第2728讲结构试验1Word文件下载.docx
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在作梁柱连接的节点试验时，采用十字形试件如图１８－１－１（f）,节点两侧梁柱的长度一般均取1／2梁跨和1／2柱高，即按框架承受水平荷载时产生弯矩的反弯点（M二0）的位置来决定。
边柱节点可采用T字形试件。
为了避免在试验过程中梁柱部分先于节点破坏，必须事先对梁柱部分进行加固。
当试验目的为了解初始设计应力状态下的性能，并同理论作对比时，可以采用如图１８－１－１（g）的X形试件。
在框架试验中，多数设计成支座固结的单层单跨框架。
如图18—l—2。
剪力墙试件形式多样，有无框剪力墙，墙体是一块钢筋混凝土平板。
有框剪力墙，其中一种是与框架整体相连的钢筋混凝土板，另一种是在框架内设置钢筋混凝土剪刀撑（图18—1—3a）。
图18—1—3b为双肢剪力墙。
砖石与砌块试件主要用于墙体试验，可以采用带翼缘或不带翼缘的单层单片墙，也可采用双层单片墙或开洞墙体的砌体试件，如图18—1—4所示。
对于纵墙由于外墙有大量窗口，试验可采用有两个或一个窗间墙的双肢或单肢窗间墙试件（图18－１—5）。
基本构件性能研究时，压弯构件的截面为16cm×
l6cm一35cm×
35cm，短柱（偏压剪）为15cm×
15cm～50cm×
50cm，双向受力构件为10cm×
10cm一30cm×
30cm。
剪力墙单层墙体的外形尺寸为80cm×
100cm～178cm×
274cm，多层的剪力墙为原型的1／10—1／3。
我国昆明南宁等地区曾先后进行过装配式混凝土和空心混凝土大板结构的足尺房屋试验。
砖石及砌块的砌体试件尺寸一般取为原型的1／4—1/2。
国内先后做过四幢足尺砖石和砌块多层房屋以及若干单层足尺房屋的试验。
一般来说，静力试验试件太小要考虑尺寸效应。
在满足构造模拟要求的条件下太大的试件尺寸也没有必要。
实践证明：
足尺结构虽然具有反映实际构造的优点，但试验所耗费的经费和人工如用来做小比例尺试件，可以大大增加试验数量和品种，而且试验室的条件比野外现场要好，测试数据的可信度也高。
因此，局部性的试件尺寸可取为原型的1／4～1，整体性的结构试验试件可取1／10—1/2。
对于动力试验，试件尺寸经常受试验激振加载条件等因素的限制，一般可在现场的原型结构上进行试验，如量测结构的动力特性。
对于在试验室内进行的动力试验，可以对足尺构件进行疲劳试验，至于在地震模拟振动台上试验时，由于受振动台台面尺寸载重和激振力大小等参数限制，一般只能作缩尺的模型试验。
目前国内在地震模拟振动台试验中能够完成比例在1／50—1／4的各类房屋结构和构筑物的结构模型试验。
（三）试件数量
对于生产性试验，一般按照试验任务的要求有明确的试验对象。
对于预制厂生产的一般工业与民用建筑钢筋混凝土和预应力混凝土预制构件的质量检验和评定，则可以按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204—2002）中结构性能检验规定，确定试件数量。
对于科研性试验，试件是按照研究要求专门设计制造的，如研究钢筋混凝土短柱抗剪强度试验时，具有影响的参数有混凝土强度等级，受拉钢筋配筋率，配箍率，轴向应力和剪跨比等，称为主要分析因子。
而对每一参数又要考虑有几种状态，如剪跨比λ＝2，3，4…等，称为水平数。
试件设计时必须要将它们相互组合起来，才能研究各个参数与其相应各种状态对试验问题的影响。
因此参数与备种状态愈多，即因子数与水平数愈多，则要求的试件数量也就自然增加。
如按表18—1—l所列研究短柱抗剪强度时混凝上只用一种强度等级C20，实际因子数为4，水平数为3时，由表１８—1—2可见要求试件数为８1个。
采用正交试验设计法的正交表L９（３４）并按表１８—1—３组合时，当闲子数为4和每个因子有3个水平数时，组成的试件数为9。
即原来要求的81个试件可以综合为９个试件、由此可见，正交试验讷计可以只需要少量的试件就可得到主要的信息，对研究问题作出综合评价。
不足之处是不能提供某一因子的单值变化与试验目标之间的函数关系。
不同因子和水平数的汇交表可参阅有关正交试验设计的专著。
（四）结构试验时对试件设计的要求
在试件设计中还必须同时考虑试件安装、加载、量测的需要，在试件上作出必要的构造措施，这对于科研试验尤为重要。
例如混凝土试件的支承点应顶埋钢垫板（图1８—1—6（a））；
在屋架试验受集中荷载作用的位置上应埋设钢板，以防止试件受局部承压而破坏；
试件加载面倾斜时，应作出凸缘（图18—1—6（b）），以保证加载设备的稳定设置；
在钢筋混凝土框架试验时，为了框架端部侧面施加反复荷载的需要，应设置预埋构件以便与加载用的液压加载器或测力传感器连接，为保证框架柱脚部分与试验台的固接，一般均设置加大截面的基础梁（图18—1—6（c））；
在砖石或砌块的砌体试验中，为了使施加在试件的垂直荷载能均匀传递，一般在砌体试件的上下均应预先浇捣混凝土的垫块（图l8—1－6（（d）），对于墙体试件在墙体上下均应捣制钢筋混凝土垫梁，其中下面的垫梁可以模拟基础粱，使之与试验台座固定，上面的垫梁模拟过梁传递竖向荷载（图18—1—6（e））；
在作钢筋混凝土偏心受压构件试验时，在试件两端作成牛腿以增大端部承压面和便于施加偏心荷载（图18—1—6（f）），并在上下端加设分布钢筋网进行加强。
在科研性试验中为了保证结构或构件在预定的部位破坏，以期得到必要的测试数据，就需要对结构或构件的其他部位事先进行局部加固。
为了保证试验量测的可靠性和仪表安装的方便，在试件内必须预设埋件或预留孔洞。
对于为测定混凝土内部应力的预埋元件或专门的混凝土应变计、钢筋应变计等，应在浇注混凝土前，按相应的技术要求用专门的方法就位固定埋设在混凝土内部
三、结构试验的荷载设计
（一）试验加载图式的选择与设计
试验时的荷载应该使结构处于某一种实际可能的最不利的工作情况。
试验时荷载的图式要与结构设计计算的荷载图式一样。
这时，结构的工作和其实际情况最为接近。
但是，在试验时也常常由于下列的原因采用不同于设计计算所规定的荷载图式。
①对设计计算时采用的荷载图式的合理性有所怀疑，因而在试验时采用某种更接近
于结构实际受力情况的荷载布置方式。
②由于受试验条件的限制，为了加载的方便和减少荷载量，在不影响结构的工作和
试验结果分析的前提下，可以改变加载的图式。
如可用几个集中荷载来代替均布荷载，但是集中荷载的数量与位置应尽可能的符合均布荷载所产生的内力值，这时，试验荷载的大小要根据相应等效条件换算得到。
采用这样方法的荷载叫做等效荷载。
采用等效荷载时，必须全面验算由于荷载图式的改变对结构的各种影响。
必要时应对结构构件作局部加强，或对某些参数进行修正。
当构件满足强度等效时，而整体变形（如挠度）条件不等效，则需对所测变形进行修正。
取弯矩等效时，尚需验算剪力对构件的影响。
（二）试验加载装置的设计
为了保证试验工作的正常进行，试验加载的设备装置也必须进行专门的设计。
在使用试验室内现有的设备装置时，也要按每项试验的要求对装置的强度刚度进行复核计算。
对于加载装置的强度，首先要满足试验最大荷载量的要求，并保证有足够的安全储备，同时要考虑到结构受载后有可能使局部构件的强度有所提高，以致试件的最大承载力常比预计的大，所以，在作试验设计时，加载装置的承载能力要求提高70％左右。
试验加载装置还必须考虑刚度要求。
如果刚度不足，将难以获得试件极限荷载后的变形和受力性能。
设计试验加载装置还要求能符合结构构件的受力条件，要求能模拟结构构件的边界条件和变形条件。
在砖石或砌块墙体的低周反复试验中，图18—1—7（a）当墙体侧向位移较大时施加竖向荷载用的拉杆对墙体的侧向位移会产生约束作用，而18—1—7（b）的加载方式就能消除约束，较好地符合实际受力情况。
在加载装置中还必须注意试件的支承方式，梁的弯剪试验中，在加载点和支承点的摩擦力均会产生次应力，使梁所受的弯矩减小。
当支承反力增大时，滚轴可能产生变形，甚至接近塑性，会有非常大的摩擦力，使试验结果产生误差。
（三）结构试验的加载制度
试验加载制度是指结构试验进行期间控制荷载与加载时间的关系。
它包括加载速度的快慢、加载时间间歇的长短、分级荷载的大小和加载卸载循环的次数等。
结构构件的承载能力和变形性质与其所受荷载作用的时间特征有关。
不同性质的试验必须根据试验的要求制订不同的加载制度。
对于预制混凝土构件在进行质量检验评定时，可按《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204—2002）附录C预制构件结构性能检验方法的规定进行。
一般混凝土结构静力试验的加载程序可按《混凝土结构试验方法标准》（GB50152—92）的规定。
对于结构抗震试验则可按《建筑抗震试验方法规程》（JGl01—96）的有关规定进行设计。
四、结构试验的观测设计
（一）观测项目的确定
在确定试验的观测项目时，首先应该考虑反映结构整体工作和全貌的整体变形，如结构挠度、转角和支座偏移等。
通过挠度的测量不仅能了解结构的刚度，而且可以知道结构的弹性或非弹性工作性质，挠度的不正常发展还能反映出结构中某些特殊的局部现象。
转角的测定往往用来分析超静定连续结构。
对于某些试验，反映结构局部工作状况的局部变形也是很重要的，如应变、裂缝和钢筋的滑移等。
例如钢筋混凝土结构的裂缝出现能直接说明其抗裂性能。
再如，在作非破坏性试验进行应力分析时，控制截面上的最大应变往往是推断结构极限强度的最重要指标。
（二）测点的选择与布置
利用结构试验仪器对结构物或试件进行变形和应变测量时，在满足试验目的前提下，测点应是宜少不宜多。
任何一个测点的布置都应该服从于结构分析的需要。
测点的位置必须要有代表性，结构物的最大挠度和最大应力部位上必须布置测量点位，称之为控制测点。
如果目的不是要说明局部缺陷的影响，就不应该在有显著缺陷的截面上布置测点。
在测量工作中，由于部分测量仪器会有工作不正常，发生故障以及很多偶然因素影响量测数据的正确性，为了保证测量数据的可靠性，还应该布置一定数量的校核性测点。
校核测点可以布置在结构物的边缘凸角和零应力的构件截面或杆件上，也可以布置在理论计算比较有把握的区域，此外我们还经常利用结构本身和荷载作用的对称性，在控制测点相对称的位置上布置一定数量的校核测点。
（三）仪器的选择与测读的原则
1．试验所用仪器要符合量测所需的精度要求，一般的试验，要求测定结果的相对误差不超过5％也就可以了。
为此，应使仪表的最小刻度值不大于5％的最大被测值。
2．仪器的量程应该满足最大应变或挠度的需要。
最大被测值宜在仪器满量程的1／5～2／3范围内，一般最大被测值不宜大于选用仪表最大量程的80％。
3．如果测点的数量很多而且测点又位于很高很远的部位，这时应采用电阻应变仪多点测量或远距测量，对埋于结构内部的测点只能用电测仪表。
4．选择仪表时必须考虑测读方便省时，必要时须采用巡回检测和自动记录装置。
5．为了避免差错，同类参数的量测仪器应尽可能选用一样的型号规格，而常在校核测点上使用另一种类型的仪器，以致比较。
6．动测试验使用的仪表，尤其应注意仪表的线性范围、频响特性和相位特性要满足量测的要求。
仪器仪表的测读应按一定的程序进行，具体的测定方法与试验方案、加载程序有密切的关系。
可参见《混凝土结构试验方法标准》（GB50152—92）规定。
五、材料的力学性能与结构试验的关系
（一）概述
一个结构或构件的受力和变形特点，除受荷载等外界因素影响外，还要取决于组成这个结构或构件的材料内部抵抗外力的性能。
充分了解材料的力学性能，对于在结构试验前或试验过程中正确估计结构的承载能力和实际工作状况，以及在试验后整理试验数据，处理试验结果等工作都具有非常重要的意义。
在结构试验中按照结构或构件材料性质的不同，必须测定相应的一些最基本的数据，如混凝土的抗压强度、钢材的屈服强度和抗拉极限强度、砖石砌体的抗压强度等。
在科学研究性的试验中为了了解材料的荷载变形、应力应变关系，需要测定材料的弹性模量，有时根据试验研究的要求，尚须测定混凝土材料的抗拉强度以及各种材料的应力应变曲线等有关数据。
在测量材料各种力学性能时，应该按照国家标准或部颁标准所规定的标准试验方法进行，对于试件的形状、尺寸、加工工艺及试验加载、测量方法等都要符合规定的统一标准。
在建筑结构抗震研究中，根据地震荷载作用的特点，在结构上施加周期性反复荷载，结构将进入非线性阶段工作，因此相应的材料试验也须要在周期性反复荷载下进行，这时钢材将会出现包辛格效应，对于混凝土材料就需要进行应力应变曲线全过程的测定，特别要测定曲线的下降段部分。
（二）材料力学性能的试验方法对强度指标的影响
材料的力学性能指标是由钢材、钢筋和混凝土等各种材料分别制成的标准试样或试块进行试验结果的平均值。
由于材质的不均匀性等原因，测定的结果必然会有较大的波动，尤其当试验方法不妥时，波动值将会更大。
长期以来人们通过生产实践和科学实验发现试验方法对材料强度指标有着一定的影响，特别是试件的形状、尺寸和试验加载速度对试验结果的影响尤为显著，对于同一种材料，仅仅由于试验方法与试验条件的不同，就会得出不同的强度指标。
下面我们就混凝土材料来作进一步的说明。
1．试件尺寸与形状的影响
在国际上各国混凝土材料强度测定用的试件有立方体和圆柱体两种。
按照我国《普通混凝土力学性能试验方法》规定，采用150mm×
l50mm×
l50mm的立方体试件测定的抗压强度为标准值，采用h／a=2：
1的150mm×
300mm的棱柱体试件（h为试件的高度，a为试件的边长），为测定混凝土轴心抗压强度和弹性模量的标准试件。
国外采用圆柱体试件时，试件尺寸为hl／d二2：
1的Ø
100mm×
200mm或Ø
50mm×
300mm的圆柱体（h为圆柱体高度，d为圆柱体直径）。
随着材料试件尺寸的缩小，在试验中出现了混凝土强度有系统地稍有提高的现象。
截面较小而高度较低的试件得出的抗压强度偏高，这可以归结为试验方法和材料自身的原因等两个方面的因素，试验方法问题可解释为试验机压板对试件承压面的摩擦力所起的箍紧作用，由于受压面积与周长的比值不同而影响程度不一。
对小试件的作用比对大试件要大。
材料自身的原因是由于内部存在缺陷（裂缝）的分布，表面和内部硬化程度的差异在大小不同的试件中起不同影响，随试件尺寸的增大而增加。
采用立方体或棱柱体的优点是制作方便，试件受压面是试件的模板面，平整度易于保证。
但浇捣时试件的棱角处都由砂浆来填充，因而混凝土拌合物的颗粒分布不及圆柱体试件均匀，由于圆形截面边界条件均一性好，所以圆柱体截面应力分布均匀。
此外圆柱体试件外形与钻芯法从结构上钻取的试样一致。
但由于圆柱体试件是立式成型，试件的端面即是试验加载的受压面，比较粗糙，因此造成试件抗压强度的离散性较大。
2．试验加载速度的影响
在测定材料力学性能试验时，加载速度愈快，即引起材料的应变速率愈高，则试件的强度和弹性模量也就相应提高。
钢筋的强度随加载速度的提高面加大。
见图18—1—8（a），图中的数字ε为应变速率；
和ts为达到屈服的时间，反应了加载速度。
混凝土尽管是非金属材料，但也和钢筋一样，随着加载速度的增加而提高其强度和弹性模量。
特别在很高应变速率的情况下，由于混凝土内部细微裂缝来不及发展，初始弹性模量随应变速率加快而提高。
图18—1—9表示了应变速率对混凝土应力—应变曲线的影响。
第二节结构试验的荷载设备和量测仪器
一、结构试验的荷载设备
结构试验为模拟结构在实际受力工作状态下的结构反应，必须对试验对象施加荷载，试验用的荷载型式、大小、加载方式等都是根据试验的目的要求，以如何能更好地模拟原有荷载等因素来选择。
在决定试验荷载时，还取决于试验室的设备和现场所具备的条件。
正确的荷载设计和选择适合于试验目的需要的加载设备是保证整个工作顺利进行的关键之一。
（一）重力加载法
重力加载就是利用物体本身的重量施加于结构上作为荷载。
在试验室内可以利用的重物有专门浇铸的标准铸铁砝码，混凝土立方试块，水箱等；
在现场则可就地取材，经常是采用普通的砂、石、砖块等建筑材料，或是钢锭、铸铁、废构件等。
重力直接加载方法是将重物荷载直接堆放于结构表面（如板的试验）形成均布荷载或置于荷载盘上通过吊杆挂于结构上形成集中荷载。
后者较多用于现场做屋架试验。
利用水作为重力加载用的荷载时，水可以盛在水桶内用吊杆作用于结构上，作为集中荷载。
也可以采用特殊的盛水装置作为均布荷载直接加于结构表面。
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受到荷载量的限制时，利用杠杆原理，将荷重放大作用于结构上。
杠杆加载的装置根据试验室或现场试验条件的不同，可以有如图18—2—1的几种方案。
杆杠的支点、力点和重物的加载点的位置必须准确，由此确定杠杆的比例或放大率。
（二）液压加载法
1．液压加载器
液压加载器俗称千斤顶是液压加载设备中的主要部件。
其主要工作原理是用高压油泵将具有一定压力的液压油压人液压加载器的工作油缸，使之推动活塞，对结构施加荷载。
荷载值由油压表示值和加载器活塞受压面积求得，也可由液压加载器与荷载承力架之间所置的测力计直接测读；
或用传感器将信号输给电子秤显示，也可由记录器直接记录。
在静力试验中常用的有普通工业用的手动液压加载器；
有专门为结构试验设计的单向作用及双向作用的液压加载器。
2．液压加载系统
液压加载系统主要是由储油箱、高压油泵、液压加载器、测力装置和各类阀门组成的操纵台通过高压油管联接组成。
当使用液压加载系统在试验台座上或现场进行试验时尚必须配置各种支承系统，来承受液压加载器对结构加载时产生的平衡力系（图18—2—2）。
利用液压加载试验系统可以作各类建筑结构和构件（屋架、梁、柱、板、墙板等）的静荷试验，尤其对大吨位、大挠度、大跨度的结构更为适用，它不受加荷点数的多少，加荷点的距离和高度的限制，并能适应均布和非均布、对称和非对称加荷的需要。
力和台身运动速度的要求。
地震模拟振动台有两种控制方法：
一种是模拟控制；
另一种是用数字计算机控制。
模拟控制方法有位移反馈控制和加速度信号输入控制两种。
为了能使强地震加速度记录推动振动台，在输入端可以通过二次积分，同时输入位移、速度和加速度三种信号进行控制。
为了提高振动台控制精度，采用计算机进行数字迭代的补偿技术，实现台面地震波的再现。
试验时，振动台台面输出的波形是期望再现的某个地震记录或是模拟设计的人工地震波。
由于包括台面、试件在内的系统的非线性影响，在计算机给台面的输入信号激励下所得到的反应与输出的期望波形之间必然存在误差。
这时，可由计算机将台面输出信号与系统本身的传递函数（频率响应）求得下一次驱动台面所需的补偿量和修正后的输入信号。
经过多次迭代，直至台面输出反应信号与原始输入信号之间的误差小于预先给定的量值，这时，完成迭代补偿并得到满意的期望地震波形。
振动台台面运动参数最基本的是位移、速度和加速度以及使用频率。
一般是按模型比例及试验要求来确定台身满负荷时最大加速度，速度和位移等数值。
使用频率范围由所作试验模型的第一频率而定，一般各类结构的第一频率约在1～10Hz范围内，故整个系统的频率范围应该大于10Hz，为考虑到高阶振型，频率上限当然越大越好。
随着数字技术和网络技术的迅速发展，液压控制系统和数据采集及处理系统已实现了完全数字化，以前需人工进行的大量繁琐而复杂的手工操作，现在只需在计算机前按动几下鼠标即可完成。
振动台试验的大量数据可以由组成网络的几台微机来实时采集和处理。
另外，通过Intemet，用户还可以在千里之外实时了解试验的情况和进程。
（三）惯性力加载法
在结构动力试验中，利用物体质量在运动时产生的惯性力，或利用弹药筒和小火箭在炸药爆炸时产生的反冲力，对结构进行加载。
1．冲击力加载
冲击力加载的特点是荷载作用时间极为短促，在它的作用下使被加载结构产生有阻尼的自由振动，适用于进行结构动力特性的试验。
（1）初位移加载法。
也称为张拉突卸法。
如图18—2—8（a）所示在结构上拉一钢丝缆绳，使结构变形而产生一个人为的初始强迫位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位置附近作自由振动。
习题：
1.结构试验分为生产性试验和研究性试验两类,不属于研究性试验解决的问题的是（D）。
A.为制定设计规范提供依据
B.为发展和推广新结构提拱实践经验
C.验证结构计算理论的假定
D.鉴定建筑物的设计和施工质量
2.（B）不属于结构试验的试件设计的内容。
A.确定试件尺寸与数量
B.设计试件形状应考虑试件的比例尺寸
C.满足结构与受力边界条件要求
D.满足试验的破坏特征和加载条件要求
3.在科研性试验的试件设计中,试件的形状所考虑的最重要因素是（D）。
A.加载方便
B.与研究的实际结构形状一致
C.测试方便
D.要造成与设计目的相一致的应力状态
4.科研性试件的数量取决于（C）。
A.测点的数量多,试件的数量多
B.试验的时间长
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