工程結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)課件

第7章結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)

主講:第7章結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)主講:第7章：結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)7.1概述7.2模型試驗(yàn)理論基礎(chǔ)7.3模型設(shè)計(jì)7.4試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧吓c選用第7章：結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)7.1概述7.1概述模型試驗(yàn)的特點(diǎn)（1）經(jīng)濟(jì)性好。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(shí)間，并且同一個(gè)模型可進(jìn)行多個(gè)不同目的的試驗(yàn)。（2）針對(duì)性強(qiáng)。結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)可以根據(jù)試驗(yàn)的目的，突出主要因素，簡(jiǎn)略次要因素。對(duì)于結(jié)構(gòu)性能的研究，新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)理論的驗(yàn)證和推動(dòng)新的計(jì)算理論的發(fā)展都具有一定的意義。（3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ托?，一般可在試?yàn)環(huán)境條件較好的室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。7.1概述模型試驗(yàn)的特點(diǎn)7.2模型試驗(yàn)理論基礎(chǔ)模型試驗(yàn)理論是以相似原理和量綱分析為基礎(chǔ)，確定模型設(shè)計(jì)中必須遵循的相似準(zhǔn)則。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)7.2.2相似原理與量剛分析

7.2模型試驗(yàn)理論基礎(chǔ)模型試驗(yàn)理論7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)1.幾何相似

要求模型和原型結(jié)構(gòu)之間所有對(duì)應(yīng)部分尺寸成比例，模型比例即為幾何相似常數(shù)。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)1.幾何相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)2.質(zhì)量相似

要求結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布相似，即模型與原型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)部分的質(zhì)量成比例。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)2.質(zhì)量相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)3.荷載相似

要求模型和原型在各對(duì)應(yīng)點(diǎn)所受的荷載方向一致，荷載大小成比例。

7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)3.荷載相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)4.剛度相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)4.剛度相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)5.時(shí)間相似

對(duì)于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問題，在隨時(shí)間的變化過程中，要求模型和原型在對(duì)應(yīng)的時(shí)刻進(jìn)行比較，相對(duì)應(yīng)的時(shí)間成比例。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)5.時(shí)間相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)6.邊界條件相似要求模型與原型在與外界接觸的區(qū)域內(nèi)的各種條件保持相似。即要求支承條件相似、約束情況相似及邊界上受力情況相似。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)6.邊界條件相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)7.初始條件相似

對(duì)于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問題，為了保證模型與原型的動(dòng)力反應(yīng)相似，還要求初始時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的參數(shù)相似。運(yùn)動(dòng)的初始條件包括初始狀態(tài)下的初始幾何位置、質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)7.初始條件相似7.2.2相似原理與量綱分析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(gè)相似定理組成。

1.相似定理2.量剛分析

7.2.2相似原理與量綱分析相似原理

相似定理（1）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。（2）第二相似定理：某一現(xiàn)象各物理量之間的關(guān)系方程式，都可表示為相似準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。（3）第三相似定理：現(xiàn)象的單值條件相似，并且由單值條件導(dǎo)出的相似準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值相等，是現(xiàn)象彼此相似的充分和必要條件。相似定理（1）第一相似定理：彼此相似的現(xiàn)象，單值條件相同，2.量綱分析

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。量綱是區(qū)別量的種類而不區(qū)別量的不同度量單位。每一種物理量都應(yīng)有一種量綱:測(cè)量距離用米、厘米、英尺等不同的單位，但它們都屬于長(zhǎng)度這一種類，因此把長(zhǎng)度稱為一種量綱，以[L]表示。時(shí)間種類用時(shí)、分、秒、微秒等單位表示，它是有別于其它種類的另一種量綱，以[T]表示。力的量綱以[F]表示。無量綱，用[1]表示。2.量綱分析量綱分析法是根據(jù)描述物理過程的物理量的量綱2.量綱分析

2.量綱分析2.量綱分析量綱間的相互關(guān)系：

1）兩個(gè)物理量相等，不僅要求其數(shù)值相同，而且量綱也要相同。

2）兩個(gè)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）在一個(gè)完整的物理方程式中，各項(xiàng)的量綱必須相同，這樣方程才能用加、減并用等號(hào)聯(lián)系起來。這一性質(zhì)稱為量綱和諧。

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）若在一個(gè)物理方程中共有n個(gè)物理參數(shù)和k個(gè)基本量綱，則可組成（n-k）個(gè)獨(dú)立的無量綱組合。2.量綱分析量綱間的相互關(guān)系：7.3模型設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)一般按照下列程序進(jìn)行：（1）根據(jù)任務(wù)明確試驗(yàn)的具體目的，選擇模型類型。（2）在對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行理論分析和初步估算的基礎(chǔ)上用方程分析法或量綱分析法確定相似條件。（3）確定模型的幾何尺寸，即定出長(zhǎng)度相似常數(shù)。（4）根據(jù)由相似準(zhǔn)數(shù)導(dǎo)出的相似條件，定出其它相似常數(shù)。（5）繪制模型施工圖。7.3模型設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)一般按照下列程序進(jìn)行：7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.2模型試件的形狀7.3.2模型試件的形狀7.3.3模型試件尺寸確定幾種模型結(jié)構(gòu)常用的縮尺比例7.3.3模型試件尺寸確定幾種模型結(jié)構(gòu)常用的縮尺比例7.3.4模型試件數(shù)目確定主要因子與試件數(shù)的關(guān)系

7.3.4模型試件數(shù)目確定主要因子與試件數(shù)的關(guān)系7.4模型材料與模型試驗(yàn)應(yīng)注意的問題

7.4.1模型試驗(yàn)對(duì)模型材料的基本要求

7.4.2常用的幾種模型材料簡(jiǎn)介

7.4.3模型試驗(yàn)應(yīng)注意的問題7.4模型材料與模型試驗(yàn)應(yīng)注意的問題7.4.1模型試驗(yàn)對(duì)模型材料的基本要求（1）保證相似要求（2）保證量測(cè)要求（3）保證材料性能穩(wěn)定，不受溫度、濕度變化的影響。（4）保證加工制作方便。7.4.1模型試驗(yàn)對(duì)模型材料的基本要求（1）保證相似要求7.4.2常用的幾種模型材料簡(jiǎn)介模型試驗(yàn)中常用金屬、塑料、石膏、水泥砂漿以及細(xì)石混凝土作為模型材料。7.4.2常用的幾種模型材料簡(jiǎn)介模型試驗(yàn)中常用金屬、塑料7.4.2常用的幾種模型材料簡(jiǎn)介金屬：最合適的材料塑料：優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高而彈性模量低，加工容易。缺點(diǎn)是徐變較大，彈性模量受溫度變化的影響也大，導(dǎo)熱性差。

石膏：優(yōu)點(diǎn)是加工容易，成本較低，泊松比與混凝土十分接近；其缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低，要獲得均勻和準(zhǔn)確的彈性特性比較困難。

7.4.2常用的幾種模型材料簡(jiǎn)介金屬：最合適的材料7.4.2常用的幾種模型材料簡(jiǎn)介水泥砂漿：水泥砂漿比較接近混凝土，但基本性能與含有大骨料的混凝土存在差別。

細(xì)石混凝土：用模型試驗(yàn)來研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性工作或極限承載力的理想的材料。7.4.2常用的幾種模型材料簡(jiǎn)介水泥砂漿：水泥砂漿比較接7.4.3模型試驗(yàn)應(yīng)注意的問題（1）模型尺寸（2）模型材料性能的測(cè)定（3）試驗(yàn)環(huán)境（4）荷載選擇（5）變形量測(cè)7.4.3模型試驗(yàn)應(yīng)注意的問題（1）模型尺寸第7章結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)

主講:第7章結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)主講:第7章：結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)7.1概述7.2模型試驗(yàn)理論基礎(chǔ)7.3模型設(shè)計(jì)7.4試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧吓c選用第7章：結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)7.1概述7.1概述模型試驗(yàn)的特點(diǎn)（1）經(jīng)濟(jì)性好。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(shí)間，并且同一個(gè)模型可進(jìn)行多個(gè)不同目的的試驗(yàn)。（2）針對(duì)性強(qiáng)。結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)可以根據(jù)試驗(yàn)的目的，突出主要因素，簡(jiǎn)略次要因素。對(duì)于結(jié)構(gòu)性能的研究，新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)理論的驗(yàn)證和推動(dòng)新的計(jì)算理論的發(fā)展都具有一定的意義。（3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ托?，一般可在試?yàn)環(huán)境條件較好的室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。7.1概述模型試驗(yàn)的特點(diǎn)7.2模型試驗(yàn)理論基礎(chǔ)模型試驗(yàn)理論是以相似原理和量綱分析為基礎(chǔ)，確定模型設(shè)計(jì)中必須遵循的相似準(zhǔn)則。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)7.2.2相似原理與量剛分析

7.2模型試驗(yàn)理論基礎(chǔ)模型試驗(yàn)理論7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)1.幾何相似

要求模型和原型結(jié)構(gòu)之間所有對(duì)應(yīng)部分尺寸成比例，模型比例即為幾何相似常數(shù)。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)1.幾何相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)2.質(zhì)量相似

要求結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布相似，即模型與原型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)部分的質(zhì)量成比例。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)2.質(zhì)量相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)3.荷載相似

要求模型和原型在各對(duì)應(yīng)點(diǎn)所受的荷載方向一致，荷載大小成比例。

7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)3.荷載相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)4.剛度相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)4.剛度相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)5.時(shí)間相似

對(duì)于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問題，在隨時(shí)間的變化過程中，要求模型和原型在對(duì)應(yīng)的時(shí)刻進(jìn)行比較，相對(duì)應(yīng)的時(shí)間成比例。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)5.時(shí)間相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)6.邊界條件相似要求模型與原型在與外界接觸的區(qū)域內(nèi)的各種條件保持相似。即要求支承條件相似、約束情況相似及邊界上受力情況相似。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)6.邊界條件相似7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)7.初始條件相似

對(duì)于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問題，為了保證模型與原型的動(dòng)力反應(yīng)相似，還要求初始時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的參數(shù)相似。運(yùn)動(dòng)的初始條件包括初始狀態(tài)下的初始幾何位置、質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度。7.2.1模型的相似要求和相似常數(shù)7.初始條件相似7.2.2相似原理與量綱分析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(gè)相似定理組成。

1.相似定理2.量剛分析

7.2.2相似原理與量綱分析相似原理

相似定理（1）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。（2）第二相似定理：某一現(xiàn)象各物理量之間的關(guān)系方程式，都可表示為相似準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。（3）第三相似定理：現(xiàn)象的單值條件相似，并且由單值條件導(dǎo)出的相似準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值相等，是現(xiàn)象彼此相似的充分和必要條件。相似定理（1）第一相似定理：彼此相似的現(xiàn)象，單值條件相同，2.量綱分析

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。量綱是區(qū)別量的種類而不區(qū)別量的不同度量單位。每一種物理量都應(yīng)有一種量綱:測(cè)量距離用米、厘米、英尺等不同的單位，但它們都屬于長(zhǎng)度這一種類，因此把長(zhǎng)度稱為一種量綱，以[L]表示。時(shí)間種類用時(shí)、分、秒、微秒等單位表示，它是有別于其它種類的另一種量綱，以[T]表示。力的量綱以[F]表示。無量綱，用[1]表示。2.量綱分析量綱分析法是根據(jù)描述物理過程的物理量的量綱2.量綱分析

2.量綱分析2.量綱分析量綱間的相互關(guān)系：

1）兩個(gè)物理量相等，不僅要求其數(shù)值相同，而且量綱也要相同。

2）兩個(gè)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）在一個(gè)完整的物理方程式中，各項(xiàng)的量綱必須相同，這樣方程才能用加、減并用等號(hào)聯(lián)系起來。這一性質(zhì)稱為量綱和諧。

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）若在一個(gè)物理方程中共有n個(gè)物理參數(shù)和k個(gè)基本量綱，則可組成（n-k）個(gè)獨(dú)立的無量綱組合。2.量綱分析量綱間的相互關(guān)系：7.3模型設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)一般按照下列程序進(jìn)行：（1）根據(jù)任務(wù)明確試驗(yàn)的具體目的，選擇模型類型。（2）在對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行理論分析和初步估算的基礎(chǔ)上用方程分析法或量綱分析法確定相似條件。（3）確定模型的幾何尺寸，即定出長(zhǎng)度相似常數(shù)。（4）根據(jù)由相似準(zhǔn)數(shù)導(dǎo)出的相似條件，定出其它相似常數(shù)。（5）繪制模型施工圖。7.3模型設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)一般按照下列程序進(jìn)行：7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.1模型設(shè)計(jì)的相似條件7.3.2模型試件的形狀7.3.2模型試件的形狀7.3.3模型試件尺寸確定幾種模型結(jié)構(gòu)常用的縮尺比例7.3.3模型試件尺寸確定幾種模型結(jié)構(gòu)常用的縮尺比例7.3.4模型試件數(shù)目確定主要因子與試件數(shù)的關(guān)系

7.3.4模型試件數(shù)目確定主要因子與試件數(shù)的關(guān)系7.4模型材料與模型試驗(yàn)應(yīng)注意的問題

7.4.1模型試驗(yàn)對(duì)模型材料的基本要求

7.4.