结构实验技术讲稿静力部分第02次

Lab of Prof. Tian Shizhu 1土 木 工 程 学 院结 构 实 验 技 术 田 石 柱 教 授 Lab of Prof. Tian Shizhu 2第 一 章 结 构 静 载 试 验 1.1 概 述 建 筑 结 构 上 的 作 用 分 为 直 接 作 用 与 间接 作 用 。 直 接 作 用 主 要 是 荷 载 作 用 ， 包 含结 构 自 重 与 施 加 在 结 构 上 的 外 力 ； 其 它 引起 结 构 外 加 变 形 和 约 束 变 形 的 原 因 ,如 温 度变 化 、 地 基 不 均 匀 下 沉 和 结 构 内 部 物 理 、化 学 作 用 等 为 间 接 作 用 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 3第 一 章 结 构 静 载 试 验 1.1 概 述 直 接 作 用 又 分 为 静 荷 载 作 用 和 动 荷 载作 用 两 类 ， 静 荷 载 作 用 是 指 对 结 构 或 构 件不 引 起 加 速 度 或 加 速 度 可 以 忽 略 不 计 的 直接 作 用 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 4第 一 章 结 构 静 载 试 验 1.1 概 述 建 筑 结 构 的 主 要 职 能 是 承 受 直 接 作 用 的 ， 因此 ， 研 究 结 构 承 受 直 接 作 用 的 状 况 是 结 构 试 验 与分 析 的 主 要 目 的 ， 在 结 构 的 直 接 作 用 中 ， 经 常 起主 导 作 用 的 是 静 荷 载 ， 于 是 静 载 试 验 也 就 被 置 于经 常 的 常 规 试 验 中 。 静 载 试 验 主 要 讨 论 原 型 结 构 、 缩 尺 结 构 、 构件 的 静 载 试 验 原 理 、 内 容 和 方 法 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 5 1.2 静 载 试 验 的 加 载 设 备 结 构 静 载 试 验 ， 除 少 数 在 实 际 荷 载 下实 测 之 外 ， 绝 大 多 数 是 在 模 拟 荷 载 作 用 下进 行 。 尽 管 试 验 目 的 不 同 ， 对 加 载 设 备 的要 求 不 一 样 ， 产 生 模 拟 荷 载 的 方 法 可 以 很多 ， 但 无 论 采 用 何 种 方 法 ， 加 载 设 备 必 须满 足 以 下 基 本 要 求 ： Lab of Prof. Tian Shizhu 6 1.2 静 载 试 验 的 加 载 设 备1. 试 验 荷 载 的 作 用 应 符 合 实 验 荷 载 作 用 的 传 递 方 式 ，能 使 被 试 验 结 构 ， 构 件 再 现 其 实 际 工 作 状 态 的 边界 条 件 。2. 产 生 的 荷 载 值 应 当 明 确 ， 满 足 试 验 的 准 确 度 ， 除模 拟 动 力 作 用 之 外 ， 荷 载 值 应 能 保 持 相 对 稳 定 ，不 会 随 时 间 、 环 境 条 件 的 改 变 和 结 构 的 变 形 而 变化 ， 保 证 荷 载 量 的 相 对 误 差 不 超 过 5%。 Lab of Prof. Tian Shizhu 7 1.2 静 载 试 验 的 加 载 设 备3. 加 载 设 备 本 身 应 有 足 够 的 强 度 和 刚 度 ， 并 有 足 够的 储 备 ， 避 免 发 生 意 外 事 故 。4. 加 载 设 备 不 应 参 与 结 构 工 作 ， 以 致 改 变 结 构 的 受力 状 态 或 使 结 构 产 生 次 应 力 。5. 能 分 级 加 载 和 卸 载 ， 以 便 控 制 加 载 或 卸 载 速 度 。6. 尽 采 用 先 进 技 术 ， 满 足 自 动 化 的 要 求 ， 减 轻 劳 动强 度 ， 方 便 加 载 ， 提 高 试 验 效 率 和 质 量 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 8 1.2 静 载 试 验 的 加 载 设 备 加载设备种类： 有重物、液压、气压、机械和电液伺服加载系统以及和它们相配合的各种试验装置等。 Lab of Prof. Tian Shizhu 9一 、 重 物 加 载 法 及 设 备 是 利 用 物 体 的 重 量 作 为 静 荷 载 加 于 结 构上 的 加 载 方 法 。 主 要 设 备 有 ： 荷 重 块 （ 铁 块 、 混 凝 土 块 、 砖 、 水 、 沙石 等 ） 、 荷 重 盘 、 杠 杆 等 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 101 . 荷 重 块 加 载 可 以 有 规 则 地 放 置 于 结 构 上 ， 作 为 均 布荷 载 如 图 1-1所 示 Lab of Prof. Tian Shizhu 11 荷 重 块 : 在 试 验 室 ， 常 用 具 有 标 准 重 量 的 铸 铁 块 ， 为了 减 少 加 载 时 的 冲 击 力 ， 荷 重 块 重 不 宜 大 于25kg。 在 工 地 现 场 ， 可 以 就 地 取 材 ， 用 砖 、 袋 装 砂 ，石 料 作 为 荷 重 ， 要 求 密 度 大 （ 比 重 大 ） ， 形状 规 整 ， 以 便 堆 放 加 载 和 累 计 加 载 量 。 6L Lab of Prof. Tian Shizhu 12 保 证 加 载 精 度 和 分 级 精 度 ： 随 机 抽 取 20块 检 查 ， 若 每 块 误 差 不 超 过 平 均重 的 5%时 ， 荷 载 值 可 按 平 均 重 计 算 。 6L Lab of Prof. Tian Shizhu 13 保 证 均 匀 分 布 ： 重 物 排 列 于 结 构 上 作 为 均 布 荷 载 时 ， 应 分 垛堆 放 ， 垛 间 距 515cm且 每 垛 的 边 长 ，对 于 跨 度 不 大 于 4m的 构 件 ， 每 堆 长 度 不 应 大于 构 件 跨 度 的 1/4。 上 述 要 求 的 目 的 在 于 避 免 荷 重 物 在 结 构 变 形时 ， 因 彼 此 挤 碰 产 生 内 拱 ， 而 引 起 局 部 卸 荷（ 避 免 荷 载 起 拱 而 参 与 结 构 工 作 ） 。 6L /6L Lab of Prof. Tian Shizhu 14 水 直 接 用 作 均 布 荷 载 时 ， 可 用 水 的 高 度 计算 控 制 荷 载 值 ， 当 结 构 变 形 过 大 时 ， 应 注 意水 荷 载 的 不 均 匀 性 所 产 生 的 影 响 。 6L Lab of Prof. Tian Shizhu 15 2.荷 重 盘 加 载 荷 重 盘 是 承 荷 重 的 吊 盘 ， 用 于 施 加 集 中 荷 载 。 如 下 图 所 示 ， 荷 重 盘 一 般 用 钢 筋 和 角 钢 焊 接 而 成 ，其 平 面 尺 寸 根 据 测 试 的 需 要 决 定 其 强 度 必 须 是 足 够保 证 安 全 。 吊 杆 与 荷 重 盘 的 自 重 应 计 入 第 一 级 荷 载 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 16 3 杠 杆 加 载 杠 杆 加 载 也 属 于 重 力 加 载 的 一 种 。 当 利 用 重物 作 为 集 中 荷 载 时 ， 经 常 会 受 到 荷 载 量 的 限 制 ，利 用 杠 杆 的 放 大 作 用 ， 可 以 减 小 荷 重 块 的 用 量 。重 物 杠 杆 加 载 如 下 图 所 示 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 17 杠 杆 加 载 荷 载 值 稳 定 不 变 ， 当 结 构 有 变 形 时 ， 荷 载可 以 保 持 恒 定 ， 对 应 做 持 久 荷 载 试 验 尤 为 适 合 。杠 杆 加 载 的 放 大 率 ， 常 用 放 大 率 为 35倍 ， 过 大 的放 大 率 会 使 杠 杆 在 测 试 后 期 倾 斜 较 大 ， 对 结 构 产 生较 大 的 水 平 推 力 ， 杠 杆 除 须 满 足 强 度 ， 稳 定 要 求 外 ，还 必 须 具 有 足 够 的 刚 度 ， 否 则 加 载 后 期 变 形 过 大 ，也 会 对 结 构 产 生 较 大 的 水 平 推 力 ， 引 起 不 良 后 果 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 18 用 杆 杆 加 载 之 初 ， 应 使 杠 杆 施 力 点 比 支 点 稍 高 ， 以使 满 载 时 杠 杆 的 斜 度 接 近 水 平 ， 减 小 因 杠 杆 倾 斜 而产 生 的 水 平 推 力 。荷 重 盘 的 下 面 ， 杠 杆 法 码 盘 的 下 面 和 堆 放 荷 重 物 加载 的 试 件 的 下 面 ， 都 应 放 置 垫 物 ， 与 垫 物 之 间 的 间隙 在 整 个 测 试 过 程 中 保 持 5cm左 右 ， 以 免 结 构 达 到极 限 承 载 能 力 后 被 突 然 压 塌 或 引 起 杠 杆 倾 覆 ， 造 成观 测 仪 器 损 坏 和 人 员 伤 亡 的 事 故 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 19二 、 液 压 加 载 法 及 设 备 液 压 加 载 是 目 前 结 构 试 验 中 应 用 比 较 理想 的 一 种 加 载 方 法 ， 也 是 结 构 试 验 中 最 常 用的 加 载 方 法 ， 它 的 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 。 液 压 加 载 器 主 要 有 手 动 液 压 千 斤 顶 ， 油泵 液 压 千 斤 顶 等 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 201. 手动液压千斤顶 主要由油泵和加荷油缸两部分组成，其工作原理如图所示。缺 点 ： 每 台 千 斤 顶 必须 有 专 人 操 作 ， 不 能实 行 多 点 同 步 加 载 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 21 2. 油 泵 液 压 千 斤 顶 油 泵 液 压 千 斤 顶 如 图 所 示 ， 就 是 一 个 加载 油 缸 ， 由 电 动 油 泵 提 供 油 压 ， 此 种 千 斤 顶若 在 油 泵 出 口 接 上 分 油 器 ， 可 组 成 多 点 同 步加 载 系 统 适 应 多 点 同 步 加 载 要 求 。 进 油出 油 Lab of Prof. Tian Shizhu 22 进油出油 Lab of Prof. Tian Shizhu 23 千 斤 顶 与 支 承 系 统 组 成 液 压 加 载 系 统 ， 如 图所 示 是 一 个 常 用 加 垂 直 荷 载 的 装 置 形 式 。 兰 色 是 液 压 千 斤 顶 ， 黄 色 是 测 力 计 ，桔 黄 色 是 反 力 架 加 载 架 常 用 钢 制 成 ， 横 梁可 沿 加 载 架 上 下 调 节 ，试 验 台 座 为 1米 以 上 至 几 米厚 的 劲 性 钢 筋 砼 结 构 。试 验 台 座 形 式 有 ：槽道式、地锚式、孔洞式（台面下有地下室） Lab of Prof. Tian Shizhu 24 Lab of Prof. Tian Shizhu 25 Lab of Prof. Tian Shizhu 26 水 平 反 力 ：施 加 侧 向 推 力 或 低 周 反复 荷 载 时 ， 其 水 平 反 力支 承 机 构 常 用 与 台 座 连成 L形 ， 形 成 刚 度 很 大的 反 力 墙 。当 荷 载 较 小 时 ， 水 平 支承 也 有 用 三 角 架 锚 固 在试 验 台 座 上 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 273. 材 料 、 构 件 试 验 机 结 构 静 载 试 验 也 常 用 到 各 种 液 压 试 验 机 ，如 :万 能 材 料 试 验 机 、 压 力 试 验 机 等 ， 这 些试 验 机 除 做 到 材 料 力 学 性 能 试 验 外 ， 也 可 做尺 寸 较 小 的 构 件 试 验 。 长 柱 试 验 机 ： 5m、 10m、 500T、 1000T长柱 试 验 ， 也 可 作 抗 弯 试 验 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 28 试 验 机 都 是 典 型 的 液 压 加 载 系 统 ， 不 过 把 荷载 架 、 机 座 、 加 载 器 等 组 成 工 作 单 元 ， 其 余部 分 组 成 操 纵 单 元 ， 二 部 分 用 油 管 连 接 起 来（ 做 弯 、 砌 体 试 验 等 应 该 用 长 压 板 ）。 Lab of Prof. Tian Shizhu 29 Lab of Prof. Tian Shizhu 30三 、 电 液 伺 服 加 载 系 统 电 液 伺 服 加 载 系 统 在 20世 纪 50年 代 中 期开 始 首 先 应 用 于 材 料 试 验 机 技 术 领 域 ， 由 于它 可 以 较 为 准 确 地 模 拟 试 件 所 受 的 实 际 外 力与 受 力 状 态 ， 所 以 在 近 代 试 验 加 载 技 术 中 被人 们 引 入 到 结 构 试 验 的 领 域 中 ， 它 是 目 前 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 ，尤 为 适 宜 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 31 电 液 伺 服 加 载 系 统 的 工 作 原 理 电 液 伺 服 加 载 系 统 目 前 采用 闭 环 控 制 ， 其 主 要 组 成 是 电液 伺 服 加 载 器 （ 作 动 器 ） 、 控制 系 统 和 液 压 源 等 三 大 部 分 ，它 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 。 与 计 算 机 连 接 组 成程 序 控 制 电 液 伺 服 系 统 ， 称 为计 算 机 控 制 系 统 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 32 电 液 伺 服 加 载 系 统 的 工 作 原 理 如 图 所 示 是 电 液 伺 服 加 载 系 统 的 电 压 控 制 闭 环回 路 。 V VV V1 2 43 5 61 指 令 信 号 ； 2 调 整 放 大 系 统 ； 3 油 源 ； 4 伺 服 阀 ； 5 作 动 器 ； 6 传 感 器特 点 ： 具 有 响 应 快 、 灵 敏 度 高 、 量 测 与 控 制 精 度 好 ， 出 力 大 ， 波 形 多 ， 频带 宽 、 可 以 与 计 算 机 联 机 等 。 使 试 验 新 技 术 开 发 逐 渐 由 硬 件 技 术 转 向 软 件技 术 ， 在 结 构 试 验 中 应 用 愈 来 愈 广 泛 。 可 以 做 静 态 、 动 态 、 低 周 疲 劳 试 验等 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 33四 、 机 械 机 具 加 载 常 用 的 机 械 加 载 机 具 有 ： 绞 车 、 卷 扬 机 、 倒 链葫 芦 、 花 篮 螺 丝 、 螺 旋 千 斤 顶 和 弹 簧 等 。 绞 车 、 卷 扬 机 、 倒 链 葫 芦 和 花 篮 螺 丝 等 主 要 是配 合 钢 丝 或 绳 索 对 结 构 施 加 拉 力 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 34四 、 机 械 机 具 加 载 弹 簧 、 螺 旋 千 斤 顶 均 较 适 用 于 施 加 长 期 试 验 荷 载 。螺 旋 千 斤 顶 由 涡 轮 蜗 杆 等 组 成 ， 手 动 机 械 顶 使 用 类同 普 通 手 动 液 压 千 斤 顶 。 弹 簧 可 直 接 旋 紧 螺 帽 ， 或先 用 千 斤 顶 加 压 后 旋 紧 螺 帽 ， 靠 其 弹 力 加 压 ， 用 百分 表 测 其 压 缩 变 形 确 定 荷 载 值 。 结 构 变 形 会 自 动 卸载 ， 应 及 时 加 以 调 节 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 35五 、 气 压 加 载 气 压 加 载 有 两 种 。 一 种 是 用 空 气 压 缩 机对 气 包 充 气 ， 给 试 件 加 均 匀 荷 载 。 另 一 种 是用 真 空 泵 抽 出 试 件 与 台 座 围 成 的 封 闭 空 间 的空 气 ， 形 成 大 气 压 力 差 对 试 件 加 均 匀 荷 载 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 36 分 配 梁 是 将 集 中 作 用 于 一 点的 荷 载 转 换 为 作 用 于 试 件 的 多 点分 荷 载 的 设 备 ， 如 图 所 示 ， 一 般用 型 钢 制 成 。 分 配 梁 的 刚 度 必 须 足 够 ， 并且 必 须 组 成 静 定 简 支 梁 ， 以 免 妨碍 结 构 的 变 形 。 分 配 梁 不 宜 超 过 两 层 ， 支 座 、 支 墩 都 是 根 据 试 验 结 构 、构 件 状 态 的 边 界 条 件 和 应 力 状 态 而 设 置 。 必 须 保 证 结 构 在 支座 处 力 的 正 确 传 递 ， 本 身 并 有 足 够 的 强 度 与 刚 度 储 备 （ 支 墩满 足 抗 压 强 度 、 稳 定 的 要 求 ）六 、 分 配 梁 、 支 座 、 支 墩 （ 荷 载 支 承 设 备 ） Lab of Prof. Tian Shizhu 37 支 座 形 式 有 ： 滚 动 铰 支 座 、 固 定 铰 支 座 、 球 铰 支座 、 刀 口 支 座 。 如 下 图 所 示 ： Lab of Prof. Tian Shizhu 38 柱 试 验 的 刀 口 铰 支 座 ：(a) 单 向 铰 支 座 （ b) 双 向 铰 支 座 Lab of Prof. Tian Shizhu 39 各 支 座 高 差 不 宜 大 于 试 件 跨 度 的 1/200， 过 大的 高 差 会 在 结 构 中 产 生 附 加 应 力 。 上 下 垫 板 尺 寸 应 分 别 按 试 验 和 支 墩 局 部 承 压 考虑 ， 梁 类 构 件 ， 上 垫 板 宽 度 不 应 小 于 梁 的 底 面 宽 度 。 垫 板 长 度 按 下 式 计 算 ： 式 中 ： 最 大 支 座 反 力 ； b上 垫 板 宽 度 ； fc试 件 材 料 抗 压 强 度 设 计 值 Mpa， 长 度 不 小 于 30mm。cfbRl m ax m axR maxR Lab of Prof. Tian Shizhu 40 上 下 垫 板 要 有 一 定 刚 度 ， 厚 度 可 按 下 式 计 算 ： 式 中 ： fc混 凝 土 抗 压 强 度 设 计 值 N/mm2； L板 长 ； f 钢 材 计 算 强 度 。 m axR 22cf lf Lab of Prof. Tian Shizhu 41 滚 轴 选 择 ： 滚 轴 的 长 度 ， 一 般 取 等 于 试件 支 承 处 截 面 宽 度 b 每 cm长 滚 轴 荷 载 滚 轴 直 径 (kN)/cm （ mm） 20 50mm(4060) 2040 6080mm 4060 80100mm m axR Lab of Prof. Tian Shizhu 42谢 谢 ！