第三章結(jié)構(gòu)靜載試驗(加載設(shè)備)

結(jié)構(gòu)試驗的加載設(shè)備第3章3.1概述靜力試驗：利用重物直接加載或通過杠桿作用的間接加載的重力加載方法；液壓加載器（千斤頂）和液壓試驗機等的液壓加載方法；利用鉸車、差動滑輪組、彈簧和螺旋千斤頂?shù)葯C械設(shè)備的機械加載法和用壓縮空氣或真空作用的特殊加載方法等。動力試驗：利用慣性力或電磁系統(tǒng)激勵；由自動控制、液壓和計算機系統(tǒng)結(jié)合而成的電液伺服加載系統(tǒng)；人工爆炸和利用環(huán)境隨機激振的方法；1）選用的試驗荷載的圖式應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的荷載圖式所產(chǎn)生的內(nèi)力值相一致或極為接近；2）荷載傳力方式和作用點明確，產(chǎn)生的荷載數(shù)值要穩(wěn)定，特別是靜力荷載要不隨加載時間，外界環(huán)境和結(jié)構(gòu)的變形而變化；3）荷載分級的分度值要滿足試驗量測的精度要求，加載設(shè)備要有足夠的強度儲備；選擇試驗荷載和加載方法時，應(yīng)滿足的幾項要求4）加載裝置本身要安全可靠，不僅要滿足強度要求，還必須按變形條件來控制加載裝置的設(shè)計，即尚必須滿足剛度要求。防止對試件產(chǎn)生卸荷作用而減輕了結(jié)構(gòu)實際承擔(dān)的荷載；5）加載設(shè)備要操作方便，便于加載和卸載,并能控制加載速度，又能適應(yīng)同步加載或先后加載的不同要求；6）試驗加載方法要力求采用現(xiàn)代化先進技術(shù)，減輕體力勞動，提高試驗質(zhì)量。◆重力加載法

◆液壓加載法

◆慣性力加載法

◆

機械力加載法◆

氣壓加載法◆

電磁加載法◆

人激振動加載法◆

環(huán)境隨機振動激振法主要內(nèi)容§3-1重力加載法

3-1.1重力直接加載方法利用物體本身的重量加于結(jié)構(gòu)上作為荷載。優(yōu)點：重物容易取得，并可重復(fù)使用；缺點：用砂粒等加載時，若將材料直接堆放于結(jié)構(gòu)表面，將會造成材料本身的起拱，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生卸荷作用；重力直接施加均布荷載的方法重力直接施加集中荷載的方法水直接施加均布荷載的方法

3-1.2杠桿加載方法杠桿加載也屬于重力加載的一種。利用杠桿原理1、放大荷重；2、結(jié)構(gòu)有變形時，荷載可以保持恒定，對持久試驗尤為適合。利用杠桿施加荷載的一些方法§3-2液壓加載法液壓加載法是目前應(yīng)用比較普遍和理想的一種加載方法。其最大優(yōu)點是利用油壓使液壓加載器（千斤頂）產(chǎn)生較大的荷載，試驗操作安全方便。1.2-2.1液壓加載器是液壓加載設(shè)備中的一個主要部件。原理是用高壓油泵將具有一定壓力的液壓油壓入液壓加載器的工作油缸，推動活塞，對結(jié)構(gòu)施加荷載。手動千斤頂加載器單向加載器3-2.2液壓加載系統(tǒng)液壓加載器系統(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組成的操縱臺通過高壓油管連接而成。液壓加載系統(tǒng)§3-2.3大型結(jié)構(gòu)試驗機一種比較完善的液壓加載系統(tǒng)。是結(jié)構(gòu)試驗室內(nèi)進行結(jié)構(gòu)試驗的一種專門設(shè)備，比較典型的是結(jié)構(gòu)長柱試驗機。在國內(nèi)最大噸位5000kN，試件最大高度可達3m；國外：日本大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件萬能試驗機的最大壓縮荷載為30000kN，最大抗拉荷載為10000kN，高度達22.5m，可進行15m構(gòu)件受壓試驗；長柱試驗機加載系統(tǒng)§3-2.4電液伺服液壓系統(tǒng)電液伺服液壓系統(tǒng)一種比較理想、更為完善的試驗設(shè)備。電液伺服液壓系統(tǒng)工作原理

電液伺服液壓系統(tǒng)的閉環(huán)回路

控制系統(tǒng)閥的輸出流量、位移、噴嘴擋板間隙等都與輸入電流成比例變化。電液伺服閥的工作原理電液伺服閥是電液伺服液壓加載系統(tǒng)中的心臟部分，它安裝于液壓加載器上，根據(jù)指令發(fā)生器發(fā)出的信號經(jīng)放大后輸入伺服閥，轉(zhuǎn)換成大功率的液壓信號，將來自液壓源的液壓油輸入加載器，使加載器按輸入信號的規(guī)律產(chǎn)生振動對結(jié)構(gòu)施加荷載，同時由伺服閥及結(jié)構(gòu)上量測的荷載、應(yīng)變、位移等信號通過伺服控制器作反饋控制，以提高整個系統(tǒng)的靈敏度。電液伺服閥的工作原理§3-2.5地震模擬振動臺

60年代開始，模擬地震臺就出現(xiàn)在抗震試驗中，其中日本最多；再現(xiàn)各種地震波對結(jié)構(gòu)進行動力試驗的一種先進試驗設(shè)備。其特點：1、具有自動控制；2、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)；3、閉環(huán)伺服液壓控制技術(shù)。振動臺臺體結(jié)構(gòu)振動臺臺體結(jié)構(gòu)臺面具有一定尺寸的平板結(jié)構(gòu)（同濟從美國引進4×4m，日本原子能工作試驗中心是15×15m，中國建筑科學(xué)研究院6×6m，河北工程大學(xué)從英國引進3×3m，

1987水電科學(xué)院從西德引進5×5m）振動臺液壓驅(qū)動和動力系統(tǒng)液壓驅(qū)動系統(tǒng)是給振動臺以推力，按照振動臺是單向（水平或垂直）、雙向（水平—水平或水平—垂直）或三向（二向水平—垂直）運動，各向加載器推力取決于可動質(zhì)量的大小和最大加速度的要求。常用電液伺服系統(tǒng)來驅(qū)動。振動臺控制系統(tǒng)兩種控制方法：模擬控制；數(shù)字計算機控制。模擬控制方法：有位移反饋控制和加速度信號輸入控制兩種。數(shù)字計算機控制：采用計算機進行數(shù)字替代的補償技術(shù)。振動臺控制系統(tǒng)可由計算機將臺面輸出信號與系統(tǒng)本身的傳遞函數(shù)（頻率響應(yīng)）求得下一次驅(qū)動臺面所需的補償量和修正后的輸入信號。經(jīng)過多次迭代，直至臺面輸出反應(yīng)信號與原始輸入信號之間的誤差小于預(yù)先給定的量值，完成迭代補償并得到滿意的期望地震波。測試和分析系統(tǒng)

除了對臺面運動需進行位移、加速度的測量外，還需測量模型的位移、加速度和應(yīng)變。位移：差動變壓器式和電位計式的位移計；可測量模型相對于臺面的位移或相對于基礎(chǔ)的位移；加速度：應(yīng)變式加速度計、壓電式加速度計。振動臺臺面運動參數(shù)最基本的是位移、速度和加速度以及使用頻率。3.4慣性力加載法在結(jié)構(gòu)動力試驗中，利用物體質(zhì)量在運動時產(chǎn)生的慣性力對結(jié)構(gòu)施加動力荷載。3.4.1沖擊力加載特點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)生自由振動適于進行結(jié)構(gòu)動力特性試驗。3.4.1.1初位移加載法也稱張拉突卸法。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)自振時荷載不附加在結(jié)構(gòu)上缺點：由于加載作用點的偏差而使結(jié)構(gòu)在另一平面內(nèi)同時振動產(chǎn)生干擾。用初位移加載法施加沖擊力荷載

初速度加載法（突加荷載法）

反沖激振法（火箭激振）

1、一般裝在建筑物頂部；質(zhì)心的軸線上；2、進行扭振試驗；3、多振型測量（布置多個）反沖力：0.1～0.8kN，1～8kN共8種。3.4.2離心力加載根據(jù)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的離心力對結(jié)構(gòu)施加簡諧振動荷載。其特點是運動具有周期性，作用的大小和頻率按一定規(guī)律變化，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強迫振動。離心力加載

常見的應(yīng)變花1．一對偏心質(zhì)量由偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心力為：

—偏心塊旋轉(zhuǎn)角速度r/s

使用時將激振器底座固定在被測結(jié)構(gòu)物上，由底座把激振力傳遞給結(jié)構(gòu)，致使結(jié)構(gòu)受到簡諧變化激勵作用。3.4.3直線位移慣性力加載此法的特點適用于現(xiàn)場結(jié)構(gòu)動力加載，在低頻條件下各項性能較好，可產(chǎn)生較大的激振力。直線位移慣性力加載3.5機械力加載法常用的機具有鉸車、螺旋千斤頂、彈簧等。1．應(yīng)工作在線性范圍內(nèi)2．荷載值不大3．相對結(jié)構(gòu)變形量

，彈簧的

充分大（柔性）

拉力測力裝置彈簧加載3.6氣壓加載法兩種方式：一種是利用壓縮空氣加載；另一種是利用抽真空產(chǎn)生負壓對結(jié)構(gòu)機件施加荷載。優(yōu)點：加、卸載容易，荷載穩(wěn)定。缺點：結(jié)構(gòu)受載面無法觀測。氣壓加載法

3.7電磁加載法在磁場中通電的導(dǎo)體要受到與磁場方向相垂直的作用力，電磁加載就是這個原理；3.7.1電磁式激振器：由磁系統(tǒng)、動圈、彈簧和頂桿等部件組成。電磁式激振器的頻率范圍在0～200Hz，范圍寬，推力可達幾個千牛，但缺點是激振力不大，因此僅適合于小型結(jié)構(gòu)及模型試驗。

電磁式激振器

電磁式激振器工作原理3.7.2電磁振動臺閉環(huán)控制：1、正弦波；2、三角波；3、方波；4、隨機波。電磁振動臺的使用頻率范圍較寬，臺面振形波形較好，一般失真度在5％以下，操作使用方便，容易實現(xiàn)自動控制。但用電磁振動推動一水平臺面進行結(jié)構(gòu)模型試驗時，經(jīng)常會受到激振力的限制，因此臺面尺寸和模型重量均會受到限制。電磁振動臺

3.8人激振動加載法一個體重約70kg的人使其質(zhì)量中心作頻率約為1Hz、雙振幅為15cm的前后運動時，將產(chǎn)生大約0.2kN的慣性力。加上在1%臨界阻尼的情況下共振時的動力放大系數(shù)為50，意味著作用于建筑物上的有效作用力大約為10kN。國外用這種方法曾在一座15層鋼筋混凝土建筑上取得振動記錄，獲得結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼系數(shù)。3.9環(huán)境隨機振動激振法（脈動法）

環(huán)境隨機振動激振法也稱脈動法。建筑物經(jīng)常處于微小的而不規(guī)則的振動中。這種微小而不規(guī)則的振動來源于微小的地震活動以及諸如機器運轉(zhuǎn)，車輛來往等人為擾動的原因，使地面存在著連續(xù)不斷的運動，其運動幅值極為微小，而它所包含的頻譜是相當(dāng)豐富的，故稱為地面脈動。由地面脈動激起建筑物經(jīng)常處于微小而不規(guī)則的振動中，通常稱為建筑物脈動?？梢岳眠@種脈動現(xiàn)象來分析測定結(jié)構(gòu)的動力特性。3.10荷載支承設(shè)備和試驗臺座3.10.1支座支座是支承結(jié)構(gòu)、正確傳遞作用力和模擬實際荷載圖式的設(shè)備，通常由支座和支墩組成。支座：一般用鋼制作，常用的構(gòu)造形式如圖3-23常用的支座構(gòu)造形式支座與支墩活動鉸支座；滾動鉸支座；固定鉸支座；固定鉸支座。對鉸支座的基本要求：

1.保證結(jié)構(gòu)在支座處能自由轉(zhuǎn)動；

2.保證結(jié)構(gòu)在支座處力的正確傳遞；

3.本身并有足夠的強度和剛度儲備。支墩：常用鋼或鋼筋混凝土制作，現(xiàn)場試驗多臨時用磚砌成。高度應(yīng)一致，并以方便觀測和安裝量測儀表為準。截面大小應(yīng)能保證抗壓強度