结构试验原理

建筑结构试验第一章一、结构试验的任务结构试验是一门试验科学土木工程结构试验是一项科学实践性很强的活动，是研究和发展结构新材料、新体系、新工艺以及探索结构设计新理论的重要手段。同时，也可通过试验对具体结构作出正确的技术结论。实践性：结构设计过程中，工程技术人员必须掌握在各种作用下结构的实际工作状态，了解结构构件的承载力、刚度、受力性能以及实际所具有的安全储备。1）传统的理论计算方法；2）结构试验应力分析方法。电子计算机技术的应用1）数学模型方法计算分析技术；2）计算机控制的结构试验技术。结构试验主要内容1）工程结构静力试验和动力试验的加载模拟技术；2）工程结构变形参数的量测技术；3）试验数据的采集、信号分析及处理技术；4）对试验对象作出科学的技术评价或理论分析。结构试验的任务工程结构试验的任务就是在结构物或试验对象（实物或模型）上，利用设备仪器为工具，采用各种实验技术为手段，在荷载（重力、机械扰动力、地震作用、风力.••.）或其他因素（温度、变形）作用下，通过量测与结构工作性能有关的各种参数（变形、挠度、应变、振幅、频率），从强度（稳定性）、刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判断结构的实际工作性能，估计结构的承载能力，确定结构对使用要求的符合程度，并用以检验和发展结构的计算理论。二、工程结构试验的目的科学研究性试验目的：验证结构设计的某一理论，或验证各种科学的判断、推理、假设及概念的正确性，或者是为了创造某种新型结构体系及其计算理论。对象：对象即试件，具体结构或抽象模型。研究问题：1）验证结构计算理论的假定。2）为制订设计规范提供依据。3）为发展和推广新结构、新材料与新工艺提供实践经验。生产鉴定性试验目的：检验结构构件是否符合结构设计规范及施工验收规范的要求，并对检验结果作出技术结论。对象：一般是真实的结构或构件。应用：1）检验结构的质量，说明工程的可靠性。2）检验构件或部件的结构性能，判定构件的设计及制作质量。3）判断旧结构的实际承载力，为改造、扩建工程提供数据。4）检验和鉴定已建结构物的可靠性。5）为处理工程事故提供依据。三、工程结构试验分类按试验对象分类原型试验：实际结构或是按实物结构足尺复制的结构或构件。模型试验：按原型结构缩小的模型，又分为相似模型试验和缩尺模型试验。■模型试验模型是仿照原型并按照一定比例关系复制而成的试验代表物，它具有实际结构的全部或部分特征。模型的设计制作及试验是根据相似理论、用适当的比例和相似材料制成与原型几何相似的试验对象，在模型上施加相似力系，使模型受力后重演原型结构的实际工作，最后按照相似理论由模型试验结果推算实际结构工作。按荷载性质分类静力试验和动力试验。按试验时间分类短期荷载试验和长期荷载试验。按试验场合分类试验室试验和现场试验。四、工程结构试验设计第二章结构试验荷载模拟技术作用于工程结构上的荷载荷载又称为作用，可分为直接作用和间接作用。直接作用（结构自重，建筑物面的活荷载，机械设备的振动荷载，地震等荷载）间接作用（温度变化，混凝土收缩，支座沉降等）荷载模拟技术通过一定的设备与仪器，以最接近真实的模拟荷载再现各种荷载结构的作用。荷载模拟方法主要有重物直接加载法、液压加载法、机械加载法、惯性力加载和电磁激振加载方法等。加载设备基本要求1）试验荷载的作用，应符合实际荷载作用的传递方式，能使被试验结构、构件再现其实际工作状态的边界条件，使截面或部位产生的内力与设计计算等效。2）产生的荷载值应当明确，满足试验的准确度，除模拟动力作用之外，荷载值应能保持相对稳定，不会随时间、环境条件的改变和结构的变形而变化。3）加载设备本身应有足够的承载力和刚度，并有足够的储备，保证使用安全可靠。4）加载设备不应参与结构工作，以致改变结构的受力状态或使结构产生次应力。5）应能方便调节和分级加（卸）载，易于控制加（卸）载速率，分级值应能满足精度要求。6）尽量采用先进技术，满足自动化的要求，减轻劳动强度，方便加载，提高试验效率和质量。二、重力模拟荷载重力加载利用物体本身的重量施加于结构作为荷载，又分为直接重力加载和间接重力加载。加载物体1）实验室：标准铸铁砝码、混凝土立方试块、水等；2）现场：砂、石、砖块等或钢锭、铸铁、废构件等。直接重力加载法1）直接放在结构表面上形成均布荷载；2）重物置于荷载盘上，通过吊盘形成集中荷载；3）借助钢索和滑轮导向，对结构施加水平荷载；4）大面积平板结构，可采用水作试验荷载。间接重力加载法利用杠杆将荷重放大后作用在结构上。重力加载系统优缺点：优点：设备简单、取材方便、荷载恒定及加载形式灵活。缺点：荷载量不能很大，操作笨重而费工。三、液压模拟加载组成加荷千斤顶（加载器）、油泵控制台和荷载架等。液压加载器液压加载系统（试验机，千斤顶加载系统）1、千斤顶液压加载系统1）手动液压加载系统2）同步（异荷）液压加载系统2、试验机加载系统1）材料万能试验机2）结构长柱试验机组成：液压操纵台、大吨位液压加载器和试验机架。3）卧式结构试验机4）结构疲劳试验机组成：脉动发生系统控制系统和千斤顶工作系统。脉动工作原理：飞轮带动曲柄动作时，使脉动器上下移动而产生脉动油压。电液伺服液压加载系统1）系统工作原理组成：液压源、控制系统和执行系统。系统可将荷载、应变和位移等物理量作为控制参数，实行自动控制。液压加载器：单缸双油腔结构，尾座内腔和活塞前端分别装有位移和荷载传感器，能自动记量和发出反馈信号。2）电液伺服阀的工作原理电液伺服阀直接安装于液压加载器上。当电液伺服闭环回路中的电信号输入线圈时，衔铁发生偏转，带动一挡板偏移，两边喷嘴油流量失去平衡，压力改变，高压油进入加载器的油腔使活塞工作，滑阀的移动带动反馈杆偏转，使另一挡板反方向偏转，同时产生恢复力，当偏转力和恢复力相等时，滑阀停止移动。3）优缺点优点：响应快、灵敏度高、量测与控制精度好，出力大、波形多、频带宽、可与计算机联机等。缺点：投资较大、维护费用高，使用受到一定限制。4）应用可以做静态、动态、低周疲劳和地震模拟振动台试验及利用造波机用于海洋结构试验等。2.4其他加载技术机械机具加载机械加载机具：绞车、卷扬机、倒链、花篮螺丝、螺旋千斤顶及弹簧等。绞车、卷扬机和倒链葫芦：通过绳索远距离对高耸结构等施加拉力。花篮螺丝：加载值较小时使用。弹簧和螺旋千斤顶：适用于施加长期荷载。机械机具加载设备简单、索具加载时易改变方向。但荷载值较小。气压模拟加载1）用空气压缩机对气包充气，给试件施加均匀荷载。2）用真空泵抽出试件与台座围成的封闭空间的空气，形成大气压力差对试件施加均匀荷载。优缺点优点：加、卸载方便，荷载稳定，安全构件破坏时能自动卸载，构件外表面便于观察与安装仪表。缺点：内表面无法直接观察。2.5结构试验荷载支承装置支座与支敦1）支座：按作用方式不同可分为滚动铰支座、固定铰支座球铰支座和刀口支座。铰支座一般用钢材制作。铰支座的基本要求：必须保证结构在支座处能自由转动。必须保证结构在支座处力的传递。简支构件和连续梁支座：一端为固定铰支座，其它为滚动铰支座。安装时各支座轴线应彼此平行并垂直于试件构件的纵轴线，各支座间的距离取为构件的计算跨度。支敦材料：钢材或钢筋混凝土，现场常用砖砌成。反力装置竖向反力装置组成：垂直加荷架、千斤顶连接件和试验台座等。加荷架：包括立柱、横梁、大梁、地脚锚栓等。移动式：千斤顶可挂在横梁上，横梁可上下移动，架子底部设置有四个滚轮，可自由行走。组合式：试验台座基本要求：具有足够的强度和整体刚度。动力试验台座还应有质量和耐疲劳强度。静力台座和动力台座同时存在时，两者应分离设置。按结构构造不同分类：①槽式试验台座②地锚式试验台座③箱形试验台座④槽、锚式试验台座⑤抗弯式试验台座⑥空间桁架式试验台座加载器连接件静力试验时，只要使千斤顶与试件给加荷架之间保持稳定即可。抗震试验时，千斤顶与横梁之间需安装滚动辊轴。水平反力装置组成：反力墙(架)与千斤顶水平连接件。反力墙(反力架)固定式反力墙：多采用钢筋混凝土或预应力混凝土结构，和试验台座刚性连接。移动式反力墙：一般采用钢结构，通过螺栓与试验台座的槽轨锚固。加载器与反力墙连接件连接方式：纵向滑轨式锚栓连接、螺孔式锚栓连接、纵横向滑轨式锚栓连接。第三章结构试验测量技术3.1概述＞对输入与输出数据的量测、采集和分析处理。输入数据：试件所受到的外部作用，如力、位移和温度等。输出数据：试件的反应，如应变、应力、裂缝、位移、速度、加速度等。＞数据的量测与采集方法人工测量、人工记录；仪器测量、人工记录；仪器测量、仪器记录。自动化采集系统测量、记录、处理＞仪器设备分类：按功能和使用情况：传感器、放大器、显示器、记录仪、分析仪器、数据采集仪和数据米集系统等。按仪器用途：应变计、位移传感器、测力传感器、倾角传感器、频率计和测振传感器等。量测仪表主要性能指标量程：仪表所能量测的最小至最大的量值范围。最小分度值：仪表的指示所能指出的最小测量值。精确度：仪表的指示值与被测值的符合程度。灵敏度：被测量的单位变化引起仪表示值的变化值。滞后：恒定环境条件下，起始值到最大值来回输出的最大偏差值。3、电阻应变片粘贴技术（1）粘贴要求：1）测点基底平整、清洁、干燥；2）粘结剂的电绝缘性、化学稳定性及工艺性能良好，蠕变小，粘贴强度高，温湿度影响小；3）同一组应变计规格型号应相同；4）应变片的粘贴应牢固，方位准确，不含气泡；5）粘贴前后阻值不改变；6）粘贴干燥后，敏感栅对地绝缘电阻一般不低于500MQ；7）应变线性好，保证应变能正确传递。（2）应变电测法优点：优点：感受元件重量轻，体积小；信号传递迅速、灵敏度高；可遥测，便于与计算机联用及实现自动化。缺点：连续长时间测量会出现漂移；粘贴技术比较复杂，工作量大；不能重复使用，消耗量也较大。3.3位移与变形测量结构线性位移测量结构位移：指构件的挠度、侧移、转角、支座偏移等。1、接触式位移计组成：测杆、齿轮、指针和弹簧等机械零件。性能指标：刻度值、量程和允许误差。3.4力的测量>结构静载试验所需测定的力，主要是荷载与支座反力，其次有预应力施力过程中钢绳（丝）的张力等。>测量力的仪器分为机械式和电测式两种。电测仪器具有体积小、反应快、适应性强等优点。1、荷载和反力测定荷载传感器形式：拉伸型、压缩型和通用型。核心部件：厚壁筒放大系数：2、拉力与压力的测定测力计基本原理：钢制弹簧、环箍或簧片受力后产生弹性变形，变形通过机械放大后，用指针度盘或位移计来反应力的数值。3.5裂缝测定裂缝检测裂缝检测方法：1）放大镜或肉眼观测；2）读数显微镜；3）裂缝标准宽度板；4）裂缝塞尺5）裂纹扩展片；6）脆漆涂层；7）声发射技术；8）光弹贴片。电阻应变计型号规则类别、基底材料种类、标准电阻、敏感栅长度、敏感栅结构形式、极限工作温度、自补偿代号（温度和蠕变补偿）及接线方式。第四章工程结构静载试验4.1概述■结构静载试验是用物理力学方法，测定和研究结构在静荷载作用下的反应，分析、判定结构的工作状态与受力情况。■静载试验方法不仅能为结构静力分析提供依据，同时也可为某些动力分析提供间接依据。■结构静载试验中最常用的单调加载静力试验。主要用于研究承受静载作用下构件的承载力、刚度、抗裂性等基本性能和破坏机制。■《混凝土结构试验方法标准》既统一了量大面广的生产检验性试验方法，又对一般性科研试验方法提出了基本要求，对生产和科研有广泛的实用性。4.2试验前的准备试验前的准备包括试验规划和准备两个方面，主要内容：1、调查研究、收集资料（1）鉴定性试验中，主要向有关设计、施工和使用单位和人员收集资料。（2）科研性试验中，主要向有关科研单位和情报检索部门及必要的设计、施工单位，收集与本试验有关的历史、现状和将来的发展要求。2、试验大纲的制定（1）概述：试验的依据及试验的目的意义与要求等。（2）试件的设计及制作要求：设计的依据及理论分析和计算，试件的规格和数量，制作施工图等。（3）试件的安装与就位：包括就位的形式、支承装置、边界条件模拟、保证侧向稳定的措施和安装就位的方法和机具等。（4）加载方法与设备：包括荷载种类及数量、加载设备装置、荷载图式及加载制度等。（5）量测方法和内容：主要说明观测项目、测点布置和量测仪表的选择、标定、安装方法及编号图、量测顺序规定和补偿仪表的设置等。（6）辅助试验。（7）安全措施：包括人身和设备、仪表等方面的安全防护措施。（8）试验进度计划。（9）试验组织管理：包括技术档案资料、原始记录管理、人员组织和分工、任务落实、工作检查等。（10）附录：包括所需器材、仪表、设备及经费清单，观测记录表格，加载设备、量测仪表的率定结果报告和其他必要的文件规定等。3、试件准备试件准备包括试件的设计、制作、验收及有关测点的处理等。4、材料物理力学性能测定测定项目通常有强度、变形性能、弹性模量、泊松比、应力应变关系等。测定方法有直接测定法和间接测定法。直接测定法：在制作结构和构件时留下小试件，按有关标准方法在材料试验机上测定。间接测定法：通常采用非破损试验法，即用专门仪器对结构和构件进行试验，测定与材料有关的物理量，进而推算材料性质参数，而不破坏结构、构件。5、试验设备与试验场地的准备加载设备和量测仪表，试验之前应进行检查、修整和必要的率定。试件进场前，场地也应进行清理和安排。6、试件安装就位按试验大纲的规定和试件设计要求，将试件安装就位。7、加载设备和量测仪表安装加载设备根据其特点按照大纲设计要求进行安装。仪表安装按观测设计确定。8、试验控制特征值的计算根据材性试验数据和设计计算图式，计算出各个荷载阶段的荷载值和各特征部位的内力、变形值等，作为试验时控制与比较的依据。4.3加载与测量方案的设计一、加载方案■加载方案：根据试件的结构形式、荷载的作用形式、加载设备的类型、加载制度的技术要求、场地的大小、以及试验经费等确定。■加载程序：试验期间荷载与时间的关系。一般静载试验加载程序分为预载、标准荷载、破坏荷载三个阶段。■分级加（卸）载目的：1）控制加载速度2）观察和分析结构变形3）统一各点加载步调1、预载1）目的：（1）使试件各部接触良好（2）检验试验装置的可靠性（3）检验观测仪表的工作是否正常（4）检查现场组织工作及人员工作情况2）解决问题：（1）确定预载值：标准荷载的60%（2）确定分级数及其加（卸）载值：加载分3级（每级加载值为标准荷载的20%）；卸载分2〜3级。（3）确定级间停歇时间：10min2、正式加载1）荷载分级标准荷载之前，每级荷载值为标准荷载的20%。标准荷载之后，每级不宜大于标准荷载的10%。荷载加至计算破坏荷载的90%后，每级荷载不宜大于标准荷载的5%。抗裂检测结构，荷载加至计算开裂荷载的90%后，每级荷载不宜大于标准荷载的5%。级间停留时间：钢结构310min；钢筋混凝土和木结构315min。试验结构同时还须施加水平荷载时，按规定比例同步施加竖向和水平荷载。2）满载时间对需要进行变形和裂缝宽度试验的结构，在标准荷载作用下的持续时间：钢结构和钢筋混凝土330min木结构360min拱或砌体结构3180min预应力混凝土结构：满载30min后加致开裂，开裂荷载下再持续30min。对于采用新材料、新工艺、新结构形式的结构构件，跨度较大（大于12m）的屋架、桁架等结构构件，要求在使用状态短期试验荷载作用下的持续时间312h。3）空载时间受载结构卸载后到下一次重新开始受载之间的间歇时间。钢筋混凝土：45min钢结构：30min较重要的结构构件和跨度大于12m的结构：18h3、卸载一般可按加载级距，也可放大1倍或分两次卸完。二、量测方案1、确定观测项目1）整体变形如梁的最大挠度及整体挠曲曲线；拱式结构和框架结构的最大垂直和水平位移及整体变形曲线；杆塔结构的整体水平位移及基础转角等。2）局部变形量测如局部纤维变形、裂缝及局部挤压变形等。量测结果可直接说明结构（钢混）的抗裂性能、推断结构应力状态或验证设计与计算方法等。2、测点的选择与布置原则1）在满足试验目的的前提下，测点宜少不宜多；2）测点位置必须具有代表性；3）应布置一定的校核性测点；4）对试验工作安全和方便。3、仪器选择与测读原则1）选择原则：（1）必须满足试验所需的精度与量程要求；（2）现场试验时，由于条件和环境复杂，选择仪表时应作具体分析和技术比较；（3）测读方便、省时；（4）型号、规格尽可能一致，种类愈少愈好。2）测读原则（1）按一定的时间间隔进行；（2）测读时间选择在恒载间歇时间内；（3）恒载时间较长时，应测取恒载下变形随时间的变化。空载时，应测取变形随时间的恢复情况；（4）记录仪表读数时，应该同时记下周围的气象资料如温度和湿度等。（5）对重要数据，应将结果随时与预计理论值进行比较。端为设计提供依据的试验桩，应加载至破坏；当桩的承载力以桩身强度控制时，可按设计要求的加载量进行。端对工程桩抽样检测时，加载量不应小于设计要求的单桩承载力特征值的2.0倍。赣试验加载宜采用油压千斤顶。当采用两台及两台以上千斤顶加载时应并联同步工作，且应符合下列规定：1采用的千斤顶型号、规格应相同。2千斤顶的合力中心应与桩轴线重合。端加载反力装置可根据现场条件选择锚桩横梁反力装置、压重平台反力装置、锚桩压重联合反力装置、地锚反力装置。端为设计提供依据的竖向抗压静载试验应采用慢速维持荷载法。慢速维持荷载法试验步骤应符合下列规定：1、每级荷载施加后按第5、15、30、45、60min测读桩顶沉降量，以后每隔30min测读一次。2、试桩沉降相对稳定标准：每一小时内的桩顶沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次（从分级荷载施加后第30min开始，按1.5h连续三次每30min的沉降观测值计算）。3、当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。4、卸载时，每级荷载维持1h，按第15、30、60min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载。卸载至零后，应测读桩顶残余沉降量，维持时间为3h，测读时间为第15、30min，以后每隔30min测读一次。曲确定单桩竖向抗压承载力时，应绘制竖向荷载-沉降（Q-s）、沉降-时间对数（s-lgt）曲线，需要时也可绘制其他辅助分析所需曲线。4.4常见结构构件的静载试验一、受弯构件的试验典型受弯构件：单向板、梁。1、试件的安装和加载方法1）安装方法：（1）简支，多采用正位试验，一端采用固定铰支承另一端采用滚动铰支承。（2）支敦与钢板、钢板与构件之间应用砂浆找平。（3）对于板一类宽度较大的试件，要防止支承面产生翘曲。2）加载方法：（1）重力加载：杠杆重力加载或重力直接加载。（2）液压加载器加载：分配梁或多台加载器直接加载。构件试验时的荷载图式应符合设计规定和实际受载情况，常采用等效加载图式。受弯构件试验中常利用集中荷载来代替均布荷载。2、试验项目和测点布置生产鉴定性试验:测定构件的承载力、抗裂度和各级荷载作用下的挠度和裂缝开展情况。科学研究性试验：除上述项目外，还需测量构件某些部位的应变。1）挠度的测量主要测定梁跨中fmax及弹性挠度曲线。跨度较大梁（大于6000）测点应增加至5〜7个。宽度较大梁（大于600）必要时在截面的两侧布置测定。宽度较大的板，均需在板宽的两侧布点。预应力混凝土受弯构件，需考虑构件在预应力作用下的反拱值。2）应变测量测点布置：正负弯矩最大截面、弯矩有突变的截面及截面突变处。3、裂缝测量测定钢筋混凝土梁的抗裂性能。测量项目：裂缝出现时间、裂缝宽度。垂直裂缝测定：一般产生在弯矩最大受拉区段，在该区段连续布置测点。斜截面裂缝测定斜截面上的主拉应力裂缝，经常出现在剪力较大的区域内，箱型截面或工字形截面，腹板的中和轴或腹板与翼缘相交接的腹板常是主拉应力较大的部位。二、压杆和柱的试验柱是工程结构中的基本承重构件，钢筋混凝土柱大多数属偏心受压构件。1、试件的安装和加载方法采用正位或卧位试验。高大的柱子正位试验时安装和观测均较费力，该用卧位试验方案比较安全，但需考虑卧位试验时结构自重所产生的影响。柱与压杆纵向弯曲系数试验时，构件两端均应采用比较灵活的可动铰支座形式（刀口铰支座或圆球形铰支座）。中心受压柱安装时先对构件进行几何对中，加载达20%〜40%时，在进行物理对中。对于偏压试件，在物理对中后，沿加力线量出偏心距离，再把加载点移至偏心距位置上进行试验。钢筋混凝土结构仅需保证几何对中即可。2、试验项目和测点布置试验项目：破坏荷载、各级荷载下的侧向挠度值、控制截面或区域的应力变化规律以及裂缝开展情况。4.4.3屋架试验1）屋架特点是跨度大，只能在自身平面内承受荷载，而出平面刚度很小，在建筑物中要依靠侧向支撑体系形成整体刚度。2）屋架主要受作用于节点的集中荷载，大部分杆件受轴力作用。上弦有节间荷载作用时，上弦杆受压弯作用。3）跨度较大的屋架，下弦一般采用预应力拉杆。1、试件的安装和加载方法1）一般采用正位试验，但需设置侧向支撑。施工现场进行屋架试验时可以采用两棉屋架对顶卧位试验。2）屋架试验的支承方式与梁试验相同。3）屋架试验的加载方式可以采用重力加载，但采用液压同步加载是最理想的方案。4）同步异荷液压系统可以实现加几组不同集中荷载的要求。2、试件项目和测点布置钢筋混凝土屋架试验，一般试验量测项目有：1）屋架上下弦杆的挠度；2）屋架主要构件的内力；3）屋架节点变形及节点刚度对屋架杆件次应力的影响；4）屋架端节点的应力分布；5）预应力钢筋张拉力和对相关部位混凝土的预应力；6）屋架下弦预应力钢筋对屋架的反拱作用；7）预应力锚头工作性能。（1）屋架挠度和节点位移的测量1）屋架仅承受节点荷载时，测点布置在相应节点之下；2）跨度较大屋架，测量杆件相对其两端节点的最大位移；3）支座沉陷与局部受压引起的变位测量；4）水平位移测量。（2）屋架杆件内力测量1）一般情况，在一个截面上引起的内力最多是三个，即轴向力N,弯矩Mx,My,对于薄壁杆件则可能有四个，再增加扭矩。2）钢筋混凝土整体浇捣的屋架，节点实际上为刚接，测点所在截面应尽量离节点远一些。（3）屋架端节点的应力分析为了测量端节点的应力分布规律，要求布置较多的三向应变网络，一般由电阻应变计组成。从三向小应变网络各点测得的应变量，通过计算或图解法求得端节点的剪应力、正应力及主应力的数值与分布规律。为了量测上下弦杆交接豁口应力情况，可沿豁口周边布置单向应变测点。（4）预应力锚头性能测量在屋架端节点的混凝土表面沿自锚头长度方向布置若干应变测点，量测自锚头部位端节点混凝土的横向受拉变形；纵向布置测点时，同时可以测得锚头对外框混凝土的压缩变形。（5）屋架下弦预应力钢筋张拉应力测量测点位置通常布置在屋架跨中及两端部位；如屋架跨度较大时，则在1/4跨度的截面上可增加测点；如有需要时预应力钢筋上测点位置可以屋架下弦杆上的测点部位相一致。（6）裂缝测量预应力钢筋混凝土屋架的裂缝测量，通常要实测预应力杆件的开裂荷载值；量测使用状态荷载作用下的最大裂缝宽度及各级荷载作用下的主要裂缝宽度。屋架中由于端节点的构造与受力复杂，经常会引起斜裂缝，腹杆与下弦拉杆以及节点的交汇之处，将会较早开裂。空间薄壳结构受力特点：曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构。能以较薄的板面形成承载力高、刚度大的承重结构。空间网架结构受力特点：多根杆件按照一定的网格形式通过节点连接而成的空间结构。具有空间受力合理、重量轻、刚度大，跨度大、抗震性能好等优点。1、试件的安装和加载方法薄壳结构不论是筒壳、扁壳或者扭壳等一般均有侧边构件，结构的支承可由固定铰、活动铰及滚轴等组成。薄壳结构是空间受力体系，在一定的曲面形式下，荷载主要靠轴向力承受。壳体结构由于具有较大的平面尺寸，所以单位面积荷载量不会太大。一般情况可以用重力直接加载。4.5量测数据整理量测数据包括准备阶段和正式试验阶段采集到的全部数据。其中一部分是对试验起控制作用的数据，如最大挠度控制点、最大侧向位移控制点、控制截面上的钢筋应变屈服点及混凝土极限拉、压应变等等。起控制作用的参数应在试验过程中随时整理，以便指导整个试验过程的进行。对实测数据进行整理，一般均应算出各级荷载作用下仪表读数的递增值和累计值，必要时还应进行换算和修正，用曲线、图表或方程式进行表达。在原始记录数据整理过程中，应特别注意读数及读数值的反常情况，如仪表指示值与理论计算值相差很大，甚至出现正负号颠倒的情况，这时应对出现这些现象的规律性进行分析，判断原因所在。一般可能的原因有两个方面，一是由于结构本身发生裂缝、节点松动、支座沉降或局部应力达到屈服而引起数据突变；另一方面也可能是测试仪表安装不当所造成。4.5.4试验曲线的图表绘制1、荷载一变形曲线荷载变形曲线有结构构件的整体变形曲线，控制节点或截面上的荷载转角曲线，铰支座和滑动支座的荷载侧移曲线，以及荷载时间曲线，荷载挠度曲线等。变形时间曲线，表明结构在某一恒定荷载作用下变形随时间增长的规律。2、构件裂缝及破坏特征图试验过程中，应在构件上按裂缝开展迹线画出裂缝开展过程，并标注出现裂缝时的荷载等级及裂缝的走向和宽度。待试验结束后，用方格纸按比例描绘裂缝和破坏特征，必要时应照相记录。根据试验研究的结构类型、荷载性质及变形特点等，还可绘出一些其它的特征曲线，如超静定结构的荷载反力曲线，某些特定结点上的局部挤压和滑移曲线等。4.6结构性能的检测与评定作为结构性能检验的预制构件主要是混凝土构件。结构性能检验的方法有两种：一是以结构设计规范规定的允许值作检验依据；另一种是以构件实际的设计值为依据进行检验。4.6.1构件承载力检验对做承载力检验的构件应进行破坏性试验，以判定达到极限状态标志时的承载力试验荷载值。1、按混凝土结构设计规范的允许值进行检验：2、按构件实配钢筋的承载力进行检验：3、承载力极限标志结构承载力的检验荷载实测值是根据各类结构达到各自承载力检验标志时作出的。结构构件达到或超过承载力极限状态的标志，主要取决于结构受力状况、受力钢筋的种类和观察到的承载力检验标志。轴心受拉、偏心受拉、受弯、大偏心受压构件轴心受压或小偏心受压构件受弯构件的剪切破坏4.6.2构件的挠度检验1、按混凝土结构设计规范规定的挠度允许值进行检验：2、按实配钢筋确定的构件挠度值进行检验，或仅作刚度、抗裂或裂缝宽度检验的构件：4.6.5构件结构性能评定宴式抽样襁的条件a4-6检验项目标准要求二次抽样检验指标相对放宽承载力仙ulo.«7o[r.]15%挠度[0』1.100]|10%抗裂[/«]0.95[/,]5%裂缝宽度3皿]0当结构性能检验的全部检验结果均符合规定的标准要求时，该批构件的结构性能应评为合格；当第一次构件的检验结果不能全部符合表中的标准要求，但又能符合第二次检验要求时，可再抽两个试件进行检验。第二次检验时，对承载力和抗裂检验要求降低5%；对挠度检验提高10%。对裂缝宽度不允许再作第二次抽样。对第二次抽取的第一个试件检验时，若都能满足标准要求，则可直接评为合格。若不能满足标准要求，但又能满足第二次检验指标时，则应继续对第二次抽取的另一个试件进行检验，检验结果只要满足第二次检验的要求，该批构件的结构性能仍可评为合格。对每一个试件，均应完整地取得三项检验指标。只有三项指标均合格时，该批构件的性能才能评为合格。在任何情况下，只要出现低于第二次抽样检验指标的情况，即当判为不合格。第五章工程结构动载试验概述结构动载试验是结构试验工作的一个重要组成部分。通过动力加载设备直接对结构施加动力荷载，可以了解结构的动力特性，研究结构在一定动荷载下的动力反应，评估结构在动荷载作用下的承载力及疲劳寿命等特性。土木工程中需要研究和解决的动力问题包括以下几个方面：1、抗震理论分析和研究，为地震设防和抗震设计提供依据，提高各类工程结构的抗震能力。2、设计和建筑工业厂房时要考虑生产过程中产生的振动对厂房结构或构件的影响。3、高层建筑和高耸构筑物设计时要解决风荷载所引起的振动问题。4、桥梁设计与建设中需要考虑车辆运动对桥梁的振动及危害问题。5、海洋采油平台设计中需要解决海浪的冲击对海洋采油平台等不利影响问题。6、研究建筑物如何抵抗爆炸等所产生的瞬时冲击荷载对结构的影响。结构动载试验的基本内容1、结构动力特性试验结构的动力特性包括结构的自振频率、阻尼、振型等参数。这些参数决定与结构的形式、刚度、质量分布、材料特性及构造连接等因素，而与外载无关。结构的动力特性是进行结构抗震计算、解决工程共振问题及诊断结构累积损伤的基本依据。2、结构动力反应测试测定实际结构在实际工作时的振动水平(振幅、频率)及性状，例如：动力机器作用厂房结构的振动反应移动荷载作用下桥梁的振动反应地震时建筑结构的振动反应振动台模型试验。地震对结构的作用是由于地面运动引起的一种惯性力。通过振动台对结构输入正弦波或实测地震波，可以较准确地模拟结构的地震反应。3、结构构件的疲劳试验确定结构构件在多次重复荷载作用下的疲劳强度。土木工程结构中遇到的振动形式有些是确定性振动，但大多数情况则属于随机振动。动载试验荷载模拟技术5.2.1惯性力加载惯性力加载是利用运动物体的惯性力，对结构施加动荷载。按产生惯性力的方法可分为冲击力、离心力及直线位移惯性力加载等。1、冲击荷载冲击荷载作用于试件上的时间较短，属于突然加载，一般用于测定试验在冲击荷载作用下的承载力、抗裂性能等；也用于测定结构本身的各种动力特性，如固有频率等。突加荷载法优点：用较小的荷载可以产生较大的振幅。缺点：加上的重物随结构一起振动，对结构产生一定影响；重物落下时的撞击也会引起结构的局部破坏。2、离心力加载离心力加载是根据旋转质量产生离心力的原理对结构施加简谐振动。3、曲柄连杆式机械振动台曲柄连杆带动台面作水平振动，台面振幅由偏心距e的大小调节，台面振动频率由变速箱调整，因而振动台的台幅与频率变化无关。机械振动台结构简单，容易产生较大的振动力和振幅；缺点是频率范围较小，振幅调节比较困难，机械摩擦影响大，波形失真也大。电磁加载通电导体在磁场中，会受到与磁场方向相垂直的作用力。根据这一原理，在磁场中放入动圈，通以交变电流，则可以使固定于动圈上的顶杆等部件往复运动，产生动载。目前常见的电磁加载设备为电磁式激振器与振动台。电磁式激振器频率范围较宽；重量轻，控制方便，按给定信号可产生各种波形的激振力。但激振力不大，仅适用于小型结构或小模型试验。电磁式振动台是利用电磁式激振器来推动一个活动台面构成的。但由于振动台的激振器输入励磁线圈和活动线圈的电流都比较大，工作时间长了易发热，故附有冷却系统。电磁式振动台操作方便；振动波形好，频率范围广，但激振力较小，仅几百N至几十kN。液压振动台液压振动台有单向运动、双向运动和三向运动等几种，振动台多采用电液伺服系统推动。在各种结构模型（或足尺）动力试验中，模拟地震振动台是最理想的结构抗震设备。模拟地震振动台系统包括：台面及基础、泵源及油压分配系统、加振器、模控、数据采集和处理系统；此外还有与模控及数据采集系统相接的计算机。动载试验量测设备振动参量量测方法有振动测量法、光学测量法和电测法等。电测法将振动参量（位移、速度、加速度）转换成电量，而后用电子仪器放大、显示或记录。电测法灵敏度高，且便于遥控、遥测，是目前最常用的方法。振动测量系统由拾振器、测振放大器和记录仪等部分组成。5.3.2测振传感器拾振器除应正确反映振动体的振动外，尚应不失真地将位移、速度及加速度等振动参量转换为电量，以便用量电器进行测量。1、磁电式速度传感器磁电式速度传感器的特点是灵敏度高、性能稳定、输出阻抗低、频率响应范围有一定宽度，通过对质量弹簧系统参数的不同设计，可以使传感器既能量测非常微弱的振动，也能量测较强的振动，是工程振动测量中最常用的拾振仪器。建筑工程中常需10Hz以下甚至1Hz以下的低频振动，这时常采用摆式测振传感器，这种类型的传感器将质量弹簧系统设计成转动的形式，因而可以获得更低的仪器固有频率。根据所测振动是垂直方向还是水平方向，摆式传感器有垂直摆、倒立摆和水平摆等。输出电压也与振动速度成正比。磁电式传感器的主要技术指标有：（1）固有频率：传感器质量弹簧系统本身的固有频率是传感器的一个重要参数。（2）灵敏度：传感器的拾振方向感受到一个单位振动速度时，传感器的输出电压。频率响应：灵敏度随所测频率不同有所变化，这个变化的规律就是传感器的频率响应。对于阻尼值固定的传感器，频率响应曲线只有一条。如传感器阻尼可选择和调整，则阻尼不同，传感器频率响应曲线也不同。阻尼系数：磁电式测振传感器质量弹簧系统的阻尼比，通常磁电式测振传感器的阻尼比设计为0.5〜0.7。2、压电式加速度传感器压电式拾振器是利用压电晶体材料具有的压电效应制成。当压电晶片电轴方向受到外力而产生压缩或拉伸变形时，内部会产生极化现象，同时在其相应的两个表面上出现异号电荷，形成电场。当外力去掉后，又重新回到不带电状态。这种将机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。压电晶体受外力产生的荷载为：压电式加速传感器具有动态范围大、频率范围宽、重量轻、体积小等特点。其主要技术指标有：灵敏度、安装谐振频率、频率响应、横向灵敏度比和幅值范围等。5.4结构动力特性试验结构的动力特性包括结构的自振频率、阻尼、振型等参数。这些参数是结构的固有参数，决定与结构的形式、刚度、质量分布、材料特性及构造连接等因素，而与处载无关。结构物的固有频率及相应的振型虽然可以由结构动力学原理计算，但经过简化计算得出的理论数值一般误差较大，而阻尼系数则只能通过试验来确定。因此，采用试验手段研究各种结构物的动力特性具有重要的实际意义。5.4.1自由振动法使结构产生自由振动，通过记录仪器记下有衰减的自由振动曲线，由此求出结构的基本频率和阻尼系数。5.4.2简谐强迫振动法利用专门的激振器，对结构施加简谐动荷载，使结构产生稳态的简谐强迫振动，借助对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性的基本参数。5.4.3脉动法工程结构脉动来自两个方面，一方面是地面脉动；另一方面是大气变化即风和气压等引起的微幅振动。脉动能够明显反映出结构的固有频率。从脉动信号中可识别出结构物的固有频率、阻尼比、振型等多种模态参数。测量脉动信号要使用低噪声、高灵敏度的拾振器和放大器，并应配有记录仪器和信号分析仪。脉动法测量的记录波形图分析通常采用以下几种方法：1、主谐量法2、频谱分析法3、功率谱分析法4、统计法1、主谐量法建筑物的固有频率的谐量是脉动信号中最主要的成份，在实测脉动波形记录上可直接反映出来。凡是振幅大，“拍”现象尤为明显，其波形光滑处的频率总是多次重复出现。如果建筑物各部位在同一频率的相位和振幅符合振型规律，就可以确定该频率就是建筑物的固有频率。基频出现的机会最多，比较容易确定。对一些较高的建筑、斜拉桥等，有时第二、第三频率也可能出现，但相对基频出现次数少。在记录比较规则的部分，确定是某一固有频率后，就可分析出频率对应的振型。2、频谱分析法一般工程结构的脉动记录波形应看成是各种频率的谐量的合成的结果，而建筑物固有频率的谐量和脉动源卓越频率处的谐量为其主要成分。应用富里哀级数积分方法将脉动信号分解并作出其频谱图，在频谱图上建筑物固有频率处和脉动源的振动频率处必然出现突出的峰，一般基频处更为突出，第二、第三频率处有时也较明显。3、功率谱分析法如果建(构)筑物的脉动是一种平稳的各态历经的随机过程，且结构各阶阻尼比很小，各阶固有频率相隔较远。则可以利用脉动振幅谱确定建(构)筑物的固有频率和振型，并用各峰值处的半功率带宽确定阻尼比。5.5.3强震观测地震发生时，特别是强地震发生时，以仪器为手段观测地面运动过程中工程结构的动力反应的工作称为强震观测。强震观测能够为地震工程科学研究和抗震设计提供确切数据，并用来验证抗震理论和抗震措施是否符合实际。强震观测一般采用加速度计测量。5.5.4模拟地震振动台试验试验可以再现各种形式地震波输入后的反应和地震震害发生的过程，观测试验结构在相应各个阶段的力学性能，进行随机振动分析，研究新型结构计算理论的正确性，有助于建立力学计算模型。1、试验模型基本要求2、输入地震波。常见输入波：强震实际记录、人工地震波。3、试验方法输入运动的选择：一般采用加速度控制振动台面的运动。加载过程：分一次性加载和多次性加载。5.6结构疲劳试验结构或材料受重复荷载作用后，其强度极限将低于相同荷载作用下的极限值，这种现象称为结构或材料的疲劳。5.6.1结构疲劳试验的目的直接目的：确定结构的疲劳极限，测定结构达到疲劳破坏时荷载的重复次数。结构所能承受的荷载重复次数及应力达到的最大值均与应力的变化幅度有关。当疲劳应力小于某一应力值后，荷载重复次数的增加不会在引起结构的疲劳破坏。该疲劳应力值称疲劳极限应力，结构设计时必须严格按照疲劳极限应力设计。1、鉴定性疲劳试验。在重复荷载标准值作用下，在规定的荷载重复次数内，对下列内容进彳丁检验：抗裂性及其开裂荷载；裂缝宽度及其发展；最大挠度及其变化幅度；疲劳极限强度。2、科研性疲劳试验。一般有以下内容：钢筋及混凝土的应力随荷载重复次数的变化；开裂荷载及开裂情况；裂缝的宽度、长度、间距及其随荷载重复次数的变化；疲劳破坏荷载及承受疲劳的重复次数；最大挠度及其变化规律；疲劳破坏特征。5.6.2疲劳试验的步骤1、疲劳试验前预加静载试验荷载：不大于上限荷载的20%；次数：1~2次2、正式疲劳试验第一步：疲劳前的静载试验。荷载分级加到疲劳上限荷载。分级荷载可取上限荷载的20%，临近开裂荷载时适当加密，每级荷载加完后停歇10〜15分钟，加满后分两次或一次卸载。第二步：疲劳试验。第三步：破坏试验。两种方法：一种是继续施加疲劳荷载直至破坏，得到承受疲劳荷载的次数；另一种是作静载破坏试验。第六章结构可靠性检测与鉴定6.1概述1、结构可靠性鉴定的目的验证和鉴定结构的设计与施工质量；为处理工程质量事故和受灾结构提供技术依据；为使用旧建筑物普查、检测与鉴定以及为其加固或改建提供合理的方案；>为现场预制构件产品作检验合格与否的质量评定。2、结构可靠性鉴定的特点1）、结构可靠性鉴定与结构设计的区别：结构设计是在结构可靠性与经济之间选择一种合理的平衡，使所建造的建筑物能满足各种预定的功能。结构可靠性鉴定则是对结构的作用、结构抗力及其相互关系进行检查、测定、分析判断并取得结论的过程。2）、结构可靠性鉴定和结构设计的不同点主要有：（1）基准期和目标使用期：设计基准期为编制规范采用的基准期；鉴定基准期以下一个目标使用期为基础。（2）设计荷载和验算荷载：结构设计时采用的荷载值；旧建筑物承载力验算时采用的荷载值（3）抗力计算依据：设计抗力根据规范规定计算；抗力验算要反应真实性（4）可靠性控制级别：设计可靠性控制现行设计规范为准；鉴定可靠性控制是以某个等级指标给出；根据生产安排、建筑物的技术状况和工艺更新等综合确定3、结构可靠性检测方法结构检验方法（1）实验室检测方法（2）现场试验检测方法（1、荷载试验2、非破损或半破损检测）6.2混凝土结构的检测与鉴定1、混凝土结构的特点材料强度特点：混凝土强度、密实性等性能离散性大；混凝土强度及其老化；钢筋混凝土的钢筋数量、规格和品种不能一目了然等。历史条件特点：质量受各时期技术政策及国情的影响。地区特点：配置混凝土的材料为地方性材料，其配置的混凝土其性能也呈现出某些差异。因此，对工程结构的鉴定，需要对该工程建造时期的技术政策和形式特点及材料供应条件等作详细分析，以便确定工作重点，准确找出结构物存在问题的症结，作出恰当的评定。2、混凝土强度检测常用方法：回弹法；超声法；取芯法；拔出法。1）、回弹法：使用回弹仪通过测定混凝土表面的硬度以确定混凝土的强度。2）、超声法利用混凝土强度与超声波在混凝土中的传播参数（声速、衰减等）之间的相关关系检测混凝土的强度。超声法反映了混凝土材料的弹性性质及内部构造的有关信息；回弹法反映了混凝土材料的弹性性质和塑性性质，但仅能反应表层的状态。超声回弹综合法的测量精度优于超声或回弹单一方法，减少了量测误差。3）、取芯法在结构上直接钻取芯样，加工后进行抗压强度试验。属于半破损检测方法，检测结果比较准确。由于在结构上钻取芯样数量数量上受到限止，可取一定数量的芯样与其它检测方法的结果相互校核，综合确定混凝土强度。4）、拔出法用一金属锚固件预埋入未硬化的混凝土浇筑构件内（预埋法），或在已硬化的混凝土构件上埋入一膨胀螺栓（后装法），通过测试锚固件或膨胀螺栓被拔出时的拉力和被拔出的锥台形混凝土块的投影面积，确定混凝土的拔出强度，由此推算混凝土的立方抗压强度。属半破损试验检测方法。预埋法常用于确定混凝土停止养护、撤模时间及施加后张法预应力的时间；后装法则较多用于已建结构混凝土强度的现场检测。3、混凝土破损及内部缺陷检测破损：环境温湿度影响及结构构件的受力产生的裂缝，以及由于化学侵蚀、冻融和火灾引起的损伤。内部缺陷：由于技术管理不善和施工疏忽，在结构施工过程中因浇捣不密实造成的内部疏松、蜂窝及孔洞等。一般结构构件的破损及缺陷可通过目测、敲击、卡尺及放大镜等进行测量；对于体积较大的混凝土结构则需通过专门的仪器进行测量。超声波检测是目前应用最广的检测方法。1）、混凝土裂缝检测根据裂缝在结构中的部位及走向，对裂缝产生的原因进行判断与分析；其次对裂缝的形状及几何尺寸应进行量测。（1）浅裂缝检测：开裂深度小于或等于500mm的裂缝，可用平测法或斜测法检测。（2）深裂缝检测开裂深度大于500mm的裂缝，可用钻孔法检测。钻孔探测法还可用于混凝土钻孔灌注桩的质量检测。2）、混凝土内部空洞缺陷检测根据各测点的声时（或声速）、波幅或频率值的相对变化，确定异常测点的坐标位置，从而判定缺陷的范围。4、混凝土结构钢筋检测1）钢筋位置检测：钢筋位置检测仪是利用电磁感应原理进行检测。混凝土是带弱磁性的材料，而结构内配置的钢筋是带有强磁性的材料。2）钢筋锈蚀检测：混凝土中钢筋的锈蚀是一个电化学过程。钢筋因锈蚀表面有腐蚀电流存在，使电位发生变化。钢筋锈蚀测量仪可测量钢筋表面与探头之间的电位差，利用钢筋锈蚀程度与测量电位间建立的一定关系，由电位高低变化的规律，可判断钢筋锈蚀的可能性及其锈蚀程度。3）、钢筋材质检测：A、分析原始资料；B、构件内截取试样4）、钢筋锈蚀对结构承载力的影响：钢筋极限拉（压）力=锈蚀后的钢筋面积X原材料强度5、承载能力验算评级＞计算简图和有关的几何尺寸：结构验算的计算简图应符合结构的实际受力状态与构造情况。＞材料强度取值和作用效应：材质性能符合原设计要求，取原设计的材料强度值。否则以现场实测材料强度为依据确定设计取值。＞结构构件的承载能力验算和评级。＞连接与构造的承载力及其评级。6.3钢结构的检测与鉴定1、钢结构检测要点＞钢结构特点：强度大，制成的构件具有薄、细、长、柔等特点；连接构造传递应力大，结构对附加的局部应力、残余应力、几何偏差、裂缝、腐蚀、振动撞击效应等也较敏感。＞检测要点：结构布置、连接构造及变形等；必要时测定结构材料强度及个别构件的实际应力。2、钢材强度测定1对已建钢结构鉴定时，由于在结构上截取试样会损伤结构，一般采用表面硬度法间接推断钢材强度。2、表面硬度法主要利用布氏硬度计测定。3、测定钢材极限强度后，可依据同种材料的屈强比计算得到钢材的屈服强度。3、连接构造和腐蚀的检查＞连接构造的检查应根据不同的构件有所侧重。＞腐蚀检查应注意检查构件及连接点处容易积灰和积水的部位；经常漏水和干湿交替的部位；有腐蚀介质作用的构件以及不易油漆的组合截面和节点的腐蚀状况等。第七章工程结构模型试验7.1概述模型试验一般包括模型设计、模型制作、模型测试和模型分析等几个方面，其中模型设计最为重要。7.1.1模型试验的特点口经济性好：制作容易，节省材料、劳力和时间等。口针对性强：突出主要因素，简略次要因素。口数据准确：可在试验环境条件较好的室内进行。7.1.2模型试验的应用口代替大型结构试验或作为大型结构试验的辅助试验。口作为结构分析计算的辅助手段。口验证和发展结构计算理论。7.2模型试验理论基础模型试验理论是以相似原理和量纲分析为基础，以确定模型设计中必须遵循的相似准则为目标。7.2.1模型的相似要求和相似常数相似：指模型和原型相对应的物理量的相似，即除了几何相似外，还有物理过程的似。几个主要物理量的相似：几何相似：模型和原型结构之间对应部分尺寸成比例，模型比例即为几何相似数。质量相似：模型和原型结构之间对应部分质量成比例。荷载相似：模型和原型在对应点所受的荷载方向一致，荷载大小成比例。物理相似：模型和原型的相应点的应力和应变、刚度和变形间的关系相似。时间相似：对于结构动力问题，模型和原型的相对应的时间成比例。边界条件相似：模型和原型在与外界接触的区域内的各种条件保持相似。初始条件相似：对于结构动力问题，模型和原型初始时刻运动相对应的参数相似。7.2.2相似原理与量纲分析1、相似原理第一相似定理：彼此相似的现象，单值条件相同，其相似准数的数值也相同。相似常数：两个相似现象中，两个相对应的物理量始终保持的常数。相似准数：表示相似现象中各物理量应保持的关系，在所有互相相似的现象中是一个不变量。第二相似定理：某一现象各物理量之间的关系方程式，都可以表示为相似准数之间的函数关系。第三相似定理：现象的单值条件相似，并且由单值条件导出的相似准数的数值相等，是现象彼此相似的充分和必要条件。2、量纲分析口量纲分析法：根据描述物理过程的物理量的量纲和谐原理，寻求物理过程中各物理量的关系而建立相似准数的方法。口绝对系统与相对系统：基本量纲：一组彼此独立的量纲。导出量纲：其物理量的量纲由基本量纲组成。绝对系统：基本量纲为长度、时间和力。相对系统：基本量纲为长度、时间和质量。口量纲的相互关系：1）两个物理量相等，是指不仅数值相等，而且量纲也要相同。2）两个同量纲参数的比值是无量纲参数，其值不随所取单位的大小而变。3）一个完整的物理方程式中，各项的量纲必须相同，因而方程才能用加、减并用等号联系起来。这一性质称为量纲和谐。4）导出量纲可和基本量纲组成无量纲组合，但基本量纲之间不能组成无量纲组合。5）若在一个物理方程中共有几个物理参数x1,x2,xn和k个基本量纲，则可组成（n-k）个独立的无量纲组合。无量纲参数组合简称“n”数。这一性质又称为n定理。7.3模型设计模型设计应综合考虑各种因素，如模型的类型、模型材料、试验条件以及模型的制作条件等，以确定出适当的物理量的相似常数。7.3.1模型的类型结构模型通常分为弹性模型、强度模型和间接模型。口弹性模型试验目的：获取原型结构在弹性阶段的资料。应用：常用在钢筋（或型钢）混凝土结构、砌体结构的设计过程，用以验证新型结构的设计计算方法是否正确或为设计计算提供某些参数。结构动力试验模型一般是弹性模型。制作材料要求：不必与原型结构的材料完全相似，但在试验过程中具有完全的弹性性质。口强度模型试验目的：探讨原型结构的极限强度、极限变形以及在各级荷载作用下结构的性能。应用：常用于钢筋（或型钢）混凝土结构、钢结构的弹塑性性能研究。制作材料要求：模型与原型的材料性能尽可能相似。口间接模型试验目的：得到关于结构支座、反力、弯矩、剪力、轴力等内力资料。间接模型不要求与原型结构直接相似。现已很少使用而被计算机分析所取代。7.3.2模型设计的程序及模型几何尺寸口一般程序1）根据任务明确试验的具体目的和要求，选择适当的模型类型和模型制作材料。2）针对课题所研究的对象，确定相似条件。3）根据现有试验设备的条件，确定模型的几何尺寸，即几何相似常数。4）根据相似条件，定出其它相似常数。5）绘制模型施工图。口一般情况，弹性模型的缩尺比例小；强度模型，尤其是钢筋（或型钢）混凝土结构的强度模型缩尺比例较大。口对于某些结构，如薄壁结构无法用几何相似设计模型，而须考虑非完全几何相似的方法设计模型，即变态模型设计。7.3.3模型设计中常见相似现象的相似关系口静力弹性相似对一般静力弹性模型，以长度及弹性模量的相似常数Sl和SE为首先确定的条件，这时，其它量的相似常数都是Sl和SE的函数或等于1。口动力相似动力模型中，要考虑的基本物理量有［L］、［F］和［T］。由于动力问题中要模拟惯性力、恢复力和重力，相似常数要满足SE/（SgSp）=Sl，通常，Sg=1。为了满足SE/Sp=Sl的相似关系，可在模型上附加适当的分布质量。当重力对结构的影响比地震等动力引起的影响小得多时，可忽略重力影响。口静力弹塑性相似结构试验研究中，应用较多的是钢筋（或型钢）混凝土或砌体结构的强度模型，强度模型除应获得弹性阶段应力分析的数据资料外，还要能正确反应原型结构的弹塑性性能，要求能给出与原型结构相似的破坏形态，极限变形能力和极限承载能力。钢筋（或型钢）混凝土结构中，一般模型的混凝土和钢筋（和型钢）应与原型结构的混凝土和钢筋（或型钢）具有相似的。-£曲线（如图），当模型材料满足这些要求时，相似条件如表（a）列所示；但由于钢材是目前能找到的唯一的适用于模型的加筋材料，此时模型结构与原型结构采用相同的混凝土和钢筋（或型钢），相似条件如表（b）列所示；混凝土的弹性模量和。-£曲线直接受骨料及其级配的影响，模型混凝土的骨料多为中、粗砂，级配情况亦与原型结构的不同，O-£曲线如图，此时需调整模型钢筋（或型钢）的面积，此时模型与原型不完全相似，相似关系如表（c）歹U。7.4模型材料口基本要求1、保证相似要求。2、保证量测要求。3、保证材料性能稳定，不受温度、湿度的变化而变化。4、保证加工制作方便。口常用模型材料简介1、金属优点：力学性能大多符合弹性理论的基本假定，量测准确度较高。常用材料铝合金和钢材，两者泊松比接近于混凝土材料，铝合金应变量大、导热性好、弹性模量较低，金属模型中铝合金用得较多。缺点：加工困难、弹性模量较塑料和石膏的高，荷载模拟困难。2、塑料优点：强度高、弹性模量低，加工容易。缺点：徐变较大，弹性模量受温度变化的影响大，泊松比比金属和混凝土高，导热性差。因加工容易，固大量用来制作板材、壳、框架、剪力墙及其形状复杂的结构模型。3、石膏优点：加工容易，成本低，泊松比与混凝土接近，弹性模量可以改变。缺点：抗拉强度低，要获得均匀和准确的弹性模量较困难。石膏广泛用来制作