第四章结构试验设计课件.ppt

1、4.2 结构试验的试件设计 因素水平2 2 4 8 16 323 3 9 27 81 2434 4 16 64 256 10245 5 25 125 625 3125 1 2 3 4 5水平 因素试件 1 2 3 4 1 2 31 1 11 2 22 1 22 2 1L4(23)正交表水平 因素试件 1 2 3 4 5 6 7 8 91 1 1 1 1 2 2 21 3 3 32 1 2 32 2 3 1 2 3 1 2 3 1 3 23 2 1 33 3 2 11 2 3 4L9（34） 正交表水平 因素试件 1 2 3 4 5 6 7 8 1 1 1 2 2 1 22 1 2 2 1 1

2、11 2 2 2 2 2 12 2 1 2 1 2 21 1 2 1 1 2 22 1 1 1 2 2 11 2 1 1 1 1 12 2 2 1 2 1 21 2 3 4 5 6 7L8(27)正交表将同一横行的数字看成有序数对（左列的数放在前，右列的数放在后）L9（34）L9（34）进行分析，由原来需要的243个试件综合为9个。ccs,cs六、结构试验对试件设计的构造要求试件设计时考虑加荷需要的构造措施下一页返回 适用于较简单的物理现象对较复杂的物理现象，不能用显 式表达来描述各参数与物理量之间的函数关系， 此时，物理参数的合理选择对模型设计具有决定性的作用。（取决于对该物理现象的正确认识

3、程度）。 1. 静力试验模型 的相似条件（P20） 可见，相似常数的数目多于相似条件的数目，模型设计时须预先假设几个相似常数，一般假设几何相似常数Sl和材料相似常数SE。 考虑自重荷载的 模型相似条件 当 此时模型材料很难实现，只能采用附加质量方法，但强度与刚度须保持不变。 当材料相当 须提高测量精度。 2.动力试验模型的相似条件 单自由度体系受迫振动的振动方程 3. 钢筋混凝土结构和砌体结构试验模型的相似条件（教材2425） 4. 模型材料 模型材料的要求 相似要求：材料的基本性质相似。 测量要求：为便于测量仪表有足够的读数，弹性模量应适当低一些。 材料性能稳定，受环境温度、湿度的影响较小。

4、 加工制作方便 模型材料的种类 金属（一般钢材和铝合金）：弹性好、变形量大、泊松比与钢筋砼相似。 塑料和有机玻璃：强度大、弹性模量低、各向同性、加工方便、但徐变较大、热稳定性较差。 细石混凝土：非弹性性能较难模拟，缩尺比例不宜太小。主要缺点是粘结应力模拟不好，不适用于研究Wmax、f等。 石膏：加工容易、成本低、泊松比与砼十分接近、弹性模量可人为调整、但抗拉强度低、较脆。石膏被广泛用于制作弹性模型，也可大致模拟砼的塑性性能。 水泥砂浆：相比上述三种材料，最接近混凝土，常用于制作砼薄壁结构，此时采用的钢筋为钢丝或铅丝。52104S1SLLqqL1LPL1LPLPLP1WmPPmPPPmmm2PP

5、2mm2mmLPLLpmqqpm一、试验加载图式的选择与设计 1.定义： 试验荷载在试验上的布置形式，包括荷载类型与荷载分布情况。 2.原则： 试验时荷载图式要尽量与结构设计计算的荷载图式一致；如果无法或不便满足，应采用与计算简图等效的荷载图式。【等效荷载】 加在试件上、使试件产生的内力图形与计算简图相近、控制截面的内力值相等的荷载。二、试验加载装置的设计 1.试验加载装置包括 2.试验加载装置的基本要求 强度 刚度 真实性 简便性1.试验荷载的几个概念：（1）正常使用短期荷载检测值（2）长期荷载（频遇）组合值（3）短期承载力检测值试验荷载值和加载制度的设计标准值设计值2.加载程序 （1）预载

6、级距、循环次数、间隙时间 可分两级或三级，每级不超过40%Qs，并卸载至零，对于混凝土结构或构件，预载不应超过所计算的开裂荷载值的70%。密实，正常工作状态检查试验装置、仪器仪表人员就位，准备工作已好目的 1）加载至少分为五级，每级为20%Qs加 至Qs。 2）加至Qs时，应恒载30min，变形充分 得挠度。 3）卸载时分两次卸载完成 4）卸载后通常空载45min，以观测残余 变形。 2.Qs试验（检测）3.Qd试验（检测） 1）先取20%Qs至Qs，然后，以10Qs加至90%Qd。2）再以5%Qd直至出现承载力极限状态的标志，以确定其承载力的实测值。结构试验的观测设计1.按整个试验的目的要求

7、，确定试验测试的项目；2.按确定的量测项目要求，选择测点位置；3.选择测试仪器和测试方法。测试方案包括的内容：一、观测项目的确定1.试件在荷载作用下的变形整体变形局部变形最基本二、测点的选择与布置测点的布置原则 1.满足试验要求为目的，宜少不宜多； 2.测点的位置要有一定的代表性； 3.应布置一定量的校核性测点； 4.测点布置应安全、方便，满足仪器的 特殊要求。位移测点布置1.对于梁、单向板、桁架等受弯构件a.若宽度不超过0.6m，挠度表沿跨度方向单排布置。b.若宽度超过0.6m，双排布置，取平均值。c.具有边肋的单向板，三排布置，测量边肋和板宽中心线的最大挠度。d.跨度不超过6m的构件，沿跨

8、度方向布置三个挠度表，大于6m，增加。e.屋架、桁架的上下弦受力状态不同，应分别布置挠度表。f.高跨比较大的桁架或其他构件，还要布置观测水平位移和出平面的侧向位移的仪表。2.对于双向板 空间薄壳结构等双向受力构件，挠度测点应沿两个跨度方向或沿主曲率方向的跨度或挠度最大部位布置挠度表。3.对于柱、框架、杆、塔或足尺房屋结构等，为了测定整体位移及变形曲线，一般沿主轴方向的跨中或挠度最大的部位布置位移计。4.对于高层楼房或高耸结构，为了测定在风荷载下的顶部位移，可使用经纬仪。 对于关键位移观测测点要每一级荷载都要进行位移计算以得知结构或构件的变形情况。到试验末期，位移计位移值出现连续加快变化时，要及

9、时拆卸位移计，以免损坏。位移观察a.对于轴向受力构件，为消除荷载偏心影响，可在试件两相对侧面沿平行于杆轴方向布置两个应变片，取平均值作实测应变b.对于受弯构件，若测定最大应力，可在最大弯矩作用的截面的上、下缘布置应变测点；若测定中和轴位置或验证平截面假定，应沿侧面高度方向布置一定数量的应变测点，测点数不应小于5个。应变测点布置1.主应力方向已知c.对于弯矩和轴力共同作用的构件，应在最大弯矩作用的截面处沿平行于杆轴方向的两个侧面布置两个或四个应变测点。d.对于有开孔薄腹梁或薄壁容器，可沿孔边切线方向布置应变测点。e.对于梁的剪压破坏的斜裂缝开裂应变的测定，可在构件内力最大的受拉区沿受力主筋方向连

10、续布置测点。f.对于超静定梁或框架，可在估计的反弯点位置两旁布置两个应变测点，测出应变后，按比例得出应变为零的反弯点位置。2.主应力方向未知 在结构的平面应力状态的某些部位，主应力和剪应力的方向是未知的，此时，可在同一点，沿三个不同方向（45度或60度）布置应变化测点，由相应的计算公式得出主应力。 加载后读数时要先定性观察应变受力状况是否正确，当荷载加载加至接近开裂荷载时要密切注意容易开裂处的应变的变化，观察应变是否出现突变的现象，发现突变即说明此处出现裂缝或有新的裂缝开展。通过应变的变化可以观察结构此时所处的工作状态（弹性、塑性、屈服）当钢筋混凝土试件在加载末期，荷载并不增加，而钢筋应力不断

11、增加放大时，可判定钢筋已经屈服。应变观察a.对于高跨比较大的桁架（或其他构件），应在支座处布置倾角仪，测定倾斜度。b.对于柱、杆、塔等结构，应在支座处布置倾角仪，测定基础转角。转角测点布置 把在最大拉应力处出现第一条（批）裂缝时的荷载称之为开裂荷载，并以裂宽大于0.05mm称之为开裂。裂缝观察 1.加载过程中出裂，取前一级荷载2.在规定的持荷时间内出裂，取本级与前一级荷载的平均值3.在规定的持荷结束后出裂，取本级荷载 开裂荷载的确定1.对于受弯构件的正截面裂缝，应在构件的侧面受拉主筋处测量最大裂宽，2.对于斜截面裂缝应在斜裂缝与箍筋交汇处或斜裂缝与弯起钢筋交汇处量取斜裂缝宽度。3.每一测区或每

12、一构件测定裂缝宽度的裂缝数目，一般取目估的最大三大条裂缝来量取。裂宽的测定裂缝分布图破坏特征a.在荷载不再增加的情况下，由设置在构件受拉主筋处的应变测点出现连续变化或受拉主筋的拉应变达到104b.梁的跨中挠度达到跨度的1/50，悬臂结构的挠度达到悬臂长的1/25c.受拉主筋处的垂直裂缝宽度达到1.5mm1.钢筋混凝土构件的破坏特征：d.受剪斜裂缝宽度达到1.5mm，或斜裂缝末端受压区混凝土剪压破坏，或沿斜截面混凝土斜压破坏；e.受拉主筋在端部滑脱达0.2mm，或其它锚固破坏；f.受拉主筋拉断；g.受压混凝土构件混凝土被压坏。2.钢结构构件的破坏特征：a.螺栓或铆钉剪断或脱落b.主要螺栓或铆钉松

13、动，节点板变形c.在荷载不增加的情况下，由设置在构件最大拉应力测点或最大压应力的测点出现应变读数值连续变化d.节点焊缝开裂e.受压或受弯部分屈曲或整体失稳。极限破坏荷载的实测值三、仪器的选择与测读的原则2.6 材料的力学性能与结构试验的关系一、概述 一个结构或构件的受力和变形特点，除受荷载等外界因素影响外，还要取决于组成这个结构或构件的材料内部抵抗外力的性能。可见，建筑材料的性能直接影响到结构或构件的质量，因此对于结构材料性能的检验与测定是结构试验 中的一个重要的组成部分。特别是充分了解材料的力学性能，对于在结构试验 包兴格效应： 钢材在拉（压）超过弹性极限后、反面弹性极限会明显降低。1887

14、年，德国包兴格提出。测定试件材料力学性能的方法： 直接试验法 是最普通最基本的测定方法，是把材料按规定做成标准试件，然后在试验机上用规定的标准试验方法加荷试验进行测定。 间接测定法 （非破损试验法或半破损试验法） 对于已建结构的生产鉴定性试验，由于结构的材料力学性能随时间发生变化，为判断结构目前实有的承载能力，在没有同条件试块的情况下，必须通过对结构各部位现有材料的力学性能检测来决定。 回弹仪、超声波法等。二、材料试验结果对结构试验的影响 真正的试件材性很难准确测得 一般混凝土弹性模量约在测定平均值10%以内波动，强度大致也在10%的范围内变动，而钢筋的强度波动较小，约在5%10%。 为此在进

15、行科研性试验研究中，要求同一型号的试件与试件，结构试件与材性试件之间要保证做到严格的材料性质的一致性、施工工艺的一致性和养护条件的一致性。三、试验方法对材料强度指标的影响 长期以来人们通过生产实践和科学实验发现试验方法对材料强度指标有一定的影响，特别是试件的形状、尺寸和加荷速度。 世界各国都相应地制订了适用于本国情况的材料试验规定，主要是在试件尺寸、形状、试验加荷方法、速度等方面加以统一，以建立起材料的各种强度指标相互比较的基准。试件尺寸与形状的影响： 尺寸效应（加载面的约束及内部缺陷） 我国现行试验方法规定用15*15*15的立方体试件和15*15*30的棱柱体试件 试验加荷速度（应变速率）

16、的影响： 在测定材料力学性能试验时，加荷速度愈快，即引起材料的应变速率愈高，则试件的强度和弹性模量也就相应提高。 一般认为试件开始加荷并在不超过破坏强度值的50%内，可以用任意速度进行，而不会影响最后的强度指标。2.7 结构试验大纲和试验基本文件试验大纲是进行整个试验的指导性文件试验大纲一般包括以下内容：1.试验目的要求（即通过试验最后应得出的数据，如破坏荷载值，设计荷载下的内力分布和挠度曲线，荷载-变形曲线等）2.试件设计及制作要求（包括试件设计的依据及理论分析，试件数量及施工图，对试件原材料，制作工艺，制作精度等的要求）试件的就位卧位试验练习题：1. 下列（ ）不属于科学研究性试验。 A验

17、证结构计算理论的假定 B为制订设计规范提供依据 C为发展和推广新结构、新材料与新工艺提供实践经验 D服役结构的可靠性鉴定2.下列（ ）不属于长期荷载试验。 A 混凝土的徐变 B 预应力钢筋的松弛 C 混凝土的碳化 D 钢筋的锈蚀 E 混凝土试块150150150抗压试验3.结构试验中用分配梁传递荷载的下列装置中，不正确的是（）4.按试验目的可将结构试验分为 性试验和 性试验。5.简述试验加载装置的基本要求。思考题：1、结构试验包括哪些主要环节？2、结构试验设计的定义为？3、生产性试验的试件数目的确定原则是什么？4、采用什么方法确定多因素科研试验的试件参数？5、简述模型设计中主要的相似要求。6、确定相似条件的方法有哪两种，试对比分析。 7、试列出不考虑自重荷载的静力试验模型的相似条件。8、阐述结构试验荷载的分类。9、何谓结构试验的加载制度。10、简述试验测点选择与布置的原则。