第五章工程结构静载试验课件

第五章第五章 工程结构静载试验工程结构静载试验2024/7/141School of Urban Construction and Management 2024/7/1425.1概述静载试验（静力荷载试验）u对结构施加静力荷载并考察结构在静力荷载下的力学性能试验。u所谓“静力”指试验过程中结构本身运动的加速度效应即惯性力效应可以忽略不计。u静载试验是结构试验中最基本和最大量的试验。u相对动载试验而言，结构静载试验所需的技术与设备比较简单，容易实现。2024/7/1435.2试验前的准备5.2.1调查研究、收集资料调查研究、收集资料，充分了解本项试验的任务和要求，明确试验目的，以便确定试验的性质和规模，试验的形式、数量和种类，正确地进行试验设计。u鉴定性试验：向设计、施工和使用单位或人员收集资料。设计方面设计图纸、计算书、设计所依据原始资料施工方面施工日志、材料性能报告、施工记录、隐蔽工程验收记录使用方面使用过程、超载情况、事故经过u科学研究性试验：收集与本试验有关的历史、现状和将来发展的要求。历史国内外有无类似试验，采用方法及结果现状已有理论、假设、设计和施工技术及材料、技术状况等将来生产、生活和科学技术发展的趋势与要求2024/7/1445.2试验前的准备5.2.2制订试验大纲在调查研究成果的基础上，为使试验有条不紊地进行，以取得预期效果而制订的纲领性文件，内容包括1.概述简要介绍调查研究的情况，提出试验的依据及试验的目的意义与要求。必要时有理论分析和计算。2.试件的设计及制作要求3.试件的安装与就位4.加载方法与设备5.量测方法和内容6.辅助试验7.安全措施8.试验进度计划9.试验组织管理10.附录总之，试验的准备必须充分，规划必须细致、全面。工作步骤必须十分明确。2024/7/1455.2试验前的准备5.2.3试件准备试件的设计、制作、质量验收、表面处理及有关测点的布置与处理。5.2.4材料物理力学性能测定u测定项目：强度、变形性能、弹性模量、泊松比、应力-应变关系。u测定方法：直接测定法和间接测定法直接测定法制作结构和构件时留下材料并按规定做成标准试件，然后在试验机上用规定的标准试验方法加荷载试验进行测定。间接测定法非破损法或半破损试验。2024/7/1465.2试验前的准备5.2.5试验设备与试验场地的准备试验计划应用的加载设备和测量仪表。场地的清理和安排。5.2.6试件安装就位5.2.7加载设备和量测仪表安装5.2.8试验控制特征值的计算计算出各个荷载阶段的荷载值和各特征部位的内力、变形值等，作为试验时控制与比较的依据。2024/7/1475.3加载与量测方案的设计5.3.1加载方案满足试验目的的前提下，尽可能做到试验技术合理、财政开支经济和安全试验。结构静载试验的加载程序分为预载、正式加载、卸载三个阶段。其目的一是便于控制加（卸）载速度，而是方便观察和分析结构变形情况，三是利于各点加载统一步调.对于现场结构或构件的检验性试验通常只加至标准荷载即正常使用荷载，试验后试件还可以使用。而对于研究性试验，当加载到标准荷载后，一般不卸载而须继续加载直至试件进入破坏阶段。加载加载加载加载2024/7/1485.3加载与量测方案的设计1.预载目的：使试件各部接触良好，进出正常工作状态，荷载与变形关系趋于稳定；检验全部试验装置的可靠性；检验全部观测仪表工作正常与否；检查现场组织工作和人员的工作情况预载一般分三级进行，每级取标准荷载值的20%。然后分级卸载，分23级卸完。加载加载加载加载2024/7/1495.3加载与量测方案的设计2.正式加载(1)荷载分级在加载达到标准荷载前，每级加载值不应大于标准荷载的20%，一般分五级加至标准荷载；打到标准荷载之后每级不应大于标准荷载的10%；当荷载加至计算破坏荷载的90%后，为了求得精确的破坏荷载值，没级应取不大于标准荷载的5%。同一试件上的各加载点，每一级荷载都应当按统一比例增加，保持同步。加载加载加载加载2024/7/14105.3加载与量测方案的设计2.正式加载(2)满载时间对需要进行变形和裂缝宽度试验的结构，在标准短期荷载作用下的持续时间，对钢结构和钢筋混凝土结构不应少于30min；木结构不应少于30min的2倍；拱或砌体为30min的6倍；对预应力混凝土构件，满载30min后加至开裂，开裂荷载下再持续30min。对于新材料、新工艺、新结构要求加载时间不少于12h。如这段时间内变形继续不断增加而无稳定趋势时，应延长持续时间直至稳定。加载加载加载加载2024/7/14115.3加载与量测方案的设计2.正式加载(3)空载时间受载结构卸载后到下一次重新开始受载之间的间歇时间称为空载时间。空载对于研究性试验是完全必要的。因为观测结构经受荷载作用后的残余变形和变形的恢复情况均可说明结构的工作性能。对于一般钢筋混凝土结构空载时间取45min；对于较重要或者跨度较大结构取18h；钢结构不应少于30min。必须在空载期间定期观察和记录变形值。加载加载加载加载2024/7/14125.3加载与量测方案的设计3.卸载凡间断性加载试验，或仅作刚度、抗裂和裂缝宽度检验的结构域构件，以及测定参与变形的试验及预载之后，均须卸载，让结构、构件有恢复弹性变形的时间。卸载一般可按加载级距，也可放大1倍或分2次卸完。加载加载加载加载2024/7/14135.3加载与量测方案的设计5.3.2量测方案量测方案要考虑的主要问题：(1)根据试验的目的和要求，确定观测项目，选择量测区段(2)按照确定的量测项目，选择合适的仪表(3)确定试验观测方法2024/7/14145.4常见结构构件静载试验5.4.1受弯构件的试验一、试件安装和加载方法u安装：正位试验，一端采用铰支座，另一端采用滚动支座，支座下面用支墩安置在地面上，要求牢固和稳定。u加载方法：梁：常用液压加载器和分配梁，或用液压同步加载加载器直接加载。板：一般重物加载。也可用集中荷载等效，采用梁加载方式加载。吊车梁：采用液压，试验时的加载图式要按最布利荷载布置决定集中荷载的作用位置。等效加载：等效加载：使试验杆件的内力图形与设计或实际的内力图形相等或相近，并使两者最大受力截面的内力值相等。在受弯构件试验中，经常利用几个集中荷载来代替均布荷载，并取试验梁的跨中弯矩等于设计弯矩时的荷载作为量的试验荷载。这时支座截面的最大剪力也可以达到均布荷载梁的剪力设计数值。采用此方法能较好的满足M与V值得等效，但试件的变形不一定满足等效条件，应考虑修正。2024/7/14155.4常见结构构件静载试验5.4.1受弯构件的试验试件试件的就位形式的就位形式1、正位试验一般的结构试验均采用正位试验，结构自重和它所承受的外荷载作用在同一垂直平面内，符合实际受力状态2024/7/14165.4常见结构构件静载试验5.4.1受弯构件的试验试件试件的就位形式的就位形式2、卧位试验对于自重较大的梁、柱，跨度大、矢高的屋架及桁架等重型构件，当不便于吊装运输和进行测量时，可在现场就地采用卧位试验，这样就大幅度降低试验装置的高度，便于布置量测仪表和数据测量。2024/7/14175.4常见结构构件静载试验5.4.1受弯构件的试验试件试件的就位形式的就位形式3、反位试验对于混凝土构件进行抗裂或裂缝宽度试验时，为了便于观察裂缝和读取裂缝宽度值，可将试件倒过来安装，使其受拉区向上，这种形式称为反位试验。4、原位试验对已建结构进行现场试验时，均采用原位试验。试验的构件处于实际工作位置，它的支承情况、边界条件与实际工作状态完全一致。2024/7/14185.4常见结构构件静载试验5.4.1受弯构件的试验等效等效加载加载2024/7/14195.4常见结构构件静载试验5.4.1受弯构件的试验二、试验项目和测点布置n鉴定性试验：承载力、抗裂度和各级荷载作用下的挠度及裂缝开展情况。n研究性试验：除了承载力、抗裂度、挠度和裂缝观测外，还测量构件某些部位的应力。1.挠度的测量梁的挠度值是量测数据中最能反映其综合性能的一项指标，其中最主要的是测定梁跨中最大挠度值fmax及弹性挠度曲线2024/7/14205.4常见结构构件静载试验为了求得真正的挠度，必须注意支座沉陷的影响。支座的沉陷会导致刚性位移，因此必须至少安装3个测点2024/7/14215.4常见结构构件静载试验对于跨度较大（大于6000mm）的梁，为了保证可靠性，并求得变形后的挠度曲线，测点应增加至57个，并沿梁的跨间对称布置对于宽度较大（大于600mm）的梁，必要时考虑在截面的两侧布置测点。2024/7/14225.4常见结构构件静载试验2.应变测量梁是受弯构件，实验时要量测由于弯曲产生的应变，一般在梁承受正负弯矩最大的截面或弯矩有突变的截面上布置测点。对于变截面梁，有时也需在截面突变处设置测点。2024/7/14235.4常见结构构件静载试验2.应变测量对于钢筋混凝土梁，由于材料的非弹性性质，截面上的应力分布往往是不规则的。为了求得应力分布的规律和确定中和轴的位置，就需要增加一定数量的应变测点。一般情况下需要布置五个，若高度较大则需增加测点。布置在中和轴处的仪表，由于应变读数值小，相对误差可能较大。以致不起作用。受拉区混凝土开裂以后，经常可以通过该测点读数值的变化来观测中和轴位置的上升与变动2024/7/14245.4常见结构构件静载试验3.应力测量截面应力的测量主要通过对该截面应变测试来求得。根据试验需要，受弯构件试验中应力测量主要包括单向应力测量、平面应力测量、梁腹筋应力测量、翼缘与孔边应力测量等。截面应力测量主要是通过应变片的读数来换算。2024/7/14255.4常见结构构件静载试验（1）单向应力测量：梁的纯弯曲区域（1-1截面）内，梁截面上仅有正应力，在该处截面上可仅布置单向应变测点。钢筋混凝土梁受拉区开裂后，该截面混凝土部分退出工作，布置在混凝土受拉区的仪表就丧失了其测量作用。因此常常在受拉去钢筋上也布置测点以便测量钢筋应变。2024/7/14265.4常见结构构件静载试验（2）平面应力测量：荷载作用下，2-2截面既有弯矩又有剪力作用，为平面应力状态，为了求得该截面上的最大主应力及剪力的分布规律，需要布置指教应变网络，通过三个方向上应变的测定，求得最大主应力的数值及作用方向。2024/7/14275.4常见结构构件静载试验（3）钢筋和弯筋的应力测量：对于钢筋混凝土梁来说，为研究梁斜截面的抗剪机理，除了混凝土表面需要布置测点外，通常在梁的弯起钢筋或箍筋上布置应变测点。这里较多的是用预埋或试件表面开槽的方法来解决设点问题。2024/7/14285.4常见结构构件静载试验（4）翼缘与孔边应力测量：对于翼缘较宽较薄的T型梁，其翼缘部分受力不一定均匀，以致不能全部参加工作，这时应该沿翼缘宽度布置测点，测定翼缘上应力分布情况。为了减轻自重，有时候需要在梁腹板上开孔，孔边应力集中现象比较严重，且往往梯度较大，严重影响结构的承载力，因此必须注意孔边的应力测量。应力集中是指受力构件由于外界因素或自身因素几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。梁腹板圆孔周边的应变测点布置梁腹板圆孔周边的应变测点布置2024/7/14295.4常见结构构件静载试验（5）校核测点：为了校核试验的正确性，便于整理试验结果时进行误差修正，经常在梁的端部凸角上的零应力处（3-3截面）设置少量测点，以检验整个测量过程是否正常。2024/7/14305.4常见结构构件静载试验4.裂缝测量在钢筋混凝土梁试验时，经常需要测定其抗裂性能。一般垂直裂缝产生在弯矩最大的受拉区段，因此在这一区段连续设置测点。2024/7/14315.4常见结构构件静载试验4.裂缝测量在裂缝行程过程中，仪器读数可能变小，甚至会出现负值。如图，使原来光环曲线产生突然转折的现象。如果发现上述情况，即可判断试件已开裂。（由荷载-应变曲线观察混凝土开裂，为什么）2024/7/14325.4常见结构构件静载试验4.裂缝测量斜截面上的主拉应力裂缝，经常出现在剪力较大的区段内。因此这些部分可以设置抗裂测点。由于混凝土的斜裂缝于水平轴成45左右的角度，则仪器的标距方向应与裂缝方向垂直。每种构件测裂缝数目不得小于三条，包括第一条出现裂缝、开裂的最大裂缝以及斜截面上由主拉力作用产生的斜裂缝宽度。2024/7/14335.4常见结构构件静载试验5.4.2压杆和柱的试验一、试件安装和加载方法u安装正位或卧位试验，构件二端均应采用比较灵活的可动铰支座型式，一般采用刀口支座。卧位试验2024/7/14345.4常见结构构件静载试验5.4.2压杆和柱的试验一、试件安装和加载方法u安装：正位或卧位试验，构件二端均应采用比较灵活的可动铰支座型式，一般采用刀口支座。正位试验2024/7/14355.4常见结构构件静载试验5.4.2压杆和柱的试验一、试件安装和加载方法u加载方法：轴心受压柱：安装时一般先进行几何对中，即将构件轴线对准作用力的中心线。构件在几何对中后再进行物理对中，即加载达2040的试验荷载时，测量构件中央截面两侧或四个面的应变，并调整作用力的轴线，以达到各点应变均匀为止。在构件物理对中后即可进行加载试验。偏压试件：也应在物理对中后，沿加力中线量出偏心距离，再把加载点移至偏心距的位置上，进行试验。加载：长柱试验机或液压加载系统;(1/10-1/15)Nu（受压构件，达到正截面压弯承载力极限时的压力），接近开裂荷载和破坏荷载时细分2-4级。2024/7/14365.4常见结构构件静载试验5.4.2压杆和柱的试验二、试验项目和测点布置一般观察破坏荷载、个级荷载下的侧向挠度及变形曲线、控制界面或区域的应力变化规律以及裂缝开裂情况n破坏荷载：力传感器n挠度：百分表或位移传感器，侧向五点布置法。n曲率：曲率计n砼应变：应变片+应变仪，应变片后贴。n钢筋应变：应变片+应变仪，应变片预埋2024/7/14375.4常见结构构件静载试验5.4.3钢筋混凝土平面楼盖试验一、试验荷载布置楼盖可能是现浇整体结构，也可能是装配整体结构。为此必须考虑结构的连续与整体性特点。1.板的试验n简支单向受弯板：横向无联系取并排三块；横向有联系至少取3l2024/7/14385.4常见结构构件静载试验1.板的试验n多跨连续板：相互间隔的三个板跨上同时施加活荷载，板宽3l2024/7/14395.4常见结构构件静载试验2.次梁的试验n简支板下单跨梁n连续板下多跨梁：梁刚度大，板刚度小；梁刚度小，板刚度大2024/7/14405.4常见结构构件静载试验2.次梁的试验n靠近端部连续板下单跨梁：梁刚度大，板刚度小；梁刚度小，板刚度大2024/7/14415.4常见结构构件静载试验2.次梁的试验n支承在主梁上的多跨连续次梁n支承在柱子上多跨连续次梁2024/7/14425.4常见结构构件静载试验3.主梁的试验n单跨主梁：同次梁n多跨连续主梁2024/7/14435.4常见结构构件静载试验4.柱的试验同时承受轴向压力和两个方向弯矩n最大弯矩荷载布置n最大压力荷载布置最大弯矩荷载布置最大压力荷载布置2024/7/14445.4常见结构构件静载试验二、试验观测试验通常是非破坏性的。观测中主要以结构的刚度及抗裂性为主要鉴定依据，以测定结构梁板的挠曲变形作为衡量结构刚度的主要指标。测点布置可按照一般梁板结构的布置原则考虑。1.混凝土应力测定n表面刻槽法2.混凝土梁板中钢筋应力测定n敲去保护层，选取1,2根钢筋贴电阻应变计，调整电阻应变仪调整读数为“零”后截断钢筋。钢筋选择要慎重2024/7/14455.4常见结构构件静载试验5.4.4屋架试验屋架的特点是跨度大，单只能在自身平面内承受荷载，平面外刚度很小。主要依靠侧向支承体系相互联系形成足够的空间刚度。屋架主要承受节点的集中荷载，因此大部分杆件受轴力作用。一、试件安装和加载方法u安装：就位方式：一般采用正位试验。现场试验时还可以采用成对试件的卧位试验。安装时应设置侧向支撑，以保证屋架上弦的侧向稳定。支承方式：与梁相同，支承垫板应留有充分余地。u加载方发：可以采用重力直接或杠杆加载。当施加多点集中荷载并且节点荷载较大时，采用同步液压加载。2024/7/14465.4常见结构构件静载试验1.重物加载2024/7/14475.4常见结构构件静载试验2.液压加载2024/7/14485.4常见结构构件静载试验3.屋架成对试验2024/7/14495.4常见结构构件静载试验4.屋架试验支撑设置2024/7/14505.4常见结构构件静载试验4.屋架试验支撑设置2024/7/14515.4常见结构构件静载试验二、观测项目和测点布置u观察项目：1.桁架挠度及挠曲线。2.开裂荷载及破坏荷载。3.主要杆件的应变。4.节点的变形及节点刚度对杆件的次应力影响5.屋架端节点的应力分布6.预应力钢筋张拉应力和对有关部位混凝土的预压应力。7.屋架下弦预应力钢筋对屋架的反拱作用。8.预应力锚头工作性能。2024/7/14525.4常见结构构件静载试验二、观测项目和测点布置u测点布置：可以利用结构和荷载的对称性，在屋架一半布置主要测点，而在另一半布置校核测点。（1）节点位移：大量程的挠度计或者用米厘纸制成标尺通过水准仪进行观测。2024/7/14535.4常见结构构件静载试验（2）杆件的内力测量：通过测应变来测量杆件内力。2024/7/14545.4常见结构构件静载试验（2）杆件的内力测量：不可将测点布置在节点上1-1截面测点：测量上弦杆的内力2-2截面测点：测量节点次应力的影响3-3截面测点：错误2024/7/14555.4常见结构构件静载试验（2）杆件的内力测量：2024/7/14565.4常见结构构件静载试验（3）预应力锚具性能测量：在端节点砼表面沿自锚头长度方向布置若干应变测点：横向测点和纵向测点2024/7/14575.4常见结构构件静载试验（4）预应力钢筋张拉应力的测量：直接在预应力钢筋上布置应变测点测量，通常布置屋架跨中和两端头。注意应变计的防护处理。（5）裂缝测量：杆件开裂荷载和裂缝宽度。（端节点、腹杆与下弦杆及节点交汇处较早开裂的位置）2024/7/14585.4常见结构构件静载试验5.4.5薄壳和网架结构薄壳和网架结构是工程结构中比较特殊的结构。用于大跨度建筑，通过原型试验和1/5-1/20模型试验研究结构受力性能及计算可靠性。一、试件安装和加载方法u安装：支承形式：1）薄壳结构：实际支承形式类似双向板，有四角支承和四边支承，试验支承可以用固定铰、活动铰及滚轴。2）网架结构：实际支承在框架或柱顶，试验时支承在刚性较大的型钢圈梁上。边支座一般受压，角支座及其附近支座可能受拉。2024/7/14595.4常见结构构件静载试验u加载方法：重物直接堆载、水池加载或通过吊篮加载。也可用气压加载，需要较大荷载时常使用液压加载器和分配梁加载。（1）预留孔施加悬吊荷载：2024/7/14605.4常见结构构件静载试验（2）分配杠杆加载系统：2024/7/14615.4常见结构构件静载试验（3）薄壳结构液压加载：2024/7/14625.4常见结构构件静载试验（4）网壳水加载：2024/7/14635.4常见结构构件静载试验二、观测项目和测点布置u观察项目：主要测量位移和应变u测点布置：常利用对称性减少测点数量。同时布置一些校核测点（1）圆柱形壳体：位移测点应变测点2024/7/14645.4常见结构构件静载试验（2）双曲扁壳结构的测点布置：2024/7/14655.4常见结构构件静载试验（3）网架测点布置：（a）利用对称性分区；（b）位移下弦节点，应力布置在杆件上（杆件中间或节点附近）；（c）校核测点2024/7/14665.5量测数据处理5.5.1原始数据处理u原始记录数据：完整性、科学性、严肃性。清楚、不得任意涂改u错误数据：仪器设置，人工读错，人工记录，环境影响，仪器缺陷，通过复核仪器修正。u数据修约：四舍五入。5.5.2原始数据处理u表格形式u曲线：连线、拟合曲线u形态：裂缝分布、变形形态、破坏形态、照片u函数：回归分析。常用方法为最小二乘法：回归值与试验值之差的平方和为最小。u数据处理工具：Excel2024/7/14675.5量测数据处理5.5.3结构变形计算应考虑支座沉降、结构自重和等效加载图示的修正。1.简支梁的弯曲变形离支座x处的挠度和转角为：2024/7/14685.5量测数据处理2.悬臂梁的挠度和转角离支座x处的挠度和转角为：2024/7/14695.5量测数据处理3.自重和设备重作用下，梁的挠度为：2024/7/14705.5量测数据处理4.荷载等效的修正系数：采用等效荷载图式加载试验时，由于等效时仅考虑了控制内力相等的原则等效，故应对测量的挠度进行修正。梁的弯曲变形为：（f(x)+f0(x)）2024/7/14715.5量测数据处理5.5.4截面内力1.轴向受力构件2024/7/14725.5量测数据处理2.压弯或拉弯构件2024/7/14735.5量测数据处理3.双向弯曲构件2024/7/14745.5量测数据处理5.5.5平面应力状态下的主应力计算平面应力2024/7/14755.6结构性能的检验与评定5.6.1构件承载力检验2024/7/14765.6结构性能的检验与评定5.6.1构件承载力检验受力情况受拉（轴拉、偏拉、受弯、大偏压）受压受剪标志编号B1B2B3B4B5B6承载力检验标志裂缝1.5mm,挠度 1/50受压砼压坏受力主筋拉断砼压坏斜裂缝1.5mm或斜裂缝末端砼剪压破坏斜压破坏或主筋端部滑脱1-3级钢冷拉1-2级冷拉3-4级热处理钢筋、钢丝、钢绞线1-3级钢、冷拉1-2级冷拉3-4级热处理钢筋、钢丝、钢绞线检验系数1.20 1.25 1.45 1.25 1.30 1.401.501.451.351.502024/7/14775.6结构性能的检验与评定5.6.2构件挠度检验2024/7/14785.6结构性能的检验与评定5.6.3构件抗裂检验5.6.4构件的裂缝宽度检验