名的路标试验）,研究简支受弯梁截面应力分布。,8,建筑结构试验,简支受弯梁试验：（路标试验）,17世纪初，伽利略提出截面应力均匀分布； 17世纪中，有人将其修正为三角形分布；,1713年，巴朗（法国）提出正确的应力分布型式， 但未能进行试验验证；,1767年，容格密理（法国）提出路标试验；,1821年，拿维叶（法国科学院院士）推导了受弯构 件应力分布的计算公式；,1850年，阿莫历思（法国科学院院士）完成了试验 验证。,9,建筑结构试验,结构试验在我国的发展历史：,解放前，结构试验在我国几乎是空白；,1953年，长春市25.3m输电塔原型检验性试验； 1957年，武汉长江大桥静载和动载试验；,1959年，北京火车站35m35m双曲薄壳静力试验； 70年代后，上海体育馆、南京五台山体育馆网架模型,试验；,1977年，“建筑结构测试技术的研究”八年规划； 上世纪80年代以来，随着大型高精度试验装置和数采,系统的应用，标志着我国结构试验达到一个新水平。,10,建筑结构试验,结构试验的发展趋势：,大型化、体系化；,精密性，包括试件设计、加载、测试； 计算机联机试验。,我校的结构试验建设情况：,共有六个试验室；,静力、拟动力、振动台、抗火、风洞、耐久性。,建筑结构试验 结构试验的任务： 定义：课本P12,P,P 应变片,P曲线（构件） M关系（截面） 承载力、挠度、裂缝 平截面假定验证 11,12,建筑结构试验,结构试验的目的：,生产性试验（又称鉴定性试验或检验性试验）,科研性试验,13,建筑结构试验 生产性试验： 特点：非探索性、有比较成熟的计算理论、针对实际结 构或构件 应用场合：, ,检验结构设计和施工质量； 检验已有建筑物的可靠性，推断剩余寿命； 鉴定加固，改造工程的实际受力性能； 为工程事故鉴定处理提供技术依据； 检验结构构件或部位的受力性能。,14,建筑结构试验 科研性试验： 特点：具有研究、探索、开发的性质，针对试件而不一 定是具体结构。 应用场合：, ,验证结构计算理论及有关假定、推断等； 为编制有关设计规范提供依据； 推广应用新结构、新材料、新工艺。,15,建筑结构试验,建筑结构试验的分类：,按试验对象：真型试验、模型试验； 按荷载性质：静力试验、动力试验；,按试验时间：短期荷载试验、长期荷载试验； 按试验场合：试验室试验、现场试验；,按破坏程度：破坏性试验与非破坏性试验。,16,建筑结构试验 真型试验与模型试验： 真型试验, ,试验对象：实际结构或按比例复制的结构、构件 优点：完全反映真实结构受力特性，试验结论可靠 缺点：费用高，加载难度大，试验周期长,模型试验, ,试验对象：缩尺试件 优点：实施方便，费用低，多参数、多试件 缺点：严格相似条件难实现，尺寸效应,17,建筑结构试验 静力试验与动力试验： 静力试验, ,单调静力试验、低周反复静力试验等 优点：加载设备简单，试验观测方便 缺点：不能反映结构动力性能,动力试验, ,振动台试验、疲劳试验、风载试验等 优点：能真实反映结构的动力特性和动力响应 缺点：加载设备和测试手段复杂,18,建筑结构试验 短期荷载试验与长期荷载试验： 短期荷载试验,一般试验全过程持续几分钟到几天,长期荷载试验, ,试验全过程持续几个月、几年到数十年 主要研究与时间有关的结构特性（如：混凝土的收 缩、徐变，预应力筋的松弛，结构的耐久性能 等）,19,建筑结构试验 试验室试验与现场试验： 试验室试验, ,适用于科研性试验 是今后结构试验的主要发展方向,现场试验,试件或结构的工作条件、结构型式等完全反映工程 实际情况,20,建筑结构试验,破坏性试验与非破坏性试验：,现场试验和长期荷载试验多为非破坏性试验,试验室试验与短期荷载试验多为破坏性试验,21,建筑结构试验,思考题：,1、简述结构试验的任务。,2、按试验目的的不同，结构试验可分为哪两类？ 3、简述生产性试验的目的。 4、简述科研性试验的目的。,5、试对比真型试验与模型试验。,6、简述静力试验与动力试验的不同。 7、阐述短期试验与长期试验的区分。 8、说明试验室试验与现场试验的不同。,22,建筑结构试验,第三章,结构试验的荷载设备,23,建筑结构试验 结构试验中的加载方法：,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； 人激振动加载法； 环境随机振动激振法。,24,建筑结构试验,重力加载法：,包括重力直接加载法和杠杆加载法。,直接加载法,应注意避免因荷重 块产生拱作用而改 变荷载分布。,杠杆加载法,结构变形后荷载不 改变，但无法自行 卸载。,25,建筑结构试验,重力加载法：,预应力钢混凝土组合梁长期荷载试验,建筑结构试验 液压加载法： 目前结构试验中最常用的加载方法； 可适用于静、动载试验，吨位可大、可小； 液压加载方法 液压加载系统和试验台座； 结构试验机系统。 液压加载装置, 液压加载器； 结构试验机；, 地震模拟振动台。 26, 液压加载系统； 电液伺服液压系统；,27,建筑结构试验 液压加载器：,液压千斤顶,电动泵,28,建筑结构试验,液压加载系统：,组成部分, 液压加载器 液压控制台 反力架 台座,适用于各类结构的静载试验（包括拟静力试验）,29,建筑结构试验,液压加载系统：,5M钢桁架结构 静力分析试验,液压千斤顶,手动油泵,竖向反力架,支墩,10000kN垂 向加载油缸,建筑结构试验 结构试验机： 水平伺服跟,动装置 球铰及微动,横梁缩紧机 构,探测装置 垂向伺服跟 动装置 3000kN水 平加载装置 横梁升降机 构 1500kN水 平加载装置 10000kN大型多功能试验机系统（同济大学建筑结构试验室） 30,31,建筑结构试验,地震模拟振动台：,同济大学土木工程防,灾国家重点试验室,美国MTS公司三向六自由 度维模拟地震振动台， 台面尺寸4m4m，最大 试件质量25t。,32,建筑结构试验,惯性力加载法：,利用运动物体质量的惯性施加动力荷载； 冲击力加载法, 初位移加载法； 初速度加载法； 反冲激振法。 离心力加载法, 优点：结构简单，容易产生较大振幅和激振力； 缺点：频率低，振幅调节难，只能产生简谐荷载。,直线位移惯性力加载法, 激振力大，但频率较小（ 1HZ），且设备笨重。,33,建筑结构试验,惯性力加载法：,初位移加载法,初速度加载法,34,建筑结构试验,机械力加载法：,常用机具包括：吊链（葫芦）、卷扬机、花篮螺 丝、螺旋千斤顶、弹簧等； 适用于施加水平荷载；,优点：设备简单，集中力的方向便于控制； 缺点：荷载较小，加卸载速度慢，荷载作用点的 变形会引起荷载值的较大改变。,35,建筑结构试验,气压加载法：,利用压缩空气加载，利用抽真空产生负压加载； 适用于平板、壳体等平面结构施加均布荷载； 优点：加、卸载方便，荷载稳定、安全，结构破 坏时能够自动卸载；,缺点：加载面无法观测。,36,建筑结构试验,电磁加载法：,可进行静、动载试验； 电磁式激振器, 优点：频率范围宽、重量轻、控制方便、可按给定,信号产生多个波形的激振力；, 缺点：激振力不大、适用于小型结构试验。,电磁振动台, 优点：频率范围宽、振动稳定、波形失真小、振幅,和频率的调节较为方便、容易实现自动控制； 缺点：激振力小、适用于小型结构试验。,37,建筑结构试验,人激振动加载法：,人身体有规律的运动，在共振情况下可产生较大 的激振力（有阻尼自由振动）。,环境随机振动激振法：,又称脉动法；,由地面脉动产生建筑物脉动，再对其进行模态参 数识别。,38,建筑结构试验,荷载支承设备和试验台座：,支座；,荷载支承机构；,结构试验台座；,现场试验荷载装置。,39,建筑结构试验,支座：,支墩：简易支座，钢或钢筋砼制作，现场试验多 为砖砌体；,支座作用形式：滚动铰支座、固定铰支座、球铰 支座；,对铰支座的基本要求（课本P5859） 必须保证结构在支座处能自由转动； 必须保证结构在支座处力的传递；, 构件支座处铰的上下垫板要有一定刚度； 滚轴长度，一般取为试件支承处截面宽度； 滚轴直径，可按表选用，并进行强度验算。,40,建筑结构试验,支座：,41,建筑结构试验,荷载支承机构：,又称反力架或荷载架； 试验室试验, 反力架（由横梁立柱组成）；, 抗弯大梁或空间桁架式台座（适用于中小型构件）,、试验台座。,现场试验, 反力支架（包括平衡重、锚固桩头、现浇地梁和箍,架等）。,建筑结构试验,荷载支承机构： 试验台座（槽式）,竖向反力架 42,立柱,横梁,43,建筑结构试验,荷载支承机构：,水平反力架,44,建筑结构试验,结构试验台座：,抗弯大梁式台座和空间桁架式台座, 适用于中小型构件试验，跨度短、荷载小； 特点：自平衡式，对支座和支承条件无要求。,空间桁架式台座,抗弯大梁式台座,45,建筑结构试验 结构试验台座：（试验台座） 板式试验台座 RC板或PC板（厚板），由结构自重和刚度来平衡所 施加的荷载。 槽式试验台座：加载点可沿台座纵向移动，但由于 地脚螺丝较松，不适用于动力荷载试验。 地脚螺丝式试验台座：可适用于静力试验和动力试 验，但试件就位灵活性差，螺丝受损后修复困难。 箱式试验台座 特点：承载力高、刚度大、台座空间利用率高，但,安装和移动设备困难。,46,建筑结构试验,结构试验台座：（试验台座）,抗侧力试验台座, 作用：通过拉压千斤顶或电液伺服加载系统对试件,施加模拟地震作用的低周反复荷载，进行拟动力和 拟静力试验。, 试验台座采用RC或PC的实体墙或箱形墙，有L型、U,型等。,47,建筑结构试验,槽式试验台座：,槽式试验台座，高出地面500mm（同济大学建筑结构试验室）,48,建筑结构试验,现场试验荷载装置：,关键问题：如何提供支座反力。 解决方法, 平衡重式, 压桩作为地锚 成对试验加载,49,建筑结构试验,思考题：,1、简述重力加载法的特点。,2、如何避免重力加载法中的拱效应？ 3、液压加载器有哪几种？,4、电液伺服加载系统的主要功能有哪些？ 5、阐述机械力加载法的常用机具及其特点。 6、简述气压加载法的优点和缺点。 7、支座有哪几种基本形式？,8、结构试验台座的分类及其特点。,50,建筑结构试验,第四章,结构试验的数据采集和测量仪器,51,建筑结构试验,主要内容,4.1 概述,4.2 传感器 4.3 记录器,4.4 数据采集系统,52,建筑结构试验,4.1 概述,数据采集：用多种仪器和装置测量结构试验中的输入 （作用）和输出（效应、响应）数据。 结构试验数据采集的发展过程： 人工测量、人工记录：直尺、秤等 仪器测量、人工记录：YJ-5应变仪等, 仪器测量、仪器记录：传感器 + X-Y记录仪等 数据采集系统：输力强数据采集系统等,建筑结构试验,传感器 感受部分 显示、记录部分,放大器 放大部分 分析仪器,显示器 记录器 数据采集系统 53,54,建筑结构试验,结构静力试验：主要测量局部纤维应变和整体变形， 多使用复合式仪表。,结构动力试验：量测结构动力特征和动态反应，使用 动态模拟仪器。,数据采集的仪器设备（按功能与使用情况分）：传感 器、放大器、显示器、记录器、分析仪器等。,4.1 概述（续）,55,建筑结构试验,测量仪器设备的主要技术性能指标：, 刻度值（最小分度值）：指示或显示装置所能指示的最,小量测值。, 量程：仪器可以测量的最大范围。, 灵敏度：仪器对被测物理量变化的反应能力。 分辨率：测量被测物理量最小变化值的能力。, 线性度：仪器校准曲线对理想拟合直线的接近程度。 稳定性：规定时间内保持示值与特性参数不变的能力。 重复性：重复测试同一数值时保持示值一致的能力。 频率响应：动测仪器输出信号随输入信号变化的特性。,4.1 概述（续）,56,建筑结构试验,结构试验对仪器设备的使用要求, 自重轻、尺寸小，不影响结构工作与受力； 合适的灵敏度和量程；, 安装使用方便，稳定性和重复性好；, 价廉耐用，可重复使用，安全可靠，维修容易； 多功能，多用途，适应多方面需要。 数据采集应遵循同时性和客观性原则。,为确定仪器设备的灵敏度和精确度、确定试验数据的 误差，应在试验前后对仪器设备进行标定。,4.1 概述（续）,57,建筑结构试验,4.2 传感器,（一）基本原理：（教材P70-71）,机械式传感器：利用机械原理进行工作，包括感受机 构、转换机械、显示装置和附属装置四部分。,电测传感器：利用某种特殊材料的电学性能、或某种 装置的电学原理，把所需测量的非电物理量变化转换 成电量变化，主要包括感受部分、转换部分、传输部 分和附属装置四部分。,其他传感器：包括红外线传感器、激光传感器、光纤 传感器和超声波传感器等。,建筑结构试验 （二）电阻应变计 工作原理：利用某种金属丝导体的“应变电阻效应”。,构造组成： 引出线 覆盖层 电阻栅 基底材料 58,dR R,= K,K：灵敏系数 ：应变,单位应变引起的 相对电阻变化,59,建筑结构试验,（二）电阻应变计（续）,电阻应变计的特点：灵敏度高，应变片尺寸小（应力 集中区密集贴片），质量轻，粘贴牢固，适用于高、 低温环境（-50100）。 主要技术指标, 电阻值 R：120。, 标距 l：即电阻栅的有效长度。钢筋片21、32等,，砼片804、1005等（大于4倍最大粗骨料粒径， 还与应变梯度有关）。, 灵敏度系数 K：即单位应变引起应变计的电阻变化。,应与应变仪的灵敏度系数设置相协调。,建筑结构试验 （二）电阻应变计（续） 电阻应变仪的分类 按电阻栅的种类分：丝绕式、 短接式、箔式、半导体式、焊 接式； 按电阻栅的形状分：单向应变 片、应变花（双向、三向）；, 按基底材料分：纸基、胶基；, 按使用极限温度分：低温、常 温、高温。 60,三向应变花,61,建筑结构试验 电阻应变计的粘贴方法：,顺,序,工作内容,方法,要求,外观检,借助放大镜肉眼检查,应变片应无气泡、霉变、锈点、,1,应变片检查 分选择,查 阻值检 查 测点检,查,用万用表检查 用单臂电桥测量电阻值并分 组 检查测点处表面状况,栅级应平直、整齐均匀 应无短路或断路 同一测区应用阻值基本一致的应 变计，相差不大于 0.5% 测点应平整、无缺陷、无裂缝,打磨,用砂布或磨光机,平整、无浮浆、并不使断面减少,用丙酮或酒精清洗,清洗 打底,棉花干擦是无污染 胶层厚度 0.05-0.1mm 左右，硬后 用砂布打磨,2,测点处理,测线定 位,上胶,用镊子夹应变计引出线，在,纵线与应变方向一致 测点上十字中心与应变计上的标,挤压,背面上一层薄胶，测点也涂 上薄胶，将片对准放上 在应变计上盖一小片玻璃,挤出多余胶水,志对准 胶层应尽量薄，并注意应变计位,纸，用手指沿一个方向滚压，置不滑动。,3,应变计粘贴,加压,快干胶粘贴，用手指轻压 1-2,分钟，其它胶则适当方法加 压 1-2 小时,胶层应尽量薄，并注意应变计位,置不滑动。,62,建筑结构试验,电阻应变计的粘贴方法（续）：,63,建筑结构试验,（三）应变测量,电阻应变计测量应变, 采用惠斯登电桥（1/4电桥接法、半桥接法、全桥接,法），将电阻变化转换为电压或电流的变化，使信号 放大，从而进行测量；, 读数：零位读数法（电阻）、偏位读数法（电压）,惠斯登电桥,64,建筑结构试验,（三）应变测量（续）,电阻应变计测量应变, 温度补偿技术：粘贴在试件测点上的应变计所反映的,应变值，除了试件受力的变形外，还包含试件与应变 计受温度影响而产生的变形和由于试件材料与应变计 的温度线膨胀系数不同而产生的变形等。这种变形不 是荷载效应，一般采用温度补偿方法加以消除。, 消除温度影响的方法：温度补偿法。,65,建筑结构试验,温度补偿应变计法,66,建筑结构试验,（三）应变测量（续）,其他方法测量应变, 位移法：, 用两点之间的相对位移近似表示两点之间的平均应变, 小标距（50mm250mm）：手持应变仪（引申仪）、,杠杆引申仪、百分表、位移传感器； 大标距：收敛仪、水准仪、经纬仪。, 光测法：多用于结构局部应力分析（云纹法、激光衍,射法、光弹法）。, = l /l,67,建筑结构试验,（四）力传感器和压力传感器,主要有机械式传感器和电测式传感器两类；,机械式：拉力测力计、压力测力计、拉压力测力计； 电测式（应变式）：压力传感器、拉压传感器（较为 常见，采用应变计量测方法，可自制）。,电测式荷载传感器,建筑结构试验 （五）线位移传感器 简称位移传感器； 机械式百分表、电子百分表、千分表、位移计、,量程13mm,量程1030mm 水准仪、经纬仪 等。 机械式百分表,量程50、100、 200、300mm 电子百分表 68,69,千分表,经纬仪,建筑结构试验 （五）线位移传感器（续） 位移计,建筑结构试验 （六）角位移传感器 倾角仪、倾角传感器等。 （七）裂缝测量仪器 裂缝测量的两项内容：开裂时刻与位置、裂缝宽度与 长度； 判断裂缝是否出现的方法, 目测 应变 曲线,试件表面刷白，裂缝一般与主拉应力垂直； 通过钢筋应变和砼应变综合判定； 通过P、P曲线拐点判定。,常用裂缝宽度测量仪器：读数显微镜、裂缝标尺。 70,建筑结构试验 （八）测振传感器 基本原理：测量结构振动参数（位移、速度、加速度 等）的仪器, 利用相对运动原理,手持式测振仪；,惯性式测振传感器。, 利用惯性原理 传感器的频率特性,应尽可能大 应尽可能大, 位移传感器： w wn 加速度传感器： wn w,w 为振动体的频率 wn 为传感器固有频率 71,72,建筑结构试验,（八）测振传感器（续）,磁电式速度传感器（教材P84-85）, 灵敏度高、性能稳定,压电式加速度传感器（教材P86）, 优点：动态范围大（可达105g），频率范围宽，稳定,性好，机械强度高，温度范围宽；, 缺点：灵敏度较低。,压电传感器,73,建筑结构试验,4.3 记录器,（一）概况（教材P70-71）,数据的记录方式：模拟式、数字式。,常用记录器：光线示波器、磁带记录仪、磁盘驱动器 、XY记录仪。,（二）XY记录仪,模拟式记录器；,可记录一个X轴（荷载）、二三个Y轴（位移、应变 等）；,多用于静力测试。,74,建筑结构试验,（三）光线示波器,模拟式记录器；,可同时记录多条曲线； 主要用于振动测试。,（四）磁带记录仪,有模拟式和数字式两种； 多用于测量振动参数；,特点：工作频带宽、同时多通道记录、录放速度可调 、可将磁信号还原为电信号。,75,建筑结构试验,4.4 数据采集系统,（一）数据采集系统的组成（教材P90 图4-23）,传感器部分：包含电测传感器,数据采集部分：扫描传感器，对数据进行采集 计算机部分：控制数据采集仪，并进行数据处理 按系统组成模式分：, 大型专用系统 分散式系统, 小型专用系统 组合系统,76,建筑结构试验,数据采集系统的组成,77,（二）数据采集过程,（教材P90-92）,结构试验的原始数据；力、线位移、角位移、 应变和温度等物理量,A/D转换 扫描采集 把物理量转变为电信号 传感器 感受各种物理量,实时屏幕图象显示 存入文件 计算处理 从数据采集仪读入数据 打印输出、存入磁盘 放入内存 系数换算,计算机 数据采集仪,建筑结构试验 数据后处理,打印输出,数据流通过程图,建筑结构试验,（二）数据采集过程（续）,（教材P90-92）,数据采集程序框图,启,动,处理测试参数文件 仪器状态的诊断测试 建立存放数据的文件 设置屏幕曲线显示的坐标系 采集初读数 采集待命，可选择下一步操作 如：一次采集；连续采集；终止运行,一次采集 a)扫描采集； b)存入文件； c)屏幕曲线显示； d)打印输出,终止,连续采集 a)扫描采集； b)存入文件； c)屏幕曲线显示；,准 备 阶 段,集 阶 段 78,正 式 采,79,建筑结构试验,思考题：,1、数据采集应遵循的两个原则是什么？ 2、传感器的功能是什么？,3、简述电阻应变计的工作原理。,4、简述电阻应变计的主要粘贴步骤。,5、何谓1/4电桥、半桥接法以及全桥接法。 6、简述电阻应变计的构造组成。 7、常用的位移传感器有哪些？,8、裂缝测量主要有哪两项内容，常用方法是什么？ 9、常用的数据记录器有包括哪些？ 10、简述数据采集系统的硬件组成。,80,建筑结构试验,第二章,结构试验设计,81,建筑结构试验,主要内容,2.1 概述,2.2 试件设计,2.3 结构试验的模型设计 2.4 结构试验荷载设计 2.5 结构试验的观测设计,2.6 材料的力学性能与结构试验的关系 2.7 结构试验大纲和试验基本文件,82,建筑结构试验,2.1 概述,结构试验全过程包括：试验设计、试验准备、试验实 施和试验分析等几部分。 结构试验设计定义(P9)：,对结构试验进行全面的设计与规划；, 设计的计划和试验大纲对试验起着统管全局和具体指,导的作用。,83,建筑结构试验,2.1 概述（续）,试验设计的主要内容（以简支梁试件设计为对象）,(1) 确定试验参数，结合试验经费与时间，进行试件设计 如适筋梁试验：强剪弱弯原则、板的抗剪问题、梁截面,尺寸的确定、经济配筋率问题。,(2) 加载设计, 支承条件、加载方式（等弯矩段）、加载设备、加载制,度（荷载与位移混合控制）。,(3) 观测设计, P-、挠度、裂缝、应变、曲率等。尽可能多地测量内,容，充分利用试验。,84,建筑结构试验,2.2 试件设计,缩尺模型与足尺模型, 缩尺模型必须满足严格的相似条件。,试件设计的内容及要求, 内容：试件形状的选择、试件尺寸与数量的确定、,构造措施等；, 要求：结构与受力的边界条件、试验的破坏特征、,试验的加载条件。,85,建筑结构试验 2.2 试件设计（续） （一）试件形状 基本原则：受力条件和边界条件的模拟。 如框架节点的试验方案，板柱结构的受力特征（板带 宽度的选取）。 （二）试件尺寸 尺寸效应（构件与结构）；,混凝土抗压强度试验 100100100 150150150 200200200,0.95 1.0 1.05,86,建筑结构试验,（三）试件数量,生产性试验：按试验任务的要求来确定试件数量。 科研性试验：,(1) 单因素 根据因素的水平数来确定试件数量； (2) 多因素 采用正交试验设计法来进行试验设计,并对试验结果进行科学分析。,多因素试验存在的问题：,(1) 全面试验的次数（试件数量）与实际可行的试验次数 之间的矛盾。n个因素，m个水平，则全面试验次数mn。 (2) 实际所做的少数试验与全面掌握内在规律的要求之间 的矛盾。,87,建筑结构试验,（三）试件数量（续）,正交试验设计：指利用事先制好的正交表来安排多 因素试验，并进行试验结果分析的一种试验设计方 法。, 正交表是正交试验设计法中合理安排试验并对试,验结果进行统计分析的一种特殊表格。, 常用正交表有 L4(23)、L9(34)、L12(3124)等。,试验次数 因素的水平数 因素数,88,建筑结构试验,（三）试件数量（续）,正交表的特点（凡符合下列两个特点的表均称为正 交表）：,(1) 每一列中，不同的数字出现的次数相等； (2) 任意两列中，将同一横行的数字看成有序数对 （左列的数放在前，右列的数放在后）则每种 数对出现的次数相等。如（1、2）（1、1）,（2、1）（2、2）各出现一次。,89,3 1 2 2 1,2 1 2 1 2,1 1 1 2 2,因素,水平 试件 1 2 3 4,建筑结构试验 （三）试件数量（续） L4(23)正交表,90,建筑结构试验 （三）试件数量（续） 完全试验的试件数量,2 3 4 5,5 32 243 1024 3125,4 16 81 256 625,3 8 27 64 125,2 4 9 16 25,1 2 3 4 5,因素,水平,91,1 2 3 4 5 6 7 8 9,4 1 2 3 3 1 2 2 3 1,3 1 2 3 2 3 1 3 1 2,2 1 2 3 1 2 3 1 2 3,1 1 1 1 2 2 2 3 3 3,因素,水平 试件,建筑结构试验 （三）试件数量（续） L9(34)正交表,92,建筑结构试验,2,2,2,2,3,12,2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1,1 2 2 1 2 2 1 1 1 1 2,1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2,1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1,2 2 2 2 1 1 1 1 3 3 3,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11,5,4,3,2,1,因素,水平,试件,（三）试件数量（续） L12(3124)正交表,建筑结构试验,（三）试件数量（续） 正交试验结果分析直观分析法 目的： (1) 确定各因素的主次关系； (2) 确定各影响因素的最佳水平。 具体步骤：,(1) 填写评价指标，将每个试件的试验结果填入正交表 的右栏内； (2) 计算各因素的水平效应值Kmf、Kmf和极差Rm值。 (3) 比较各因素的极差R值，根据其大小，列出各因素的 主次关系。R值较大者，即对试验结果的影响较大、即主要 因素。 (4) 比较同一因素下各水平的效应值Kmf，能使指标达到 满意值的为较理想的水平值。 93,Kmf 正交表中m列第f水平 相应的指标值之和 Kmf Kmf，m列第f水平的 重复次数 Rm m列中Kmf的极大值与 极小值之差,94,建筑结构试验,（四）结构试验加载与测试对试件设计的要求 试件支承条件的要求：支承点的水平、局压、支承点 的明确（跨度）。,试件加载点的要求：分配梁（简支梁型式）、局压。 试件破坏型式和破坏机制的要求：如 弯与剪的破坏 问题、节点与梁柱构件的强度问题、防止粘结滑移的 措施。,试验测量的要求：预埋件、预留孔道、预贴应变片。 辅助试件的要求：试件材料的材性试件、节点或局部 结构构件的单体试件。,95,建筑结构试验,2.3 结构试验的模型设计,结构模型设计要求按相似理论进行设计，以保证 “试验过程与试验结果相似”, 几何相似 材料相似 物理相似 荷载相似,科研性试验中常采用小型试件，即缩尺模型。,96,建筑结构试验,2.3 结构试验的模型设计（续）,相似原理,相似原理是研究自然界相似现象的性质和鉴别相似现,象的基本原理，由三个相似定理组成：, 第一相似定理：彼此相似的现象，单值条件相同，其相似准,数也相同，由牛顿在1786年首先提出，它确定了相似现象的 性质。, 第二相似定理：某一现象各物理量之间的关系方程式，都可,表示为相似准数之间的函数关系。相似准数常用表示。第 二相似定理也称定理，为模型设计提供了理论基础。, 第三相似定理：现象的单值条件相同，并且由单值条件导出,的相似准数相等，是现象彼此相似的充要条件。,97,建筑结构试验 2.3 结构试验的模型设计（续） （一）模型的相似要求和相似常数 相似常数的独立性 几何相似 要求模型和真型之间所有对应部分尺寸成比例。Sl（长 度）、SA（面积）、Sw（抗弯模量），SI（惯性矩），Sx （位移）、S（应变）。 质量相似 Sm（质量）、S（比重）。 荷载相似,SP（集中力）、Sw（面力）、Sq（体力）、SM（弯矩）。,98,建筑结构试验,（一）模型的相似要求和相似常数（续）,物理相似,S（应力）、S（剪力）、S（剪切角）、SE（弹性模,量）。,时间相似,St，时间相似不是指时刻相似，而是指时刻的间隔相似。,边界条件相似,指模型的支承与约束条件相似。 初始条件相似,针对动力问题，包括初始位置、位移、速度、加速度等。,99,建筑结构试验,（二）模型设计的相似条件（教材P19-25）,按模型设计的相似理论确定相似条件的方法有：方程 式分析法、量纲分析法。,方程式分析法：已知各参数与物理量的函数关系，并 有显式表达式时。适用于较简单的物理现象。,量纲分析法：对较复杂的物理现象，不能用显式表达 来描述各参数与物理量之间的函数关系。此时，物理 参数的合理选择对模型设计具有决定性的作用。,取决于对该物理现象的正确认识程度,=1, 2 l S S, l E f S S S,100,建筑结构试验,（二）模型设计的相似条件（续） 1、静力试验模型的相似条件（P20）,可见，相似常数的数目多于相似条件的数目，模型 设计时须预先假设几个相似常数，一般假设几何相,似常数Sl和材料相似常数SE。, =1, =1, S p, S p, S p Sl,SM, S,S S l, S, S Sl, S S l,建筑结构试验 1、静力试验模型的相似条件（续） 考虑自重荷载的模型相似条件,=1 =1 =1,M 4 S f SE 2,，此时模型材料很难实现，,1 Sl,当 m = p，S =1 ，S =,只能采用附加质量方法，但强度与刚度须保持不变。 ，须提高测量精 2 度。 101,S 为材料容重的相似 常数,dt,md x/dt,md x/dt,102,建筑结构试验 2、动力试验模型的相似条件（教材P22-23） 单自由度体系受迫振动的振动方程,dx dt,d 2x 2,m,d 2xg dt2,+kx = m,+c,2,2,kx 2,d 2xg /dt2 d 2x/dt2,= ,+,cdx/dt 2,1+,即：,x 为未知量, 动力模型的相似条件为 Sc St /Sm =1 ,Sk Sm,Sm Sk,Sw =,此外，自频及周期的相似常数为： ST =,运动初始条件的相似：,Sl St,Sl St &,S & x & =,Sx & =,Sx = Sl,)之间，SE/S 2, 6,模型试验中的相似关系：,= Sl,SE Sg S, 当选用Sg=1，而Sl一般(,1 2,1 ， 6,1,1,这在模型选用材料时很难实现，通常需对材料试级配。 当选用材料相同，SES1，则Sg1/Sl，采用附 加质量法。 103,建筑结构试验 2、动力试验模型的相似条件（续） 关于重力加速度的相似常数Sg,104,建筑结构试验,4、模型材料,模型材料的要求, 相似要求：材料的基本性质相似。, 测量要求：为便于测量仪表有足够的读数，弹性,模量应适当低一些。, 材料性能稳定，受环境温度、湿度的影响较小。 加工制作方便,3、钢筋混凝土结构和砌体结构试验模型的相似条件（,教材P24-25）,105,建筑结构试验 4、模型材料（续） 模型材料的种类 金属（一般钢材和铝合金）：弹性好、变形量大、泊松比与 钢筋砼相似。 塑料和有机玻璃：强度大、弹性模量低、各向同性、加工方 便、但徐变较大、热稳定性较差。 石膏：加工容易、成本低、泊松比与砼十分接近、弹性模量 可人为调整、但抗拉强度低、较脆。石膏被广泛用于制作弹 性模型，也可大致模拟砼的塑性性能。 水泥砂浆：相比上述三种材料，最接近混凝土，常用于制作 砼薄壁结构，此时采用的钢筋为钢丝或铅丝。 细石混凝土：非弹性性能较难模拟，缩尺比例不宜太小。主,要缺点是粘结应力模拟不好，不适用于研究Wmax、f等。,106,建筑结构试验,2.4 结构试验荷载设计,结构试验荷载的分类, 按作用形式, 集中荷载、分布荷载。, 按作用方向, 垂直荷载、水平荷载、任意方向荷载。, 单调荷载、重复荷载、反复荷载。, 动力荷载、静力荷载。,107,建筑结构试验,2.4 结构试验荷载设计（续）,（一）试验加载图式（教材P25）,定义：,试验荷载在试验结构上的布置形式（包括荷载,类型与分布情况）,试验加载图式要与结构设计计算时荷载图式一致,108,建筑结构试验 （二）试验加载装置的设计 试验加载装置包括 竖向加载装置：荷载架 水平加载装置：反力架、反力墙（砼制） 其他加载装置：,(1) 荷载传递装置 (2) 荷载支承装置, ,分配梁、垫块或垫梁、滑动 轴承等； 支座（固定式、滑动式、铰 接式、滚动式）、支墩。,109,建筑结构试验 （二）试验加载装置的设计（续） 试验加载装置的基本要求, ,满足最大试验荷载的要求，并有一定的安全储备 50100； 满足自身刚度的要求； 符合试验结构的受力条件，能模拟试验结构的边 界条件和变形条件； 满足试件的支承条件：如支承点的摩擦力影响使 实际弯矩减小； 构造简单，加工、组装方便。,110,建筑结构试验 （三）试验的加载制度 定义：结构试验中控制荷载与加载时间的关系。 结构试验的加载制度分类： 单调静力加载：预加载、预定荷载、破坏荷载 伪静力加载：荷载与位移混合的低周反复加载（见 后图） 伪动力加载：由计算控制，按地震位移反应时程曲 线加载 抗震动力加载：按模拟地震时地面运动加速度地震 波加载 混凝土结构试验方法标准(GB5015292),建筑抗震试验方法规程(JGJ101-96),N 111,y=屈服位移,P,Pcr,变形控制,1y,2y,3y,4y,Pcr 荷载控制,P 0.75P ,0.75P 预加载,建筑结构试验 低周反复加载制度,112,建筑结构试验,2.5 结构试验的观测设计,观测设计的内容,确定测试项目、选择测点位置、选择测试仪器和测 试方法。,（一）观测项目的确定,试件在荷载作用下的变形分为以下两类, 整体变形：能够反映试件的整体工作性能，如P-,、P-曲线, 局部变形：、max、f、-s曲线等。,113,建筑结构试验,（二）测点的选择与布置,测点的布置原则, 满足试验要求为目的，宜少不宜多； 测点的位置要有一定的代表性；, 应布置一定量的校核性测点（受力明确的部位）； 测点的布置应便于试验时操作和测读。,（三）仪器的选择与测读的原则（教材P30-31）,114,建筑结构试验 2.6 材料的力学性能与结构试验的关系 （一）概述 结构设计中最基本的公式 RS,抗震试验中尚需要考虑周期性反复荷载下的材料本构关 系（见下图）。,R需要试件材料的基本力学性能数据：fc fcu Ec f y fu Es,砼反复本构,预应力筋反复本构,115,建筑结构试验,（一）概述（续）,包兴格效应：,钢材在拉（压）超过弹性极限后、反面弹性极限会 明显降低。1887年，德国包兴格提出。,测定试件材料力学性能的方法： 直接试验法，同条件试件；, 间接测定法（非破损试验法或半破损试验法），,回弹仪、超声波法 等。,建筑结构试验 （二）材料试验结果对结构试验的影响 真正的试件材性很难准确测得。 （三）试验方法对材料强度指标的影响 试件尺寸与形状的影响：尺寸效应（加载面的约束 及内部缺陷）,fc = 0.76 fcu,2 3 cu,ft = 0.76 f,f c = 0.83fcu,试验加载速度的影响（教材P3234） 2.7 结构试验大纲和试验基本文件 （教材P35-36） 116,117,建筑结构试验,1、结构试验包括哪些主要环节？ 2、结构试验设计的定义为？,3、生产性试验的试件数目的确定原则是什么？ 4、采用什么方法确定多因素科研试验的试件参数？ 5、简述模型设计中主要的相似要求。,6、确定相似条件的方法有哪两种，试对比分析。,7、试列出不考虑自重荷载的静力试验模型的相似条件。 8、阐述结构试验荷载的分类。 9、何谓结构试验的加载制度。,10、简述试验测点选择与布置的原则。,思考题：,118,建筑结构试验,第五章,结构单调加载静力试验,119,建筑结构试验,主要内容,5.1 概述,5.2 结构单调加载静力试验的加载制度 5.3 基本构件的单调加载静力试验 5.4 扩大构件的单调加载静力试验,5.5 建筑物或其部件的单调加载静力试验,120,建筑结构试验,5.1 概述,定义：单调加载静力试验是指在短时期内对试验对象 进行平稳的一次连续施加荷载，荷载从“零”开始一直,加到结构构件破坏，或是在短时期内平稳地施加若干 次预定的重复荷载后，再连续增加荷载直到结构构件 破坏。,单调加载静力试验是最普遍的试验类型。,单调加载静力试验主要用于模拟结构承受静荷载作用 下观测和研究结构构件的强度、刚度、抗裂性等基本 性能和破坏机制。,121,建筑结构试验,5.2 结构单调加载静力试验的加载制度,定义：试验进行期间荷载与时间的关系。,试验加载应与结构的实际受力情况吻合，如三种荷 载组合（短期、长期、基本）情况。,典型的单调加载静力试验的加载程序(见后图，教 材P94)。,预加载试验, 预加载荷载值为开裂荷载的70左右，一般为开裂,荷载的30-70。,122,建筑结构试验,续,单调静力试验的加载程序,123,建筑结构试验,5.2 结构单调加载静力试验的加载制度（续）,荷载量分级要求, 开裂前，在达到开裂荷载计算值的90以前，按荷,载短期效应组合的20分级；, 开裂前，达到开裂荷载计算值的90后，按荷载短,期效应组合的5分级；, 开裂后，直至达到荷载短期效应组合值，仍按20,分级；,、4y分级。,荷载值下降, 对非线性 超过荷载短期效应组合值后，直到结构屈服前，按,分析重要； 10分级； 按荷载加,难以控制。 结构屈服后，按y的倍数施加荷载，按2y、3y,124,建筑结构试验,5.2 结构单调加载静力试验的加载制度（续）,分级加载级间间歇时间t1（卸载级间间歇时间t3）, 砼结构10min，钢结构略少；, 基本原则：变形、应变等基本稳定。,恒载持续时间t2, 一般科研性试验30min 生产鉴定性试验10min 新结构和大跨结构12h,空载持续时间t4：1.5t2,125,建筑结构试验,5.3 基本构件的单调加载静力试验,（一）受弯构件的试验 试件的安装和加载方法 简支座与固定支座的实现 (1), (2) 应尽量保证加载面与支承面平整（砂浆、垫,沙层、橡胶+钢板）, 加载方法：千斤顶+分配梁 最常见, 一般采用等效荷载的加载图式（按照所研究的界,面位置）,梁下部会伸长,126,建筑结构试验,（一）受弯构件的试验（续）,试验项目和测点布置 (1) 挠度测量, 梁的挠度f，Pf曲线、框架的P曲线、节点,的P曲线, 梁的真实挠度f, a) 剔除支座位移；, b) 对宽度较大的梁，两边对称贴片，以消除扭转,的影响（支座偏心、加载点偏心）；, c) 挠度的预计大小（选择仪器的量程）。,127,建筑结构试验 （一）受弯构件的试验（续） (2) 应变测量 一般在以下几个截面上：M+max、M-max、l、y 或弯 矩突变处； 贴片的原则：按应变梯度；受拉区少、压区密（ 如采用引伸仪则不用）；一般情况下多采用不均匀 布置的方法。 a)单向应力测定：单向片, b)平面应力测定：多个单向片、应变花 c)箍筋和弯筋应力测量：预埋式和表面开槽式 d)翼缘与孔边应力测量：连续贴片（力学分析结果）,可确定有效 翼缘宽度 孔边最大应,力，孔边跨度 e)校核测点：不受力位置，检验系统误差,128,建筑结构试验,（一）受弯构件的试验（续）,裂缝测量, 裂缝包括：弯曲裂缝、剪切裂缝、弯剪裂缝。 基于力学分析，在裂缝位置的垂直方向布置测点。, 裂缝永远与l垂直（事故处理常用原则）。, 裂缝出现的判别方法：目测；P曲线；,应变值。, 最大裂缝宽度的测量方法：等弯矩段选取3条，在,纵筋水平位置处采用读数放大镜或裂缝标尺。 裂缝的标注方法：试验完毕后绘制裂缝开展图。,129,建筑结构试验,裂缝的标注方法,1.5T,续,建筑结构试验 （一）受弯构件的试验（续） 受弯塑性铰测量 测量内容：塑性铰的出现、长度，钢筋及砼的应变 情况、裂缝情况。, 延性系数, 钢筋在塑性铰区的连续贴片（教材P102-103）。 130,Pu Py 0.85Pu = u / y, y, u,P,131,建筑结构试验,（二）压杆和柱的试验,主要研究轴压比和长细比的影响。,试件的安装和加载方法, 正位试验（试验机上或大型荷载架上进行）、卧位,试验（大型试件）两端采用可动铰支座（反弯点截 取试件模型），可考虑P效应。, 对受压构件的安装就位，关键在于对中：首先进行,几何对中，再进行物理对中（通过应变测量，施加 20-40试验荷载）。,132,建筑结构试验,（二）压杆和柱的试验（续）,试验项目和测点布置, 试验项目：P曲线、s、c、max等，注意需,要成对测量。, 为研究混凝土受压区的实际应力图形，可采用测力,板进行测定（教材P105，类似自制传感器）, (1)将测力板浇筑在棱柱体试件中进行标定； (2)将测力板浇筑在试件中进行测量。,133,建筑结构试验,5.4 扩大构件的单调加载静力试验,（教材P106120）,一、钢筋混凝土平面楼盖试验,楼盖包括板、次梁、主梁三个部分，试验目的是 研究活荷载的作用。,5.5 建筑物或其部件的单调加载静力试验,134,建筑结构试验,（一）试验荷载布置,对于连续梁，活荷载最不利布置的原则, 跨中Mmax：该跨布置，左右隔跨布置, 支座Mmax：该支座左、右跨布置，左右隔跨布置 支座最大剪力：同支座Mmax,可从弯矩图、挠曲线来理解,试验中为简化，可忽略较远跨的影响或仅在荷载数,值上考虑其影响,板的试验, 确保为单向板,135,建筑结构试验,（一）试验荷载布置（续）,次梁的试验, 当主梁支承次梁时，可将次梁视为连续梁 当柱支承次梁时，将次梁视为固支梁, 实际上结构中均为弹性支座，无绝对意义上的铰,支、固支,主梁的试验, 同次梁的试验,柱的试验, Nmax：柱相邻跨满布, Mmax：同梁端Mmax时布置方案,136,建筑结构试验,（二）试验观测,平面楼盖试验一般为非破坏性，这是由于T形梁（ 强度大），多梁式经常为现场试验,板、梁挠度的观测, 工程中：精密水准仪、引出法 消除支座的影响,混凝土梁、板中混凝土及钢筋的原始应力测定, 卸载法,荷载的施加一般采用成袋砂、石、水泥,137,建筑结构试验,二 单层工业厂房整体结构空间工作试验,单层工业厂房由排架、屋盖系统、山墙等组成，由 于屋盖系统和山墙对各榀平面排架的约束作用，从 而形成空间结构。,试验目的：确定厂房整体空间作用性质及具体分配 系数。,138,建筑结构试验,（一）试验荷载布置,采用机械力加载的方式,加载方法,（二）试验观测,主要测量加载柱列各柱柱顶的横向水平位移，从而 可确定分配系数。,139,建筑结构试验,三 足尺房屋结构的整体试验,一般花费巨大，试验设备、台座、荷载架等的要求 都很高，但能反映真实结构的实际工作性能，通常 用作模拟试验基础上的验证性试验。,五层中型砌块建筑足尺结构抗震静力试验（教材 P129-134）, 足尺试验意义及特点（教材P133）,140,建筑结构试验,1、简述单调加载静力试验的定义。,2、绘出阐述结构单调加载静力试验的加载制度。,3、试根据弯矩和剪力等效原则绘出均布荷载下简支梁的,等效荷载加载图式。,4、如何布置测量简支梁弯曲应力、剪应力分布的应变测,点？,5、混凝土梁裂缝的测量有几种方法？,6、柱的安装和加载方案有哪两种，特点是什么？,7、何谓几何对中与物理对中，在柱的试验中如何实现？ 8、如何布置测量柱的侧向位移和变形曲线的测点？ 9、屋架安装和加载方法有几种，特点是什么？,思考题：,141,建筑结构试验,第六章,结构低周反复加载静力试验,142,建筑结构试验,主要内容,6.1 概述,6.2 结构低周反复加载静力试验的加载制度,6.3 结构低周反复加载静力试验,6.4 计算机加载器联机试验,143,建筑结构试验,6.1 概述,建筑结构抗震设计的基本概念：抗震延性的保证，包 括抗震设计计算和抗震构造措施两部分。 三个水准的抗震要求，二阶段的抗震验算。,结构抗震性能研究的主要内容：地震荷载作用下结构 的破坏机制、破坏形态、延性、耗能、强度等。 结构抗震性能研究的主要试验手段：, 伪静力试验 伪动力试验 振动台试验,144,建筑结构试验 6.1 概述（续） 结构低周反复加载静力试验的主要研究内容, 恢复力模型：相当于,结构的物理方程，常,用M-N-方程、M-,方程表示,RE