知识资料结构试验(一)(新版)知识资料

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页需要课件请或第十八章结构试验第一节结构实验设计一、结构实验设计概述结构实验就是在结构物或实验对象(实物或模型)上，使用仪器设备为工具，利用各种实验技术为手段，在荷载(重力、机械扰动力、地震力、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……)，从承载力(稳定)、刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判明建造结构的实际工作性能，预计结构的承载能力，决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。结构实验设计的主要内容是对所要举行的结构实验工作举行全面的设计与计划，从而使设计的计划与实验大纲能对囫囵实验起着统管全局和详细指导的作用。在举行总体设计时，首先应该反复研究实验的目的，充足了解本项实验研究或生产鉴定的任务要求。然后可通过调查研究并收集有关资料，决定实验的性质与规模、举行试件的设计，选定实验场所，拟定加载与量测计划；设计专用的实验设备、配件和仪表附件夹具，制订技术安全措施等。除技术上的安顿外，还必须针对实验的规模，去组织实验人员，并提出实验经费预算以及消耗性器材数量与实验设备清单。在上述计划的基础上，提出实验研究大纲及实验进度计划。对于以详细结构为对象的工程现场鉴定性实验，在举行实验设计前必须对结构物举行实地考察，通过调查研究，收集有关文件、设计资料，施工日志，材料性能实验报告及施工质量检查验收记录等，关于使用情况则需要深入现场向使用者(生产操作工人、居民)调查了解，对于受灾损伤的结构，还必须了解受灾的起因，过程与结构的现状。对于实际调查的结果要加以收拾，作为举行实验设计的根据。二、结构实验的试件设计在举行结构强度和变形实验时，作为结构实验的试件可以取为实际结构(原型)的整体或是它的一部分，当不能采用原型结构举行实验时，也可用1：1的足尺模型或缩小比例的缩尺模型。试件设计应包括试件形状的挑选、试件尺寸与数量的决定以及构造措施的研究考虑，同时必须满意结构与受力的边界条件、试件的破坏特征、实验加载条件的要求。（一）试件形状在设计试件形状时，最重要的是要造成和设计目的相一致的应力状态。对于从整体结构中取出部分构件单独举行实验时，异常是在比较复杂的超静定体系中必须要注重其边界条件的模拟，使其能如实反映该部分结构构件的实际工作。当作如图１８－１－１（a）所示受水平荷载作用的框架结构应力分析时，若实验A—A部位的柱脚、柱头部分时，试件要设计成如图１８－１－１（b）所示；若作B—B部位的实验，试件设计成如图１８－１－１（c）；对于梁如作成１８－１－１（d）（e）那样的设计，则应力状态可与设计目的相一致。作钢筋混凝土柱的实验研究时，若要探讨其挠曲破坏性能，如图１８－１－１（h）的试件是充足的，但若作剪切性能的探讨，则反弯点附近的应力状态与实际应力情况有所不同，为此有须要采用图１８－１－１（i）中的适用于反驳称加载的试件。在作梁柱衔接的节点实验时，采用十字形试件如图１８－１－１（f）,节点两侧梁柱的长度普通均取1／2梁跨和1／2柱高，即按框架承受水平荷载时产生弯矩的反弯点(M=0)的位置来决定。边柱节点可采用T字形试件。为了避免在实验过程中梁柱部分先于节点破坏，必须事先对梁柱部分举行加固。当实验目的为了解初始设计应力状态下的性能，并同理论作对照时，可以采用如图１８－１－１（g）的X形试件。在框架实验中，多数设计成支座固结的单层单跨框架。如图18—l—2。剪力墙试件形式多样，有无框剪力墙，墙体是一块钢筋混凝土平板。有框剪力墙，其中一种是与框架整体相连的钢筋混凝土板，另一种是在框架内设置钢筋混凝土剪刀撑(图18—1—3a)。图18—1—3b为双肢剪力墙。砖石与砌块试件主要用于墙体实验，可以采用带翼缘或不带翼缘的单层单片墙，也可采用双层单片墙或开洞墙体的砌体试件，如图18—1—4所示。对于纵墙因为外墙有大量窗口，实验可采用有两个或一个窗间墙的双肢或单肢窗间墙试件(图18－１—5)。基本构件性能研究时，压弯构件的截面为16cm×l6cm－35cm×35cm，短柱(偏压剪)为15cm×15cm～50cm×50cm，双向受力构件为10cm×10cm－30cm×30cm。剪力墙单层墙体的形状尺寸为80cm×100cm～178cm×274cm，多层的剪力墙为原型的1／10—1／3。我国昆明南宁等地区曾先后举行过装配式混凝土和空心混凝土大板结构的足尺房屋实验。砖石及砌块的砌体试件尺寸普通取为原型的1／4—1/2。国内先后做过四幢足尺砖石和砌块多层房屋以及若干单层足尺房屋的实验。普通来说，静力实验试件太小要考虑尺寸效应。在满意构造模拟要求的条件下太大的试件尺寸也没有须要。实践证实：足尺结构固然具有反映实际构造的优点，但实验所耗费的经费和人工如用来做小比例尺试件，可以大大增强实验数量和品种，而且实验室的条件比野外现场要好，测试数据的可信度也高。因此，局部性的试件尺寸可取为原型的1／4～1，整体性的结构实验试件可取1／10—1/2。对于动力实验，试件尺寸常常受实验激振加载条件等因素的限制，普通可在现场的原型结构上举行实验，如量测结构的动力特性。对于在实验室内举行的动力实验，可以对足尺构件举行疲劳实验，至于在地震模拟振动台上实验时，因为受振动台台面尺寸载重和激振力大小等参数限制，普通只能作缩尺的模型实验。目前国内在地震模拟振动台实验中能够完成比例在1／50—1／4的各类房屋结构和构筑物的结构模型实验。（三）试件数量对于生产性实验，普通按照实验任务的要求有明确的实验对象。对于预制厂生产的普通工业与民用建造钢筋混凝土和预应力混凝土预制构件的质量检验和评定，则可以按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)中结构性能检验规定，决定试件数量。对于科研性实验，试件是按照研究要求专门设计发明的，如研究钢筋混凝土短柱抗剪强度实验时，具有影响的参数有混凝土强度等级，受拉钢筋配筋率，配箍率，轴向应力和剪跨比等，称为主要分析因子。而对每一参数又要考虑有几种状态，如剪跨比λ＝2，3，4…等，称为水平数。试件设计时必须要将它们互相组合起来，才干研究各个参数与其相应各种状态对实验问题的影响。因此参数与备种状态愈多，即因子数与水平数愈多，则要求的试件数量也就天然增强。如按表18—1—l所列研究短柱抗剪强度时混凝上只用一种强度等级C20，实际因子数为4，水平数为3时，由表１８—1—2可见要求试件数为８1个。采用正交实验设计法的正交表L９（３４）并按表１８—1—３组合时，当因子数为4和每个因子有3个水平数时，组成的试件数为9。即本来要求的81个试件可以综合为９个试件、由此可见，正交实验设计可以只需要少量的试件就可得到主要的信息，对研究问题作出综合评价。不足之处是不能提供某一因子的单值变化与实验目标之间的函数关系。不同因子和水平数的汇交表可参阅有关正交实验设计的专著。（四）结构实验时对试件设计的要求在试件设计中还必须同时考虑试件安装、加载、量测的需要，在试件上作出须要的构造措施，这对于科研实验尤为重要。例如混凝土试件的支承点应顶埋钢垫板(图1８—1—6(a))；在屋架实验受扩散荷载作用的位置上应埋设钢板，以防止试件受局部承压而破坏；试件加载面倾斜时，应作出凸缘(图18—1—6(b))，以保证加载设备的稳定设置；在钢筋混凝土框架实验时，为了框架端部侧面施加反复荷载的需要，应设置预埋构件以便与加载用的液压加载器或测力传感器衔接，为保证框架柱脚部分与实验台的固接，普通均设置加大截面的基础梁(图18—1—6(c))；在砖石或砌块的砌体实验中，为了使施加在试件的垂直荷载能匀称传递，普通在砌体试件的上下均应预先浇捣混凝土的垫块(图l8—1－6((d))，对于墙体试件在墙体上下均应捣制钢筋混凝土垫梁，其中下面的垫梁可以模拟基础粱，使之与实验台座固定，上面的垫梁模拟过梁传递竖向荷载(图18—1—6(e))；在作钢筋混凝土偏心受压构件实验时，在试件两端作成牛腿以增大端部承压面和便于施加偏心荷载(图18—1—6(f))，并在上下端加设分布钢筋网举行加强。在科研性实验中为了保证结构或构件在预定的部位破坏，以期得到须要的测试数据，就需要对结构或构件的其他部位事先举行局部加固。为了保证实验量测的可靠性和仪表安装的方便，在试件内必须预设埋件或预留孔洞。对于为测定混凝土内部应力的预埋元件或专门的混凝土应变计、钢筋应变计等，应在浇注混凝土前，按相应的技术要求用专门的主意就位固定埋设在混凝土内部。三、结构实验的荷载设计（一）实验加载图式的挑选与设计实验时的荷载应该使结构处于某一种实际可能的最不利的工作情况。实验时荷载的图式要与结构设计计算的荷载图式一样。这时，结构的工作和其实际情况最为临近。但是，在实验时也常常因为下列的缘故采用不同于设计计算所规定的荷载图式。①对设计计算时采用的荷载图式的合理性有所疑惑，因而在实验时采用某种更临近于结构实际受力情况的荷载布置方式。②因为受实验条件的限制，为了加载的方便和减少荷载量，在不影响结构的工作和实验结果分析的前提下，可以改变加载的图式。如可用几个扩散荷载来代替均布荷载，但是扩散荷载的数量与位置应尽可能的符合均布荷载所产生的内力值，这时，实验荷载的大小要按照相应等效条件换算得到。采用这样主意的荷载叫做等效荷载。采用等效荷载时，必须全面验算因为荷载图式的改变对结构的各种影响。须要时应对结构构件作局部加强，或对某些参数举行修正。当构件满意强度等效时，而整体变形(如挠度)条件不等效，则需对所测变形举行修正。取弯矩等效时，尚需验算剪力对构件的影响。（二）实验加载装置的设计为了保证实验工作的正常举行，实验加载的设备装置也必须举行专门的设计。在使用实验室内现有的设备装置时，也要按每项实验的要求对装置的强度刚度举行复核计算。对于加载装置的强度，首先要满意实验最大荷载量的要求，并保证有充足的安全储备，同时要考虑到结构受载后有可能使局部构件的强度有所提高，以致试件的最大承载力常比预计的大，所以，在作实验设计时，加载装置的承载能力要求提高70％左右。实验加载装置还必须考虑刚度要求。倘若刚度不足，将难以获得试件极限荷载后的变形和受力性能。设计实验加载装置还要求能符合结构构件的受力条件，要求能模拟结构构件的边界条件和变形条件。在砖石或砌块墙体的低周反复实验中，图18—1—7(a)当墙体侧向位移较大时施加竖向荷载用的拉杆对墙体的侧向位移会产生约束作用，而18—1—7(b)的加载方式就能消除约束，较好地符合实际受力情况。在加载装置中还必须注重试件的支承方式，梁的弯剪实验中，在加载点和支承点的摩擦力均会产生次应力，使梁所受的弯矩减小。当支承反力增大时，滚轴可能产生变形，甚至临近塑性，会有异常大的摩擦力，使实验结果产生误差。（三）结构实验的加载制度实验加载制度是指结构实验举行期间控制荷载与加载时光的关系。它包括加载速度的快慢、加载时光间歇的长短、分