混凝土结构试验1 2章

华北水利水电学院教案土木与交通学院～建筑结构试验～PAGE建筑结构试验结构试验概论所谓建筑结构试验，就是对建筑结构或者是它的构件施加一定的荷载，这个荷载我们指的就是比较广义的，包括力，也包括温度或者是变形，然后用现代的测试手段对它引起来的各种反应，比如说：变形、位移、应变等等进行测量，通过这些测量来观测结构对荷载的反应能力，考查它是否符合使用和设计要求，同时，也可以通过这种观测，来得到荷载与它产生的变形之间的关系，为计算提供实践根据。结构试验是土木工程专业的一门专业课，首先它以建筑结构的专业知识为基础，例如材料力学、结构力学、弹性力学、混凝土结构、砌体结构、钢结构等。其次结构试验必须依靠试验加载设备和仪器仪表来进行，了解这些设备仪表的原理和使用方法是很重要环节，这就需要掌握机械、液压、电工、物理等方面相关内容。再次，计算机是现代结构试验技术的核心，运用计算机进行试验控制、数据采集、信号分析及处理等等。总之，结构试验是一门综合性很强的课程。在对结构进行试验时，试验方法必须遵守《混凝土结构试验方法标准》（GB50152-92）《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101-1996）等专门技术标准。1.1建筑结构试验任务1研究对象：建设工程的结构物2主要任务：在试验研究对象上应用科学的试验组织程序，使用仪器设备为工具，利用各种实验为手段，在荷载或其他因素作用下，通过对结构物受作用后的性能进行观测和对测量参数进行分析，从强度、刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判明结构的实际工作性能，从而对结构物的工作性能作出评价，对结构物的承载能力作出正确估计，确定结构对使用要求的符合程度，为验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。例如：钢筋混凝土简支梁在静力集中荷载作用下，可以通过测得梁在不同受力阶段的挠度、角变位、截面应变和裂缝宽度等参数，来分析梁的整个受力过程以及结构的强度、挠度和抗裂性能。所以，建筑结构试验是以实验方式测定有关数据，由此反映结构或构件的工作性能、承载能力和相应的安全度，为结构的安全使用和设计理论的建立提供重要根据的学科。1.2建筑结构试验的原因

1发展结构理论和计算方法及理论创新离不开结构试验例如：简支受弯梁试验（著名路标试验）研究简支受弯梁截面应力分布简支受弯梁试验：（路标试验）√17世纪初，伽利略提出截面应力均匀分布；√17世纪中，有人将截面应力修正为三角形分布；√1713年，巴朗（法国）提出正确的应力分布型式，但未进行试验验证；√1767年，容格密里提出路标试验；√1821年，拿维叶(法国科学院院士)推导了受弯构件应力分布的计算公式；√1850年，阿莫历思(法国科学院院士)完成了试验验证。再如：我国结构及设计规范每5-10年修订一次，高强混凝土、碳纤维、钢纤维、聚合物等在工程中的应用使计算模型、施工工艺得到了改变，所以要进行大量的试验研究，提出修订相应规范的合理方法和构造措施。2发现结构设计误区离不开结构试验√人们对于框架矩形截面柱和圆形截面柱的受力特性认识较早，工程设计中应用最广。√20世纪80年代，出现了异形截面柱框架（“丁”型、“L”型和“十”字型）。起初误认为柱子的受力特性与柱的截面形式无关。但通过试验证明，柱子的受力特性与柱子截面的形状有很大关系，矩形截面柱的破坏特征属于拉压型破坏，异形截面柱的破坏特征属于剪切型破坏。“□”型、“○”型“丁”型、“L”型和“十”字型拉压型破坏剪切型破坏3建筑结构的质量鉴定离不开结构试验防灾减灾：受到灾害（风灾、雪灾、地震）的建筑物要进行检测，评价其安全度，为加固提供依据。旧有建筑：超期或使用较长时间的建筑物，有沉降、裂缝、变形等现象，为使用者提供加固依据及加固方案。功能改造：原有建筑要改造，因使用多年后其材料性能、支承边界条件、荷载作用与原始设计不同了，需要用试验检测手段提供结构设计改造的科学依据。5工程结构领域的科学发展离不开结构试验近年来高层建筑、大跨度建筑、特种结构、地下复杂结构等不断涌现，这些结构用到了新技术、新工艺、新材料、新方法，仅依靠计算的结果来设计不能满足工程要求，况且为了简化计算，有些是建立在假定的基础上的，有了假定自然要进行试验验定。1.3结构试验的目的1科学研究性试验√特点:具有研究探索开发的性质，针对试件而不是实际结构或构件，通过试验，找到结构受力和它的各种变形之间的关系。√应用场合：⑴验证结构计算理论；我们好些计算理论，尤其是设计的理论，它并不是很严密的。它为了设计能够简化，所以做了许许多多的假定。那么这些假定是不是真能够反映实际情况，能够使得设计能够满足使用和它的安全要求，那么事先都要做些试验。比如说一个大跨度的混凝土屋架，一般混凝土屋架，都是上弦做成拱形的，下弦是个预应力的拉杆，然后中间只做一些竖向的辅杆，假如说要按照结构力学理论来计算，这当然是个超静定的问题。但是为了设计当中能够计算简化，那么就有一个假定，假定什么呢，假定这些竖向的辅杆，它的受力都是0，这样这个屋架就变成了上弦只是一个拱，下弦有拉杆，实际就是有拉杆的一个拱。有了这个假定那当然要做些试验来对它进行验定，那么验证的结果就是只要跨度比较大，比如说在30或者在36米以上，证明竖向辅杆的受力，就是轴力，它的受力是0，实际上就是证明了这个假定对于大跨度的屋架还是合理的。⑵为编制有关设计规范提供依据；现在的各种设计规范（钢筋混凝土的、砖石结构的、钢结构的）进行了很多次的重大的修改，那么在每次重大修改的时候都有大批的人员对它各种设计理论进行深入的研究，通过这么多试验研究为制定规范提供了很牢固的实践基础。⑶推广应用新结构、新材料、新工艺。近几十年来，我们国家建筑结构当中的应用的新结构、新材料和新工艺是很多的。每一项新结构、新工艺、新材料在推广过程当中，都进行了大量的试验研究。比如说钢绞线作为预用力钢筋，现在也大量的使用，这在它使用初期实际上对它做了很多的试验研究，采用这种预用力钢筋，需要对它的预用力损失、应力松弛进行长期的研究使用钢绞线的预用力的时候需要进行锚固，那么这些锚固件的强度，锚固件的使用，张拉工艺都进行了长期的试验研究，最后才能够进行大面积的使用。2生产鉴定性试验√特点:非探索性，有比较成熟的计算理论，针对实际结构或构件√应用场合：⑴检验结构设计和施工情况；一般一个新的建筑结构，在合同当中应该把它定下来做哪些检验。主要是在设计后要做试验来证明设计是否合理，在施工后也要进行检验，证明施工是否正确。⑵检验已有结构的可靠性，判断剩余寿命；主要是指旧的建筑物，要想重新利用它，就要对它的结构和性能就要进行评估，看看它有没有危险，是不是还继续能够使用。⑶鉴定加固，改造工程的实际受力性能；建筑物在使用过程中可能要改变用途，也可能要增加楼房层数，一个厂房里吊车由于生产工艺的改变，可能要增加吊车的起重量等等，这些情况都要事先进行一些结构试验，来证明看看它能不能承受了这种改变。⑷为工程事故鉴定处理提供技术依据；由于在生产过程中由于各种施工条件的变化，使工程出现一些缺欠，比如说混凝土出现蜂窝洞或者是其它一些情况，除了外观检查之后要修补，修补完了要对它进行适当的结构试验来证明它是不是还有承载能力。⑸预制构件性能检验预制构件当然有的是在预制构架厂生产，有的可能在工地生产，这些只要是预制的那么施工检验规程就规定必须进行检验，这种检验在施工规程里面把它定为强制型的条款，通过它的检验来推测整个的这一批预制构架的性能好坏。1.4结构试验的分类√按照试验对象来分类：真型试验与模型试验√按照荷载性质来分类：静力试验与动力试验√按照试验时间来分类：短期荷载试验与长期荷载试验√按照试验场合来分类：实验室试验与现场试验√按照破坏程度来分类：破坏性试验与非破坏性试验1真型试验与模型试验⑴真型试验

试验对象：实际结构或足尺复制结构

优点：完全反应真实结构受力特性，试验结论可靠

缺点：费用高、加载难度大、试验周期长例如：泰山核电站安全壳加压整体性能的试验就是一种非破坏性的现场原物试验。对于工业厂房结构的刚度试验、楼盖承载能力试验等均应在实际结构上加载量测。另外，在高层建筑上进行风振测试和通过环境随机振动测定结构动力特性等均属此类试验。由于结构抗震研究的需要．国内外已经开始重视对结构整体性能的试验研究，通过对足尺结构进行试验，可以对结构构造、构件之间的相互作用、结构的整体刚度以及结构破坏阶段的实际工况等进行全面观测了解。⑵模型试验

试验对象：缩尺试件（按比例）

优点：实施方便，费用低，可反复观察

缺点：严格相似条件难实现，尺寸效应模型试验一般分成两种：一种是弹性模型，弹性模型就是它整个在弹性范围内来做试验，那么这里主要是钢结构或者某些混凝土结构，只研究它的弹性性能；另一类模型是强度模型，就不单研究它的弹性性能而且要研究它从弹性变成弹塑性最后到破坏，那么研究它的除了弹性性质、弹塑性性质，而且还要观察它的破坏性特征。2静力试验与动力试验⑴静力试验（试验过程中结构物加速度效应可以忽略不计）

优点：加载设备简单，试验观测方便

缺点：不能反映结构动力性能

单调静力加载试验、低周反复静力试验、拟动力试验√单调静力加载试验：试验加载从0开始，在几分钟到几小时内，荷载逐渐单调增加到构件破坏。钢混结构、砌体结构、钢结构的设计理论和方法就是通过该方法建立的。√低周反复静力试验：又叫拟静力试验，是抗震试验的一种。次数反复不是很多，但是荷载加载比较大，它是由一个方向加过去，然后再加回来，使建筑物左右摆动，通过这个来研究结构或者构件的抵抗震动的强度，因为它的加载比较慢，实际也属于静力试验的范围。√拟动力试验：也是结构抗震方法的一种，将地震波作为指令信号发送个伺服阀，使油缸活塞移动，从而推动作动器左右（上下）运动，与作动器相连的力传感、位移传感器将量测的力和位移等数据作为反馈信号输入到计算机。计算机根据指令信号与反馈信号，控制加载系统使结构产生新的指令信号，由此形成一个递推过程。这样得到地震作用下的时程相应曲线。⑵动力试验

振动台试验、疲劳试验、风载试验

优点：能真实反映结构动力特性和动力响应

缺点：加载设备和测试手段复杂实际工程结构大多受到动力荷载作用，如铁路或公路桥梁、工厂中的吊车梁、风对大跨结构和高耸结构的作用、地震对结构的破坏等等。结构动载试验利用各种动载试验设备使结构受到动力作用，通过观测动力响应，进而了解和掌握结构的动力特性。√疲劳试验：多在单个构件上，利用疲劳试验机，对结构施加重复荷载，常规按400～500次/分钟，总次数为200万次进行。结构上某点或某部分发生损伤累积导致裂纹生产并扩展，后结构疲劳破坏。比如说桥梁，上面有汽车从桥梁上通过，那么汽车开到桥上，桥上然就受力，等汽车开下桥后，力又恢复到没有。那么这种反反复复的移动荷载的作用就会使构件产生一种疲劳现象，√振动台试验：模拟台是一种专用结构动载试验设备，在振动台上安装结构模型，按预先设定的地震波，量测相应动位移、动应变等数据，在几秒到十几秒内完成试验。√风洞试验：风洞试验装置能产生并控制气流以模拟建筑物周围的空气流动，并可量测气流对结构的作用。3短期荷载试验与长期荷载试验⑴短期荷载试验

一般试验全过程持续几分钟到几天

优点：加载设备简单，试验观测方便

缺点：不能反映结构动力性能⑵长期荷载试验

试验全过程持续几个月、几年到数十年

主要研究与时间有关的结构特性（建筑材料有一定的粘弹性，如混凝土的收缩、徐变，预应力筋的松弛，结构的耐久性等）

通常对试验环境有较严格的控制，恒温、恒湿等（突出荷载因素，消除其他因素）4破坏性试验与非破坏试验⑴破坏性试验

实验室试验和短期荷载试验多为破坏试验结构非破损检测:以不损伤和不影响结构功能为前提⑵非破坏性试验

现场试验和长期荷载试验多为非破坏试验现场检测混凝土强度：回弹法、超声-回弹综合法、拔出法、使结构受轻微损伤的钻芯法等。检测混凝土内部缺陷：有超声法、脉冲回波法、X射线法、雷达法等。还可检测钢筋的直径和保护层厚度。检测砂浆和块体强度：回弹法、灌入法检测砌体抗压强度：冲击法、拔出法、液压扁顶法检测钢结构焊缝缺陷：超声法、X射线法1.5结构试验技术的发展⑴发展历史√解放前，结构试验在我国几乎是空白；√1949年解放后结构试验得到了飞速发展。√1953年，长春市25.3m输电塔原型检验性试验；√1957年，武汉长江大桥鉴定性试验任务√1959年，北京火车站35m*35m双曲薄壳静力试验；√1973年，上海体育馆、南京五台山体育馆网架模型试验；√1977年，我国制定“建筑结构测试技术的研究”八年规划；√上世纪80年代以来，随着大型高精度试验装置和数采系统的应用，标志着我国结构试验达到一个新水平。⑵发展趋势√先进的大型和超大型实验装备例如：电液伺服压力试验机最大加载能力达到50000KN,可以完成实际尺寸的高强混凝土柱的破坏性试验。地震模拟振动台阵列，当多个独立振动台组成并排成一列时，模拟桥梁结构遭遇地震；多个独立振动台组成并排成一方阵时，模拟建筑结构遭遇地震。再现极端灾害的大型风洞、大型离心机等等。√基于网络的远程协同结构试验技术通过远程模拟网络将各个实验室联系起来，利用网络传输实验数据和控制信息，各个实验室在统一协调下联机试验，达到共享设备和信息资源，实现所谓“无墙实验室”。√现代测试技术以新型高性能传感器和数据采集技术为主要方向。传感器是信号检测的工具，理想传感器要求精度高、灵敏度高、抗干扰强、测量范围大、体积小等特点。新型光纤传感器可在千米内以毫米级精度确定混凝土结构裂缝位置。大量高精度位移传感器可以在1000mm内达到＋0.01mm精度。数据采集技术与计算机技术相结合后，采样速度达到500m/秒，可以清楚记录如结构经受爆炸时的瞬态特征。√计算机与结构试验第二章结构试验设计原理2．1建筑结构试验组织计划的意义

(1)组织工作的需要

组织就是对某—项劳动任务从计划到完成进行的全过程、全方位的统筹，计划工作是组织工作最关键的一个环节，要完整地完成一项劳动任务，首先应该就该项劳动任务进行一番思考或计划，首先清楚任务的来源和目的，明白任务的目标和要求，以及影响因素等问题，然后才能决定怎么干。事先没有计划的行动是盲目的行动，盲目的行动结果只能是失败或事倍功半，所以计划是组织工作的需要。

(2)结构试验特点的要求

1)建筑结构试验没有固定的模式。结构试验不像建筑材料实验，有规范化的仪器仪表，有规范化的实验程序和要求，实验工作从头到尾都是标准化的，结构试验的个别性很强，一个试验和另一个试验的组织内容不可能完全一样。

2)建筑结构试验耗资较大。结构试验试件的设计要求比较特殊，成本较高，实验设备数量多、品种多，试验人员数量多，易耗品数量大、费用高，测点数量多、品种也多，使实验组织工作的难度较大、成本高。试验一旦失败，其损失难以挽回，即结构试验的重复性差。

3)建筑结构试验周期长，耗时量大。

(3)关系到试验的成败

(4)体现技术水平和管理水平的窗口从以上4个方面充分证明了结构试验组织计划工作的重要性。图2.1给出了结构试验的主要环节

图2.1结构试验主要环节2.2结构试验内容1、试验设计阶段(Plan)（1）反复研究试验目的。充分了解体会试验的具体任务，进行调查研究，搜集有关资料；（2）确定试验的性质与规模。对于研究性试验，应提出并说明本试验拟研究的主要参数以及这些参量在数值上的变动范围，列表给出试件的规格尺寸和数量，绘制试件制作施工图，给出预埋传感元件技术要求，提出对材料性能的基本力学性能指标。（3）试验前认真规划，编制试验大纲。试验大纲是控制整个试验进程的纲领性文件，一般结构试验大纲包括：试验任务分析、试件设计及制作工艺、试验装置与加载方案设计（荷载种类及数量，加载设备装置，荷载图式及加载制度)、观测方案设计（观测项目，测点布置等）及试验终止条件和安全措施（人身安全和仪器仪表等的安全防护)。在建筑结构试验设计中首先要进行试验对象——试件的设计，试件设计应包括试件形状、尺寸与数量以及构造措施的考虑，同时还必须满足结构及受力的边界条件、试验的破坏特征、试验加载条件的要求，尽量以最少的试件数量得到最多的试验数据，满足研究任务的需要。2、试验准备阶段(Do)试验准备阶段要占全部试验工作的大部分时间，工作量也最重。试验准备工作的好坏直接影响到试验能否顺利进行和能获得试验结果的多少。试验准备阶段的主要工作有：（1）试件的制作在制作试件时应注意材性试样的留取、编号，注明试件日期、原材料情况，这些原始资料都是最后分析试验结果不可缺少的参考资料。（2）试件质量检查包括试件尺寸和缺陷的检查，应作详细记录，纳入原始资料。（3）试件安装就位一切支承零件均应进行强度验算，并使其安全储备大于试验结构可能有的最大安全储备。同时，试件的支承条件应力求与计算简图一致。在试件安装就位时，要尽量减少安装误差，使试件就位后的实际计算跨度(梁)和计算高度(栓)与计算简图一致。由于支座约束条件与构件的内力传递及变形有关，试件安装时应严格按照设计要求选择支座形式。（4）安装加载设备加载设备的安装应满足“一稳二准三方便，四强五刚六安全“的要求，即就位要稳定准确方便，固定设备的支撑系统要有一定的强度、刚度和安全度。（5）仪器仪表的率定对测力计及一切量测仪表均应按技术规定要求进行率定，各仪器仪表的率定记录应纳入试验原始记录中，误差超过规定标准的仪表不得使用。（6）作辅助试验辅助试验多半在加载试验阶段之前进行，以取得试件材料的实际强度，便于对加载设备和仪器仪表的量程等作进一步的验算。（7）仪表的安装、连线试调仪表的安装位置、测点号，在应变仪或记录仪上的通道号等等都应严格按照试验大纲中的仪表布置图实施，如有变动，应立即做好记录，以免时间长久后记忆不清而将测点混淆。（8）记录表格在试验前应根据试验要求设计记录表格，其内容及规格应周到详细地反映试件和试验条件的详细情况，以及需要记录和量测的内容。切勿养成试验前无准备地在现场临时用白纸记录的习惯。记录表格上应有试验人员的签名并附有试验日期、时间、地点和气候条件。（9）算出各加载阶段试验结构各特征部位的内力及变形值以备在试验时判断及控制。（10）在准备工作阶段和试验阶段应每天记工作日志。3、试验实施阶段(Check)（1）加载试验加载试验是整个试验过程的中心环节，应按规定的加载顺序和量测顺序进行。发现有反常情况时应查明原因或故障，把问题弄清楚后才能继续加载。例如混凝土受弯试验是按照分布加载法进行的。在试验过程中，结构所反映的外观变化是分析结构性能的极为宝贵的资料，对节点的松动与异常变化，钢筋混凝土结构裂缝的出现和发展，特别是结构的破坏情况都应作详尽的记录及描述。这些容易被初作试验者忽视，而把主要注意力集中在仪表读数或记录曲线上，因此应分配专人负责观察结构的外观变化。试件破坏后要拍照和测绘破坏部位及裂缝简图，必要时，可从试件上切取部分材料测定力学性能，破坏试件在试验结果分析整理之前不要过早毁弃，以备进一步核查。（2）试验资料整理试验资料整理是将所有的原始资料整理完善，其中特别要注意的是试验量测数据记录和记录曲线，都作为原始数据经负责记录人员签名后，不得随便涂改。4、试验完成阶段(Action)（1）试验数据处理因为从各个仪表获得的测量数据和记录曲线一般不能直接解答试验任务所提出的问题，它们只是试验的原始数据，需对原始数据进行科学的运算处理才能得出试验结果。（2）试验结果分析试验结果分析内容是分析通过试验得出了哪些规律性的东西，揭示了哪些物理现象。最后，应对试验得出的规律和一些重要现象作出解释，分析它们的影响因素，将试验结果和理论值进行比较，分析产生差异的原因，并作出结论，写出试验总结报告。总结报告中