结构试验的加载设备和试验装置

建筑结构试验为了察看某事的结果或某物的性能而从事某种活动。第2章结构试验的加载设备和试验装置学习目的和要求：P247

本章解决是如何把荷载加到试验对象上，即介绍结构试验的加载设备和试验装置。课程内容分9节来讲，即：概述、重力加载法、液压加载法、机械力加载法、气压加载法、惯性力加载法、电磁加载法、其它加载法及结构试验装置和试验台座。

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。合理地选择加载设备，正确进行加载方案设计，可以保证结构试验的顺利完成，提高试验精度，节约试验经费。若加载方案设计不当，加载设备选择不合理，往往会影响试验工作顺利进行，或者达不到试验的目的，甚至导致试验失败，严重时还会发生安全事故。第2章结构试验的加载设备和试验装置?一、荷载选用原则二、荷载的分类三、产生荷载的方法与加载设备种类四、结构试验对加载设备的要求五、荷载图式与试验荷载制度六、荷载系统第2章结构试验的加载设备和试验装置第一节概述

一、荷载选用原则试验用的荷载形式、大小、加载方式等都是根据试验的目的要求，以如何能更好地模拟原有荷载等因素来选择。在决定试验荷载时，还应该根据试验室的设备条件和现场所具备的试验条件的具体情况进行。第2章结构试验的加载设备和试验装置第一节概述

二、荷载的分类：直接作用：自重、活荷、雪、灰、施工、风等；间接作用：温度、收缩、偏差、沉降、地震等；分布；集中；短期；长期；静；动；由模拟荷载实现第一节概述动力试验荷载

1.惯性力或电磁系统激振;

第一节概述三、产生荷载的方法与加载设备种类

2.比较先进的设备是由自动控制、液压装置与计算机相结合而组成的电液伺服加载系统和由此作为振源的地震模拟振动台加载设备等施加的荷载；3.人工爆炸和利用环境随机激振（脉动法）的方法。

车辆以较高速度行驶过桥梁时，由于桥面或轨面的不平整、车轮不圆，以及发动机的抖动或机车的偏心作用等原因，会引起桥梁结构的振动，这种动力效应通常称为冲击作用。

4.车辆动态荷载（1）跳车荷载；（2）刹车荷载；（3）跑车荷载。

第一节概述三、结构试验荷载的类别动力试验四、结构试验对加载设备的要求⑴试验荷载的图式所产生的内力值完全一致或极为接近；⑵荷载值准确；荷载传力方式和作用点明确，产生的荷载数值要稳定；⑶荷载分级符合要求，同时必须满足试验量测的精度要求；⑷加载装置要有足够的安全性和可靠性，强度、刚度满足要求；⑸加载设备的操作要方便，便于加载和卸载，能控制加载速度；⑹采用现代化先进技术。第一节概述五、荷载图式与试验荷载制度1．荷载图式荷载在试验结构构件上的布置形式（荷载的类型、分布方式等）称为荷载图式。2．试验荷载制度试验荷载制度指的是试验进行期间荷载与时间的关系。⑴荷载程序。一般结构静力试验的加载分为预载、标准荷载（正常使用荷载）、破坏荷载三个阶段。加载分级；卸荷分级和一次性卸荷两种。⑵荷载大小。在试验的不同阶段有不同的试验荷载值。

第一节概述第二节重力加载法

重力加载：就是利用物体本身的重量将物体施加于试验结构上作为荷载的加载方式。重物可以直接加在试验结构或构件上，也可以通过杠杆间接加在结构或构件上。二、重力直接加载图

重物堆放作均布荷载试验图l－重物；2－试验板；3－支座；4－支墩一、重力加载的概念第二节重力加载法二、重力直接加载注：当利用吊盘施加集中荷载时，每个荷载盘要分开，使结构所受荷载明确第二节重力加载法二、重力直接加载适用大面平板结构试验，对于水池、油库等结构水是理想的试验荷载，既符合结构的实际使用条件。还可检验其抗裂抗渗性。优点：杠杆原理，将荷载放大作用于结构上。杠杆制作方便，荷载值稳定不变，当结构有变形时，荷载可以保持恒定，对于作持久荷载试验尤为合适，尤其是集中力。第二节重力加载法三、杠杆加载优缺点及注意事项：（1）试验荷载可就地取材，可重复使用，针对试验结构或试件的变形而言，可保持恒载，可分级加载，容易控制；（2）但加载过程中需要花费较大的劳动力，占据较大的空间，安全性差，试验组织难度大；（3）散装或块体材料要注意起拱；（4）注意材料的吸湿性。第二节重力加载法第三节液压加载法一、液压加载器（俗称千斤顶）加载原理：液压加载的工作原理是用高压油泵将具有一定压力的液压油压入液压加载器的工作油缸，使之推动活塞，对结构施加荷载。式中F—荷载值；

p—液压油压强；

A—活塞工作面积静力试验液压加载用千斤顶可分为手动液压千斤顶和电动液压千斤顶。电动液压加载装置的构成与手动分体式加载装置类似，用电动油泵取代手动油泵，由电动机提供能源，组成电动液压加载装置。液压千斤顶电动泵第三节液压加载法一、液压加载器（俗称千斤顶）加载第三节液压加载法一、液压加载器（俗称千斤顶）加载类型：液压加载器是液压加载系统中的主要部件，由活塞、油缸和密封装置等构成。分单向作用和双向作用千斤顶。单作用式千斤顶油缸只有一个供油口，如图

(a)所示。双作用式千斤顶有前后两个工作油腔及两个供油口，如图

(b)所示。特点：荷载大，操作简单，可实现低周反复荷载。需反力设备，多点同步加载卸载比较困难。第三节液压加载法一、液压加载器加载液压加载试验装置液压加载器标定第三节液压加载法一、液压加载器加载第三节液压加载法二、液压加载系统加载

液压加载系统主要是由储油箱、高压油泵、液压加载器、测力装置和各类阀门通过高压油管连接组成的操纵台。图液压加载系统图示特点：对大吨位、大挠度、大跨度的结构更为适用，它不受加荷点数的多少、加荷点的距离和高度的限制，并能适应均布和非均布、对称和非对称加荷的需要。为在试验室里进行大型结构构件的试验，可以将大吨位的液压千斤顶制作成专门的液压加载系统。该系统由液压操作台、液压千斤项、试验机架和管路系统组成，是集液压加载、反力机构、控制与测量于一体的比较完善的专用加载系统，如图所示的长柱结构试验机就是最典型的实例。三、大型结构试验机大吨位、高行程第三节液压加载法主要用于对结构构件进行单向负荷的压力及弯曲疲劳试验。

在一定范围内产生周期性的单向脉冲动荷载，实现正弦波的动态疲劳试验。

试验机由液压脉冲器、控制系统和液压加载器组成。脉冲加载器有50、100、250、500和1000kN等规格。三、大型结构试验机结构疲劳试验机第三节液压加载法脉冲频率：根据试验要求在100——500次/分范围内任意选择。四、电液伺服液压系统第三节液压加载法电液伺服阀工作原理：指令发生器发出的信号经放大后输入伺服阀，转换成大功率的液压信号，将来自液压源的液压油输入加载器，使加载器按输入信号的规律对结构施加荷载。

电液伺服阀根据输入电流的极性控制液压油的流向，根据输入电流的大小控制液压油的流量，且其流量与输入电流基本成比例变化。四、电液伺服液压系统液压源（油源）控制系统电液伺服作动器(加载器)四、电液伺服液压系统第三节液压加载法系统主要由电液伺服加载器、控制系统、液压源等三大部分组成。电液伺服系统的工作原理是利用自动控制和液压技术相结合的电液伺服闭环系统控制试验加载。用于模拟地震、海浪等荷载对结构的作用，进行抗震结构的静力或动力试验。。控制系统及记录显示电液伺服作动器(加载器)液压源（油源）试验结构第三节液压加载法振动台台面与基础运动参数：位移、速度、加速度及使用频率最大日本:（15米☓20米）三向六自由度第三节液压加载法第四节机械力加载法（1）卷扬机、绞车加载----可改变作用力的方向和拉力大小

图利用卷扬机加载图示（2）螺旋千斤顶加载---加载值的大小可用测力计测定。机械力加载是利用简单的机械原理对结构试件加载，结构试验中采用的有卷扬机加载法、吊链加载法、绞车加载法、花篮螺丝加载法、机械千斤顶加载法及弹簧加载法等。（3）螺旋、弹簧加载

----弹簧加载法常用于构件的持久荷载试验。第四节机械力加载法机械力加载法特点及注意事项：1.设备简单，容易实现；2.通过索具加载时，很容易改变荷载作用方向；3.工作应在线弹性范围内；4.缺点是荷载值不大，荷载作用点产生变形时，会引起荷载值的改变。第四节机械力加载法

利用气体压力对结构加载有两种方式：一种是利用压缩空气加载；另一种是利用抽真空产生负压对结构构件施加荷载。由于气压加载所产生的是均布荷载，对于平板或壳体试验尤为适合。第五节气压加载法气压加载的特点和要求气压加载的特点：能真实地模拟面积大、外形复杂结构的均布受力状态；加卸载方便可靠；荷载值稳定易控；需要采用气囊或将试件制作成密封结构，试件制作工作量大；施加荷载值不能太大；构件内表面无法直接观测；气温变化易引起荷载波动。气压加载的要求：气囊或真空内腔需采用适当方法进行密封处理，接缝以及构件与基础之间须密封；基础、反力架等要有足够的强度；为防气温变化引起荷载波动，应增加恒压控制装置，使气体压力保持在允许的控制范围内。第五节气压加载法第五节惯性力加载法1、冲击力加载冲击力加载的特点：荷载作用的时间极为短促，在它的作用下被加载结构产生自由振动，适用于进行动力特性的试验。

初位移加载法（张拉突缷法）：使结构变形而产生一个人为的初始强迫位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位置附近作自由振动。惯性力加载分为冲击力加载和离心力加载。张拉突卸法特点：结构自振时荷载已经不再依附在结构上，适用于刚度不大的结构，用较小的力使结构产生振动。注意：加载时在一个平面内，避免在另一个面内产生振动。

利用摆锤或落重的方法使结构在瞬时内受到水平或垂直的冲击，产生一个初速度，同时使结构获得所需的冲击荷载。初速度加载法（突加荷载法）第五节惯性力加载法第五节惯性力加载法2、离心力加载

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：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。由偏心质量产生的离心力：P=mωr第七节电磁加载法在磁场中通电的导体要受到与磁场方向垂直的作用力，电磁加载就是根据这个原理，在磁场中放入动圈，通以交流电，就可使固定于动圈上的顶杆等部件作往复运动，对试验对象施加荷载。组成：电磁式激振器由磁系统（励磁线圈、铁芯、磁极板）、动圈（工作线圈）、弹簧、顶杆等部件组成。1、电磁式激振器工作原理：在励磁线圈中通入稳定的直流电，使在铁芯与磁极板的空隙中形成一个强大的磁场。与此同时，由低频信号发生器输出一个交变电流，经功率放大器放大后输入工作线圈，这时工作线圈即按交流的谐振规律在磁场中运动并产生一电磁感应力，使顶杆推动试件产生振动。第七节电磁加载法2、电磁振动台电磁振动台由信号发生器、振动自动控制仪、功率放大器、电磁振动器和台面组成。第七节电磁加载法反冲击激振法是利用反冲击激振器对结构施加动荷载，也称“火箭激振”。它适用于现场结构试验，小型反冲击激振器也可用于试验室内构件试验。第八节

其它加载方法1、反冲激振器加载

原理：动量守恒定律特点：不依附于结构，力比较小。第八节

其它加载方法2、人工爆炸加载

大量炸药爆炸时，在邻近区域引起的地面运动加速度，在大小和其它方面的特征都可与天然地震时的地面运动相比拟，因此，可利用地面或地下爆炸的方法产生地面运动的瞬时动力效应，模拟某一烈度的天然地震对结构的影响。人工爆炸产生地面运动的基本特点：地面加速度的峰值随炸药量的增加面增大；峰值离爆心愈近则愈高；加速度持续时间离爆心距离愈远而愈长。要使人工爆炸接近天然地震对结构的影响，要求炸药量大，试验对象离爆心距离远。第八节

其它加载方法3、人工振动加载

人们可以利用自身在结构物上有规律的活动，产生足够大的人力惯性力，就有可能形成适合作共振试验的振幅。这对于自振频率比较低的大型结构来说，完全有可能被激振到足可进行量测的程度。

举例：一个体重约70kg的人使其质量中心作频率为1Hz、双振幅为15cm的左右运动时，将产生大约0.2kN的惯性力。由于在1％临界阻尼的情况下共振时的动力放大系数高达50，这意味着作用于建筑物上的有效激振力大约为10kN。

第八节

其它加载方法4、环境随机振动加载

没有地震存在的大地微动称之地面脉动，一般认为它是由于受到海潮、风浪、气压变动和地球内容活动等自然原因或交通、工业生产及各种人为活动等影响所致，也称之环境随机振动。利用这种脉动现象可以测定和分析结构的动力特性，试验时既不需要任何激振设备，又不受结构形式和大小的限制。建筑结构由于受外界的干扰而经常处于不规则的振动中，其振幅在10μm以下，称之为脉动。而脉冲反应波形中最常出现的频率往往就是建筑物的固有频率。第八节

其它加载方法

建筑结构由于受外界的干扰而经常处于不规则的振动中，其振幅在10μm以下，称之为脉动。

建筑物的随机荷载与地面脉动、风或气压变化有关，特别是受城市车辆、机器设备等产生的扰动和附近地壳内部小的裂缝以及远处地震传来的影响尤为重要，其脉动周期一般为0.1--2.0s，并且任何时候都存在着环境随即振动，从而引起建筑物的响应。这种能够引起建筑物脉动的作用或外界的干扰叫做随机荷载。

结构试验荷载装置是满足试验荷载设计、实现荷载图式、模拟边界条件要求、保证试验加载正常进行的关键之一。

它由试件支撑装置（支座、支墩）、荷载传递装置、荷载支撑装置、结构试验台座和试验辅助装置组成。一、试件支撑装置结构试验的试件支承装置是支承结构，正确传力和模拟实际荷载图式的设备，通常由支座和支墩组成。

第九节

结构试验装置和试验台座第九节

结构试验装置和试验台座一、试件支撑装置滚动铰支座固定铰支座滚动铰支座固定铰支座1、支座支座型式和构造与试件的类型、边界条件的要求等因素有关板壳结构支座：应按实际支承情况利用各种铰支座组合而成。一般情况下常采用四角支承或四边支承的方式。一、试件支承装置支座的基本要求：

1.必须保证结构在支座处能自由转动和结构能正确地传递力；

2.铰支座处的上下垫板要有一定刚度；

3.滚轴直径要进行强度验算；

4.滚轴的长度一般取试件支承处截面宽度。

1、支座固定端支座：

悬臂梁的嵌固端支座设置，上支座中心线和下文座中心线至梁端的距离应分别为设计嵌固长度c的l／6和5／6，拉杆应有足够强度和刚度。一、试件支承装置1、支座一、试件支承装置1、支座受压构件刀铰支座一、试件支承装置1、支座梁式受扭构件转动支座一、试件支承装置2、支墩现场试验多用砖块临时砌成，支墩上部应有足够大的、平整的支承面，最好在砌筑时要铺设钢板。支墩本身的强度必须要进行验算，支承底面积要按地基耐力来复核，保证试验时不致发生沉陷或过度变形。支墩支墩高度一般400-600mm，各支墩高差不大于试件跨度的1/200。第九节

结构试验装置和试验台座二、荷载传递装置结构试验荷载传递装置的作用是将加载设备产生的荷载或作用力正确地按试验荷载图式的要求传递到试验的结构上，同时满足荷载放大、分配和荷载作用形式置换的要求。1、杠杆——利用放大原理，在施加少量荷载的情况下，经过杠杆的传递而获得放大几倍的作用力。（杠杆比例不宜大于1：6，且防止杠杆本身失稳）。二、荷载传递装置1、杠杆分配梁设置示意图二、荷载传递装置

2、分配梁：分配梁是将一个集中力分解成若干个小的集中力的装置。分配梁不用多跨连续梁形式，均为单跨简支形式。一般不宜大于3层，不等比例分配，比例不宜大于1：4，且比例大的荷载要靠近固定铰支一边。分配梁具有足够强度和刚度。二、荷载传递装置2、分配梁：二、荷载传递装置3、卧梁：将集中荷载转换成均布荷载施加在试件上辅设砂浆垫层砂浆强度>试件砼强度50%足够强度刚度三、荷载支承装置1.竖向荷载架2.水平荷载架3.反力墙试验加载时要满足试验的加载要求就必须有一套荷载支承装置。试验加载时要满足试验的加载要求就必须有一套荷载支承设备。1.竖向支承设备2.水平方向支承设备

竖向荷载架水平荷载架混凝土反力墙三、荷载支承装置四、结构试验台座1.抗弯大梁式台座2.空间桁架式台座结构试验台座是永久性的，用以平衡施加在试验结构物上的荷载产生的反力。四、结构试验台座3．地面试验台座槽式试验台座地锚式试验台座箱式试验台座五、试验辅助装置混凝土梁钢管混凝土柱十字节点试验六、现场试验的荷载装置关键：如何实现平衡由液压加载器加载所产生的反力。液压加载重物堆载六、现场试验的荷载装置大跨预应力屋架荷载试验试验荷载及加载装置图片本章小结

本章介绍了结构试验加载设备和加载装置及加载方法，重点掌握液压加载方法。习做一、单项选择题(选择正确答案）1、将物体本身的重力施加于结构上作为荷载的方法称为(P10)A．液压加载 B．气压加载C．重力加载 D．电磁加载2、能够再现天然地震记录的设备是(P19)A.静力加载设备 B.拟动力加载设备C.拟静力加载设备 D.地震模拟振动台3、杠杆加载试验中，杠杆制作方便，荷载值稳定不变，对于做______试验尤为适合。（P11）A．持久荷载 B．临时荷载C．疲劳荷载 D．动力荷载4、建筑物的______有一个重要性质，即它明显反映出建筑物的固有频率和自振特性。（P31）A．颤动 B．脉动C．摆动 D．抖动5、在现场试验油库等特种结构时，______是最为理想的试验荷载，它符合结构物的实际使用条件。（P11）A．土 B．水C．砖 D．石6、液压加载的最大优点是利用______使液压加载器产生较大的荷载，试验操作安全方便。（P12）A．水压 B．电压C．油压 D．气压10、试验荷载装置在满足强度要求的同时还必须有足够的刚度，这主要是试验装置的刚度将直接影响试件的-----(P92)A.初始形态 B.受力形态C.破坏形态 D.稳定形态7、为防止受集中荷载作用的混凝土或砌体局部受压破坏，应在试件表面辅设(P37)A.砂浆垫层 B.钢垫板C.木板 D.砂垫层8、用分配梁进行不等比例分配时，比例不宜大于(P36)A.1∶7 B.1∶6C.1∶5 D.1∶49、气压加载法主要是利用空气压力对试件施加____(P23)A.静力荷载 B.集中荷载C.分布荷载 D.均布荷载11、电液伺服阀是电液伺服液压加载系统的心脏部分，指令发生器发出的信号经____后输入伺服阀。(P19)A.放大 B.缩小C.转换 D.反馈12、利用地震模拟振动台进行试验时，期望再现的某个地震记录应是振动台________的输出波形。(P20)A.台体 B.台座C.台面 D.结构13、结构疲劳试验机应满足2级试验机的精度要求，测力示值相对误差应为_____(P18)A.±l％ B.±2％C.±3％ D.士4％14、为了帮助试验者在静力状态下进行拟动力试验，量测结构在输入地面运动加速度作用时的动力反应，在结构试验中常采用与计算机联机的电液伺服_______（P6、P18--19）A.激振器 B.作动器C.振动台 D.加载系统15、利用油压能使液压加载器产生较大的荷载，并具有试验操作安全方便的优点，是结构试验中应用比较普遍和理想的一种加载方法称为________（P12-14）A.重力加载 B.液压加载C.机械加载 D.气压加载16、使用油压表测定荷载值选用油压表的精度不应低于__（P14）A.1.0级 B.1.5级C.2.0级 D.2.5级17、结构疲劳试验机的脉动频率可根据试验的不同要求，任意调节选用的范围是____（P17）A.100—200次／分 B.100—300次／分C.100—400次／分 D.100—500次／分18、地震模拟振动台试验是一种________抗震动力试验。（P6、P19-21）A.低周反复 B.伪动力特性C.非周期性

D.周期性19、利用在磁场中通电的导体受到与磁场方向相垂直的作用力的原理实施的加载方法称_____（P26）A.电磁加载 B.机械加载C.气压加载 D.重力加载21、用弹簧作持久荷载时，为控制弹簧压力减少值在允许范围内，应事先估计到结构__________的大小。（P22）A．变形 B．应变C．徐变 D．位移22、用垂直落重冲击加载时，为防止重物回弹再次撞击和结构局部受损，需在落点处铺设________的砂垫层。（P25）A．100~200mm B．150~250mmC．200~300mm D．250~350mm23、沿台座纵向全长布置有槽轨，用于锚固加荷支架，加载点的位置可沿台座的纵向任意变动的台座称为(P41)A.地锚式试验台座 B.槽式试验台座C.箱式试验台座 D.抗侧力试验台座24、为了求得柱与压杆纵向弯曲系数，试验时一般采用构造简单效果较好的(P33)A.刀口支座 B.固定端支座C.固定铰支座 D.转动支座25、在整体结构现场试验的荷载装置中，试验时作用在楼面和屋面的垂直荷载可采用(P45)A.重力荷载模拟B.冲击荷载模拟C.机械荷载模拟D.振动荷载模拟26、当使用砂石等松散颗粒材料加载时，如果将材料直接堆放于结构表面，将会造成荷载材料本身的_______，而对结构产生卸荷作用。(P10)A.损失 B.下沉C.起拱 D.压密27、使用液压加载器时，有时荷载量和油压间不成严格的线性关系，因此，确定荷载量时应该(P15)A.用油压压强乘以活塞面积确定 B.按事先制作的标定曲线确定C.用油压表确定