結構試驗-試驗荷載與加載裝置

土木工程試試驗羅維剛蘭州理工大大學土木工工程學院2010年03月01日E-mail:luowg@SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.第3章土木工程程試驗荷載載進行結構試試驗時，應應在試驗結結構上再現(xiàn)現(xiàn)要求的荷荷載，即試試驗荷載。。試驗荷載載絕大多數(shù)數(shù)是模擬荷荷載，而產產生這些模模擬荷載的的方法很多多，一般都都通過加載載設備和試試驗裝置產產生，可用用于結構試試驗的加載載設備有重重物氣壓、、機械機具具、液壓、、動力激振振以及與它它們相匹配配的各種試試驗裝置等等。把試驗荷載載分成了靜靜力荷載、、動力荷載載以及荷載載反力設備備3部分內容，，主要對荷荷載的原理理、方法、、特點等方方面進行介介紹。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.一、荷載試試驗是結構構試驗的基基本方法。。二、荷載的的選用原則則：1.試驗用的荷荷載形式、、大小、加加載方式等等都是根據(jù)據(jù)試驗的目目的要求，，以如何能能更好地模模擬原有荷荷載等因素素來選擇。。2.在決定試驗驗荷載時，，還應該根根據(jù)試驗室室的設備條條件和現(xiàn)場場所具備的的試驗條件件的具體情情況進行。。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.三、荷載的的分類：直接作用：：自重、活活、雪、灰灰、施工、、風等；間接作用：：溫度、收收縮、偏差差、沉降、、地震等；；分布；集中；短期；長期；靜；動；由模擬荷載載實現(xiàn)3.1概述四、產生荷荷載的方法法與加載設設備有很多多種類：靜力試驗1.重物直接加加載或通過過杠桿作用用間接加載載的重力加載方法；2.液壓加載器器和液壓試試驗機、電電液伺服加加載系統(tǒng)的的液壓加載；3.絞車、差動動滑輪組、、彈簧和螺螺旋千斤頂頂?shù)葯C械加載方法；4.利用壓縮空空氣或真空空作用的特殊方法等等。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.動力試驗1.慣性力或電磁系統(tǒng)激激振;

2.比較先進的的設備是由由自動控制制、液壓裝裝置與計算算機相結合合而組成的的電液伺服加加載系統(tǒng)和由此作為為振源的地震模擬振振動臺加載設備等等；3.人工爆炸和利用環(huán)境隨機激激振（脈動法））的方法。。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.五、選擇試試驗荷載和和加載方法法時，應滿滿足下列幾幾點要求：：⑴試驗荷載載的圖式所所產生的內內力值完全一致或極為接近；⑵荷載值準確；荷載傳力力方式和作作用點明確確，產生的的荷載數(shù)值值要穩(wěn)定；⑶荷載分級符合要求，，同時必須須滿足試驗驗量測的精度要求；⑷加載裝置置要有足夠夠的安全性性和可靠性性，強度！滿足剛度要求；⑸加載設備備的操作要要方便，便便于加載和和卸載，能能控制加載載速度；⑹采用現(xiàn)代代化先進技技術。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.六、試驗荷載和和加載方法法1．荷載圖式式的選擇與與設計荷載在試驗驗結構構件件上的布置置形式（荷載的類型型、分布方式等）稱為荷荷載圖式。。2．試驗荷載載制度試驗荷載制制度指的是是試驗進行行期間荷載載與時間的的關系。⑴荷載程序序。一般結結構靜力試試驗的加載載分為預載載、標準荷荷載（正常常使用荷載載）、破壞壞荷載三個個階段。加加載分級；；卸荷分級級和一次性性卸荷兩種種。⑵荷載大小小。在試驗驗的不同階階段有不同同的試驗荷荷載值。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.七、荷載系統(tǒng)荷載控制裝置荷載系統(tǒng)配重荷載架、反反力墻分配梁、支支座承臺產生荷載的的設備3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.重力荷載就就是利用物物體本身的的重量將物物體施加于于試驗結構構上作為荷荷載的加載載方式。重物可以直直接加在試試驗結構或或構件上，，也可以通通過杠桿間間接加在結結構或構件件上。（1）重力直接接加載方法法圖3.1.1重物堆放作均布荷載試驗圖圖3.1.2重物堆放作集中荷載試驗l－重物；2－試驗板；3－支座；3－支墩1－試件；2－重物；3－支座；

3－支墩；5－吊籃3.2靜力荷載3.2.1一般重物荷荷載SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（1）試驗荷載載可就地取取材，可重重復使用，，針對試驗驗結構或試試件的變形形而言，可可保持恒載載，可分級級加載，容容易控制；；（2）但加載過過程中需要要花費較大大的勞動力力，占據(jù)較較大的空間間，安全性性差，試驗驗組織難度度大；（3）散裝或塊塊體材料要要注意起拱；（4）注意材料料的吸濕性性。3.2靜力荷載（2）杠桿加載載方法優(yōu)點：杠桿原理理，將荷載載放大作用于結構構上。荷載可以保保持恒定，，對于持久久荷載試驗驗尤為適合合，尤其是集集中力。分類：承壓壓式圖3.3利用杠桿加加載圖示拉桿式3.2靜力荷載SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（a）（b）圖3.1.5現(xiàn)場試驗杠桿加載的支承方法（a）墻洞支承；（b）樁支承3.2靜力荷載SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（1）卷揚機、、絞車加載載----可改變作用用力的方向向和拉力大大小圖3.4利用卷揚機機加載圖示示（2）螺旋千斤斤頂加載---加載值的大大小可用測測力計測定定。3.2靜力荷載3.2.2機械力荷載載SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（3）螺旋、彈彈簧加載----彈簧加載法法常用于構構件的持久久荷載試驗驗。1.設備簡單，，容易實現(xiàn)現(xiàn)；2.通過索具加加載時，很很容易改變變荷載作用用方向；3.應工作在線線形范圍內內；4.缺點是荷載載值不大，，荷載作用用點產生變變形時，會會引起荷載載值的改變變。3.2靜力荷載SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.一、液壓加加載器（液液壓千斤頂頂）油箱（泵））、閥門、、液壓加載載裝置、測測力計；圖3.5單、雙向加加載器圖示示特點：荷載載大，操作作簡單，可可實現(xiàn)低周周反復荷載載。需反力力設備，多多點同步加加載卸載比比較困難。。單向、雙雙向作用的的液壓加載載器.3.2靜力荷載3.2.3液壓荷載SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.液壓加載系系統(tǒng)主要是是由儲油箱箱、高壓油油泵、液壓壓加載器、、測力裝置置和各類閥閥門通過高高壓油管連連接組成的的操縱臺。。二、液壓加加載系統(tǒng)圖3.5液壓加載系系統(tǒng)圖示特點：對大大噸位、大大撓度、大大跨度的結結構更為適適用，它不不受加荷點點數(shù)的多少少、加荷點點的距離和和高度的限限制，并能能適應均布布和非均布布、對稱和和非對稱加加荷的需要要。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2靜力荷載三、大型結結構試驗機機大噸位、高高行程30000kN（壓）10000kN（拉）SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2靜力荷載四、電液伺伺服液壓系系統(tǒng)圖3.6電液伺服加加載系統(tǒng)圖圖示電液伺服加加載系統(tǒng)采采用閉環(huán)控控制電液伺服加加載器控制系統(tǒng)液壓源SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2靜力荷載圖3.7液壓加載器構造示意圖1－鉸支基座;2－位移傳感器;3－電液伺服閥;4－活塞桿;5－荷載傳感器;6－螺旋墊圈;7－鉸支接頭1234567電液伺服作作動器(加載器)SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2靜力荷載液壓源（油油源）控制系統(tǒng)SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2靜力荷載五、地震模模擬振動臺臺（shakingtable）1－試驗結構構模型；2－控制室；；3－振動臺臺臺面；4－電液伺服服助動器；；5－振動臺基基礎；6－液壓動力力系統(tǒng)123365振動臺臺面面與基礎液壓驅動和和動力系統(tǒng)統(tǒng)控制系統(tǒng)測試和分析析系統(tǒng)SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2靜力荷載最大日本:（15米?20米）三向六自由由度3.2靜力荷載3.2靜力荷載3.2.4車輛靜態(tài)荷荷載SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.圖3.7車道荷載3.2靜力荷載SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.圖3.8中-活載圖式3.2靜力荷載3.2.5氣壓荷載SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.利用氣體壓壓力對結構構加載有兩兩種方式：：一種是利利用壓縮空空氣加載；；另一種是是利用抽真真空產生負負壓對結構構構件施加加荷載。由于氣壓加加載所產生生的是均布布荷載，對對于平板或或殼體試驗驗尤為適合合。在磁場中通通電的導體體要受到與與磁場方向向相垂直的的作用力，，電磁加載載就是根據(jù)據(jù)這個原理理，在強磁磁場(永久磁鐵或或直流勵磁磁線圈)中放入動圈圈，通入交交變電流，，則可使固固定于動圈圈上的頂桿桿等部件作作反復運動動，對試驗驗對象施加加荷載。目目前常見的的電磁加載載設備有電電磁式激振振器和電磁磁振動臺。。一、電磁激激振器（略略）。二、電磁式振動動臺（略）。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3動力荷載3.3.1電磁荷載1．初位移加加載法（張拉突卸卸法）使結構變形形而產生一一個人為的的初始強迫迫位移，然然后突然釋釋放，使結結構在靜力力平衡位置置附近作自自由振動。沖擊力加加載的特特點是荷荷載作用用時間極極為短促促，在它它的作用用下使被被加載結結構產生生自由振振動，適適用于進進行結構構動力特特性的試試驗。張拉突卸卸法圖示示（1）SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3動力荷載載3.3.2沖擊加載載張拉突卸卸法圖示示（2）張拉突卸卸法特點點：結構自振振時荷載載已經不不再依附附適用于于剛度不不大的結結構，用用較小的的力使結結構產生生振動。。注意：加加載時在在一個平平面內，，避免在在另一個個面內產產生振動動。2．初速度度加載法法（突加荷荷載法））利用擺錘錘或落重重的方法法使結構構在瞬時內沖擊擊，產生生一個初初速度。突加荷載載法圖示示3．反沖激激振法也稱火箭箭激振。。特點：不不依附于于結構，，力比較較小。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3動力荷載載離心力加加載圖示示直線位移移慣性力力加載圖圖示SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3動力荷載載3.3.3離心力加加載3.3.4直線位移移慣性力力加載人們可以以利用自自身在結結構物上上有規(guī)律律的活動動，產生生足夠大大的人力力慣性力力，就有有可能形形成適合合作共振振試驗的的振幅。。這對于于自振頻頻率比較較低的大大型結構構來說，，完全有有可能被被激振到到足可進進行量測測的程度度。舉例：一一個體重重約70kg的人使其其質量中中心作頻頻率為1Hz、雙振幅幅為15cm的前后運運動時，，將產生生大約0.2kN的慣性力力。由于于在1％臨界阻阻尼的情情況下共共振時的的動力放放大系數(shù)數(shù)高達50，這意味味著作用用于建筑筑物上的的有效激激振力大大約為10kN。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3動力荷載載3.3.5人力激振振加載建筑結構構由于受受外界的的干擾而而經常處處于不規(guī)規(guī)則的振振動中，，其振幅幅在10μm以下，稱稱之為脈脈動。建筑物的的隨機荷荷載與地地面脈動動、風或或氣壓變變化有關關，特別別是受城城市車輛輛、機器器設備等等產生的的擾動和和附近地地殼內部部小的裂裂縫以及及遠處地地震傳來來的影響響尤為重重要，其其脈動周周期一般般為0.1--2.0s，并且任任何時候候都存在在著環(huán)境境隨即振振動，從從而引起起建筑物物的響應應。這種種能夠引引起建筑筑物脈動動的作用用或外界界的干擾擾叫做隨隨機荷載載。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3動力荷載載3.3.6隨機荷載載3.3.7爆炸荷載載車輛以較較高速度度行駛過過橋梁時時，由于于橋面或或軌面的的不平整整、車輪輪不圓，，以及發(fā)發(fā)動機的的抖動或或機車的的偏心作作用等原原因，會會引起橋橋梁結構構的振動動，這種種動力效效應通常常稱為沖沖擊作用用。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3動力荷載載3.3.7車輛動態(tài)態(tài)荷載（1）跳車荷荷載；（2）剎車荷荷載；（3）跑車荷荷載。結構試驗驗中的支支座是支支承結構構，正確確傳力和和模擬實實際荷載載圖式的的設備，，通常由由支墩和和鉸支座座組成。。1.支墩多用磚塊塊臨時砌砌成，支支墩上部部應有足足夠大的的、平整整的支承承面，最最好在砌砌筑時要要鋪設鋼鋼板。支支墩本身身的強度度必須要要進行驗驗算，支支承底面面積要按按地基耐耐力來復復核，保保證試驗驗時不致致發(fā)生沉沉陷或過過度變形形。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷載反力力設備3.4.1支墩與支支座滾動鉸支支座固定鉸支支座滾動鉸支支座固定鉸支座SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷載反力力設備3.4.1支墩與支支座支座的基基本要求求：1.必須保證證結構在在支座處處能自由由轉動和和結構能能正確地地傳遞力力；2.鉸支座處處的上下下墊板要要有一定定剛度；；3.滾軸強度度的要求求；4.滾軸的長長度；滾滾軸的長長度一般般取試件支承承處截面面寬度。。圖3.6.13受扭試驗轉動支座構造SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷載反力力設備（a）（（b）柱與壓桿桿試驗的的鉸支座座（a）單向鉸鉸支座；；（b）雙向鉸鉸支座固定鉸支支座SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷載反力力設備分配梁是是將一個個集中力力分解成成若干個個小的集集中力的的裝置。。分配梁梁不用多多跨連續(xù)續(xù)梁形式式，均為為單跨簡簡支形式式。一般般不宜大大于3層。分配梁設設置示意意圖SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷載反力力設備3.4.2分配梁1.豎向荷載載架2.水平荷載載架3.反力墻豎向、水水平荷載載架、反反力墻圖3.6.8組合式垂直荷載架SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷載反力力設備3.4.3荷載架L形反力墻墻主墻：高高12.5m寬18m厚2.5m基底總剪剪力4000kN總承彎矩矩37000kN.m副墻：高高6.5m寬8.6m厚1.5m基底總剪剪力2500kN總承彎矩矩12000kN.m