建筑結構模型試驗設計

1、摘要：在工程實踐和理論研究中，結構試驗的對象大多是實際結構的模型。對于工程結構中的構建或結構的某一局部，如梁、柱、板、墻，有可能進行足尺的結構試驗。但對于整體結構，除進行結構現(xiàn)場靜動載試驗外，受設備能力和經濟條件的限制，實驗條件下的結構試驗大多為縮尺比例的結構模型試驗。關鍵詞：相似理論，靜力結構模型設計，動力結構模型設計，熱力結構模型設計模型一般是指按比例制成的小物體，它與另一個通常是更大的物體在形狀上精準的相似，模型的性能在一定程度可以代表或反映與它相似的更大物體的性模型試驗的理論基礎是相似理論。仿照原型結構，按相似理論的基本原則制成的結構模型，它具有原型結構的全部或部分特征。通過實驗，得到

2、與模型的力學性能相關的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)相似理論，可有模型實驗結果推斷原型結構的性能。對于結構模型試驗，工程師和研究人員最關心的問題是結構模型試驗結果在多大程度上能夠反映原型結構的性能。而模型設計是結構模型試驗的關鍵環(huán)節(jié)。一般情況下，結構模型設計的程序為：(1) 分析實驗目的和要求，選擇模型基本類型。縮尺比例大的模型多為彈性模型，強度模型要求模型材料性能與原材料性能較為接近。(2) 對研究對象進行理論分析，用分析方程或量綱分析法得到相似判據(jù)。對于復雜結構，其力學性能常采用數(shù)值方法計算，很難得到解析的方程式，多采用量綱分析法確定相似判據(jù)。(3) 確定幾何相似常數(shù)和結構模型主要部位尺寸。選擇模型材料。

3、(4) 根據(jù)相似條件確定各相似常數(shù)。(5) 分析相似誤差，對相似常數(shù)進行必要的調整。(6) 根據(jù)相似第三定理分析相似模型的單質條件，在結構模型設計階段，主要關注邊界條件和荷載作用點等局部條件。(7) 形成模型設計技術文件，包括結構模型施工圖，測點布置圖，加載裝置圖等。在在上述各步驟中，對結構模型設計和試驗影響最大的是結構模型尺寸的確定。通常，模型尺寸確定后，其他因素如模型材料、模型加工方式、試驗加載方式、測點布置方案等也基本確定了。一、靜力結構模型設計1、線彈性模型設計線彈性性能是工程結構的主要性能之一。不論采用何種結構類型，當結構的應力水平較低時，結構的性能都可以用線彈性理論描述。按照線彈性

4、理論，結構所受荷載與結構產生的形變以及應力之間均為線性關系。對于由同一種材料組成的結構，影響應力大小的因素有荷載F、結構幾何尺寸L和材料的泊松比v,于是，應力表達式可寫為：仃=?(F,L,v)通過量綱分析有L2./、c=3(v)F由上式可知，線彈性結構的相似條件為幾何相似、荷載相似、邊界條件相同,不要求虎克定律相似，但要求泊松比相似，即Sv=1設計線彈性模型時，要求S二SfSrSl2、非線性結構模型設計工程結構可能出現(xiàn)兩類典型的非線性現(xiàn)象，一類是由材料的應力-應變關系為非線性關系所引起，稱為材料非線性。例如，鋼筋混娘土結構的強度模型一般具有材料非線性特征。另一類是由于結構產生較大的變形或轉動使

5、結構的平衡關系發(fā)生變化而引起，稱為幾何非線性。例如，大跨徑懸索橋中懸索的受力特性具有幾何非線性特征。兩種非線性的共同之處是它們都使得結構荷載與結構變形之間為非線性關系。但對于幾何非線性的結構，結構的應力和應變之間可以保持線性關系。對于這種情況，應力與荷載、結構尺寸、材料彈性模量以及泊松比有關，于是，應力表達式為：仃=f(F,E,L,v)通過量綱分析，可將包括5個物理量的基本方程轉化為包含3個無量綱乘積n戶冗川a的關系式：L2oFI,2,3v)./L2=3(1E,F或寫成這就是可慮幾何非線性的彈性結構模型的相似判據(jù)方程。為了求得原型結構的應力，模型結構應與原型結構幾何尺寸相似、荷載相似以及邊界條

6、件相同。模型與原型應滿足下列相似關系：L2L2(E)=(LFmFE)，Vm=VPP有以上分析可以知道，采用原型相同材料制作的模型，可以模擬原型結構線彈性階段和幾何非線性彈性階段的受力性能。3、鋼筋混凝土強度模型設計鋼筋混凝土結構的承載能力很大程度上取決于混凝土和鋼筋的力學性能。當縮尺比例較大時，由于材料特性與其構成尺寸密切相關，鋼筋混凝土強度模型很難做到完全相似的程度。而模型設計的成功與否主要取決與材料特性的相似設計。對鋼筋混凝土強度模型的選用的材料有較嚴格的相似要求。理想的模型混凝土和模型鋼筋應與原型結構的混凝土和鋼筋之間滿足下列相似要求：(1)幾何相似的混凝土受拉和受壓的應力-應變曲線；(

7、2)在承載能力極限狀態(tài)，有基本相似的變形能力；(3)多軸應力狀態(tài)下，相同的破壞準則；(4)鋼筋和混凝土之間有相同的粘結-滑移性能；(5)相同的泊松比。鋼筋混凝土結構強度模型的相似常數(shù)物理量量綱理想模型實際應用模型材料性能混凝土應力L2FSa1混凝土應變-11混凝土彈性模量L2FSa1混凝土泊松比-11混凝土比重L3FS，S1/Si鋼筋應力L2FSo1鋼筋應發(fā)-11鋼筋彈性模量L2FSo1粘結應力L2FSo1幾何特性線尺寸L2FSiSi線位移L2FSiSi角位移-11鋼筋面積-2LS|2Si2柚鼓集中向載FScS2Si2線柿鼓LFSoSiSi分布加載-2LFSa1彎矩或扭矩LFSs3Si34、砌

8、體結構強度模型設計與混凝土結構相似，砌體結構的性能也與構成尺寸有密切的關系。砌體結構的縮尺模型試驗能否反映原型結構主要性能，關鍵問題是模型砌體結構中的塊體和灰縫如何模擬。在原型結構中，普通粘土磚的尺寸為53mm*115mm*240mm,水平灰縫厚度為10mm。20世紀50年代，國外有人曾經研究采用最小到1/10比例的模型磚砌筑的砌體結構性能，但一般認為模型砌體結構的最大縮尺比例不宜超過4,也就是采用1/4比例的模型轉。模型轉的長度為60mm,大多采用原型磚經切割加工而成。二、動力結構模型設計與靜力性能相比，結構動力性能的差別主要因結構本身的慣性作用所引起。因此，結構動力模型的設計應仔細考慮與時

9、間相關的物理量的相似關系。動力模型的相似要求物理量相似常數(shù)真實極限強度模型附加質量的強度模型忽略重力的線彈性模型應義失真的強度模型長度S1sSiSiSi時間St1/（S）%1c（S）2SNSe/SB121，（S/Si）'2頻率Sw（Si），（Si）2S（Se/SJ2（SjSi>2速度Sv1/（Si"2v（Si*21rssJ-J/（S，Si）'2重力加速度Sg11忽略1加速度Sa11SiSeSP1密度SpSe/SSpSsSes應義Ss111S£應力SoSeSeSeSeSs位移S6sSiSiSiSw力SfSeS2Sesi2SESi2SeSi2Se彈性模量S

10、eSeSeSeSeSs能量SuSeS3SeS3SeSi333SeSiSe、熱應力結構模型設計工程結構可能處在不同的溫度環(huán)境下，有時溫度作用對結構性能有決定性的影響。典型結構試驗實例是核反應堆芯容器的熱應力模型試驗。另一類溫度應力問題是超靜定結構在常溫下的工作性能。例如，考慮溫度應力，建筑結構應設置伸縮縫。鋼筋混凝土無錢拱橋由于溫度作用可能產生較大約束力，大體積混凝土結構由于混凝土的水化熱可能導致混凝土開裂，火災環(huán)境下混凝土結構的性能等都涉及溫度作用下結構模型試驗。溫度是一個獨立的物理量，其量綱屬于基本量綱溫度應力結構模型相似常數(shù)物理量量綱相似常數(shù)理想模型模型與原型同材料同溫度應變失真模型應力F

11、LSaSeiSShSe應義S君1iSSe彈性模量FLSeSeiSe泊松比Sn1ii熱膨脹系數(shù)日SaSais導熱率L2TaSdSdiSd長度LSSSSi位移LSoSSlSSeS溫度3Sh"SuiSe時間TSS"SdSl2s2/'Sd在溫度應力模型試驗中，也可能遇到（應變）畸變模型，在表中稱為應變失真模型。在結構靜力和動力模型試驗中，由于實現(xiàn)完全相似的困難，有時只能采用應變失真模型，出于同樣的理由，溫度應力模型也可能是應變失真模型。從表中可以看出，對于應變失真模型，引入了兩個獨立相似常數(shù)，及線膨脹系數(shù)相似常數(shù)Sq和溫度相似常數(shù)Se，這導致模型中溫度產生的應變（線膨脹）相

12、對圓形發(fā)生失真，因此修正。結論：結構模型試驗是工程結構設計和理論研究的主要手段之一。在結構設計規(guī)范中，對各種各樣的結構分析方法做出了規(guī)定。例如，線彈性分析法，考慮塑性內力重分布的方法，蘇醒極限分析方法，非線性分析方法和實驗分析方法等。其中，實驗分析方法在概念上與計算分析方法有較大的差別。實驗分析方法通過結構試驗，得到體形復雜或受力狀況特殊的結構或結構的一部分內力、變形、氣動特征、破壞形態(tài)等，為結構設計或復核提供依據(jù)。應當指出，隨著電子計算機的飛速發(fā)展，基于計算機的結構分析方法已經能夠解決很多結構分析問題，但結構模型試驗仍有不可代替的地位，并廣泛應用于工程實踐中。參考文獻：1、湖南大學等合編.建筑結構試驗（第二版）.北京.：中國建筑工業(yè)出版社，19982