第二章結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計

1、 第二章 結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計 安徽工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院試 驗 設(shè) 計第二章 試驗設(shè)計本章重點：1理解結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計中試件設(shè)計、荷載設(shè)計和量測設(shè)計三個主要部 分的內(nèi)容以及它們之間的相互關(guān)系； 2. 在試件設(shè)計中要注意尺寸效應(yīng)的影響，要考慮邊界條件的模擬和 滿足試驗加載、量測的要求。 1、工程結(jié)構(gòu)試驗流程 結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計是整個結(jié)構(gòu)試驗中極為重要的并且?guī)в腥中缘囊豁椆ぷ?。它的主要?nèi)容是對所要進(jìn)行的結(jié)構(gòu)試驗工作進(jìn)行全面的設(shè)計與規(guī)劃，從而使設(shè)計的計劃與試驗大綱能對整個試驗起著統(tǒng)管全局和具體指導(dǎo)作用。 工程結(jié)構(gòu)試驗是一項細(xì)致而復(fù)雜的工作因此必須進(jìn)行很好的組織與設(shè)計，按照試驗的任務(wù)制定試驗計劃與大綱，并通過試驗計劃與大

2、綱的執(zhí)行來完成。在整個試驗工作中試驗人員必須嚴(yán)肅認(rèn)真，不然不僅無法實現(xiàn)預(yù)期的試驗?zāi)康?，而且會帶來人力、物力與時間的浪費、影響試驗結(jié)果，甚至導(dǎo)致整個試驗的失敗或發(fā)生安全事故。只有在試驗前做好試驗的籌備工作對試驗過程中可能出現(xiàn)的情況事先有所估計，并采取相加措施，及時整理分析并充分利用所取得的試驗成果，才能夠做到使用最小的試驗耗費取得最大的研究成果。試 驗 設(shè) 計結(jié)構(gòu)試驗流程圖試 驗 設(shè) 計2、工程結(jié)構(gòu)試驗試件設(shè)計 試件設(shè)計包括試件形狀的選擇、試件尺寸和數(shù)量的確定及構(gòu)造措施的研究考慮，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)與受力的邊界條件、試驗的破壞特征、試驗加載條件的要求，以最少的試件數(shù)量獲得最多的試驗數(shù)據(jù)，滿足任務(wù)要求。(

3、1). 試件形狀 目的：構(gòu)造一個與實際受力相一致的應(yīng)力狀態(tài)。 要求：便于試驗加載和安全試驗。框架結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件試驗試 驗 設(shè) 計(2). 試件尺寸 試驗試件尺寸可分為真型和模型兩類。試件尺寸受尺寸效應(yīng)、構(gòu)造要求、試驗設(shè)備和經(jīng)濟條件的限制，動力試驗試件尺寸還受試驗激振加載條件的限制。思考：何謂尺寸效應(yīng)？為何混凝土立方體抗壓強度判定中引入一尺寸修正系數(shù)？模型振動臺試驗鋼架構(gòu)件教學(xué)試驗試 驗 設(shè) 計(2). 試件數(shù)量A. 生產(chǎn)鑒定性試驗：按照試驗任務(wù)的要求有明確的試驗對象。 對于頂制構(gòu)件的質(zhì)量檢驗和評定，按預(yù)制混凝土構(gòu)件質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)(GBJ 32190)的規(guī)定抽樣檢驗。檢查數(shù)量；對于成批生產(chǎn)的構(gòu)件

4、，應(yīng)按同一工藝正常生產(chǎn)的不超過1000件且不超過3個月的同類型產(chǎn)品為一批，當(dāng)連續(xù)檢驗10批且每批結(jié)構(gòu)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求時，對同一工藝正常生產(chǎn)的構(gòu)件，可改為不超過2000件且不超過3個月的同類型產(chǎn)品為一批。在每批中應(yīng)隨機抽取一個構(gòu)件作為試件進(jìn)行檢驗。“同類型產(chǎn)品”是指同一鋼種、同一混凝土強度等級、向一工藝和同一結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)件。B. 科學(xué)研究試驗：服務(wù)于科研目的 試件數(shù)目即試驗量也是一不可忽視的問題，試驗量的大小直接關(guān)系到能否滿足試驗?zāi)康娜蝿?wù)及整個試驗的工作量問題，受研究經(jīng)費及時間期限的限制。 試件的數(shù)量主要取決于兩個因素：參數(shù)的多少（因子數(shù)）和其相應(yīng)的各種狀態(tài)（水平數(shù)）。 根據(jù)因子和水平數(shù)

5、的不同搭配，試驗可分為兩種：全因子試驗和正交試驗。 全因子試驗考慮了因子和其水平數(shù)的所有可能組合情況而形成的試件數(shù)目。 正交試驗設(shè)計法則是利用正交表安排多因子試驗，這兩種試驗的各有特點。 試 驗 設(shè) 計 試件2中：截面是采用第一水平，而砂漿也是第一水平，垂直應(yīng)力是第二水平，得出一個抗剪強度值 ；試驗6中：截面是采用第二水平，而砂漿也是第一水平，垂直應(yīng)力是第二(一)水平，得出一個抗剪強度值；全因子試驗實際反應(yīng)出兩個問題:一個是在其它因素都不變的條件下，單單變一個因素，可以看到試驗結(jié)果的變化情況,二是反應(yīng)兩個因素的交互作用。 試 驗 設(shè) 計 試驗1中：截面是采用第一水平，而砂漿也是第一水平，垂直應(yīng)

6、力是第一水平，得出一個抗剪強度值 ；試驗5中：截面是采用第二水平，而砂漿也是第一水平，垂直應(yīng)力是第二水平，得出一個抗剪強度值；將兩個強度的平均值作為砂漿取第一水平時的抗剪強度值，同樣與砂漿取第二水平時的抗剪強度值相比較來分析砂漿強度對抗剪強度的影響 ； 試 驗 設(shè) 計 正交表的特點是在分析某因子對結(jié)果的影響時，該因子取某一水平時，其它因子的各個水平都要取到了，最后取結(jié)果的平均值，作為在該因子在此水平下的試驗結(jié)果。 正交表試驗與全因子試驗在使用中各有特點。在優(yōu)化截面面積、砂漿強度和垂直應(yīng)力這三個因素的時候，選正交表試驗比較好，因為它經(jīng)過很少的試驗就可以選出各個因素，哪個因素最好的。但是，在建立抗

7、剪強度和這三個因素的理論關(guān)系時，選全因子試驗比較確切。但是不能反映單個因子與目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系。試 驗 設(shè) 計2.結(jié)構(gòu)試驗的荷載設(shè)計 試驗加載方案除了與試驗?zāi)康挠兄苯雨P(guān)系外，還與試驗對象的結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件在試驗室的空間位置有關(guān)。(1).結(jié)構(gòu)類型和擱置位置 承受均布荷載的板、殼結(jié)構(gòu)采用重力加載施加均布荷載或采用若干組不連續(xù)的集中力等效代替均布荷載。 承受豎向力和水平力的墻柱，采用集中力加載方案； 試件在試驗時的空間位置有以下幾種： 正位試驗：與實際工作狀態(tài)一致； 反位試驗：便于裂縫觀察； 臥位試驗：降低試驗裝置高度，便于儀表安裝、讀數(shù)； 原位試驗：支撐、邊界條件與實際一致；試 驗 設(shè) 計(2).

8、試驗的荷載圖式 試驗荷載在試件上的布置形式稱為加荷圖式，荷載圖式應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算荷載圖式相一致；否則應(yīng)采用與計算簡圖相似的等效荷載圖式。 等效加荷圖式應(yīng)滿足：1、等效荷載產(chǎn)生的控制截面上的主要內(nèi)力應(yīng)與計算內(nèi)力值相等；2、等效荷載產(chǎn)生的主要內(nèi)力圖形與計算內(nèi)力圖形相似。3、由于等效荷載引起的變形差別，應(yīng)給予適當(dāng)?shù)男拚?、控制截面內(nèi)力等效時，其次要截面上的內(nèi)力應(yīng)與設(shè)計值接近。等效荷載圖示試 驗 設(shè) 計(3).試驗荷載計算 生產(chǎn)檢驗性試驗的試驗荷載： 承載力極限狀態(tài)： 正常使用極限狀態(tài)： 科學(xué)研究性試驗的試驗荷載 控制截面實際承載力極限狀態(tài)： KQKGdQGQKKSQGQ.),(000affRSsc

9、cu試 驗 設(shè) 計(4).試驗加載程序 不同性質(zhì)的試驗采用不同的加載方案, 靜力試驗加載程序 試 驗 設(shè) 計A.由結(jié)構(gòu)靜力試驗的加載示意圖可知：1)、加載的一般程序可分為一下幾個階段，就即預(yù)加載階段、 標(biāo)準(zhǔn)荷載試驗階段和破壞試驗階段。2)、加載的時候并不是一下子加到某一個值，而是中間要有 分級，荷載要分成好些級加上去。3)、每次加載升級都要將荷載持續(xù)一段時間，當(dāng)加到標(biāo)準(zhǔn)荷 載時，持續(xù)時間比較長，然后卸載，同樣卸載卸到某一 值時也要持續(xù)一段時間，然后再繼續(xù)卸載；B.荷載分級的目的 ：1）、分級便于控制加載速度。2）、便于觀察荷載與變形的關(guān)系及協(xié)調(diào)加載步驟。 3）、為觀察與讀數(shù)提供必要的時間。 C

10、.預(yù)加荷載 目的：使試件接觸良好、進(jìn)入正常工作狀態(tài)，荷載變形關(guān)系趨于穩(wěn)定；檢驗全部試驗裝置的可靠性；檢測量測的儀表工作是否正常；檢查現(xiàn)場組織工作和人員情況，起演習(xí)作用。 預(yù)加荷載值要保持在彈性范圍內(nèi)。對鋼筋混凝土，尤其要強調(diào)不能出現(xiàn)裂縫，一般控制在開裂荷載的70%以內(nèi)，最好是在開裂荷載的60%。加載分三級進(jìn)行，每級取標(biāo)準(zhǔn)值的20%。級間停歇10分鐘卸載分級進(jìn)行試 驗 設(shè) 計D.標(biāo)準(zhǔn)荷載試驗與破壞荷載試驗 在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)荷載之前，每級加載值不應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)值的20%，一般分成五級進(jìn)行加載。而在標(biāo)準(zhǔn)荷載之后，每級就不應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)荷載的10%。 當(dāng)加載加至破壞荷載的90%以后，為了求得精確的破壞荷載值，每級應(yīng)

11、取不大于標(biāo)準(zhǔn)荷載的5%，逐級加荷至結(jié)構(gòu)破壞。E.加荷的持續(xù)時間（使試件的變形充分發(fā)展達(dá)到穩(wěn)定） 1)、級間的持續(xù)時間：加載一級，荷載要持續(xù)一段時間；一般為1015min 2)、滿載的持續(xù)時間 ：加載到標(biāo)準(zhǔn)荷載或預(yù)加載到預(yù)加載值時，荷載的停留時間，F(xiàn).空載的時間 （使試件的殘余變形和變形得到較好的恢復(fù)） 在預(yù)加載和標(biāo)準(zhǔn)荷載試驗之間，以及標(biāo)準(zhǔn)荷載試驗和破壞荷載試驗之間，有一段較長時間的停留，叫空載時間。 試 驗 設(shè) 計(5).試驗加載裝置設(shè)計 1、強度要求： 首先應(yīng)滿足試驗最大荷載量的要求，保證有足夠的安全儲備，同時應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)加載后局部構(gòu)件的強度提高，2、剛度要求： 如混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的下降段

12、的測量，如果加載裝置的剛度不夠的話，則很難測出曲線的下降段3、真實要求： 要求能模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的邊界條件和變形條件，否則失去結(jié)構(gòu)受力的真實性。4、簡便要求： 構(gòu)造簡單，組裝時間少，方便試件安裝。試 驗 設(shè) 計加載構(gòu)造裝置試 驗 設(shè) 計3.試驗觀測方案設(shè)計測試方案通常包括的內(nèi)容有：(1).按整個試驗?zāi)康囊?，確定試驗測試的項目；(2).按確定的量測項目要求，選擇觀測區(qū)域和布置測點置；(3).綜合整體因素選擇測試儀器和測定方法。一、觀測項目的確定 在確定試驗的觀測項目時，首先應(yīng)該考慮反映結(jié)構(gòu)工作狀況的整體變形，如梁的撓度。而在條件許可的情況下，根據(jù)試驗?zāi)康?，也?jīng)常需要測定一些局部變形，如應(yīng)變、裂縫和

13、鋼筋滑移等。 總的來說，破壞性試驗本身能夠充分地說明問題，觀測項目和測點可以少些，而非破壞性試驗的觀測項目和測點布置，則必須滿足分析和推斷結(jié)構(gòu)工作狀況的最低需要。動力試驗觀測參數(shù)試 驗 設(shè) 計結(jié)構(gòu)靜力試驗觀測參數(shù)試 驗 設(shè) 計擬靜力試驗觀測參數(shù)試 驗 設(shè) 計橋梁檢測應(yīng)變與撓度測點布置（安工大）試 驗 設(shè) 計加固梁試驗（湖北建科院）試 驗 設(shè) 計(2).測點的選擇與布置 在測量工作之前，應(yīng)該利用已知的力學(xué)和結(jié)構(gòu)理論對結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步估算，然后合理地布置測量點位，力求減少試驗工作量而盡可能獲得必要的數(shù)據(jù)資料。 測點的位置必須要有代表性，測點的布置應(yīng)有利于試驗時操作和測讀，另外，還應(yīng)該布置一定數(shù)量的校核

14、性測點。(3).儀器的選擇與測讀原則A.儀器的選擇 在選擇儀器時，必須從試驗實際需要出發(fā)，使所用的儀器能很好地符合量測所需精度與量程要求，但是防止盲目選用高準(zhǔn)確度和高靈敏度的精密儀器。一般的試驗，要求測定結(jié)果的相對誤差不超過5%，同時，應(yīng)使儀表的最小刻度值小于5%的最大被測值。儀器的量程應(yīng)該滿足最大測量值的需要。儀器最大被測值宜小于選用儀表最大量程的80%，一般以量程的1/52/3范圍為宜。 選擇儀表時必須考慮測讀方便省時，必要時采用自動記錄裝置。儀器應(yīng)該統(tǒng)一，動力試驗時須注意儀表的參數(shù)符合試驗要求。B.讀數(shù)的原則 在進(jìn)行測讀時，一條原則是全部儀器的讀數(shù)必須同時進(jìn)行，至少也要基本上同時。 目前

15、如能使用多點自動記錄應(yīng)變儀進(jìn)行自動巡回檢測，則對于進(jìn)入彈塑性階段的試件跟蹤記錄尤為合適。 試 驗 設(shè) 計應(yīng)變速率對結(jié)構(gòu)的影響廣州南航大廈結(jié)構(gòu)模型抗震試驗(同濟大學(xué))試 驗 設(shè) 計4.試驗大綱及其它文件(1).試驗大綱內(nèi)容一般包括： A.試驗?zāi)康囊?；B.試件設(shè)計及制作要求 C.輔助試驗內(nèi)容；D.試件的安裝與就位 E.加載方法 F.量測方法 G.試驗過程的觀察；H.安全措施 I.試驗進(jìn)度計劃；J.附件(2).試驗原始其他文件： A.試件施工圖及制作要求說明書 B.試件制作過程及原始數(shù)據(jù)記錄 C.自制試驗設(shè)備加工圖紙及設(shè)計資料 D.加載裝置及儀表編號布置圖 E.儀表讀數(shù)記錄表 F.量測過程記錄，包

16、括照片及測繪圖 G.試件材料及原材料性能的測定 H.試驗數(shù)據(jù)的整理分析及試驗結(jié)果總結(jié)；I.試驗工作日志(3).試驗報告A.試驗?zāi)康?； B.試驗對象的簡介和考察；C.試驗方法及依據(jù)； D.試驗過程及問題；E.試驗成果處理與分析； F.技術(shù)結(jié)論； G.附錄結(jié)構(gòu)模型設(shè)計補充結(jié)構(gòu)模型設(shè)計本章重點：1理解建筑結(jié)構(gòu)模型種類以及適用性； 2理解模型設(shè)計相似條件的確定方法； 3了解靜力與動力模型試驗設(shè)計方法； 4. 理解工程結(jié)構(gòu)常用模型材料的適用性；1、工程結(jié)構(gòu)模型 結(jié)構(gòu)試驗按試驗對象可分為真型試驗和模型試驗；采用真型試驗勢必會導(dǎo)致試驗規(guī)模加大、加荷設(shè)備的容量和費用提高、試件的制作加工費用增加，因此絕大多數(shù)

17、結(jié)構(gòu)試驗的試驗對象采用結(jié)構(gòu)模型。 結(jié)構(gòu)模型分為：實際模型和數(shù)學(xué)模型；結(jié)構(gòu)實際模型分為：縮尺模型和相似模型。 模型試驗的特點： A、經(jīng)濟性好； B、針對性強； C、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；福州金山大橋（六橋）全橋模型試驗結(jié)構(gòu)模型設(shè)計2.模型設(shè)計的相似原理(1).相似常數(shù) 模型與真型的相似條件：兩者之間相對應(yīng)的物理量的比例保持常數(shù)，即相似常數(shù)； 幾何相似： 質(zhì)量相似： 邊界條件相似： 初始條件相似： 荷載相似： 物理相似： 時間相似： /pmpmLllllS/pmpmmmmmmSSSAAPPSLppmmpmp2SSEESEppmmpm/pmpmtttttS結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(2).相似原理 相似常數(shù)：模型某一物理量與

18、原型相應(yīng)物理量的比值； 相似指標(biāo)：按表達(dá)式解出的相似常數(shù)組成的式子 相似判據(jù)：將表達(dá)式中所有參數(shù)移至等式一邊，常數(shù)移至另一邊并用表示，此式子成為相似判據(jù)。 采用懸臂梁的例子來說明結(jié)構(gòu)相似原理中的三個重要概念 pppLPMmmmLPMpmpmpmLLPPMMLpMSSS1MLpSSS結(jié)構(gòu)模型設(shè)計 相似第一定理： 兩物理現(xiàn)象相似，則相似指標(biāo)必為1，相似判據(jù)相等且為常數(shù)； 相似第二定理：(相似判據(jù)存在定理） 如一物理現(xiàn)象可由N個物理量構(gòu)成的物理方程式來描述，其中K個物理量相互獨立，則該物理現(xiàn)象也可以用這K個物理量組成的N-K個無量綱群的關(guān)系來描述； 相似第三定理：相似指標(biāo)為1，相似判據(jù)相等且為常數(shù)，

19、且單值條件相同，則兩物理想象相似；結(jié)構(gòu)模型設(shè)計3.相似條件的確定方法確定相似條件的方法有兩類： 方程式分析法：物理現(xiàn)象已知，可以用數(shù)理方程式表示； 量綱分析法：物理現(xiàn)象未知，不能用數(shù)理方程式表示；(1).方程式分析法 求如圖所示簡支梁的相似條件結(jié)構(gòu)模型設(shè)計梁跨中截面上的正應(yīng)力：梁跨中截面處的撓度：原型與模型的相似判據(jù)：由模型試驗的結(jié)果可反推原型結(jié)構(gòu)的結(jié)果WPL3EIPLf24331WPL23EIfPLppppmmmmWLPWLP1pppppmmmmmfIELPfIELP3 .3212flEpflElpSSSSSSSSS12SSSSSSSlpwlpmpLmpSSS2mpLEfmpfSSSSff結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(2).量綱分析法 量綱系統(tǒng)分為兩類：質(zhì)量系統(tǒng)、絕對系統(tǒng)；其相應(yīng)的基本量綱分別為：長度、質(zhì)量、時間和長度、力、時間；量綱的基本性質(zhì)：A.兩個物理量相等，是指不僅數(shù)值相等，而且量綱也要相同。B.兩個同量綱參數(shù)的比是無量綱參數(shù)，其值不隨所取單位的大小而變。C.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。D.組合量綱可以和基本量綱組成無量綱組合，基本量綱之間不能組成無量綱組合。一個組合量綱與其他量綱至少能夠組成一個無量綱組合。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計結(jié)構(gòu)模型設(shè)計 舉例說明采用量綱分析法確定相似條件的