结构试验-试验荷载与加载装置

土木工程试试验罗维刚兰州理工大大学土木工工程学院2010年03月01日E-mail:luowg@SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.第3章土木工程程试验荷载载进行结构试试验时，应应在试验结结构上再现现要求的荷荷载，即试试验荷载。。试验荷载载绝大多数数是模拟荷荷载，而产产生这些模模拟荷载的的方法很多多，一般都都通过加载载设备和试试验装置产产生，可用用于结构试试验的加载载设备有重重物气压、、机械机具具、液压、、动力激振振以及与它它们相匹配配的各种试试验装置等等。把试验荷载载分成了静静力荷载、、动力荷载载以及荷载载反力设备备3部分内容，，主要对荷荷载的原理理、方法、、特点等方方面进行介介绍。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.一、荷载试试验是结构构试验的基基本方法。。二、荷载的的选用原则则：1.试验用的荷荷载形式、、大小、加加载方式等等都是根据据试验的目目的要求，，以如何能能更好地模模拟原有荷荷载等因素素来选择。。2.在决定试验验荷载时，，还应该根根据试验室室的设备条条件和现场场所具备的的试验条件件的具体情情况进行。。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.三、荷载的的分类：直接作用：：自重、活活、雪、灰灰、施工、、风等；间接作用：：温度、收收缩、偏差差、沉降、、地震等；；分布；集中；短期；长期；静；动；由模拟荷载载实现3.1概述四、产生荷荷载的方法法与加载设设备有很多多种类：静力试验1.重物直接加加载或通过过杠杆作用用间接加载载的重力加载方法；2.液压加载器器和液压试试验机、电电液伺服加加载系统的的液压加载；3.绞车、差动动滑轮组、、弹簧和螺螺旋千斤顶顶等机械加载方法；4.利用压缩空空气或真空空作用的特殊方法等等。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.动力试验1.惯性力或电磁系统激激振;

2.比较先进的的设备是由由自动控制制、液压装装置与计算算机相结合合而组成的的电液伺服加加载系统和由此作为为振源的地震模拟振振动台加载设备等等；3.人工爆炸和利用环境随机激激振（脉动法））的方法。。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.五、选择试试验荷载和和加载方法法时，应满满足下列几几点要求：：⑴试验荷载载的图式所所产生的内内力值完全一致或极为接近；⑵荷载值准确；荷载传力力方式和作作用点明确确，产生的的荷载数值值要稳定；⑶荷载分级符合要求，，同时必须须满足试验验量测的精度要求；⑷加载装置置要有足够够的安全性性和可靠性性，强度！满足刚度要求；⑸加载设备备的操作要要方便，便便于加载和和卸载，能能控制加载载速度；⑹采用现代代化先进技技术。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.六、试验荷载和和加载方法法1．荷载图式式的选择与与设计荷载在试验验结构构件件上的布置置形式（荷载的类型型、分布方式等）称为荷荷载图式。。2．试验荷载载制度试验荷载制制度指的是是试验进行行期间荷载载与时间的的关系。⑴荷载程序序。一般结结构静力试试验的加载载分为预载载、标准荷荷载（正常常使用荷载载）、破坏坏荷载三个个阶段。加加载分级；；卸荷分级级和一次性性卸荷两种种。⑵荷载大小小。在试验验的不同阶阶段有不同同的试验荷荷载值。3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.七、荷载系统荷载控制装置荷载系统配重荷载架、反反力墙分配梁、支支座承台产生荷载的的设备3.1概述SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.重力荷载就就是利用物物体本身的的重量将物物体施加于于试验结构构上作为荷荷载的加载载方式。重物可以直直接加在试试验结构或或构件上，，也可以通通过杠杆间间接加在结结构或构件件上。（1）重力直接接加载方法法图3.1.1重物堆放作均布荷载试验图图3.1.2重物堆放作集中荷载试验l－重物；2－试验板；3－支座；3－支墩1－试件；2－重物；3－支座；

3－支墩；5－吊篮3.2静力荷载3.2.1一般重物荷荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（1）试验荷载载可就地取取材，可重重复使用，，针对试验验结构或试试件的变形形而言，可可保持恒载载，可分级级加载，容容易控制；；（2）但加载过过程中需要要花费较大大的劳动力力，占据较较大的空间间，安全性性差，试验验组织难度度大；（3）散装或块块体材料要要注意起拱；（4）注意材料料的吸湿性性。3.2静力荷载（2）杠杆加载载方法优点：杠杆原理理，将荷载载放大作用于结构构上。荷载可以保保持恒定，，对于持久久荷载试验验尤为适合合，尤其是集集中力。分类：承压压式图3.3利用杠杆加加载图示拉杆式3.2静力荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（a）（b）图3.1.5现场试验杠杆加载的支承方法（a）墙洞支承；（b）桩支承3.2静力荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（1）卷扬机、、绞车加载载----可改变作用用力的方向向和拉力大大小图3.4利用卷扬机机加载图示示（2）螺旋千斤斤顶加载---加载值的大大小可用测测力计测定定。3.2静力荷载3.2.2机械力荷载载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.（3）螺旋、弹弹簧加载----弹簧加载法法常用于构构件的持久久荷载试验验。1.设备简单，，容易实现现；2.通过索具加加载时，很很容易改变变荷载作用用方向；3.应工作在线线形范围内内；4.缺点是荷载载值不大，，荷载作用用点产生变变形时，会会引起荷载载值的改变变。3.2静力荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.一、液压加加载器（液液压千斤顶顶）油箱（泵））、阀门、、液压加载载装置、测测力计；图3.5单、双向加加载器图示示特点：荷载载大，操作作简单，可可实现低周周反复荷载载。需反力力设备，多多点同步加加载卸载比比较困难。。单向、双双向作用的的液压加载载器.3.2静力荷载3.2.3液压荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.液压加载系系统主要是是由储油箱箱、高压油油泵、液压压加载器、、测力装置置和各类阀阀门通过高高压油管连连接组成的的操纵台。。二、液压加加载系统图3.5液压加载系系统图示特点：对大大吨位、大大挠度、大大跨度的结结构更为适适用，它不不受加荷点点数的多少少、加荷点点的距离和和高度的限限制，并能能适应均布布和非均布布、对称和和非对称加加荷的需要要。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载三、大型结结构试验机机大吨位、高高行程30000kN（压）10000kN（拉）SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载四、电液伺伺服液压系系统图3.6电液伺服加加载系统图图示电液伺服加加载系统采采用闭环控控制电液伺服加加载器控制系统液压源SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载图3.7液压加载器构造示意图1－铰支基座;2－位移传感器;3－电液伺服阀;4－活塞杆;5－荷载传感器;6－螺旋垫圈;7－铰支接头1234567电液伺服作作动器(加载器)SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载液压源（油油源）控制系统SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载五、地震模模拟振动台台（shakingtable）1－试验结构构模型；2－控制室；；3－振动台台台面；4－电液伺服服助动器；；5－振动台基基础；6－液压动力力系统123365振动台台面面与基础液压驱动和和动力系统统控制系统测试和分析析系统SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.2静力荷载最大日本:（15米☓20米）三向六自由由度3.2静力荷载3.2静力荷载3.2.4车辆静态荷荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.图3.7车道荷载3.2静力荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.图3.8中-活载图式3.2静力荷载3.2.5气压荷载SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.利用气体压压力对结构构加载有两两种方式：：一种是利利用压缩空空气加载；；另一种是是利用抽真真空产生负负压对结构构构件施加加荷载。由于气压加加载所产生生的是均布布荷载，对对于平板或或壳体试验验尤为适合合。在磁场中通通电的导体体要受到与与磁场方向向相垂直的的作用力，，电磁加载载就是根据据这个原理理，在强磁磁场(永久磁铁或或直流励磁磁线圈)中放入动圈圈，通入交交变电流，，则可使固固定于动圈圈上的顶杆杆等部件作作反复运动动，对试验验对象施加加荷载。目目前常见的的电磁加载载设备有电电磁式激振振器和电磁磁振动台。。一、电磁激激振器（略略）。二、电磁式振动动台（略）。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载3.3.1电磁荷载1．初位移加加载法（张拉突卸卸法）使结构变形形而产生一一个人为的的初始强迫迫位移，然然后突然释释放，使结结构在静力力平衡位置置附近作自自由振动。冲击力加加载的特特点是荷荷载作用用时间极极为短促促，在它它的作用用下使被被加载结结构产生生自由振振动，适适用于进进行结构构动力特特性的试试验。张拉突卸卸法图示示（1）SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载载3.3.2冲击加载载张拉突卸卸法图示示（2）张拉突卸卸法特点点：结构自振振时荷载载已经不不再依附附适用于于刚度不不大的结结构，用用较小的的力使结结构产生生振动。。注意：加加载时在在一个平平面内，，避免在在另一个个面内产产生振动动。2．初速度度加载法法（突加荷荷载法））利用摆锤锤或落重重的方法法使结构构在瞬时内冲击击，产生生一个初初速度。突加荷载载法图示示3．反冲激激振法也称火箭箭激振。。特点：不不依附于于结构，，力比较较小。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载载离心力加加载图示示直线位移移惯性力力加载图图示SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载载3.3.3离心力加加载3.3.4直线位移移惯性力力加载人们可以以利用自自身在结结构物上上有规律律的活动动，产生生足够大大的人力力惯性力力，就有有可能形形成适合合作共振振试验的的振幅。。这对于于自振频频率比较较低的大大型结构构来说，，完全有有可能被被激振到到足可进进行量测测的程度度。举例：一一个体重重约70kg的人使其其质量中中心作频频率为1Hz、双振幅幅为15cm的前后运运动时，，将产生生大约0.2kN的惯性力力。由于于在1％临界阻阻尼的情情况下共共振时的的动力放放大系数数高达50，这意味味着作用用于建筑筑物上的的有效激激振力大大约为10kN。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载载3.3.5人力激振振加载建筑结构构由于受受外界的的干扰而而经常处处于不规规则的振振动中，，其振幅幅在10μm以下，称称之为脉脉动。建筑物的的随机荷荷载与地地面脉动动、风或或气压变变化有关关，特别别是受城城市车辆辆、机器器设备等等产生的的扰动和和附近地地壳内部部小的裂裂缝以及及远处地地震传来来的影响响尤为重重要，其其脉动周周期一般般为0.1--2.0s，并且任任何时候候都存在在着环境境随即振振动，从从而引起起建筑物物的响应应。这种种能够引引起建筑筑物脉动动的作用用或外界界的干扰扰叫做随随机荷载载。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载载3.3.6随机荷载载3.3.7爆炸荷载载车辆以较较高速度度行驶过过桥梁时时，由于于桥面或或轨面的的不平整整、车轮轮不圆，，以及发发动机的的抖动或或机车的的偏心作作用等原原因，会会引起桥桥梁结构构的振动动，这种种动力效效应通常常称为冲冲击作用用。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.3动力荷载载3.3.7车辆动态态荷载（1）跳车荷荷载；（2）刹车荷荷载；（3）跑车荷荷载。结构试验验中的支支座是支支承结构构，正确确传力和和模拟实实际荷载载图式的的设备，，通常由由支墩和和铰支座座组成。。1.支墩多用砖块块临时砌砌成，支支墩上部部应有足足够大的的、平整整的支承承面，最最好在砌砌筑时要要铺设钢钢板。支支墩本身身的强度度必须要要进行验验算，支支承底面面积要按按地基耐耐力来复复核，保保证试验验时不致致发生沉沉陷或过过度变形形。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷载反力力设备3.4.1支墩与支支座滚动铰支支座固定铰支支座滚动铰支支座固定铰支座SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷载反力力设备3.4.1支墩与支支座支座的基基本要求求：1.必须保证证结构在在支座处处能自由由转动和和结构能能正确地地传递力力；2.铰支座处处的上下下垫板要要有一定定刚度；；3.滚轴强度度的要求求；4.滚轴的长长度；滚滚轴的长长度一般般取试件支承承处截面面宽度。。图3.6.13受扭试验转动支座构造SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷载反力力设备（a）（（b）柱与压杆杆试验的的铰支座座（a）单向铰铰支座；；（b）双向铰铰支座固定铰支支座SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷载反力力设备分配梁是是将一个个集中力力分解成成若干个个小的集集中力的的装置。。分配梁梁不用多多跨连续续梁形式式，均为为单跨简简支形式式。一般般不宜大大于3层。分配梁设设置示意意图SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷载反力力设备3.4.2分配梁1.竖向荷载载架2.水平荷载载架3.反力墙竖向、水水平荷载载架、反反力墙图3.6.8组合式垂直荷载架SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.3.4荷载反力力设备3.4.3荷载架L形反力墙墙主墙：高高12.5m宽18m厚2.5m基底总剪剪力4000kN总承弯矩矩37000kN.m副墙：高高6.5m宽8.6m厚1.5m基底总剪剪力2500kN总承弯矩矩12000kN.m