第四章工程结构静载试验

第四章工程结构静载试验主要内容试验前的准备加载与量测方案设计常见结构构件静载试验量测数据整理结构性能的检验与评定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≥10min；钢筋混凝土和木结构≥15min。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≥30min木结构≥60min拱或砌体结构≥180min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≥12h。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。结构任何部位的异常变形或局部破坏都能在整体变形中得到反映。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。国家规范工程桩应进行单桩承载力和桩身完整性抽样检测。

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。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。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。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。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。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。

单向应力测量：测点布置在纯弯曲区域，受拉区钢筋上也常布置测点。平面应力测量：测点布置在剪应力较大部位。布置直角应变网络。钢箍和弯筋的应力测量翼缘与边孔应力测量校核测点3、裂缝测量测定钢筋混凝土梁的抗裂性能。

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。测量项目：裂缝出现时间裂缝宽度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。斜截面裂缝测定二、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。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。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榀屋架对顶卧位试验。屋架试验的支承方式与梁试验相同。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。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屋架仅承受节点荷载时，测点布置在相应节点之下；跨度较大屋架，测量杆件相对其两端节点的最大位移；支座沉陷与局部受压引起的变位测量；水平位移测量。（2）屋架杆件内力测量一般情况，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。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。4.4.3薄壳和网架结构试验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。2、试验项目和测点布置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。4.5.1整体变形量测结果整理1、简支构件的挠度预应力钢筋混凝土结构2、悬臂构件的挠度4.5.2截面内力1、轴向受力构件2、压弯或拉弯构件3、双向弯曲构件4.5.3平面应力状态下的主应力计算1、平面应力计算基本公式2、已知主应力方向，计算主应力和剪应力。3、主应力方向未知，计算主应力和剪应力。4.5.4试验曲线的图表绘制例：验证钢筋混凝土矩形单筋受弯构件正截面的极限弯矩公式。实测极限弯矩计算极限弯矩1、荷载－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、荷载－应变曲线例：钢筋混凝土受弯构件试验。要求测定控制截面上的内力变化及其与荷载的关系、主筋的荷载应变及箍筋应力和剪力的关系。3、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