結(jié)構(gòu)模型試驗

1、結(jié)構(gòu)模型試驗結(jié)構(gòu)模型試驗王柏生結(jié)構(gòu)模型試驗結(jié)構(gòu)模型試驗 結(jié)構(gòu)模型試驗與原形試驗相比較，具有下述特點特點： 經(jīng)濟(jì)性好經(jīng)濟(jì)性好:由于結(jié)構(gòu)模型的幾何尺寸一般比原型小很多，因此模型的制作容易，裝拆方便，節(jié)省材料、勞力和時間，并且同一個模型可進(jìn)行多個不同目的的試驗。 針對性強(qiáng)針對性強(qiáng):結(jié)構(gòu)模型試驗可以根據(jù)試驗的目的，突出主要因素，簡略次要因素。這對于結(jié)構(gòu)性能的研究，新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計，結(jié)構(gòu)理論的驗證和推動新的計算理論的發(fā)展都具有一定的意義。 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)準(zhǔn)確:由于試驗?zāi)Ｐ洼^小，一般可在試驗環(huán)境條件較好的室內(nèi)進(jìn)行試驗，因此可以嚴(yán)格控制其主要參數(shù)，避免許多外界因素的干擾，保證了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確度。模型試驗理論基礎(chǔ)

2、 模型的相似要求和相似常數(shù)模型的相似要求和相似常數(shù) 1.幾何相似lpmpmpmSllbbhh234AlWlIlSSSSSSlppmmpmxSSllxxS模型的相似要求和相似常數(shù)模型的相似要求和相似常數(shù)2.質(zhì)量相似pmmmmSpmS3lmSSS3.荷載相似2lppmmpmpSSAAPPSlwSSSSSq3lMSSSgmppmmmgSSgmgmS1gS模型的相似要求和相似常數(shù)模型的相似要求和相似常數(shù)4. 物理相似 SSEESEppmmpmSSGGSGppmmpmpmvvvS lllxpKSSSSSSSS2模型的相似要求和相似常數(shù)模型的相似要求和相似常數(shù)5.時間相似pmtttS tpmfSffS16

3、.邊界條件相似要求支承條件相似、約束情況相似以及邊界上受力情況相似 。7.初始條件相似對于結(jié)構(gòu)動力問題，為了保證模型與原型的動力反應(yīng)相似，要求初始時刻運(yùn)動的參數(shù)相似。運(yùn)動的初始條件包括初始狀態(tài)下的初始幾何位置、質(zhì)點的位移、速度和加速度。 相似原理 相似原理是研究自然界相似現(xiàn)象的性質(zhì)，鑒別相似現(xiàn)象的基本原理，它由三個相三個相似定理似定理組成。這三個相似定理從理論上闡明了相似現(xiàn)象有什么性質(zhì)，滿足什么條件才能實現(xiàn)現(xiàn)象的相似。 相似原理/第一相似定理 第一相似定理第一相似定理：彼此相似的現(xiàn)象，單值條件相同，其相似準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值也相同。pppamF mmmamF PFmFSFpmmmSmpamaSapppa

4、mFamFSSS相似指標(biāo) 1amFSSSmaFamFamFmmmpppmaF常量 稱它為相似準(zhǔn)數(shù)相似準(zhǔn)數(shù) pmLpmqpmMLLCqqCMMC222818181pppmmmLqMLqMqLM12LqMCCC81222qLMLqMLqMpppmmm相似準(zhǔn)數(shù)（無量綱）相似指標(biāo)Lq相似原理/第一相似定理 相似準(zhǔn)數(shù)把相似系統(tǒng)中各物理量聯(lián)系起來，說明它們之間的關(guān)系，故第一相似定理又稱“模型律”。利用這個模型律可將模型試驗中得到的結(jié)果推廣應(yīng)用到相似的原型結(jié)構(gòu)中去。 注意相似常數(shù)和相似準(zhǔn)數(shù)的概念是不同的。相似常數(shù)是指在兩個相似現(xiàn)象中，兩個相對應(yīng)的物理量始終保持的常數(shù)，但對于在與此兩個現(xiàn)象互相相似的第三個相似

5、現(xiàn)象中，它可具有不同的常數(shù)值。相似準(zhǔn)數(shù)則在所有互相相似的現(xiàn)象中是一個不變量，它表示相似現(xiàn)象中各物理量應(yīng)保持的關(guān)系。 相似原理/第二相似定理 第二相似定理（第二相似定理（ 定理）：定理）：某一現(xiàn)象各物理量之間的關(guān)系方程式都可以表示為相似準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)關(guān)系0810810),(0),(222121qLMqLMgxxxfsn簡支梁受均布荷載相似Wql82EIqlf3845482Wql53844EIfqlppppmmmmWlqWlqWql2221pppppmmmmmfIElqfIElqEIfql4442相似原理/第三相似定理 第三相似定理第三相似定理:單值條件相似、由其導(dǎo)出的相似準(zhǔn)數(shù)相等，是兩個現(xiàn)象相似的充

6、分必要條件。 根據(jù)第三相似定理，當(dāng)考慮一個新現(xiàn)象時，只要它的單值條件與曾經(jīng)研究過的現(xiàn)象單值條件相同，并且存在相等的相似準(zhǔn)數(shù)，就可以肯定它們的現(xiàn)象相似。從而可以將已研究過的現(xiàn)象結(jié)果應(yīng)用到新現(xiàn)象上去。第三相似定理終于使相似原理構(gòu)成一套完整的理論，同時也成為組織試驗和進(jìn)行模擬的科學(xué)方法。 相似原理/量綱分析確定相似準(zhǔn)數(shù) 量綱分析法量綱分析法是根據(jù)描述物理過程的物理量的量綱和諧原理，尋求物理過程中各物理量間的關(guān)系而建立相似準(zhǔn)數(shù)的方法。 被測量的種類稱為這個量的量綱量綱 。 如果選定一組彼此獨立的量綱作為基本基本量綱量綱，而其它物理量的量綱可由基本量綱組成，則這些量綱稱為導(dǎo)出量綱導(dǎo)出量綱。 相似原理/量

7、綱分析確定相似準(zhǔn)數(shù)常用的物理量的量綱 相似原理/量綱分析確定相似準(zhǔn)數(shù) 量綱的性質(zhì)：量綱的性質(zhì)： （1）兩個物理量相等，是指不僅數(shù)值相等，而且量綱也要相同。 （2）兩個同量綱參數(shù)的比值是無量綱參數(shù)，其值不隨所取單位的大小而變。 （3）一個完整的物理方程式中，各項的量綱必須相同，因此方程才能用加、減并用等號聯(lián)系起來。這一性質(zhì)稱為量綱和諧。相似原理/量綱分析確定相似準(zhǔn)數(shù) (4)導(dǎo)出量綱可和基本量綱組成無量綱組合，但基本量綱之間不能組成無量綱組合。 (5) 定理定理:若在一個物理方程中共有n個物理參數(shù)和k個基本量綱，則可組成（n-k）個獨立的無量綱組合。無量綱參數(shù)組合簡稱“ 數(shù)”。用公式的形式可表示為

8、： 0),(21nxxxf0),()(21kn相似原理/量綱分析確定相似準(zhǔn)數(shù) 以動力平衡方程為例來說明量綱分析法 dtdxvdtxdapkxcvma , ,22f(m, c, k, a, v, x, p, t)=0 g(1, 2, 3, 4, 5)=0 87654321aaaaaaaatpxvakcm87654321TFLLTLTFLTFLTFL 1 -1-2-1-12-1aaaaaaaa相似原理/方程式法確定相似準(zhǔn)數(shù) 方程式法方程式法:具有顯式方程式的物理現(xiàn)象，其相似準(zhǔn)數(shù)可直接從方程式推導(dǎo)而得。 1 1, , 122dtdxvdtxdapkxpcvpmaxvtxatpkxpcvpma5243

9、21 , , , ,結(jié)構(gòu)模型的分類 結(jié)構(gòu)模型的分類 ：彈性模型 、強(qiáng)度模型、間接模型 彈性模型 ：從中獲得原結(jié)構(gòu)在彈性階段的資料，研究范圍僅局限于結(jié)構(gòu)的彈性階段 。彈性模型的制作材料不必與原結(jié)構(gòu)的材料完全相似，只需模型材料在試驗過程中具有完全的彈性性質(zhì)。彈性模型試驗無法預(yù)測實際結(jié)構(gòu)物在荷載下產(chǎn)生的非彈性性能，如混凝土開裂后的結(jié)構(gòu)性能，鋼材達(dá)到流限后的結(jié)構(gòu)性能。結(jié)構(gòu)模型的分類 強(qiáng)度模型強(qiáng)度模型的試驗?zāi)康氖穷A(yù)測原型結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度以及原型結(jié)構(gòu)在各級荷載包括破壞荷載下甚至極限變形時的工作性能。 近年來，由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非彈性性能的研究較多，鋼筋混凝土強(qiáng)度模型試驗技術(shù)得到很大的發(fā)展。鋼筋混凝土強(qiáng)度模型

10、試驗的成功與否，很大程度上取決于模型混凝土及鋼筋的材料性能與原型結(jié)構(gòu)的材料性能的相似程度。目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的小比例強(qiáng)度模型還只能做到不完全相似的程度，主要的困難是材料的完全相似難以滿足。 結(jié)構(gòu)模型的分類 間接模型試驗間接模型試驗的目的是要得到關(guān)于結(jié)構(gòu)整體性的反應(yīng)如內(nèi)力在各構(gòu)件的分布情況、影響線等。因此，間接模型并不要求和原型結(jié)構(gòu)直接的相似。例如框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布主要取決于梁、柱等構(gòu)件之間的剛度比，因此，構(gòu)件的截面形狀、材料等不必要求直接與原型相似，為便于制作，可采用圓形截面或型鋼截面代替原型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際截面。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，許多情況下間接模型試驗完全可由計算機(jī)分析所代替，所以目前很少

11、使用。 模型設(shè)計 模型設(shè)計是模型試驗是否成功的關(guān)鍵。在模型設(shè)計中不能簡單地確定模型的相似準(zhǔn)數(shù)，而應(yīng)綜合考慮各種因素，如模型的類型、模型材料、試驗條件以及模型的制作等，才能得到合適的相似條件，并確定各物理量的相似常數(shù)。 模型設(shè)計 模型設(shè)計模型設(shè)計一般按照下列程序程序進(jìn)行： 1)根據(jù)任務(wù)明確試驗的具體目的和要求，確定模型類型，選擇合適的模型制作材料； 2)針對任務(wù)所研究的對象，根據(jù)模型試驗理論和方法，并結(jié)合具體情況確定相似條件相似條件； 3)根據(jù)實驗室的試驗條件，確定出模型的幾何尺寸，即幾何相似常數(shù)； 4)根據(jù)相似條件確定其它相似常數(shù)； 5)繪制模型施工圖。模型設(shè)計 結(jié)構(gòu)靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨茥l件結(jié)構(gòu)

12、靜力試驗?zāi)Ｐ偷南嗨茥l件 模型的相似常數(shù)的個數(shù)是多于相似條件的數(shù)目，模型設(shè)計時往往是首先確定幾何比例，即幾何相似常數(shù)。此外，還可以設(shè)計確定幾個物理量的相似常數(shù)。一般情況下，經(jīng)常是先定模型材料，并由此確定 。再根據(jù)模型與原型的相似條件推導(dǎo)出其他物理量的相似常數(shù)的數(shù)值。 當(dāng)模型設(shè)計首先確定 及 時，則其他物理量的相似常數(shù)就都是它們的函數(shù)或是等于1 。lSES一般靜力試驗彈性模型的完全相似條件 結(jié)構(gòu)動力模型試驗的相似條件 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)靜力模型試驗的相似常數(shù) 砌體結(jié)構(gòu)模型試驗的相似常數(shù) 模型試驗材料要求 1保證相似要求保證相似要求：即要求模型設(shè)計滿足相似條件，以致模型試驗結(jié)果可按相似準(zhǔn)數(shù)及相似條件推算

13、到原型結(jié)構(gòu)上去。 2保證量測要求：保證量測要求：即要求模型材料在試驗時能產(chǎn)生較大的變形，以便量測儀表能夠精確地予以讀數(shù)。因此，應(yīng)選擇彈性模量較低的模型材料，但也不宜過低以致影響試驗結(jié)果；模型試驗材料要求 3保證材料性能穩(wěn)定：保證材料性能穩(wěn)定：即要求模型材料不受溫度、濕度的變化而變化。一般模型結(jié)構(gòu)尺寸較小，對環(huán)境變化很敏感，以致其產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于它對原型結(jié)構(gòu)的影響，因此材料性能穩(wěn)定是很重要的。應(yīng)保證材料徐變小，由于徐變是時間、溫度和應(yīng)力的函數(shù)，故徐變對試驗的結(jié)果影響很大，而真正的彈性變形不應(yīng)該包括徐變。 4保證加工制作方便：保證加工制作方便：選用的模型材料應(yīng)易于加工和制作，這對于降低模型試驗費用是極重要的。一般講來，