第三章结构静载试验(加载设备)

结构试验的加载设备第3章3.1概述静力试验：利用重物直接加载或通过杠杆作用的间接加载的重力加载方法；液压加载器（千斤顶）和液压试验机等的液压加载方法；利用铰车、差动滑轮组、弹簧和螺旋千斤顶等机械设备的机械加载法和用压缩空气或真空作用的特殊加载方法等。动力试验：利用惯性力或电磁系统激励；由自动控制、液压和计算机系统结合而成的电液伺服加载系统；人工爆炸和利用环境随机激振的方法；1）选用的试验荷载的图式应与结构设计计算的荷载图式所产生的内力值相一致或极为接近；2）荷载传力方式和作用点明确，产生的荷载数值要稳定，特别是静力荷载要不随加载时间，外界环境和结构的变形而变化；3）荷载分级的分度值要满足试验量测的精度要求，加载设备要有足够的强度储备；选择试验荷载和加载方法时，应满足的几项要求4）加载装置本身要安全可靠，不仅要满足强度要求，还必须按变形条件来控制加载装置的设计，即尚必须满足刚度要求。防止对试件产生卸荷作用而减轻了结构实际承担的荷载；5）加载设备要操作方便，便于加载和卸载,并能控制加载速度，又能适应同步加载或先后加载的不同要求；6）试验加载方法要力求采用现代化先进技术，减轻体力劳动，提高试验质量。◆重力加载法

◆液压加载法

◆惯性力加载法

◆

机械力加载法◆

气压加载法◆

电磁加载法◆

人激振动加载法◆

环境随机振动激振法主要内容§3-1重力加载法

3-1.1重力直接加载方法利用物体本身的重量加于结构上作为荷载。优点：重物容易取得，并可重复使用；缺点：用砂粒等加载时，若将材料直接堆放于结构表面，将会造成材料本身的起拱，对结构产生卸荷作用；重力直接施加均布荷载的方法重力直接施加集中荷载的方法水直接施加均布荷载的方法

3-1.2杠杆加载方法杠杆加载也属于重力加载的一种。利用杠杆原理1、放大荷重；2、结构有变形时，荷载可以保持恒定，对持久试验尤为适合。利用杠杆施加荷载的一些方法§3-2液压加载法液压加载法是目前应用比较普遍和理想的一种加载方法。其最大优点是利用油压使液压加载器（千斤顶）产生较大的荷载，试验操作安全方便。1.2-2.1液压加载器是液压加载设备中的一个主要部件。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，推动活塞，对结构施加荷载。手动千斤顶加载器单向加载器3-2.2液压加载系统液压加载器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组成的操纵台通过高压油管连接而成。液压加载系统§3-2.3大型结构试验机一种比较完善的液压加载系统。是结构试验室内进行结构试验的一种专门设备，比较典型的是结构长柱试验机。在国内最大吨位5000kN，试件最大高度可达3m；国外：日本大型结构构件万能试验机的最大压缩荷载为30000kN，最大抗拉荷载为10000kN，高度达22.5m，可进行15m构件受压试验；长柱试验机加载系统§3-2.4电液伺服液压系统电液伺服液压系统一种比较理想、更为完善的试验设备。电液伺服液压系统工作原理

电液伺服液压系统的闭环回路

控制系统阀的输出流量、位移、喷嘴挡板间隙等都与输入电流成比例变化。电液伺服阀的工作原理电液伺服阀是电液伺服液压加载系统中的心脏部分，它安装于液压加载器上，根据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产生振动对结构施加荷载，同时由伺服阀及结构上量测的荷载、应变、位移等信号通过伺服控制器作反馈控制，以提高整个系统的灵敏度。电液伺服阀的工作原理§3-2.5地震模拟振动台

60年代开始，模拟地震台就出现在抗震试验中，其中日本最多；再现各种地震波对结构进行动力试验的一种先进试验设备。其特点：1、具有自动控制；2、数据采集及处理系统；3、闭环伺服液压控制技术。振动台台体结构振动台台体结构台面具有一定尺寸的平板结构（同济从美国引进4×4m，日本原子能工作试验中心是15×15m，中国建筑科学研究院6×6m，河北工程大学从英国引进3×3m，

1987水电科学院从西德引进5×5m）振动台液压驱动和动力系统液压驱动系统是给振动台以推力，按照振动台是单向（水平或垂直）、双向（水平—水平或水平—垂直）或三向（二向水平—垂直）运动，各向加载器推力取决于可动质量的大小和最大加速度的要求。常用电液伺服系统来驱动。振动台控制系统两种控制方法：模拟控制；数字计算机控制。模拟控制方法：有位移反馈控制和加速度信号输入控制两种。数字计算机控制：采用计算机进行数字替代的补偿技术。振动台控制系统可由计算机将台面输出信号与系统本身的传递函数（频率响应）求得下一次驱动台面所需的补偿量和修正后的输入信号。经过多次迭代，直至台面输出反应信号与原始输入信号之间的误差小于预先给定的量值，完成迭代补偿并得到满意的期望地震波。测试和分析系统

除了对台面运动需进行位移、加速度的测量外，还需测量模型的位移、加速度和应变。位移：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：应变式加速度计、压电式加速度计。振动台台面运动参数最基本的是位移、速度和加速度以及使用频率。3.4惯性力加载法在结构动力试验中，利用物体质量在运动时产生的惯性力对结构施加动力荷载。3.4.1冲击力加载特点是荷载作用时间极为短促，在它的作用下使被加载结构产生自由振动适于进行结构动力特性试验。3.4.1.1初位移加载法也称张拉突卸法。优点：结构自振时荷载不附加在结构上缺点：由于加载作用点的偏差而使结构在另一平面内同时振动产生干扰。用初位移加载法施加冲击力荷载

初速度加载法（突加荷载法）

反冲激振法（火箭激振）

1、一般装在建筑物顶部；质心的轴线上；2、进行扭振试验；3、多振型测量（布置多个）反冲力：0.1～0.8kN，1～8kN共8种。3.4.2离心力加载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

常见的应变花1．一对偏心质量由偏心质量产生的离心力为：

—偏心块旋转角速度r/s

使用时将激振器底座固定在被测结构物上，由底座把激振力传递给结构，致使结构受到简谐变化激励作用。3.4.3直线位移惯性力加载此法的特点适用于现场结构动力加载，在低频条件下各项性能较好，可产生较大的激振力。直线位移惯性力加载3.5机械力加载法常用的机具有铰车、螺旋千斤顶、弹簧等。1．应工作在线性范围内2．荷载值不大3．相对结构变形量

，弹簧的

充分大（柔性）

拉力测力装置弹簧加载3.6气压加载法两种方式：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机件施加荷载。优点：加、卸载容易，荷载稳定。缺点：结构受载面无法观测。气压加载法

3.7电磁加载法在磁场中通电的导体要受到与磁场方向相垂直的作用力，电磁加载就是这个原理；3.7.1电磁式激振器：由磁系统、动圈、弹簧和顶杆等部件组成。电磁式激振器的频率范围在0～200Hz，范围宽，推力可达几个千牛，但缺点是激振力不大，因此仅适合于小型结构及模型试验。

电磁式激振器

电磁式激振器工作原理3.7.2电磁振动台闭环控制：1、正弦波；2、三角波；3、方波；4、随机波。电磁振动台的使用频率范围较宽，台面振形波形较好，一般失真度在5％以下，操作使用方便，容易实现自动控制。但用电磁振动推动一水平台面进行结构模型试验时，经常会受到激振力的限制，因此台面尺寸和模型重量均会受到限制。电磁振动台

3.8人激振动加载法一个体重约70kg的人使其质量中心作频率约为1Hz、双振幅为15cm的前后运动时，将产生大约0.2kN的惯性力。加上在1%临界阻尼的情况下共振时的动力放大系数为50，意味着作用于建筑物上的有效作用力大约为10kN。国外用这种方法曾在一座15层钢筋混凝土建筑上取得振动记录，获得结构自振周期和阻尼系数。3.9环境随机振动激振法（脉动法）

环境随机振动激振法也称脉动法。建筑物经常处于微小的而不规则的振动中。这种微小而不规则的振动来源于微小的地震活动以及诸如机器运转，车辆来往等人为扰动的原因，使地面存在着连续不断的运动，其运动幅值极为微小，而它所包含的频谱是相当丰富的，故称为地面脉动。由地面脉动激起建筑物经常处于微小而不规则的振动中，通常称为建筑物脉动。可以利用这种脉动现象来分析测定结构的动力特性。3.10荷载支承设备和试验台座3.10.1支座支座是支承结构、正确传递作用力和模拟实际荷载图式的设备，通常由支座和支墩组成。支座：一般用钢制作，常用的构造形式如图3-23常用的支座构造形式支座与支墩活动铰支座；滚动铰支座；固定铰支座；固定铰支座。对铰支座的基本要求：

1.保证结构在支座处能自由转动；

2.保证结构在支座处力的正确传递；

3.本身并有足够的强度和刚度储备。支墩：常用钢或钢筋混凝土制作，现场试验多临时用砖砌成。高度应一致，并以方便观测和安装量测仪表为准。截面大小应能保证抗压强度