第3章加载设备及试验装置

土木工程结构试验与检测

TESTINGANDINSPECTIONFORCIVILENGINEERINGSTRUCTURE

刘明教授上课了！！！第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup进行结构试验时，应在试验结构上再现要求的荷载，即试验荷载。试验荷载绝大多数是模拟荷载，而产生这些模拟荷载的方法很多，一般都通过加载设备和试验装置产生，可用于结构试验的加载设备有重物、气压、机械机具、液压、动力激振以及与它们相匹配的各种试验装置等。下面将介绍一些最常用的加载设备和试验装置。第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.1重物加载（deadloading）3.1.1重物直接加载（deadloadingappliedonthesurfaceofspecimens）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－吊篮第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.1.2杠杆加载方法(levereddeadweightsloading)图3.1.4杠杆加载方法1－试件；2－重物；3－支座；4－支墩；5－荷载盘；6－分配梁支座；7－分配梁；8－加载支点；9－杠杆；10－荷载支架；11－杠杆平衡重第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup（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）桩支承第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.2气压加载（airloading）

(a)正压加载（b）负压加载图3.2.1气压加载示意图1－板试件；2－气囊；3－压力表（或用U形管量测）；4－管道；5－泄气针阀；6－进气针阀；7－减压阀；8－气瓶（高压）；9－试验壳体；10－支承板；11－接真空泵第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.3机械机具加载（mechanicalloading）图3.3.1机械机具加载示意图1－绞车或卷扬机；2－测力计；3－滑轮；4－弹簧；5－螺杆；6－试件；7－台座或反弯架第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.4液压加载（hydraulicloading）如图3.3.1所示图3.4.1液压系统加载系统1－油泵;2－油管;3－横梁;4－立柱;5－台座;6－千斤顶;7-－试件;8－支墩;9－测力计

图3.4.2液压加载千斤顶1－回程油管接头;2－活塞;3－油缸4－高压油管接头;5－丝杆第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.4.1液压千斤顶（hydraulicjack）如图3.3.2所示3.4.2大型结构试验机（largestructuraltestingmachine）图3.4.3结构长柱试验试验机l－试验机架；2－液压加载器；3－操纵台第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.4.3电液伺服加载系统（electro-hydraulicservoloadingsystem）图3.4.3电液伺服液压系统工作原理1－冷却器；2－电动机；3－高压油泵；4－电液伺服阀；5－液压作动器；6－试验结构；7－荷载传感器；8－位移传感器；9－应变传感器；10－荷载调节器；11－位移调节器；12－应变调节器；13－记录及显示装置；l4－指令发生器；l5－伺服控制器；16－台座第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup1．电液伺服作动器（electro-hydraulicservoactuator）电液伺服作动器是电液伺服实验系统的动作执行者，其构造如图3.3.5所示。图3.4.5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1233567第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2．控制系统（controlsystem）控制系统由液压控制器、电参量信号控制器、绘图仪和计算机四部分组成。其中液压控制器控制液压源的启动和关闭；电参量信号控制器主要控制荷载、位移、应变等参量的转换，还有极限保护以免开环失控等功能；绘图仪主要对试件的各阶段力－变形的变化规律进行实时直观显示；计算机主要对电信号控制器和绘图仪进行实时自动控制。第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3．液压源（hydraulicpowersupply）液压源为整个实验系统提供液压动力。对于电液伺服作动器这种高精度加载设备，相应的液压源也有很高的技术要求，例如要保持液压油的压力和流量工作稳定，同时对供电也有一定的要求，还要有安全保护环节及其监测仪表，以保证液压源的安全运行。另外，电液伺服加载系统所用液压油的洁净程度比一般液压设备的高许多，在供油管路和回油管路都装有过滤器，这主要是为了保证作动器上的电液伺服阀能够安全可靠地工作。第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.4.4地震模拟振动台（shakingtable）见图3.3.6图3.4.6地震模拟振动台1－试验结构模型；2－控制室；3－振动台台面；4－电液伺服助动器；5－振动台基础；6－液压动力系统123365第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetupl.振动台台面与基础（shakingtableandfoundation）振动台台面是有一定尺寸的平板结构，需要有足够的刚度和承载力，通常采用钢结构。振动台应安装在质量很大的基础上，基础的重量一般为可动部分重量或激振力的10～20倍以上，这样可以改善系统的高频特性，并减小对周围建筑和其他设备的影响。第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2.液压驱动和动力系统（hydraulicandpowersystem）液压驱动系统是向振动台施加巨大推力的设备。目前世界上已经建成的大中型地震模拟振动台，基本是采用电液伺服系统来驱动，它在低频时能产生巨大的推力。根据输入信号（周期波或地震波），由电液伺服阀控制进入作动器的液压油流量的大小和方向，从而由作动器推动台面能在垂直轴或水平轴方向上产生相位受控的正弦运动或随机运动。第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.控制系统（controlsystem）地震模拟振动台的控制系统主要由模拟控制和数字控制两部分组成。模拟控制方法又分为两种。一种是采用位移反馈控制的PID控制方法，同时利用压差反馈作为提高系统稳定的补偿，德国SCHENCK公司就是采用这种控制方法；另一种方法是将位移、速度和加速度共同进行反馈的三参量反馈控制方法，美国MTS公司就是采用这种控制方法。第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup4.测试和分析系统（measurementanddata-processingsystem）测试系统一般是测量位移、加速度和应变等参数，总通道数可达百余点。位移测量多数采用差动变压器式和电位计式的位移计，可测量模型相对于台面的位移或相对于基础的位移；加速度测量采用应变式加速度计、压电式加速度计，近年来也采用差容式或伺服式加速度计。第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.5动力激振加载法（dynamicloading）1.冲击力加载（impactloading）（1）初位移加载法ab图3.5.1用张拉突卸法对结构施加冲击力荷载1-结构物；2-钢丝绳；3-铰车；4-钢拉杆；5-保护索；6-模型；7-钢丝；8-滑轮；9-支架；10-重物；11-减振垫层第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup（2）初速度加载法（a）（b）图3.5.2用摆锤或落重法施加冲击力荷载1－摆锤；2－结构；3－落重；4－砂垫层；5－试件第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2．离心力加载（centrifugalforceloading）离心力加载是根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。其特点是运动具有周期性，作用力的大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。离心力加载一般采用机械式激振器。激振器由机械和电控两部分组成：机械部分主要是由两个或多个偏心质量组成，一般的机械式激振器工作频率范围较窄，大致在50～第3章加载设备与试验装置

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60Hz以下，由于激振力与转速的平方成正比，所以当工作频率很低时，激振力就较小；电气控制部分采用单相可控硅，速度电流双闭环电路系统，对直流电机实行无级调速控制。通过测速发电机作速度反馈，通过自整角机产生角差信号，送往速度调节器与给定信号综合，以保证两台或多台激振器不但速度相同且角度亦按一定关系运行。第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3．直线位移惯性力加载（linerdisplacementinertiaforceloading）图3.5.3直线位移惯性力加载系统1－固定螺栓；2－加载器；3－伺服阀；4－荷重；5－平台；6－钢轨；7－低摩擦直线滚轮；8－楼板第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.5.2电磁加载（electromagneticloading）（a）激振器（b）振动台1－外壳；2－支撑弹簧；3－动圈；4－铁心；1－机架；2－激振头；3－驱动线圈；4－支撑弹簧；5－励磁线圈；6－顶杆5－磁屏蔽；6－励磁线圈；7－传感器图3.5.4电磁加载设备第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.5.3现场动力试验的激振方法（fielddynamictesting）1.人体激振动加载法（vibrationloadingbyhuman）在试验中发现，人们可以利用自身在结构物上的有规律的活动，即使人的身体作与结构自振同步的前后运动，产生足够大的惯性力，就有可能形成适合作共振试验的振幅，这种方法称为人体激振动加载法。第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2.人工爆炸激振法（vibrationloadingbyartificialexplosion）人工爆炸激振法是指在试验结构附近场地采用炸药进行人工爆炸，利用爆炸产生的冲击波对结构进行瞬时激振，使结构产生强迫振动。可按经验公式估算出人工爆炸产生场地地震的加速度A和速度V：

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Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3．环境随机振动激振法（stochasticvibration）建筑物经常处于微小而不规则的脉动中，这种微小而不规则的振动来源于微小的地震活动、机器运作、车辆行驶等，使地面存在着连续不断的运动，其运动的幅值极为微小，而它所包含的频谱是相当丰富的，故称为建筑脉动。第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.6加载装置（loadingdevices）3.6.1试验台座（testfloor）1．槽式试验台座（channeltype）图3.6.1槽式试验台座横向剖面图1－槽轨；2－型钢骨架；3－高强度混凝土；3－混凝土第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2．地锚式试验台座（groundanchortype）1－1图3.6.2地锚式试验台座1－地脚螺丝；2－台座地槽第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3．箱式试验台座（boxanchortype）图3.6.3箱式试验台座1－箱形台座；2－顶板上的孔洞；3－试件；4－加荷架；5－液压加载器；6－液压操纵台第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup4．槽锚式试验台座（channelanchortype）图3.6.3槽锚式试验台座1－滑槽；2－高强度混凝土；3－槽钢；4－锚栓第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup5．抗弯大梁式台座（beamtype）图3.6.5抗弯大梁台座的荷载试验装置1一试件；2一抗弯大梁；3一支墩；4一分配梁；5一液压加载器；6一荷载加载架第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.6.2水平反力墙或反力架（horizontalreactionsetup）（a）（b）图3.6.7水平反力装置1－反力墙；2－试验台座；3－推拉加载器；4－试件；5－反力架；6－千斤顶滚轴连接5631233NNF1F2第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.6.3竖向荷载架（verticalreactionsetup）图3.6.8组合式垂直荷载架第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.6.4分配梁（transformationbeams）图3.6.9分配梁加载示例1－分配梁；2－试件第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.6.5支座与支墩（supportsandbuttress）1．支座（supports）图3.6.10常见铰支座的形式（a）活动铰支座；（b）固定铰支座；（c）球铰支座（a）（c）（b）第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup对于不同的结构形式，要求有不同的支座形式，具体如下：（1）简支梁和连续梁支座图3.6.11嵌固端支座构造1－试件；2－上支座刀口；3－下支座刀口；4－支墩；5－拉杆图3.6.12板壳结构的支座布置方式1－滚轴；2－钢球；3－试件；4－固定球铰第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup（2）四角支承板和四边支承板的支座（3）受扭试件两端的支座图3.6.13受扭试验转动支座构造1－受扭试件；2－垫板；3－转动支座盖板；4－滚轴；5－转动支座第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup（3）受压试件两端的支座（a）（b）图3.6.13柱与压杆试验的铰支座（a）单向铰支座；（b）双向铰支座1－试件；2－铰支座；3－调整螺丝；4－刀口第3章加载设备与试验装置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2．支墩（buttress）支墩本身的强度必须进行计算，以保证试验时不致发生过度变形。支墩在现场多用砖块临时砌成，支墩上部应有足够大的平整支承面，最好在顶部铺钢板，支承面积要按地耐力复核。在试验室内