课件-第2章-试验荷载与加载方法

上节内容回顾：试验的一般过程：策划、准备、加载、数据处理。等效荷载：内力相近。支座：钢结构，支墩—混凝土结构（3）安装加载设备及其要求1）安装加载设备应与试验加载方案中的荷载图式和计算简图一致。根据试验目的确定的施加在试验结构上的荷载布置形式。①因此安装加载设备时的荷载形式应与试验结构设计时的计算简图和荷载图式相一致。②由于试验条件限制，原先确定的荷载图式实施有困难时，或者为了加载方便，可采用等效荷载的原则改变加载图式。所谓等效荷载原则是改变后的加载图式所产生的最大内力值和整体变形应与原加载图式相同或相近。第2章试验荷载与加载方法主要内容第2章试验荷载与加载方法2.1试验荷载概论2.2重物加载法2.3气压加载法2.4机械机具加载法2.5液压加载法2.6动力激振加载法2.7荷载试验支座及加载辅助设备此建筑物有哪些荷载材料自重---------恒载人、家具等自重---------活载这些荷载为静荷载，也直接作用在结构风荷载、地震作用----动荷载作用思考：除了以上荷载，建筑物还有没有其他作用影响？伸缩缝-----防止温度变形过大。沉降缝-----防止地基不均匀沉降温度变形、地基不均匀沉降和结构内部的物理、化学作用产生的变形等温度变形等属于间接作用在建筑物上，属于间接作用。第2章试验荷载与加载方法2.1试验荷载概论工程结构上的作用直接作用间接作用主要是荷载作用，包括结构自重和作用在结构上的外力温度变形、地基不均匀沉降和结构内部的物理、化学作用产生的变形等静荷载作用动荷载作用对结构不产生加速度的直接作用。使结构产生加速度反应的直接作用。如地震、台风、爆炸等。均布荷载重物堆放作均布荷载试验1-重物；2-试验板；3-支座；4-支墩5~15cm试验荷载除了少数采用实际荷载作用外，绝大多数模拟原有荷载作用和作用传递方式，使截面或部位产生的内力与设计计算等效或相近。集中荷载重物堆放集中荷载试验1-试件2-重物3-支座4-支墩5-吊篮6-滑轮162531245对与结构的强度、刚度、稳定等问题的研究性试验及鉴定性试验通常只加短期作用的静荷载；实验前需要确定荷载类型、荷载性质、加载位置、使用荷载值与破坏荷载值以及是否加至破坏荷载等问题外，还需要确定加载方式和加载方法。第2章试验荷载与加载方法2.1试验荷载概论对与结构动力性能研究试验，需施加动荷载，由于试验目的和试验对象不同，试验荷载有很大差别（如下图所示）。作用在结构物上的几种动荷载对于研究结构疲劳性能而进行的疲劳试验，一般采用脉动荷载。结构的动力特性，主要指结构的自振频率、阻尼系数、振型等。对于研究结构的动力特性，常使结构作自由振动或强迫振动，也常利用风和周围环境的微小振动引起的结构脉动，测定结构的动力特性。2-1a作用在结构物上的几种动荷载对于研究结构在各种荷载下的动力反应，需通过专门的激振设备再现各种实际动荷载。2-1b—2-1d。作用在结构物上的几种动荷载动力反应主要指振幅、频率、加速度、动应力。第2章试验荷载与加载方法2.1试验荷载概论伪静力试验对结构施加反复循环荷载的方法，近似模拟地震作用，获得结构的非弹性荷载-变形特性。。拟动力力试验即计算机联机试验，通过计算机和电液伺服加载系统联机对足尺或大比例的结构模型按实际的反应位移进行加载，使试验更接近于实际结构动力反应的真实情况，是在伪静力试验基础上发展起来的一种加载方法。第2章试验荷载与加载方法2.1试验荷载概论不论是静载试验、伪静力试验和拟动力试验，国家近几年已相继颁发了《混凝土结构试验方法标准》和《建筑抗震试验方法标准》，按统一的加载方式、加载顺序进行。试验荷载的加载方法有很多，一般都通过加载设备产生，加载设备有许多种类，有重物、液压、气压、机械和电液伺服加载系统以及与它们相匹配的各种试验装置等。思考：我们实验室有哪些加载设备？它们属于什么加载系统第2章试验荷载与加载方法2.2重物加载法重物加载是利用物体本身的重量施加在结构上作为荷载。试验室内可采用的重物有专门制作的标准铸铁砝码、混凝土立方试块、水箱等；现场试验可以就地取材如砖、砂、石、袋装水泥等建筑材料，或废构件、钢锭等。重物加载优点：重物加载方式：（1）重物直接加在试验结构上；（2）重物通过杠杆系统间接加在试件上。杠杆加载法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-杠杆平衡重荷载值稳定，不会因为结构的变形而减少，而且不影响结构的变形。特别适用于长期荷载和均布荷载试验。重物堆放集中荷载试验1-试件2-重物3-支座4-支墩5-吊篮6-滑轮162531245第2章试验荷载与加载方法2.2.1重物直接加载重物荷载可直接堆放于结构表面（如板的试验）作为均布荷载或置于荷载盘上通过吊杆挂在结构上形成集中荷载，此时吊杆与荷载盘的自重应计入第一级荷载。重物堆放作均布荷载试验1-重物；2-试验板；3-支座；4-支墩5~15cm重物堆放集中荷载试验1-试件2-重物3-支座4-支墩5-吊篮6-滑轮162531245重物堆放集中荷载试验1-试件2-重物3-支座4-支墩5-吊篮6-滑轮162531245重物加载应注意的问题：采用铸铁砝码时、砖块、袋装水泥作均布荷载时，应注意重物尺寸和堆放距离。当采用砂、石等松散颗粒材料作为均布荷载时，切勿连续松散堆放。重物堆放作均布荷载试验1-重物；2-试验板；3-支座；4-支墩5~15cm随含水率变化，荷载值不稳定。内摩擦角变化产生卸载影响思考：沙石等材料会有哪些问题？宜采用袋装堆放，防止砂石材料摩擦角引起拱作用而产生卸载影响以及沙石重量随环境湿度不同而引起的含水率变化，造成荷载不稳定2.2.1重物直接加载利用水作均布荷载试验，是一种简易方便而且又十分经济的加载方法。用水作均布荷载的试验试件侧向挡板防水胶布标尺水管从标尺的水深就可知道荷载值的大小，卸载也方便全部承载面被水掩盖，不利于布置仪表和观测。结构较大变形时，水存在不均匀性。优点缺点第2章试验荷载与加载方法2.2.2杠杆加载方法重物作集中荷载试验时，常采用杠杆原理将荷载值放大，如下图所示。杠杆加载法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2章试验荷载与加载方法2.2.2杠杆加载方法现场试验，杠杆反力支点可用重物、桩基础、墙洞或反弯梁等支承。墙洞支承重物支承反弯梁支承桩支承注意：杠杆保证有足够的刚度，杠杆比不宜大于5，三个作用点应在同一直线上，避免因结构变形杠杆倾斜而导致杠杆放大的比例失真，保持荷载稳定、准确。杠杆加载法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-杠杆平衡重重力加载法：预应力钢－混凝土组合梁长期荷载试验25第2章试验荷载与加载方法2.3气压加载法正压加载负压加载气压加载示意图第2章试验荷载与加载方法2.4机械机具加载法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-台座或反弯梁思考：重物加载的不足荷载大小受限制，试验受限制，加载不方便重物堆放集中荷载试验1-试件2-重物3-支座4-支墩5-吊篮6-滑轮162531245杠杆加载法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-杠杆平衡重目前结构试验中最常用的加载方法；2.5液压加载法优点：利用油压使液压千斤顶产生较大的荷载，试验操作安全方便。可适用于静、动载试验，吨位可大、可小；♦液压加载器；♦结构试验机；♦液压加载系统；♦电液伺服液压系统；液压加载装置♦地震模拟振动台。液压千斤顶电动泵27液压加载器：第2章试验荷载与加载方法2.5.1液压加载系统液压系统加载装置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-测力计液压加载系统组成：油泵油管系统千斤顶加载控制台加载架试验台第2章试验荷载与加载方法液压加载千斤顶1-回程油管接头；2-活塞；3-油缸；4-高压油管接头；5-丝杆；液压千斤顶通常为加载而专门设计制造，分手动和电动油泵供油两种。工作压力一般在40~100MPa不等的范围内。为了保持荷载稳定，最好配置油路稳压器，当结构产生较大变形时，可以保持需要的荷载值。试验台座在液压加载系统中通过加载架承受千斤顶的竖向反力，是每个实验室基本设施，是整个加载系统中的重要组成部分。当对试验结构施加水平荷载时，还须有与试验台座连成为整体的反力墙承受加载系统的水平反力。液压系统加载装置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-测力计试验台座和反力墙作为加载设备使用，必须专门设计，保证有足够的承载力，还须有足够大的刚度，而且方便使用。当试验规模小，可用一个刚度很大的钢梁代替试验台座，在工地现场试验时，通常采用重物来平衡千斤顶的反力。有的试件也可以采用卧位试验专门设计钢结构反力架。液压加载系统：液压千斤顶竖向反力架支墩手动油泵5M钢桁架结构静力分析试验第2章试验荷载与加载方法2.5.2大型结构试验机大型结构试验机本身就是一种比较完善的液压加载系统。它是在实验室内进行大型结构试验的一种专门设备，比较典型的是结构长柱试验机，如图所示。1-油泵；2-油管；3-横梁；结构长柱试验机用以进行梁、柱、墙板、砌体结构等的受压和受弯试验。试验机可以与计算机连接，实施程序控制操作和数据采集，试验机操作和数据处理能同时进行。水平伺服跟动装置

10000kN垂向加载油缸横梁缩紧机构

垂向伺服跟

动装置 3000kN水平加载装置

横梁升降机构

1500kN水平加载装置

10000kN大型多功能试验机系统（同济大学建筑结构试验室）

球铰及微动探测装置2.5.2大型结构试验机第2章试验荷载与加载方法思考：液压加载系统的不足荷载不能循环，不可动第2章试验荷载与加载方法2.5.3电液伺服液压系统电液伺服技术可较为精确控制试件变形和作用外力，产生真实的试验状态。可用以模拟各种振动荷载，特别是地震、海浪等荷载对结构物的影响。适用于进行结构抗震研究的伪静力试验、拟动力试验和地震模拟振动台试验。电液伺服加载设备是目前最先进的加载设备。2.5.3电液伺服液压系统（1）电液伺服加载系统的工作原理电液伺服加载系统主要由电液伺服加载器（或称伺服千斤顶）、控制系统和液压源等三大部分组成。第2章试验荷载与加载方法电液伺服液压系统工作原理该系统可将荷载、应变、位移等不同力学参量直接作为控制参数，实行自动控制，并在试验过程中进行控制参量的转换。第2章试验荷载与加载方法电液伺服闭环控制，主要指实验时，以电参量通过伺服阀去控制高压流量，推动（千斤顶活塞）液压作动器执行元件对试件加荷载。电压信号、（其波形、频率设定值有要求的荷载和位移确定）电液伺服液压系统工作原理传感器检测出的加载试件的某一力学参量经传感器变换后以电参量的方式作为反馈信号在比较器中随时与设定的电参量比较，得出差值信号调整放大后，控制伺服阀在推动千斤顶，向消除差值的方向动作。电液伺服液压系统工作原理第2章试验荷载与加载方法（2）电液伺服阀的工作原理电液伺服阀是电液伺服加载系统中的核心元件，它直接安装于液压作动器上。电信号指令液压油输出量第2章试验荷载与加载方法（3）控制系统第2章试验荷载与加载方法液压控制器电参量控制器计算机绘图仪控制液压源的启动和关闭主要对电信号控制器和绘图仪实时自动控制；主要对试件的各阶段力-变形的变化规律实时直观显示。控制荷载、位移、应变等参量的转换；极限保护，以免开关失控。第2章试验荷载与加载方法2.6地震模拟振动台地震模拟振动台是再现各种加速度的地震波直接输入振动台对结构进行动力加载试验第2章试验荷载与加载方法2.6地震模拟振动台美国MTS公司三向六自由度维模拟地震振动台，台面尺寸4m×4m，最大试件质量25t。同济大学土木工程防灾国家重点试验室第2章试验荷载与加载方法2.6地震模拟振动台地震模拟振动台的组成和工作原理：（1）振动台台体结构振动台台面是有一定尺寸的平板结构。尺寸：其尺寸规模由结构模型的最大尺寸来决定。台体自重和台身结构：与承载的试件重量及使用频率范围有关。一般振动台都采用钢结构，控制方便、经济而又能满足频率范围要求，模型重量和台身重量之比不大于2为宜。振动台必须安装在质量很大的基础上，基础重量一般为可动部分重量或激振力的10~20倍以上。第2章试验荷载与加载方法2.6地震模拟振动台地震模拟振动台的组成和工作原理：（2）液压驱动和动力系统液压驱动系统是向振动台施加巨大的推力。振动台运动：单向运动：水平或垂直；双向运动：水平-水平或水平-垂直；三向运动：两向水平-垂直；加载器的推力取决于可动质量的大小和加速度的要求。第2章试验荷载与加载方法2.6地震模拟振动台地震模拟振动台的组成和工作原理：（2）液压驱动和动力系统液压加载器上的电液伺服阀：根据输入信号（周期波或地震波）控制进入加载器液压油的流量大小和方向，从而由加载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。液压动力部分：是一个巨大的液压功率源，能供给所需要的高压油流量，一满足巨大推力和台身运动速度的要求。第2章试验荷载与加载方法2.6地震模拟振动台地震模拟振动台的组成和工作原理：（3）控制系统为了提高振动台控制精度，采用计算机进行数字迭代的补偿技术，实现台面地震波的再现。模拟控制用数字计算机控制位移反馈控制：系统阻力小，容易出现不稳定现象，可增大系统阻尼加速度信号输入控制第2章试验荷载与加载方法2.6地震模拟振动台地震模拟振动台的组成和工作原理：（4）测试和分析系统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；位移测量加速度测量应变测量采用应变式加速度计、压电式加速度计，近年来也有采用差容式或伺服式加速度计；对于模型的破坏过程可采用录像记录。2.6地震模拟振动台地震模拟振动台的组成和工作原理：第2章试验荷载与加载方法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。一般是按模型比例及试验要求来确定台身满负荷时最大加速度、速度和位移等数值。最大加速度和速度均需按照模型相似原理来选取。第2章试验荷载与加载方法2.7产生荷载的其他加载方法初位移加载法初速度加载法惯性加载法电磁加载法现场动力试验的激振方法冲击力加载离心力加载直线位移惯性力加载离心力加载：是根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。直线位移惯性力荷载：通过电液伺服阀控制固定在结构上的以作用液压加载器带动质量块作水平直线往复运动。在结构上拉一钢丝缆绳，使结构变形产生一个人为的强迫位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位置附近做自用振动。在加载过程中当拉力足够大时，事先连接的钢丝绳上的钢拉杆被拉断形成突然卸载，通过不同的拉力可获得不同的位移。初速度加载法：通过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，产生初速度，同时获得冲击荷载，作用力的持续时间一般比自振周期短些。2.8荷载试验加载辅助设备支座和支墩第2章试验荷载与加载方法支座和支墩都是根据试验结构或构件在实际状态所处的边界条件和应力状态而设设置的。支墩：简易支座，钢或钢筋砼制作，现场试验多为砖砌体；支座作用形式：滚动铰支座、固定铰支座、球铰支座；固定铰支座

活动铰支座

对铰支座的基本要求：♦必须保证结构在支座处能自由转动；♦必