結構試驗第5章試驗類型

1、土木工程試驗,羅維剛,蘭州理工大學土木工程學院2010年03月01日,,E-mail: luowg@lut.cn,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,第5章 常見結構試驗類型,單調(diào)加載靜力荷載試驗偽靜力試驗擬動力試驗結構動力特性試驗結構動力響應試驗結構疲勞試驗橋梁結構原位荷載試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,5.1.1荷載圖式

2、的選擇與設計,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,單調(diào)靜力荷載試驗是指試驗荷載逐漸單調(diào)增加到結構破壞或預定的狀態(tài)目標，研究結構受力性能的試驗。荷載圖式：荷載在構件上的布置形式（類型和分布方式）;設計原則：與理論計算圖示一致或內(nèi)力等效的荷載圖示。,即試驗期間荷載與試件的關系（或稱荷載譜），包含荷載程序與荷載大小。,1.荷載程序三階段,圖5.1.1 靜載試驗加載程序,預載標準荷載（正常使用荷載）破

3、壞荷載,5.1單調(diào)加載靜力試驗,5.1.2荷載制度,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,2.荷載大小預載預載的目的在于：①使試件各部分接觸良好，進入正常工作狀態(tài)，荷載與變形關系趨于穩(wěn)定；②檢驗全部試驗裝置的可靠性；③檢驗全部量測儀表工作正常與否；④檢查現(xiàn)場組織和人員的情況，起演習作用。一般分三級；三次；每級取標準荷載的20％；脆性材料結構，不宜超過計算開裂荷載的70％(含自重)。,SCHOO

4、L OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,分級加載 分級加載目的：①加載速度易控制；②變形易觀測及分析；③各點加載易協(xié)調(diào)。,圖5.1.1 靜載試驗加載程序,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,正式加載 分級：正常使用荷載之前，每級加載值不應大于正常使用荷載的20％，一般分5級加至正常使用荷載；接近極限或開裂荷載時減小荷載范圍增加

5、次數(shù)。滿載時間 ：標準短期荷載作用下的持續(xù)時問 ?；炷良颁?0min。空載時間 ：受載結構卸載后到下一次重新開始受載之間的間歇時間稱空載時間。 混凝土45分鐘；鋼30分鐘。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,卸載卸載一般可按加載級距進行，也可以放大1倍或分2次卸完。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,5.1.3

6、試驗裝置,5.1單調(diào)加載靜力試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,受彎構件的試驗加載方案,(a) (b) (c)圖5.1.2 簡支梁試驗等效荷載加載圖示,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,受彎構件的試驗量測方案

7、撓度測量布置,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,受彎構件的試驗量測方案應變測量,梁正截面應變分布的測點布置（a）截面最大纖維應變；（b）測量中和軸的位置和應變分布規(guī)律,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,,受彎構件的試驗量測方案裂縫觀測,混凝土受拉區(qū)抗裂測點布置1~7-混凝土應變片測點,SCHOOL OF

8、 CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,受彎構件的試驗量測方案裂縫觀測,（a） （b）圖5.1.10 混凝土斜截面裂縫測點布置,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,受壓構件的試驗測點布置,偏壓短柱試驗測點布置1—試件；2—鉸支座；3—應變計；4—應變儀測點；5—撓度計,SCHOOL OF

9、 CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.1單調(diào)加載靜力試驗,偽靜力試驗又稱低周反復荷載試驗，屬于工程結構抗震試驗。其基本原理是用低周往復循環(huán)加載的方法對結構構件進行靜力試驗，試驗中控制結構的變形值或荷載量，使結構構件在正反兩個方向反復加載和卸載，用以模擬結構在地震作用下的受力過程。,偽 靜 力 試 驗pseudo-static testing,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5

10、.2 偽靜力試驗,（1）變形控制加載法(位移控制)A：變幅加載：恢復力模型、強度、變形、滯回特性、破壞機理等；B：等幅加載：強度及剛度退化等；C：變幅等幅混合加載：二次加載或加載歷史對性能的研究。,圖5.2.4 變幅加載 圖5.2.5 等幅加載,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,5.2.1單向反復加載制度,,(a)

11、 (b)圖5.2.6混合加載,（2）荷載控制加載法 （3）荷載－變形雙控制加載法先控制力，屈服之后控制位移,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,（1）x、y軸雙向同步加載（2）x、y軸雙向非同步加載,圖5.2.7 雙向低周反復加載制度,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,5.2

12、.2雙向反復加載制度,(a) (b)梁柱節(jié)點試驗裝置與變形特征,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,5.2.3試驗裝置,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,以剪切變形為主的構件低周反復試驗裝置,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5

13、.2 偽靜力試驗,5.2 偽靜力試驗,以彎剪變形為主的構件低周反復試驗裝置,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,1．荷載及支座反力2．荷載－變形曲線3．塑性鉸區(qū)段曲率或轉(zhuǎn)角4．節(jié)點核心區(qū)剪切角5．梁柱縱筋應力 6．核心區(qū)箍筋應力7．鋼筋滑移8．裂縫,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,觀測方案,梁柱節(jié)點測點布置,1,4,

14、3,2,5,3,2,2,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,滯回曲線 是結構偽靜力試驗中，以試驗荷載為縱坐標，以結構變形為橫坐標的連續(xù)曲線。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,5.2.4幾個常用概念,結構荷載（1）開裂荷載（2）屈服荷載和屈服變形（3）極限荷載（4）破壞荷載和極限變形,5.2.10 荷載-變形關系曲線,SC

15、HOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,5.2.4幾個常用概念,結構剛度 （1）初次加載剛度 （2）卸載剛度 （3）反向加載、卸載剛度和重復加載剛度 （4）等效剛度,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,5.2.4幾個常用概念,骨架曲線在偽靜力試驗所得荷載-變形滯回曲線中，取所有每一級荷載第一次循環(huán)的峰點（卸載頂點）連接的包絡線作為骨

16、架曲線，它是每次循環(huán)的荷載-變形曲線達到最大峰點的軌跡。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,5.2.4幾個常用概念,延性系數(shù) 延性系數(shù)是試驗結構構件塑性變形能力的一個指標， 按下式計算： -----在荷載下降段相應于破壞荷載的變形； -----相應于屈服荷載的變形。,,,,SCHO

17、OL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,退化率 強度退化率反映試驗結構構件抗力隨反復加載次數(shù)增加而降低的指標。 當研究剛度退化時，即在位移不變條件下，隨反復加載次數(shù)的增加而剛度降低的情況，用環(huán)線剛度表示并按下式計算：,,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,能量耗散結構構件吸收能量能力的好壞，可由滯回曲線(結構或構件在反復荷載

18、作用下的力與非彈性變形間的關系曲線)所包圍的滯回環(huán)面積和它的形狀來衡量。由滯回曲線的面積可以求得等效黏滯阻尼系數(shù) ：,5.2.11 等效黏滯阻尼系數(shù)計算,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,受彎鋼筋凝土構件的滯回曲線,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,1 水平集中力模擬地震力，為等效靜力；由靜力的方法驗證結構部分動力性能。2

19、試驗荷載譜人為設計，試驗頻率低；不能體現(xiàn)地震的動力特性。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.2 偽靜力試驗,偽靜力試驗的特點與不足,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 擬動力試驗,5.3.1擬動力試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 擬動力試驗,5.3.1概念,數(shù)值計算與擬動力試驗之間的比較,SCHOOL OF CI

20、VIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 擬動力試驗,加載裝置擬動力試驗的加載設備一般由計算機、加載裝置與加載控制系統(tǒng)等組成。計算機是加載過程的控制和試驗數(shù)據(jù)采集都由計算機來實現(xiàn)，同時對試驗結構的其他反應參數(shù)，如應變、位移等進行演算和處理。加載裝置與加載控制系統(tǒng)其功能是根據(jù)該時刻由計算機傳來的位移指令轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入，用于電液伺服系統(tǒng)，使加載器按指定指令工作。擬動力試驗可采用與靜力試驗或擬靜力試驗一樣的加載裝置。,SC

21、HOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 擬動力試驗,試驗步驟（1）在計算機系統(tǒng)中輸入地震加速度時程曲線，并按一定的時間間隔數(shù)字化。（2）把各時刻的地震加速度值代入運動方程，解出時刻的地震反應位移值。（3）由計算機控制電液伺服加載系統(tǒng)，將施加到結構上，實現(xiàn)這一步的地震反應。（4）量測此時試驗結構的反力，并代入運動方程，按地震反應過程的加速度進行時刻的位移的計算，量測試驗結構反力。（5）重復上述步驟

22、，按輸入時刻的地震加速度值，求解位移和結構反力，連續(xù)進行加載試驗，直到試驗結束。,輸入地震波的加速度時程曲線,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 擬動力試驗,擬動力試驗的特點與局限性特點1）擬動力試驗是將地震實際反應所產(chǎn)生的慣性力作為荷載加在試驗結構上；2）加載過程完全可以看成是靜態(tài)的，試驗結構重現(xiàn)地震作用的反應也就可以人為的緩慢進行，特別是破壞過程，更利于觀察和研究。 局限性1）不是實

23、時的試驗分析過程 ；2）要求有一定的設備和技術條件； 3）擬動力試驗是用靜力試驗方法來重現(xiàn)；,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 擬動力試驗,5.3.2 地震模擬振動臺試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 擬動力試驗,1 振動臺臺體結構 2 液壓驅(qū)動和動力系統(tǒng) 3 控制系統(tǒng) 4 測試和分析系統(tǒng),SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERI

24、NG. LUT.,5.3.2 地震模擬振動臺試驗,5.3 擬動力試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.3 擬動力試驗,結構的動力特性反映結構本身所固有的動力特性。包括結構的自振頻率、阻尼系數(shù)（比）、振型等參數(shù)（動力參數(shù)或模態(tài)參數(shù)）。這些參數(shù)決定于結構的形式、剛度、質(zhì)量分布、材料特性及構造連接等因素，而與外載無關。結構的動力特性是進行結構抗震計算、解決結構共振問題及診斷結構累積損傷的基本依據(jù)。,5.

25、4 結構動力特性試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.4 結構動力特性試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.4.1 頻率,1 自由振動法 2 強迫振動法（共振法） 3 環(huán)境隨機振動法(脈動法),圖6.2.2 自由振動時間歷程曲線,t,5.4 結構動力特性試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,自由振動法,5.4 結構動力

26、特性試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,共振時的振動圖形和共振曲線,5.4 結構動力特性試驗,強迫振動法,由共振曲線求阻尼系數(shù)和阻尼比,A,x,B,xm,0.707xmax,用共振法測建筑物振型,,5.4 結構動力特性試驗,強迫振動法,脈動信號記錄圖,5.4 結構動力特性試驗,環(huán)境隨機振動法,5.4 結構動力特性試驗,環(huán)境隨機振動法,5.4 結構動力特性試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGN

27、IEERING. LUT.,5.4.2 振型,5.4 結構動力特性試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.4.3 阻尼,結構的動力響應試驗是測定結構在實際工作時的振動參數(shù)（振幅、頻率）及性狀，例如動力機器作用下廠房結構的振動、在移動荷載作用下橋梁的振動、地震時建筑結構的動力反應（強震觀測）等。量測得到的這些資料，用來研究結構的工作是否正常、安全，存在何種問題，薄弱環(huán)節(jié)在何處等。,5.5 結構動力響應

28、試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.5 結構動力響應試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.5.1 周期性動力響應試驗,5.5.2 非周期性動力響應試驗,1 強迫振動共振加載 2 有控制的逐級動力荷載測試,1 地震模擬振動臺 2 爆破震動 3 天然地震,工程結構中存在著許多疲勞現(xiàn)象，如承受吊車荷載作用的吊車梁，直接承受懸掛吊車作用的屋架。這些結構物或構

29、件在重復荷載作用下達到破壞時的應力比其靜力強度要低得多，這種現(xiàn)象稱為疲勞。結構疲勞試驗的目的就是要了解在重復荷載作用下結構的性能及變化規(guī)律。,5.6 結構疲勞試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.6.1疲勞測試項目,5.6.2疲勞測試荷載,1)抗裂性及開裂荷載； 2)裂縫寬度及其發(fā)展；3)最大撓度及其變化幅

30、度； 4)疲勞極限值。,5.6 結構疲勞試驗,5.6.3疲勞測試程序,5.6.4疲勞試件安裝要求,5.7 橋梁結構原位荷載試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.7.1荷載工況,為了滿足鑒定橋梁承載力的要求，試驗荷載工況的選擇應反映橋梁結構的最不利受力狀態(tài)，簡單結構可選1～2個工況，復雜結構可適當多選幾個工況，但不宜過多。在進行各荷載工況布置時，可參照截面內(nèi)力（或變形）影響線進行，一般設兩三個

31、主要荷載工況，同時可根據(jù)試驗橋梁結構體系的具體情況再設若干個附加荷載工況。,5.7 橋梁結構原位荷載試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.7.2荷載級別,（1）靜載級別 為了加載安全和了解結構應變和變位隨試驗荷載增加的變化關系，對橋梁荷載試驗各主要工況的加載應分級進行，而且一般安排在開始的幾個加載程序中執(zhí)行。附加工況一般只設置最大內(nèi)力加載程序。l）分級控制的原則。①當加載分級較為方便時，可

32、按最大控制截面內(nèi)力荷載工況均分為4～5級。②當使用載重車加載，車輛稱重有困難時也可分成3級加載。2）車輛荷載加載分級的方法。①逐漸增加加載車輛數(shù)。②先上輕車后上重車。③加載車位于內(nèi)力影響線的不同部位。,5.7 橋梁結構原位荷載試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.7.2荷載級別,（2）動載級別 在動載試驗中，跳車、剎車、重物卸載、跑車以及脈動試驗中，需對跑車的速度和重物的重量進行分

33、級處理。 動載試驗一般安排標準汽車車列（對小跨徑橋也可用單車）以不同車速分別進行勻速跑車試驗。跑車速度一般定為每小時5km、10km、20Km、30km、40km、50km，高速公路橋梁采用60km。,5.7 橋梁結構原位荷載試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.7.3靜載試驗測點設置,5.7 橋梁結構原位荷載試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,

34、5.7.4動載試驗測點設置,5.7 橋梁結構原位荷載試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,5.7.4動載試驗測點設置,移動荷載作用下荷載變形結構圖（a）有軌慢速行駛工況；(b)有軌按一定速度行駛工況；（c）無軌高速行駛工況,5.7 橋梁結構原位荷載試驗,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,風是由強大的熱氣流形成空氣動力現(xiàn)象，其特性主要表現(xiàn)在風速和風向 。而實測試驗要等