第3章試驗(yàn)荷載與加載裝置

第3章土木工程試驗(yàn)荷載

進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時，應(yīng)在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上再現(xiàn)要求的荷載，即試驗(yàn)荷載。試驗(yàn)荷載絕大多數(shù)是模擬荷載，而產(chǎn)生這些模擬荷載的方法很多，一般都通過加載設(shè)備和試驗(yàn)裝置產(chǎn)生，可用于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的加載設(shè)備有重物氣壓、機(jī)械機(jī)具、液壓、動力激振以及與它們相匹配的各種試驗(yàn)裝置等。把試驗(yàn)荷載分成了靜力荷載、動力荷載以及荷載反力設(shè)備3部分內(nèi)容，主要對荷載的原理、方法、特點(diǎn)等方面進(jìn)行介紹。

一、荷載試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的基本方法。

二、荷載的選用原則：1.試驗(yàn)用的荷載形式、大小、加載方式等都是根據(jù)試驗(yàn)的目的要求，以如何能更好地模擬原有荷載等因素來選擇。2.在決定試驗(yàn)荷載時，還應(yīng)該根據(jù)試驗(yàn)室的設(shè)備條件和現(xiàn)場所具備的試驗(yàn)條件的具體情況進(jìn)行。3.1概述三、荷載的分類：直接作用：自重、活、雪、灰、施工、風(fēng)等；間接作用：溫度、收縮、偏差、沉降、地震等；分布；集中；短期；長期；靜；動；由模擬荷載實(shí)現(xiàn)3.1概述四、產(chǎn)生荷載的方法與加載設(shè)備有很多種類：

靜力試驗(yàn)1.重物直接加載或通過杠桿作用間接加載的重力加載方法；2.液壓加載器和液壓試驗(yàn)機(jī)、電液伺服加載系統(tǒng)的液壓加載；3.絞車、差動滑輪組、彈簧和螺旋千斤頂?shù)葯C(jī)械加載方法；4.利用壓縮空氣或真空作用的特殊方法等等。3.1概述動力試驗(yàn)

1.慣性力或電磁系統(tǒng)激振;

2.比較先進(jìn)的設(shè)備是由自動控制、液壓裝置與計算機(jī)相結(jié)合而組成的電液伺服加載系統(tǒng)和由此作為振源的地震模擬振動臺加載設(shè)備等；

3.人工爆炸和利用環(huán)境隨機(jī)激振（脈動法）的方法。3.1概述五、選擇試驗(yàn)荷載和加載方法時，應(yīng)滿足下列幾點(diǎn)要求：⑴試驗(yàn)荷載的圖式所產(chǎn)生的內(nèi)力值完全一致或極為接近；⑵荷載值準(zhǔn)確；荷載傳力方式和作用點(diǎn)明確，產(chǎn)生的荷載數(shù)值要穩(wěn)定；⑶荷載分級符合要求，同時必須滿足試驗(yàn)量測的精度要求；⑷加載裝置要有足夠的安全性和可靠性，強(qiáng)度！滿足剛度要求；⑸加載設(shè)備的操作要方便，便于加載和卸載，能控制加載速度；⑹采用現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)。3.1概述六、試驗(yàn)荷載和加載方法1．荷載圖式的選擇與設(shè)計荷載在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的布置形式（荷載的類型、分布方式等）稱為荷載圖式。2．試驗(yàn)荷載制度試驗(yàn)荷載制度指的是試驗(yàn)進(jìn)行期間荷載與時間的關(guān)系。⑴荷載程序。一般結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)的加載分為預(yù)載、標(biāo)準(zhǔn)荷載（正常使用荷載）、破壞荷載三個階段。加載分級；卸荷分級和一次性卸荷兩種。⑵荷載大小。在試驗(yàn)的不同階段有不同的試驗(yàn)荷載值。

3.1概述七、荷載系統(tǒng)荷載控制裝置荷載系統(tǒng)配重荷載架、反力墻分配梁、支座承臺產(chǎn)生荷載的設(shè)備3.1概述

重力荷載就是利用物體本身的重量將物體施加于試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上作為荷載的加載方式。重物可以直接加在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上，也可以通過杠桿間接加在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上。（1）重力直接加載方法圖3.1.1重物堆放作均布荷載試驗(yàn)圖圖3.1.2重物堆放作集中荷載試驗(yàn)l－重物；2－試驗(yàn)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3.2.1一般重物荷載

（1）試驗(yàn)荷載可就地取材，可重復(fù)使用，針對試驗(yàn)結(jié)構(gòu)或試件的變形而言，可保持恒載，可分級加載，容易控制；（2）但加載過程中需要花費(fèi)較大的勞動力，占據(jù)較大的空間，安全性差，試驗(yàn)組織難度大；（3）散裝或塊體材料要注意起拱；（4）注意材料的吸濕性。3.2靜力荷載（2）杠桿加載方法優(yōu)點(diǎn)：杠桿原理，將荷載放大作用于結(jié)構(gòu)上。荷載可以保持恒定，對于持久荷載試驗(yàn)尤為適合，尤其是集中力。分類：承壓式圖3.3利用杠桿加載圖示拉桿式3.2靜力荷載（a）（b）圖3.1.5現(xiàn)場試驗(yàn)杠桿加載的支承方法（a）墻洞支承；（b）樁支承3.2靜力荷載（1）卷揚(yáng)機(jī)、絞車加載----可改變作用力的方向和拉力大小

圖3.4利用卷揚(yáng)機(jī)加載圖示（2）螺旋千斤頂加載---加載值的大小可用測力計測定。3.2靜力荷載3.2.2機(jī)械力荷載

（3）螺旋、彈簧加載

----彈簧加載法常用于構(gòu)件的持久荷載試驗(yàn)。1.設(shè)備簡單，容易實(shí)現(xiàn)；2.通過索具加載時，很容易改變荷載作用方向；3.應(yīng)工作在線形范圍內(nèi)；4.缺點(diǎn)是荷載值不大，荷載作用點(diǎn)產(chǎn)生變形時，會引起荷載值的改變。3.2靜力荷載一、液壓加載器（液壓千斤頂）油箱（泵）、閥門、液壓加載裝置、測力計；圖3.5單、雙向加載器圖示特點(diǎn)：荷載大，操作簡單，可實(shí)現(xiàn)低周反復(fù)荷載。需反力設(shè)備，多點(diǎn)同步加載卸載比較困難。單向、雙向作用的液壓加載器.3.2靜力荷載3.2.3液壓荷載

液壓加載系統(tǒng)主要是由儲油箱、高壓油泵、液壓加載器、測力裝置和各類閥門通過高壓油管連接組成的操縱臺。二、液壓加載系統(tǒng)圖3.5液壓加載系統(tǒng)圖示特點(diǎn)：對大噸位、大撓度、大跨度的結(jié)構(gòu)更為適用，它不受加荷點(diǎn)數(shù)的多少、加荷點(diǎn)的距離和高度的限制，并能適應(yīng)均布和非均布、對稱和非對稱加荷的需要。3.2靜力荷載三、大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)大噸位、高行程30000kN（壓）10000kN（拉）3.2靜力荷載四、電液伺服液壓系統(tǒng)圖3.6電液伺服加載系統(tǒng)圖示電液伺服加載系統(tǒng)采用閉環(huán)控制電液伺服加載器控制系統(tǒng)液壓源3.2靜力荷載圖3.7液壓加載器構(gòu)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電液伺服作動器(加載器)3.2靜力荷載液壓源（油源）控制系統(tǒng)3.2靜力荷載五、地震模擬振動臺（shakingtable）1－試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型；2－控制室；3－振動臺臺面；4－電液伺服助動器；5－振動臺基礎(chǔ)；6－液壓動力系統(tǒng)123365振動臺臺面與基礎(chǔ)液壓驅(qū)動和動力系統(tǒng)控制系統(tǒng)測試和分析系統(tǒng)3.2靜力荷載3.2靜力荷載3.2.4車輛靜態(tài)荷載

圖3.7車道荷載3.2靜力荷載圖3.8中-活載圖式3.2靜力荷載3.2.5氣壓荷載

利用氣體壓力對結(jié)構(gòu)加載有兩種方式：一種是利用壓縮空氣加載；另一種是利用抽真空產(chǎn)生負(fù)壓對結(jié)構(gòu)構(gòu)件施加荷載。由于氣壓加載所產(chǎn)生的是均布荷載，對于平板或殼體試驗(yàn)尤為適合。

在磁場中通電的導(dǎo)體要受到與磁場方向相垂直的作用力，電磁加載就是根據(jù)這個原理，在強(qiáng)磁場(永久磁鐵或直流勵磁線圈)中放入動圈，通入交變電流，則可使固定于動圈上的頂桿等部件作反復(fù)運(yùn)動，對試驗(yàn)對象施加荷載。目前常見的電磁加載設(shè)備有電磁式激振器和電磁振動臺。

一、電磁激振器（略）。二、電磁式振動臺（略）。

3.3動力荷載3.3.1電磁荷載

1．初位移加載法（張拉突卸法）使結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生一個人為的初始強(qiáng)迫位移，然后突然釋放，使結(jié)構(gòu)在靜力平衡位置附近作自由振動。

沖擊力加載的特點(diǎn)是荷載作用時間極為短促，在它的作用下使被加載結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動，適用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性的試驗(yàn)。張拉突卸法圖示（1）3.3動力荷載3.3.2沖擊加載

張拉突卸法圖示（2）張拉突卸法特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)自振時荷載已經(jīng)不再依附適用于剛度不大的結(jié)構(gòu)，用較小的力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。注意：加載時在一個平面內(nèi)，避免在另一個面內(nèi)產(chǎn)生振動。2．初速度加載法（突加荷載法）

利用擺錘或落重的方法使結(jié)構(gòu)在瞬時內(nèi)沖擊，產(chǎn)生一個初速度。

突加荷載法圖示3．反沖激振法也稱火箭激振。

特點(diǎn)：不依附于結(jié)構(gòu)，力比較小。3.3動力荷載離心力加載圖示直線位移慣性力加載圖示3.3動力荷載3.3.3離心力加載

3.3.4直線位移慣性力加載

人們可以利用自身在結(jié)構(gòu)物上有規(guī)律的活動，產(chǎn)生足夠大的人力慣性力，就有可能形成適合作共振試驗(yàn)的振幅。這對于自振頻率比較低的大型結(jié)構(gòu)來說，完全有可能被激振到足可進(jìn)行量測的程度。

舉例：一個體重約70kg的人使其質(zhì)量中心作頻率為1Hz、雙振幅為15cm的前后運(yùn)動時，將產(chǎn)生大約0.2kN的慣性力。由于在1％臨界阻尼的情況下共振時的動力放大系數(shù)高達(dá)50，這意味著作用于建筑物上的有效激振力大約為10kN。

3.3動力荷載3.3.5人力激振加載

建筑結(jié)構(gòu)由于受外界的干擾而經(jīng)常處于不規(guī)則的振動中，其振幅在10μm以下，稱之為脈動。

建筑物的隨機(jī)荷載與地面脈動、風(fēng)或氣壓變化有關(guān)，特別是受城市車輛、機(jī)器設(shè)備等產(chǎn)生的擾動和附近地殼內(nèi)部小的裂縫以及遠(yuǎn)處地震傳來的影響尤為重要，其脈動周期一般為0.1--2.0s，并且任何時候都存在著環(huán)境隨即振動，從而引起建筑物的響應(yīng)。這種能夠引起建筑物脈動的作用或外界的干擾叫做隨機(jī)荷載。

3.3動力荷載3.3.6隨機(jī)荷載3.3.7爆炸荷載

車輛以較高速度行駛過橋梁時，由于橋面或軌面的不平整、車輪不圓，以及發(fā)動機(jī)的抖動或機(jī)車的偏心作用等原因，會引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動，這種動力效應(yīng)通常稱為沖擊作用。

3.3動力荷載3.3.7車輛動態(tài)荷載（1）跳車荷載；（2）剎車荷載；（3）跑車荷載。

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的支座是支承結(jié)構(gòu)，正確傳力和模擬實(shí)際荷載圖式的設(shè)備，通常由支墩和鉸支座組成。

1.支墩多用磚塊臨時砌成，支墩上部應(yīng)有足夠大的、平整的支承面，最好在砌筑時要鋪設(shè)鋼板。支墩本身的強(qiáng)度必須要進(jìn)行驗(yàn)算，支承底面積要按地基耐力來復(fù)核，保證試驗(yàn)時不致發(fā)生沉陷或過度變形。3.4荷載反力設(shè)備3.4.1支墩與支座滾動鉸支座固定鉸支座滾動鉸支座固定鉸支座3.4荷載反力設(shè)備3.4.1支墩與支座

支座的基本要求：

1.必須保證結(jié)構(gòu)在支座處能自由轉(zhuǎn)動和結(jié)構(gòu)能正確地傳遞力；

2.鉸支座處的上下墊板要有一定剛度；

3.滾軸強(qiáng)度的要求；

4.滾軸的長度；滾軸的長度一般取試件支承處截面寬度。

圖3.6.13受扭試驗(yàn)轉(zhuǎn)動支座構(gòu)造3.4荷載反力設(shè)備（a）（b）柱與壓桿試驗(yàn)的鉸支座（a）單向鉸支座；（b）雙向鉸支座固定鉸支座3.4荷載反力設(shè)備

分配梁是將一個集中力分解成若干個小的集中力的裝置。分配梁不用多跨連續(xù)梁形式，均為單跨簡支形式。一般不宜大于3層。分配梁設(shè)置示意圖3.4荷載反力設(shè)備3.4.2分配梁1.豎向荷載架2.水平荷載架3.反力墻豎向、水平荷載架、反力墻圖3.6.8組合式垂直荷載架3.4荷載反力設(shè)備3.4.3荷載架L形反力墻

主墻：高12.5m寬18m厚2.5m

基底總剪力4000kN

總承彎矩37000kN.m

副墻：高6.5m寬8.6m厚1.5m

基底總剪力2500kN

總承彎矩12000kN.m5641234NNF1F23.4荷載