第二章 结构试验设计

1、 第二章 结构试验设计 安徽工业大学建工学院试 验 设 计第二章 试验设计本章重点：1理解结构试验设计中试件设计、荷载设计和量测设计三个主要部 分的内容以及它们之间的相互关系； 2. 在试件设计中要注意尺寸效应的影响，要考虑边界条件的模拟和 满足试验加载、量测的要求。 1、工程结构试验流程 结构试验设计是整个结构试验中极为重要的并且带有全局性的一项工作。它的主要内容是对所要进行的结构试验工作进行全面的设计与规划，从而使设计的计划与试验大纲能对整个试验起着统管全局和具体指导作用。 工程结构试验是一项细致而复杂的工作因此必须进行很好的组织与设计，按照试验的任务制定试验计划与大纲，并通过试验计划与大

2、纲的执行来完成。在整个试验工作中试验人员必须严肃认真，不然不仅无法实现预期的试验目的，而且会带来人力、物力与时间的浪费、影响试验结果，甚至导致整个试验的失败或发生安全事故。只有在试验前做好试验的筹备工作对试验过程中可能出现的情况事先有所估计，并采取相加措施，及时整理分析并充分利用所取得的试验成果，才能够做到使用最小的试验耗费取得最大的研究成果。试 验 设 计结构试验流程图试 验 设 计2、工程结构试验试件设计 试件设计包括试件形状的选择、试件尺寸和数量的确定及构造措施的研究考虑，应满足结构与受力的边界条件、试验的破坏特征、试验加载条件的要求，以最少的试件数量获得最多的试验数据，满足任务要求。(

3、1). 试件形状 目的：构造一个与实际受力相一致的应力状态。 要求：便于试验加载和安全试验。框架结构梁柱构件试验试 验 设 计(2). 试件尺寸 试验试件尺寸可分为真型和模型两类。试件尺寸受尺寸效应、构造要求、试验设备和经济条件的限制，动力试验试件尺寸还受试验激振加载条件的限制。思考：何谓尺寸效应？为何混凝土立方体抗压强度判定中引入一尺寸修正系数？模型振动台试验钢架构件教学试验试 验 设 计(2). 试件数量A. 生产鉴定性试验：按照试验任务的要求有明确的试验对象。 对于顶制构件的质量检验和评定，按预制混凝土构件质量检验评定标准(GBJ 32190)的规定抽样检验。检查数量；对于成批生产的构件

4、，应按同一工艺正常生产的不超过1000件且不超过3个月的同类型产品为一批，当连续检验10批且每批结构性能均符合标准规定的要求时，对同一工艺正常生产的构件，可改为不超过2000件且不超过3个月的同类型产品为一批。在每批中应随机抽取一个构件作为试件进行检验。“同类型产品”是指同一钢种、同一混凝土强度等级、向一工艺和同一结构形式的构件。B. 科学研究试验：服务于科研目的 试件数目即试验量也是一不可忽视的问题，试验量的大小直接关系到能否满足试验目的任务及整个试验的工作量问题，受研究经费及时间期限的限制。 试件的数量主要取决于两个因素：参数的多少（因子数）和其相应的各种状态（水平数）。 根据因子和水平数

5、的不同搭配，试验可分为两种：全因子试验和正交试验。 全因子试验考虑了因子和其水平数的所有可能组合情况而形成的试件数目。 正交试验设计法则是利用正交表安排多因子试验，这两种试验的各有特点。 试 验 设 计 试件2中：截面是采用第一水平，而砂浆也是第一水平，垂直应力是第二水平，得出一个抗剪强度值 ；试验6中：截面是采用第二水平，而砂浆也是第一水平，垂直应力是第二(一)水平，得出一个抗剪强度值；全因子试验实际反应出两个问题:一个是在其它因素都不变的条件下，单单变一个因素，可以看到试验结果的变化情况,二是反应两个因素的交互作用。 试 验 设 计 试验1中：截面是采用第一水平，而砂浆也是第一水平，垂直应

6、力是第一水平，得出一个抗剪强度值 ；试验5中：截面是采用第二水平，而砂浆也是第一水平，垂直应力是第二水平，得出一个抗剪强度值；将两个强度的平均值作为砂浆取第一水平时的抗剪强度值，同样与砂浆取第二水平时的抗剪强度值相比较来分析砂浆强度对抗剪强度的影响 ； 试 验 设 计 正交表的特点是在分析某因子对结果的影响时，该因子取某一水平时，其它因子的各个水平都要取到了，最后取结果的平均值，作为在该因子在此水平下的试验结果。 正交表试验与全因子试验在使用中各有特点。在优化截面面积、砂浆强度和垂直应力这三个因素的时候，选正交表试验比较好，因为它经过很少的试验就可以选出各个因素，哪个因素最好的。但是，在建立抗

7、剪强度和这三个因素的理论关系时，选全因子试验比较确切。但是不能反映单个因子与目标函数之间的关系。试 验 设 计2.结构试验的荷载设计 试验加载方案除了与试验目的有直接关系外，还与试验对象的结构类型、构件在试验室的空间位置有关。(1).结构类型和搁置位置 承受均布荷载的板、壳结构采用重力加载施加均布荷载或采用若干组不连续的集中力等效代替均布荷载。 承受竖向力和水平力的墙柱，采用集中力加载方案； 试件在试验时的空间位置有以下几种： 正位试验：与实际工作状态一致； 反位试验：便于裂缝观察； 卧位试验：降低试验装置高度，便于仪表安装、读数； 原位试验：支撑、边界条件与实际一致；试 验 设 计(2).

8、试验的荷载图式 试验荷载在试件上的布置形式称为加荷图式，荷载图式应与结构设计计算荷载图式相一致；否则应采用与计算简图相似的等效荷载图式。 等效加荷图式应满足：1、等效荷载产生的控制截面上的主要内力应与计算内力值相等；2、等效荷载产生的主要内力图形与计算内力图形相似。3、由于等效荷载引起的变形差别，应给予适当的修正。4、控制截面内力等效时，其次要截面上的内力应与设计值接近。等效荷载图示试 验 设 计(3).试验荷载计算 生产检验性试验的试验荷载： 承载力极限状态： 正常使用极限状态： 科学研究性试验的试验荷载 控制截面实际承载力极限状态： KQKGdQGQKKSQGQ.),(000affRSsc

9、cu试 验 设 计(4).试验加载程序 不同性质的试验采用不同的加载方案, 静力试验加载程序 试 验 设 计A.由结构静力试验的加载示意图可知：1)、加载的一般程序可分为一下几个阶段，就即预加载阶段、 标准荷载试验阶段和破坏试验阶段。2)、加载的时候并不是一下子加到某一个值，而是中间要有 分级，荷载要分成好些级加上去。3)、每次加载升级都要将荷载持续一段时间，当加到标准荷 载时，持续时间比较长，然后卸载，同样卸载卸到某一 值时也要持续一段时间，然后再继续卸载；B.荷载分级的目的 ：1）、分级便于控制加载速度。2）、便于观察荷载与变形的关系及协调加载步骤。 3）、为观察与读数提供必要的时间。 C

10、.预加荷载 目的：使试件接触良好、进入正常工作状态，荷载变形关系趋于稳定；检验全部试验装置的可靠性；检测量测的仪表工作是否正常；检查现场组织工作和人员情况，起演习作用。 预加荷载值要保持在弹性范围内。对钢筋混凝土，尤其要强调不能出现裂缝，一般控制在开裂荷载的70%以内，最好是在开裂荷载的60%。加载分三级进行，每级取标准值的20%。级间停歇10分钟卸载分级进行试 验 设 计D.标准荷载试验与破坏荷载试验 在达到标准荷载之前，每级加载值不应大于标准值的20%，一般分成五级进行加载。而在标准荷载之后，每级就不应大于标准荷载的10%。 当加载加至破坏荷载的90%以后，为了求得精确的破坏荷载值，每级应

11、取不大于标准荷载的5%，逐级加荷至结构破坏。E.加荷的持续时间（使试件的变形充分发展达到稳定） 1)、级间的持续时间：加载一级，荷载要持续一段时间；一般为1015min 2)、满载的持续时间 ：加载到标准荷载或预加载到预加载值时，荷载的停留时间，F.空载的时间 （使试件的残余变形和变形得到较好的恢复） 在预加载和标准荷载试验之间，以及标准荷载试验和破坏荷载试验之间，有一段较长时间的停留，叫空载时间。 试 验 设 计(5).试验加载装置设计 1、强度要求： 首先应满足试验最大荷载量的要求，保证有足够的安全储备，同时应考虑到结构加载后局部构件的强度提高，2、刚度要求： 如混凝土应力应变曲线的下降段

12、的测量，如果加载装置的刚度不够的话，则很难测出曲线的下降段3、真实要求： 要求能模拟结构构件的边界条件和变形条件，否则失去结构受力的真实性。4、简便要求： 构造简单，组装时间少，方便试件安装。试 验 设 计加载构造装置试 验 设 计3.试验观测方案设计测试方案通常包括的内容有：(1).按整个试验目的要求，确定试验测试的项目；(2).按确定的量测项目要求，选择观测区域和布置测点置；(3).综合整体因素选择测试仪器和测定方法。一、观测项目的确定 在确定试验的观测项目时，首先应该考虑反映结构工作状况的整体变形，如梁的挠度。而在条件许可的情况下，根据试验目的，也经常需要测定一些局部变形，如应变、裂缝和

13、钢筋滑移等。 总的来说，破坏性试验本身能够充分地说明问题，观测项目和测点可以少些，而非破坏性试验的观测项目和测点布置，则必须满足分析和推断结构工作状况的最低需要。动力试验观测参数试 验 设 计结构静力试验观测参数试 验 设 计拟静力试验观测参数试 验 设 计桥梁检测应变与挠度测点布置（安工大）试 验 设 计加固梁试验（湖北建科院）试 验 设 计(2).测点的选择与布置 在测量工作之前，应该利用已知的力学和结构理论对结构进行初步估算，然后合理地布置测量点位，力求减少试验工作量而尽可能获得必要的数据资料。 测点的位置必须要有代表性，测点的布置应有利于试验时操作和测读，另外，还应该布置一定数量的校核

14、性测点。(3).仪器的选择与测读原则A.仪器的选择 在选择仪器时，必须从试验实际需要出发，使所用的仪器能很好地符合量测所需精度与量程要求，但是防止盲目选用高准确度和高灵敏度的精密仪器。一般的试验，要求测定结果的相对误差不超过5%，同时，应使仪表的最小刻度值小于5%的最大被测值。仪器的量程应该满足最大测量值的需要。仪器最大被测值宜小于选用仪表最大量程的80%，一般以量程的1/52/3范围为宜。 选择仪表时必须考虑测读方便省时，必要时采用自动记录装置。仪器应该统一，动力试验时须注意仪表的参数符合试验要求。B.读数的原则 在进行测读时，一条原则是全部仪器的读数必须同时进行，至少也要基本上同时。 目前

15、如能使用多点自动记录应变仪进行自动巡回检测，则对于进入弹塑性阶段的试件跟踪记录尤为合适。 试 验 设 计应变速率对结构的影响广州南航大厦结构模型抗震试验(同济大学)试 验 设 计4.试验大纲及其它文件(1).试验大纲内容一般包括： A.试验目的要求；B.试件设计及制作要求 C.辅助试验内容；D.试件的安装与就位 E.加载方法 F.量测方法 G.试验过程的观察；H.安全措施 I.试验进度计划；J.附件(2).试验原始其他文件： A.试件施工图及制作要求说明书 B.试件制作过程及原始数据记录 C.自制试验设备加工图纸及设计资料 D.加载装置及仪表编号布置图 E.仪表读数记录表 F.量测过程记录，包

16、括照片及测绘图 G.试件材料及原材料性能的测定 H.试验数据的整理分析及试验结果总结；I.试验工作日志(3).试验报告A.试验目的 ； B.试验对象的简介和考察；C.试验方法及依据； D.试验过程及问题；E.试验成果处理与分析； F.技术结论； G.附录结构模型设计补充结构模型设计本章重点：1理解建筑结构模型种类以及适用性； 2理解模型设计相似条件的确定方法； 3了解静力与动力模型试验设计方法； 4. 理解工程结构常用模型材料的适用性；1、工程结构模型 结构试验按试验对象可分为真型试验和模型试验；采用真型试验势必会导致试验规模加大、加荷设备的容量和费用提高、试件的制作加工费用增加，因此绝大多数

17、结构试验的试验对象采用结构模型。 结构模型分为：实际模型和数学模型；结构实际模型分为：缩尺模型和相似模型。 模型试验的特点： A、经济性好； B、针对性强； C、数据准确；福州金山大桥（六桥）全桥模型试验结构模型设计2.模型设计的相似原理(1).相似常数 模型与真型的相似条件：两者之间相对应的物理量的比例保持常数，即相似常数； 几何相似： 质量相似： 边界条件相似： 初始条件相似： 荷载相似： 物理相似： 时间相似： /pmpmLllllS/pmpmmmmmmSSSAAPPSLppmmpmp2SSEESEppmmpm/pmpmtttttS结构模型设计(2).相似原理 相似常数：模型某一物理量与

18、原型相应物理量的比值； 相似指标：按表达式解出的相似常数组成的式子 相似判据：将表达式中所有参数移至等式一边，常数移至另一边并用表示，此式子成为相似判据。 采用悬臂梁的例子来说明结构相似原理中的三个重要概念 pppLPMmmmLPMpmpmpmLLPPMMLpMSSS1MLpSSS结构模型设计 相似第一定理： 两物理现象相似，则相似指标必为1，相似判据相等且为常数； 相似第二定理：(相似判据存在定理） 如一物理现象可由N个物理量构成的物理方程式来描述，其中K个物理量相互独立，则该物理现象也可以用这K个物理量组成的N-K个无量纲群的关系来描述； 相似第三定理：相似指标为1，相似判据相等且为常数，

19、且单值条件相同，则两物理想象相似；结构模型设计3.相似条件的确定方法确定相似条件的方法有两类： 方程式分析法：物理现象已知，可以用数理方程式表示； 量纲分析法：物理现象未知，不能用数理方程式表示；(1).方程式分析法 求如图所示简支梁的相似条件结构模型设计梁跨中截面上的正应力：梁跨中截面处的挠度：原型与模型的相似判据：由模型试验的结果可反推原型结构的结果WPL3EIPLf24331WPL23EIfPLppppmmmmWLPWLP1pppppmmmmmfIELPfIELP3 .3212flEpflElpSSSSSSSSS12SSSSSSSlpwlpmpLmpSSS2mpLEfmpfSSSSff结构模型设计(2).量纲分析法 量纲系统分为两类：质量系统、绝对系统；其相应的基本量纲分别为：长度、质量、时间和长度、力、时间；量纲的基本性质：A.两个物理量相等，是指不仅数值相等，而且量纲也要相同。B.两个同量纲参数的比是无量纲参数，其值不随所取单位的大小而变。C.一个完整的物理方程式中，各项的量纲必须相同，因此方程才能用加、减并用等号联系起来，这一性质称为量纲和谐。D.组合量纲可以和基本量纲组成无量纲组合，基本量纲之间不能组成无量纲组合。一个组合量纲与其他量纲至少能够组成一个无量纲组合。结构模型设计结构模型设计 举例说明采用量纲分析法确定相似条件的