简支钢桁架非破损试验指导书.docx
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简支钢桁架非破损试验指导书
《结构力学试验》
简
支
钢
桁
架
非
破
损
试
验
指
导
书
土木与建筑学院结构实验中心
简支钢桁架非破损试验指导书
一、实验目的
1.掌握结构静载试验常用仪器、设备使用方法,并了解其主要性能指标。
2．通过对桁架节点位移、杆件内力的测量对桁架结构的工作性能及计算理
论作出评判，深刻理解对称荷载、对称性等知识点。
3.了解结构静载试验的试验方案、方法设计。
4．掌握试验数据的整理、分析和表达方法。
5.学会误差分析，加载-卸载分析。
6．通过分工协作,培养团结合作的团队精神。
二、实验设备和仪器
1．试件——钢桁架、跨度3.6米，上下弦、腹杆均采用等边角钢2∠25×3（F=2×143.2mm2），节点板厚δ=10mm，测点布置见下图所示。
钢材Q345。
试件的材料性能：
Ess=（200—210）*109Pa；fsy=345MPa
1-21—电阻应变片I-V—挠度计
图1-1
2．加载系统——利用杠杆原理的砝码加载法，压力传感器,测力仪等。
3．XL2118C型力/应变综合参数测试仪2台（或YJ-28-P10R静态电阻应变仪2台）。
4．百分表、挠度计及支架。
三、实验方案
1．加载装置与加载方案
桁架实验一般多采用垂直加载方式，加载位置务需准确、垂直，以防止桁架平面外受力较大，影响实验进行和读数的准确性。
另外，由于桁架外平面刚度较弱，安装时必须采用专门措施，设置侧向支撑，以保证桁架的侧向稳定。
侧向支撑点的位置应根据安全要求确定。
同时侧向支撑应不妨碍桁架在其平面内的位移。
桁架实验时支座的构造可以采用梁实验的支承方法，支承中心线的位置务需准确，其偏差对桁架端节点的局部受力和支座沉降影响较大，对钢筋混凝土桁架影响更大，故应严格控制。
三角形屋架受荷后，下弦伸长较多，滚动支座的水平位移往往较大，因此支座垫板应有足够的尺寸。
桁架实验加荷方法可采用实物加荷（如用屋面板等，多用于现场鉴定性实验），也可采用吊兰加荷（多用于木桁架实验），也采用同步液压千斤顶加荷，实验时应使桁架受力稳定、对称、防止出现平面外失稳破坏，同时还要充分估计千斤顶的有效行程，防止因行程不足而影响实验的进行，在实验过程中加载者要采取有效措施防止千斤顶回油影响测量数据的准确性。
桁架的实验荷载不能与设计荷载相符合时，亦可采用等效荷载代换，但应验算，使主要受力构件或部位的内力接近设计情况，还应注意荷载改变后可能引起的局部影响，防止产生局部破坏。
本次桁架试验采用垂直加荷方式，桁架两边简支，具体加载方案为利用杠杆原理的砝码加载法，在L/2处单点加载和采用在分配梁梁下设置滚轴支座实行2点和3点加载方案。
2．测点布置
观测项目一般有强度、抗裂度、挠度和裂缝宽度、杆件内力等，本实验主要测量挠度和应变，可采用挠度计或水准仪和应变仪，测点一般布置于下弦节点。
为测量或扣除支座沉陷，在桁架两支座的中心线上应安置垂直方向的位移计。
另外还需在下弦两端安装两个水平方向的位移计，以测量在荷载作用下的固支和滚支的水平侧移值。
杆件内力测量，可用电阻应变片或接触式位移计，其安装位置随杆件受力条件和测量要求而定，杆件应变测量点均设置在每一杆件的中间区段，为消除自重弯矩的影响，电阻应变片贴在截面的重心连线上。
因桁架结构为对称结构，在对称荷载作用下，对称杆件的内力（应变）和对称节点的挠度在理论上其值分别对称相等，故上述测点布置利用对称性进行自检提供了便利。
本次测量项目有：
桁架整体变形（挠度）；杆件内力。
采用百分表测量挠度，挠度测点均布置在桁架下弦节上，跨中3个表，支座各1个表，共5个百分表。
跨中桁架各点挠度等于相应百分表测量值消除支座沉降在该点产生的影响。
采用电阻应变仪测量桁架杆件应变，应变片每杆布置1片（或2片时杆件应变取平均值），共21片（或42片），测点布置如图1—1。
应用虎克定理求杆件应力及内力。
实验前应将每个百分表和每个应变片编号并记录其所在位置，以方便记录、计算。
3．实验步骤
本实验为开放式：
实验前，学生应仔细阅读实验指导书，想好实验过程，在指导教师解答提问、讲明注意事项之后，由学生自己提具体实施方案，经指导教师同意后，分组自行操作实验。
教师给出实验所需的仪器设备并实时指导。
具体实验步骤如下：
（1）考察实验场地及仪器设备，听实验介绍并写出实验方案与实验方法；画记录表和记录图,进入实验室进行实验。
（2）检查试件和实验装置，架百分表，要求垂直对准；先按单点加载方案安装杠杆加载装置。
（电阻应变片已预先贴好）。
（3）预加载实验（1KN荷载）。
检查装置试件和仪表工作是否正常，发现问题及时排除。
然后卸预载。
（4）作好记录准备,读仪表初值并记录初值。
（5）正式实验。
加载制度：
5级加载，每级0.5KN（或1KN），满载后分3级卸载，加卸载每级停歇时间5分钟，停歇的中间读数并记录。
读数应尽可能保证同时性。
（6）正式实验可重复两次。
（7）再选择2点和3点加载方案重复上述步骤进行试验。
（8）实验后每人写一份实验报告。
四、注意事项
（1）桁架实验由于利用杠杆原理的砝码加载法，要求学生掌握杠杆原理砝码加载法及其荷载计算。
（2）为保证试验数据可靠，试验时严禁碰撞桁、支架及保护装置。
（3）实验前应将每个百分表和挠度计以及应变片编号并画出简图，以便记录正确。
（4）记录变形的学生要掌握百分表正确的读数方法。
（5）加载前对各仪器要进行检查并读取初始值。
（6）加载者要相互配合,采取措施，避免碰撞桁架及其它相关设备，加载要慢、轻，以免影响读数。
（7）学生要按预约时间提前赶到桁架实验室（工科2号楼A202室）。
（8）学生在桁架实验室（工科2号楼A202室）内要保持卫生，不准乱丢东西，不准在实验室内吃任何东西。
⑼通过对两种加载方案的理论计算后，应对弯矩（应力）、变形（竖向与水平方向）进行对比分析，总结规律，进而推广到桁架结构在集中荷载与均布荷载作用下的力学性能分析，并进一步对桁架结构在实际工程中的应用提出自己的见解，至少应做好一种加载方案的试验并进行分析。
五、实验报告
实验报告包括如下项目：
（一）试验名称、教学班级、姓名、学号、任课教师姓名、指导教师姓名
（二）试验目的
（三）试验原理
（四）试验方案
简述加载方案、加载方法、加载装置、测点布置、加载制度、实验过程等。
1、加载方案（下面三图中有一处存在问题,请找出并更正）
⑴单点加载方案：
⑵两点加载方案：
⑶三点加载方案：
2、加载方法、加载装置：
利用杠杆原理的砝码加载法
下图中的支点位置应根据本人实际所采用的比例画出并标出比例值
（五）试验仪器、设备
（六）实验步骤、过程
（七）试验数据整理、分析、表达
1．内力分析
（1）桁架各杆件理论内力分析。
下面以桁架跨中单点加载为例进行讲述,
其它加载方式自己计算。
图1-2
（2）桁架各杆件实验内力分析。
根据弹性理论（虎克定理）、杆件的实测截面面积F、弹性模量E和实测应变值列表计算杆件内力并与理论值进行比较，或进行应变的理论值与实测值进行比较。
根据单位荷载作用图进行应变的理论值计算（见下表）
表1：
0.5Kn荷载作用下杆件应变理论值计算表（与应变试验值比较）（με）
计算Ni理
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
E（Gpa）
Ni理
Ai（mm2）
εi理=
Ni理/EAi
表2：
0.5Kn荷载作用下杆件内力试验值计算表（与内力理论值比较）（N）
计算Ni测
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
E（Gpa）
εi
Ai（mm2）
Ni=EAiεi
注意：
上述表1与表2只需选一个表进行计算即可，勿需都算。
综合理论值与实测值得到以下结果表格
表3：
理论值与实测值对比表（应变或内力结果表）（με或Kn）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
……21
（0．5）1KN
理论
实测
（1）2KN
理论
实测
（1．5）3KN
理论
实测
（2）4KN
理论
实测
（2．5）5KN
理论
实测
卸载
理论
实测
注意：
1、区分单点加载与两点加载两种方案。
2、荷载以实际测得的试验荷载为准，并记到相应的荷载等级处。
。
（3）内力结果比较
分实测值与理论值画两根线（一根虚线，一根实线），分析差异原因。
图1—3P——ε曲线
注意：
1、零杆可不画。
2、要标著坐标轴符号与单位。
3、拉杆画右侧，压杆画左侧。
2．挠度分析
（1）计算理论值
依据实测杆件截面积F和弹性模量E计算各点挠度值。
A：
Ⅱ（Ⅳ）节点在0.5KN荷载作用下挠度理论值计算（单点加载方案）Ⅲ
表4：
0.5KN荷载作用下Ⅱ（Ⅳ）节点挠度理论值计算表（mm）
Npi（N）
Li（mm）
Ai（mm2）
上
悬
杆
1
4
8
12
16
20
腹
杆
2
5
9
11
13
17
21
下
悬
杆
6
10
14
18
E=（200-210）GPaf=∑1/E·
B：
Ⅲ节点在0.5KN荷载作用下挠度理论值计算（以单点加载方案为例）
表5：
0.5KN荷载作用下Ⅱ（Ⅳ）节点挠度理论值计算表（mm）
Npi（N）
Li（mm）
Ai（mm2）
上
悬
杆
1
4
8
12
16
20
腹
杆
2
5
9
11
13
17
21
下
悬
杆
6
10
14
18
E=（200-210）GPaf=∑1/E·
（2）分析各点实测挠度值
表6：
变形记录表（mm）
P（kN）
初值
加载（KN）
卸载（KN）
表号
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1.5
0.5
0
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
表7：
根据记录表数据减初值后得到各级荷载下的变形值（mm）
P（kN）
加载（KN）
卸载（KN）
表号
0.5
1
1.5
2
2.5
1.5
0.5
0
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
注；卸载部分可算可不算
再在上计算表格基础上采用梯形图处理法消除支座沉降对下弦Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ节点产生的影响,具体方法采用梯形图处理法。
（每级荷载一个梯形图，共五个）
表8：
挠度试验值（mm）
P（kN）
加载（KN）
表号
0.5
1
1.5
2
2.5
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
综合上述理论值与实测值得到变形结果表格
表9：
挠度结果表（mm）
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
0.5KN
理论
实测
1KN
理论
实测
1.5KN
理论
实测
2KN
理论
实测
2.5KN
理论
实测
卸载
理论
实测
（3）根据上述变形结果表绘制各节点[Ⅱ（Ⅳ）节点、Ⅲ节点]荷载——变形曲线（P——f曲线）（理论、实测曲线）和桁架整体变形曲线（L——f曲线）（理论、实测曲线，一根虚线，一根实线，注意Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三节点的位置）
P（Kn）L（m）
f（mm）f（mm）
图1—4P——f曲线图1—5L——f曲线
5桁架变形曲线
3．进行加载——卸载的应变及挠度对比分析，从变形发展方面考虑，找出各自的规律。
拉杆
压杆
节点
加载
拉长
压缩
增大
卸载
回缩
回弹
回缩
（八）误差分析、加载---卸载分析
（九）根据实验结果与理论计算的比较，讨论理论计算的准确性。
并根据实验结果的综合分析、对桁架的工作特性和计算理论作出结论。
（十）实验感想与体会
（十一）实验原始数据附件
试验时每人带一份记录表格进入实验室
（1）应变记录参考表（单位：
με）
P（kN）
初始
加载（KN）
卸载（KN）
杆件
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1.5
0．5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
（2）挠度记录参考（mm）
P（kN）
初值
加载（KN）
卸载（KN）
表号
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1.5
0.5
0
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
注意：
1、记录表中的荷载应记录测力仪器上实际测得的数据。
2、两点加载情况下，记录表中的荷载翻倍，注意安全。
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