知識資料結構試驗(一)(新版)知識資料

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁需要課件請或第十八章結構試驗第一節(jié)結構實驗設計一、結構實驗設計概述結構實驗就是在結構物或?qū)嶒瀸ο?實物或模型)上，使用儀器設備為工具，利用各種實驗技術為手段，在荷載(重力、機械擾動力、地震力、風力……)或其他因素(溫度、變形)作用下，通過量測與結構工作性能有關的各種參數(shù)(變形、撓度、應變、振幅、頻率……)，從承載力(穩(wěn)定)、剛度和抗裂性以及結構實際破壞形態(tài)來判明建造結構的實際工作性能，預計結構的承載能力，決定結構對使用要求的符合程度，并用以檢驗和發(fā)展結構的計算理論。結構實驗設計的主要內(nèi)容是對所要舉行的結構實驗工作舉行全面的設計與計劃，從而使設計的計劃與實驗大綱能對囫圇實驗起著統(tǒng)管全局和詳細指導的作用。在舉行總體設計時，首先應該反復研究實驗的目的，充足了解本項實驗研究或生產(chǎn)鑒定的任務要求。然后可通過調(diào)查研究并收集有關資料，決定實驗的性質(zhì)與規(guī)模、舉行試件的設計，選定實驗場所，擬定加載與量測計劃；設計專用的實驗設備、配件和儀表附件夾具，制訂技術安全措施等。除技術上的安頓外，還必須針對實驗的規(guī)模，去組織實驗人員，并提出實驗經(jīng)費預算以及消耗性器材數(shù)量與實驗設備清單。在上述計劃的基礎上，提出實驗研究大綱及實驗進度計劃。對于以詳細結構為對象的工程現(xiàn)場鑒定性實驗，在舉行實驗設計前必須對結構物舉行實地考察，通過調(diào)查研究，收集有關文件、設計資料，施工日志，材料性能實驗報告及施工質(zhì)量檢查驗收記錄等，關于使用情況則需要深入現(xiàn)場向使用者(生產(chǎn)操作工人、居民)調(diào)查了解，對于受災損傷的結構，還必須了解受災的起因，過程與結構的現(xiàn)狀。對于實際調(diào)查的結果要加以收拾，作為舉行實驗設計的根據(jù)。二、結構實驗的試件設計在舉行結構強度和變形實驗時，作為結構實驗的試件可以取為實際結構(原型)的整體或是它的一部分，當不能采用原型結構舉行實驗時，也可用1：1的足尺模型或縮小比例的縮尺模型。試件設計應包括試件形狀的挑選、試件尺寸與數(shù)量的決定以及構造措施的研究考慮，同時必須滿意結構與受力的邊界條件、試件的破壞特征、實驗加載條件的要求。（一）試件形狀在設計試件形狀時，最重要的是要造成和設計目的相一致的應力狀態(tài)。對于從整體結構中取出部分構件單獨舉行實驗時，異常是在比較復雜的超靜定體系中必須要注重其邊界條件的模擬，使其能如實反映該部分結構構件的實際工作。當作如圖１８－１－１（a）所示受水平荷載作用的框架結構應力分析時，若實驗A—A部位的柱腳、柱頭部分時，試件要設計成如圖１８－１－１（b）所示；若作B—B部位的實驗，試件設計成如圖１８－１－１（c）；對于梁如作成１８－１－１（d）（e）那樣的設計，則應力狀態(tài)可與設計目的相一致。作鋼筋混凝土柱的實驗研究時，若要探討其撓曲破壞性能，如圖１８－１－１（h）的試件是充足的，但若作剪切性能的探討，則反彎點附近的應力狀態(tài)與實際應力情況有所不同，為此有須要采用圖１８－１－１（i）中的適用于反駁稱加載的試件。在作梁柱銜接的節(jié)點實驗時，采用十字形試件如圖１８－１－１（f）,節(jié)點兩側梁柱的長度普通均取1／2梁跨和1／2柱高，即按框架承受水平荷載時產(chǎn)生彎矩的反彎點(M=0)的位置來決定。邊柱節(jié)點可采用T字形試件。為了避免在實驗過程中梁柱部分先于節(jié)點破壞，必須事先對梁柱部分舉行加固。當實驗目的為了解初始設計應力狀態(tài)下的性能，并同理論作對照時，可以采用如圖１８－１－１（g）的X形試件。在框架實驗中，多數(shù)設計成支座固結的單層單跨框架。如圖18—l—2。剪力墻試件形式多樣，有無框剪力墻，墻體是一塊鋼筋混凝土平板。有框剪力墻，其中一種是與框架整體相連的鋼筋混凝土板，另一種是在框架內(nèi)設置鋼筋混凝土剪刀撐(圖18—1—3a)。圖18—1—3b為雙肢剪力墻。磚石與砌塊試件主要用于墻體實驗，可以采用帶翼緣或不帶翼緣的單層單片墻，也可采用雙層單片墻或開洞墻體的砌體試件，如圖18—1—4所示。對于縱墻因為外墻有大量窗口，實驗可采用有兩個或一個窗間墻的雙肢或單肢窗間墻試件(圖18－１—5)?；緲嫾阅苎芯繒r，壓彎構件的截面為16cm×l6cm－35cm×35cm，短柱(偏壓剪)為15cm×15cm～50cm×50cm，雙向受力構件為10cm×10cm－30cm×30cm。剪力墻單層墻體的形狀尺寸為80cm×100cm～178cm×274cm，多層的剪力墻為原型的1／10—1／3。我國昆明南寧等地區(qū)曾先后舉行過裝配式混凝土和空心混凝土大板結構的足尺房屋實驗。磚石及砌塊的砌體試件尺寸普通取為原型的1／4—1/2。國內(nèi)先后做過四幢足尺磚石和砌塊多層房屋以及若干單層足尺房屋的實驗。普通來說，靜力實驗試件太小要考慮尺寸效應。在滿意構造模擬要求的條件下太大的試件尺寸也沒有須要。實踐證實：足尺結構固然具有反映實際構造的優(yōu)點，但實驗所耗費的經(jīng)費和人工如用來做小比例尺試件，可以大大增強實驗數(shù)量和品種，而且實驗室的條件比野外現(xiàn)場要好，測試數(shù)據(jù)的可信度也高。因此，局部性的試件尺寸可取為原型的1／4～1，整體性的結構實驗試件可取1／10—1/2。對于動力實驗，試件尺寸常常受實驗激振加載條件等因素的限制，普通可在現(xiàn)場的原型結構上舉行實驗，如量測結構的動力特性。對于在實驗室內(nèi)舉行的動力實驗，可以對足尺構件舉行疲勞實驗，至于在地震模擬振動臺上實驗時，因為受振動臺臺面尺寸載重和激振力大小等參數(shù)限制，普通只能作縮尺的模型實驗。目前國內(nèi)在地震模擬振動臺實驗中能夠完成比例在1／50—1／4的各類房屋結構和構筑物的結構模型實驗。（三）試件數(shù)量對于生產(chǎn)性實驗，普通按照實驗任務的要求有明確的實驗對象。對于預制廠生產(chǎn)的普通工業(yè)與民用建造鋼筋混凝土和預應力混凝土預制構件的質(zhì)量檢驗和評定，則可以按照《混凝土結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50204—2002)中結構性能檢驗規(guī)定，決定試件數(shù)量。對于科研性實驗，試件是按照研究要求專門設計發(fā)明的，如研究鋼筋混凝土短柱抗剪強度實驗時，具有影響的參數(shù)有混凝土強度等級，受拉鋼筋配筋率，配箍率，軸向應力和剪跨比等，稱為主要分析因子。而對每一參數(shù)又要考慮有幾種狀態(tài)，如剪跨比λ＝2，3，4…等，稱為水平數(shù)。試件設計時必須要將它們互相組合起來，才干研究各個參數(shù)與其相應各種狀態(tài)對實驗問題的影響。因此參數(shù)與備種狀態(tài)愈多，即因子數(shù)與水平數(shù)愈多，則要求的試件數(shù)量也就天然增強。如按表18—1—l所列研究短柱抗剪強度時混凝上只用一種強度等級C20，實際因子數(shù)為4，水平數(shù)為3時，由表１８—1—2可見要求試件數(shù)為８1個。采用正交實驗設計法的正交表L９（３４）并按表１８—1—３組合時，當因子數(shù)為4和每個因子有3個水平數(shù)時，組成的試件數(shù)為9。即本來要求的81個試件可以綜合為９個試件、由此可見，正交實驗設計可以只需要少量的試件就可得到主要的信息，對研究問題作出綜合評價。不足之處是不能提供某一因子的單值變化與實驗目標之間的函數(shù)關系。不同因子和水平數(shù)的匯交表可參閱有關正交實驗設計的專著。（四）結構實驗時對試件設計的要求在試件設計中還必須同時考慮試件安裝、加載、量測的需要，在試件上作出須要的構造措施，這對于科研實驗尤為重要。例如混凝土試件的支承點應頂埋鋼墊板(圖1８—1—6(a))；在屋架實驗受擴散荷載作用的位置上應埋設鋼板，以防止試件受局部承壓而破壞；試件加載面傾斜時，應作出凸緣(圖18—1—6(b))，以保證加載設備的穩(wěn)定設置；在鋼筋混凝土框架實驗時，為了框架端部側面施加反復荷載的需要，應設置預埋構件以便與加載用的液壓加載器或測力傳感器銜接，為保證框架柱腳部分與實驗臺的固接，普通均設置加大截面的基礎梁(圖18—1—6(c))；在磚石或砌塊的砌體實驗中，為了使施加在試件的垂直荷載能勻稱傳遞，普通在砌體試件的上下均應預先澆搗混凝土的墊塊(圖l8—1－6((d))，對于墻體試件在墻體上下均應搗制鋼筋混凝土墊梁，其中下面的墊梁可以模擬基礎粱，使之與實驗臺座固定，上面的墊梁模擬過梁傳遞豎向荷載(圖18—1—6(e))；在作鋼筋混凝土偏心受壓構件實驗時，在試件兩端作成牛腿以增大端部承壓面和便于施加偏心荷載(圖18—1—6(f))，并在上下端加設分布鋼筋網(wǎng)舉行加強。在科研性實驗中為了保證結構或構件在預定的部位破壞，以期得到須要的測試數(shù)據(jù)，就需要對結構或構件的其他部位事先舉行局部加固。為了保證實驗量測的可靠性和儀表安裝的方便，在試件內(nèi)必須預設埋件或預留孔洞。對于為測定混凝土內(nèi)部應力的預埋元件或?qū)ｉT的混凝土應變計、鋼筋應變計等，應在澆注混凝土前，按相應的技術要求用專門的主意就位固定埋設在混凝土內(nèi)部。三、結構實驗的荷載設計（一）實驗加載圖式的挑選與設計實驗時的荷載應該使結構處于某一種實際可能的最不利的工作情況。實驗時荷載的圖式要與結構設計計算的荷載圖式一樣。這時，結構的工作和其實際情況最為臨近。但是，在實驗時也常常因為下列的緣故采用不同于設計計算所規(guī)定的荷載圖式。①對設計計算時采用的荷載圖式的合理性有所疑惑，因而在實驗時采用某種更臨近于結構實際受力情況的荷載布置方式。②因為受實驗條件的限制，為了加載的方便和減少荷載量，在不影響結構的工作和實驗結果分析的前提下，可以改變加載的圖式。如可用幾個擴散荷載來代替均布荷載，但是擴散荷載的數(shù)量與位置應盡可能的符合均布荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力值，這時，實驗荷載的大小要按照相應等效條件換算得到。采用這樣主意的荷載叫做等效荷載。采用等效荷載時，必須全面驗算因為荷載圖式的改變對結構的各種影響。須要時應對結構構件作局部加強，或?qū)δ承﹨?shù)舉行修正。當構件滿意強度等效時，而整體變形(如撓度)條件不等效，則需對所測變形舉行修正。取彎矩等效時，尚需驗算剪力對構件的影響。（二）實驗加載裝置的設計為了保證實驗工作的正常舉行，實驗加載的設備裝置也必須舉行專門的設計。在使用實驗室內(nèi)現(xiàn)有的設備裝置時，也要按每項實驗的要求對裝置的強度剛度舉行復核計算。對于加載裝置的強度，首先要滿意實驗最大荷載量的要求，并保證有充足的安全儲備，同時要考慮到結構受載后有可能使局部構件的強度有所提高，以致試件的最大承載力常比預計的大，所以，在作實驗設計時，加載裝置的承載能力要求提高70％左右。實驗加載裝置還必須考慮剛度要求。倘若剛度不足，將難以獲得試件極限荷載后的變形和受力性能。設計實驗加載裝置還要求能符合結構構件的受力條件，要求能模擬結構構件的邊界條件和變形條件。在磚石或砌塊墻體的低周反復實驗中，圖18—1—7(a)當墻體側向位移較大時施加豎向荷載用的拉桿對墻體的側向位移會產(chǎn)生約束作用，而18—1—7(b)的加載方式就能消除約束，較好地符合實際受力情況。在加載裝置中還必須注重試件的支承方式，梁的彎剪實驗中，在加載點和支承點的摩擦力均會產(chǎn)生次應力，使梁所受的彎矩減小。當支承反力增大時，滾軸可能產(chǎn)生變形，甚至臨近塑性，會有異常大的摩擦力，使實驗結果產(chǎn)生誤差。（三）結構實驗的加載制度實驗加載制度是指結構實驗舉行期間控制荷載與加載時光的關系。它包括加載速度的快慢、加載時光間歇的長短、分