建筑结构试验基本知识.docx

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建筑结构试验基本知识

土木工程试验

一、基本知识

1、静力试验：

缺点：

不能反映应变速度对结构的影响

2、动力试验：

抗震动力试验一般用电液伺服加载设备或地震模拟振动台等设备来进行。

注意：

对每个试验、每次加载、每个测点、每个仪表都应该有十分明确的目的性和针对性，切忌盲目追求试验次数多，仪表测点多，以及不切实际的提高量测精度。

3、试验大纲

是指导整个试验的技术文件，包含：

（1）试验目的

（2）试件设计与制作要求

（3）试件的支撑要求与加载方法

（4）量测要求

（5）安全措施

（6）实验人员的组织分工，试验进度计划的制定

（7）经费预算及消耗性材料的用量，实验设备仪表清单

（8）辅助试验内容

注意：

制定大纲时，一定要对试验目的进行充分的研究，对试验对象作出初步的理论计算分析。

试件的制作：

制作尺寸偏差应控制在5%以内。

试件的制作过程中应记施工记录日志，注明试件浇筑日期、原材料情况、配比、振捣养护情况、箍筋实际尺寸、保护层厚度、预埋件位置等，凡制作过程中的一切变动，均应详细如实的记录。

在准备工作阶段和试验阶段每天记工作日志。

4、模型或小试件试验

对于微型混凝土截面在4cm×6cm或5cm×5cm以内或微型砌体（砖块尺寸为1.5cm×3cm×6cm），普通混凝土截面小于10cm×10cm，砖砌体小于74cm×36cm，砌块砌体小于60cm×120cm的试件都有尺寸效应，必须加以考虑。

当砌块砌体试件大到120cm×244cm，尺寸效应才不显著。

因此普通混凝土试件截面边长在12cm以上，砌体墙最好是真型的1/4以上。

但是，在满足构造模型要求的条件下太大的试件尺寸也没有必要。

因此，局部性的试件尺寸可取真型的1/4～1，整体性的结构试验试件可取1/10～1/2.

作为基本构件性能研究，压弯构件的截面尺寸为16cm×16cm～35cm×35cm，短柱（偏压剪）为15cm×15cm～50cm×50cm，双向受力构件为10cm×10cm～30cm×30cm。

国内试验研究框架截面大约为真型的1/4～1/2；框架节点，为真型比例的1/2～1。

剪力墙方面单层墙体的外形尺寸为80cm×100cm～178cm×274cm，多层的剪力墙为真型的1/10～1/3cm。

砖石和砌块一般取真型的1/4～1/2。

动力试验，一般在现场真型结构上进行试验。

试验室内，可以对足尺构件进行疲劳试验。

振动台上试验，已完成1/50～1/4。

5、试验数量设计方法

（1）、优选设计法

利用数学原理合理安排试验点

（2）、因子设计法（不常采用）

试验数=水平数因子数

（3）、正交试验设计法

主要是应用均衡分散、整齐可比性的设计原则，合理安排试验。

（4）、均匀设计法

6、仪器的选择

使仪器的最小刻度值不大于5%的最大被测值。

最大被测值宜在满量程的1/5～2/3范围内，一般最大被测者不宜大于选用仪表最大量程的80%。

注意：

在进行科研型试验中，要求同一型号的试件与试件之间，结构构件与材性之间要保证做到严格的材料性质的一致性、施工工艺的一致性和养护条件的一致性。

这就要求对于钢筋混凝土构件浇筑时要用同批搅拌的混凝土、同样条件的成型和养护、同时进行测压的条件。

对于钢筋骨架要在同一根钢筋上截取材性试件，有时甚至在构件试验破坏后，从被破坏的试件中敲出钢筋取样进行材料试验。

用砌石或砌块砌体砌筑时，要求用同一工人、用同批砖块或砌块和同批拌制的砂浆去砌筑同一砌体试件，这样才可能消除误差对试验结果的影响。

7、试验报告

一般包括：

（1）试验目的

（2）试验对象的简介和考察

（3）试验方法和依据

（4）试验情况及存在问题

（5）试验成果的处理与分析

（6）结束结论

（7）附录

二、工程结构试验量测技术

量测内容：

外部条件（主要为外荷载及支座反力等）、结构变形（位移、应变、曲率等）、内力（应力）、裂缝以及自振频率、振型、阻尼比等一系列动力特性。

基本测量方法：

偏位测定法和零位测定法。

偏位测定法根据量测仪器放大部分产生的偏转或位移量定出预测参数的大小。

百分表、双杠杆应变仪；零位测定法是用已知的标准量去抵消未知物理量对仪表产生的偏转，使被测量和标准量对仪器的指示装置的效应经常保持相等，指示装置指零时的标准量。

如静态电子应变仪。

1、应变电测法

一般分为应变机械测法和应变电测法。

电阻应变片的性能：

（1）标距l;

（2）使用面积l×b；（3）电阻值R，一般为120

；（4）灵敏系数K，通常K=2.0左右；（5）应变极限，一般为1%～3%左右；（6）机械滞后；（7）疲劳寿命；（8）零漂；（9）蠕变；（10）绝缘电阻；（11）温度适用范围，可溶性粘合剂工作温度约为-20～60℃；经化学作用而固化的粘合剂，工作温度约为-60～200℃；（12）横向灵敏度系数、温度特征、频响特性。

敏感栅的结构形状有单轴和多轴之分。

单轴应变片一般指一片只有一个敏感栅，多用于测量单轴应变；多轴应变片指一片有几个敏感栅组成，也称应变化。

应变片的粘贴技术：

（1）选择应变片。

应注意试件的材质性质和试件的应力状态。

均质材料或应变场的应变变化较大时，应采用小标距应变片。

对非匀质材料（如混凝土、铸铁等）应采用大标距应变片。

在混凝土上使用应变，其标距应大于混凝土粗骨料最大粒径的3倍。

处于平面应变状态下测点应选用应变花。

在分选应变片时，应逐片进行外观检查，应变片丝栅应平直，片内无气泡、霉斑、锈点等缺陷，不合格的片应剔除；然后用电桥逐片测定阻值并以阻值分成若干组。

同一组应变片的阻值偏差不得超过应变仪可调平衡的允许范围，一般在0.5

以内。

（2）选择黏结剂。

分为水胶和胶剂两类。

选择时候视应变片基底材料和试件材料的不同而异。

一般要求黏结剂具有足够的抗拉强度和抗剪强度，蠕变小和绝缘性能好。

目前在匀质材料粘贴应变片常采用氰基丙烯酸累水剂黏结剂；在混凝土等非匀质材料上常用环氧树脂胶。

（3）测点表面处理。

先用工具或化学试剂清除贴片处的漆层、油污、锈层等污垢，然后用锉刀锉平，在用0号砂纸在试件表面打成45度的斜纹，吹去浮尘并用丙酮、四氯化碳等溶剂擦洗干净。

（4）应变片的粘贴与干燥。

选择胶剂，在试件上画出测点的定向标记。

用氰基丙烯酸类水剂贴片时，先在试件表面的定向标记处和应变片基底上分别涂一层均匀胶层，待胶层发黏迅速将应变片按正确的位置就位，并取一块聚乙烯薄膜盖在应变片上，用手指稍加压力后即可等待其干燥。

在混凝土或砌块等表面贴片时，一般应先用环氧树脂胶做找平层，待胶层完全固化后再用砂纸打磨，擦洗后方可贴片。

（5）焊接导线。

先在离应变片3～5mm处粘贴接线端子。

（6）应变片的粘贴质量检查。

用兆欧表量测应变片的绝缘电阻；观察应变片的零点漂移，若漂移值小于5

（4min之内）认为合格；将应变片接入应变仪，检查其工作的稳定性。

若漂移值过大，工作稳定性差，则应铲除重贴。

（7）防潮和防水处理。

防潮措施必须在检查应变片贴片质量合格后立即进行。

防潮的简便方法是用松香石蜡合剂或凡士林涂于应变片表面，使应变片与空气隔离达到防潮目的。

防水处理一般都采用环氧树脂胶。

2、钢弦式传感器

优点：

输出的是频率而不是电压

（1）埋入式应变计。

又称埋入式应变传感器，多埋于混凝土、钢筋混凝土等结构物中。

主要用于结构物内部的应变（应力）的长期观测；也可用于病害工程，采取凿孔（槽）的方式埋入混凝土中，便于观测病害的发展情况。

（2）表面式应变计。

安装在建筑物的表面，用于结构物应变或混凝土结构裂缝的观测。

（3）钢筋应力计。

也称钢筋应力传感器，常用于量测钢筋混凝土结构中的钢筋应力，亦可将其串接起来用于量测隧道及地下工程锚杆的应力分布。

3、光纤光栅法。

系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调设备组成。

主要用于获取温度、应变、位移等物理量的值。

特别适用于：

室外、大型结构（如桥梁、公路、水坝等）的应变测试即安全检测。

4、位移测量

（1）线位移测量。

线位移传感器（简称位移传感器）可用来测量结构的位移，包括结构的反应和对结构的作用、支座位移等，它测得的位移是某一点相对另一点的位移，即测点相对于位移传感器支架固定点的位移。

通常把传感器支架固定在试验台或地面的不动点上，这时所测到的位移表示测点相对于试验台座或地面的位移。

常用的位移传感器有：

机械式百分表、电子百分表、滑阻式传感器和差动电感式传感器。

（2）角位移测量。

主要有以下类型：

水准式测角仪、表式测角仪、电子测角仪。

5、光电挠度计。

是一种光电图像式桥梁挠度检测仪，检测频率范围达到0～20Hz，每秒采样达40～200个点。

所以，它是桥梁工程检测工作中用来检测挠度、位移、变形的一种新型仪器。

6、应变场的应变及裂缝测定。

电阻应变片的测量结果代表的是应变片栅长内的平均应变，绝不是栅长中点处的应变；对钢筋混凝土和砖石、砌体等结构，在试验过程中必须测定裂缝的出现与发展。

采用振弦式裂缝计用于测量裂缝的开度，例如：

建筑、桥梁、管道、大坝等内部的施工缝；土体内的张拉缝与岩石和混凝土内的接缝；采用裂缝扩展片以测定裂纹是否已达到该栅条处；采用石灰浆涂层来发现裂缝，是在构件表面刷一薄层石灰浆后借助放大镜用肉眼查找裂缝，为便于记录和描述裂缝的发展部位，在构件表面划出5cm×5cm左右的方格。

当需要更精确的确定开裂荷载时，在拉区连续搭接安装应变计监测第一批裂缝的出现。

7、测温元件。

是桥梁工程检测中的一项重要内容，用于桥梁结构温度测试的常用元件有热电阻、热敏电阻、热电偶等。

8、测振传感器。

又称为拾振器，是将机械振动信号变换成电参量的一种敏感元件。

种类繁多，按测量参数可分为位移式、速度式和加速度式；按构造原理可分为磁电式、压电式和应变式；从使用角度出发又可分为绝对式（或称惯性式）和相对式、接触式和非接触式等。

三、工程结构静载试验

1、加载方案设计。

正位试验、异位试验，同时进行称为成对试验。

2、测点的选择和布置。

主要测点的布设应能控制结构最大应力（应变）和最大挠度（位移）。

一般情况下，对挠度测点的布设要求能够测量结构的竖向挠度、侧向位移和扭转变形，应能给出受检跨及相邻跨的挠曲值和最大挠度。

每跨一般需要布设3～5个测点。

应力应变测点的布设应测出内力控制截面沿竖向、横向的应力分布状态。

对组合构件应测出组合构件的结合面上下缘应变。

梁的每个截面的竖向测点沿截面高度应不少于5个测点，包括上、下缘和截面突变处，应能说明平截面假设是否成立。

横向截面抗弯应变测点布设在截面横桥向应力可能分布较大的部位，沿截面上下缘布设，横桥向布设一般不少于3处，以控制最大应力的分布，宽翼缘构件应能给出剪力滞效应的大小。

对于箱型断面，顶板和底板测点应布设“十”字应变花，而腹板测点应布设45°应变花，T形断面下翼缘可用单向应变片。

剪切应变测点的布设一般采用设置应变花的方法进行观测。

温度测点的布设在于大多数测点较接近的部位设置1～2处气温观测点。

常用桥梁的主要测点布置应能控制结构的最大应力（应变）和最大挠度（或位移），测点的布置不宜过多，但要保证质量，常用的如下：

（1）简支梁桥：

跨中挠度，支点沉降，跨中截面应变。

（2）连续梁桥：

跨中挠度，支点沉降，跨中和支点截面应变。

（3）悬臂梁桥：

悬臂端部挠度，支点沉降，支点截面应变。

（4）拱桥：

跨中与L/4处挠度，拱顶，L/4和拱脚截面应变。

四、工程结构动力试验。

归纳起来大概有以下几个方面：

（1）工程结构的抗震问题。

（2）工业厂房生产过程中的振动问题。

（3）高层建筑与高耸构筑物（如电视塔、输电线架空塔架、斜拉桥和悬索桥的索塔等）设计时需要解决风荷载所引起的振动问题。

（4）桥梁设计与建设中需要考虑车辆运动对桥梁的振动、流水浮冰对桥墩的冲刷和冲击、大雨使斜拉桥的斜拉索产生雨震和索塔产生振动等问题。

（5）近海结构物设计中需要解决海浪拍击、风暴、浮冰冲击等引起的振动问题。

（6）国防建设中需要研究建筑物的抗爆问题，研究如何抵抗核爆炸等所产生的瞬时冲击荷载（即冲击波）对结构的影响。

结构动力试验可分为结构动力特性基本参数（如自振频率、阻尼系数、振型等）和结构动力反应的测定，结构抗震试验，结构疲劳性能试验等。

通常有如下几项基本内容：

（1）结构动力特性测试，是反映结构本身国有的动力性能，而与外荷载无关。

（2）振源识别和动荷载特性测定。

振源识别就是寻找对结构振动起主导作用且危害最大的主振源，这是振动环境治理的前提。

动荷载特性测定包括：

测定结构动荷载的大小、方向、频率及其作用规律等。

（3）结构动力反应测试。

（4）振动台模型试验。

（5）结构构件疲劳试验。

风洞试验：

采用缩小模型或相似模型在专门的试验装置内模拟风力试验，即风洞试验。

风洞是产生不同速度和不同方向（单向、斜向、乱方向）气流的专用试验装置。

人工地震试验：

采用地面或地下爆炸法引起地面运动的，都成为“人工地震”，人工地震可用核爆和化爆产生。

五、工程结构试验数据处理

1、有效数字修约规则。

具体做法：

当被修约数字≤4时将其舍去；被修约数字≥6时就进一位；如果被修约数字恰好为5时，前面数字为奇数就进位，前面数字为偶数就舍去。

例如下面数字全部修约为四位有效数字时：

0.53664～0.5366,0.58346～0.5835,10.2750～10.28。

注意，进行数字修改时只能一次修改到指定的位数，不能数次修改，否则就会得到错误的结果。