第3章加載設(shè)備及試驗(yàn)裝置

土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)

TESTINGANDINSPECTIONFORCIVILENGINEERINGSTRUCTURE

劉明教授上課了?。?！第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上再現(xiàn)要求的荷載，即試驗(yàn)荷載。試驗(yàn)荷載絕大多數(shù)是模擬荷載，而產(chǎn)生這些模擬荷載的方法很多，一般都通過(guò)加載設(shè)備和試驗(yàn)裝置產(chǎn)生，可用于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的加載設(shè)備有重物、氣壓、機(jī)械機(jī)具、液壓、動(dòng)力激振以及與它們相匹配的各種試驗(yàn)裝置等。下面將介紹一些最常用的加載設(shè)備和試驗(yàn)裝置。第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.1重物加載（deadloading）3.1.1重物直接加載（deadloadingappliedonthesurfaceofspecimens）圖3.1.1重物堆放作均布荷載試驗(yàn)圖圖3.1.2重物堆放作集中荷載試驗(yàn)l－重物；2－試驗(yàn)板；3－支座；3－支墩1－試件；2－重物；3－支座；3－支墩；5－吊籃第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.1.2杠桿加載方法(levereddeadweightsloading)圖3.1.4杠桿加載方法1－試件；2－重物；3－支座；4－支墩；5－荷載盤；6－分配梁支座；7－分配梁；8－加載支點(diǎn)；9－杠桿；10－荷載支架；11－杠桿平衡重第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup（a）（b）圖3.1.5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)杠桿加載的支承方法（a）墻洞支承；（b）樁支承第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.2氣壓加載（airloading）

(a)正壓加載（b）負(fù)壓加載圖3.2.1氣壓加載示意圖1－板試件；2－氣囊；3－壓力表（或用U形管量測(cè)）；4－管道；5－泄氣針閥；6－進(jìn)氣針閥；7－減壓閥；8－氣瓶（高壓）；9－試驗(yàn)殼體；10－支承板；11－接真空泵第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.3機(jī)械機(jī)具加載（mechanicalloading）圖3.3.1機(jī)械機(jī)具加載示意圖1－絞車或卷?yè)P(yáng)機(jī)；2－測(cè)力計(jì)；3－滑輪；4－彈簧；5－螺桿；6－試件；7－臺(tái)座或反彎架第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.4液壓加載（hydraulicloading）如圖3.3.1所示圖3.4.1液壓系統(tǒng)加載系統(tǒng)1－油泵;2－油管;3－橫梁;4－立柱;5－臺(tái)座;6－千斤頂;7-－試件;8－支墩;9－測(cè)力計(jì)

圖3.4.2液壓加載千斤頂1－回程油管接頭;2－活塞;3－油缸4－高壓油管接頭;5－絲桿第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.4.1液壓千斤頂（hydraulicjack）如圖3.3.2所示3.4.2大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)（largestructuraltestingmachine）圖3.4.3結(jié)構(gòu)長(zhǎng)柱試驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)l－試驗(yàn)機(jī)架；2－液壓加載器；3－操縱臺(tái)第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.4.3電液伺服加載系統(tǒng)（electro-hydraulicservoloadingsystem）圖3.4.3電液伺服液壓系統(tǒng)工作原理1－冷卻器；2－電動(dòng)機(jī)；3－高壓油泵；4－電液伺服閥；5－液壓作動(dòng)器；6－試驗(yàn)結(jié)構(gòu)；7－荷載傳感器；8－位移傳感器；9－應(yīng)變傳感器；10－荷載調(diào)節(jié)器；11－位移調(diào)節(jié)器；12－應(yīng)變調(diào)節(jié)器；13－記錄及顯示裝置；l4－指令發(fā)生器；l5－伺服控制器；16－臺(tái)座第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup1．電液伺服作動(dòng)器（electro-hydraulicservoactuator）電液伺服作動(dòng)器是電液伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)作執(zhí)行者，其構(gòu)造如圖3.3.5所示。圖3.4.5液壓加載器構(gòu)造示意圖1－鉸支基座;2－位移傳感器;3－電液伺服閥;4－活塞桿;5－荷載傳感器;6－螺旋墊圈;7－鉸支接頭1233567第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2．控制系統(tǒng)（controlsystem）控制系統(tǒng)由液壓控制器、電參量信號(hào)控制器、繪圖儀和計(jì)算機(jī)四部分組成。其中液壓控制器控制液壓源的啟動(dòng)和關(guān)閉；電參量信號(hào)控制器主要控制荷載、位移、應(yīng)變等參量的轉(zhuǎn)換，還有極限保護(hù)以免開(kāi)環(huán)失控等功能；繪圖儀主要對(duì)試件的各階段力－變形的變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)直觀顯示；計(jì)算機(jī)主要對(duì)電信號(hào)控制器和繪圖儀進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)控制。第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3．液壓源（hydraulicpowersupply）液壓源為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力。對(duì)于電液伺服作動(dòng)器這種高精度加載設(shè)備，相應(yīng)的液壓源也有很高的技術(shù)要求，例如要保持液壓油的壓力和流量工作穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)供電也有一定的要求，還要有安全保護(hù)環(huán)節(jié)及其監(jiān)測(cè)儀表，以保證液壓源的安全運(yùn)行。另外，電液伺服加載系統(tǒng)所用液壓油的潔凈程度比一般液壓設(shè)備的高許多，在供油管路和回油管路都裝有過(guò)濾器，這主要是為了保證作動(dòng)器上的電液伺服閥能夠安全可靠地工作。第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.4.4地震模擬振動(dòng)臺(tái)（shakingtable）見(jiàn)圖3.3.6圖3.4.6地震模擬振動(dòng)臺(tái)1－試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型；2－控制室；3－振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面；4－電液伺服助動(dòng)器；5－振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)；6－液壓動(dòng)力系統(tǒng)123365第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetupl.振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面與基礎(chǔ)（shakingtableandfoundation）振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面是有一定尺寸的平板結(jié)構(gòu)，需要有足夠的剛度和承載力，通常采用鋼結(jié)構(gòu)。振動(dòng)臺(tái)應(yīng)安裝在質(zhì)量很大的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)的重量一般為可動(dòng)部分重量或激振力的10～20倍以上，這樣可以改善系統(tǒng)的高頻特性，并減小對(duì)周圍建筑和其他設(shè)備的影響。第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2.液壓驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力系統(tǒng)（hydraulicandpowersystem）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向振動(dòng)臺(tái)施加巨大推力的設(shè)備。目前世界上已經(jīng)建成的大中型地震模擬振動(dòng)臺(tái)，基本是采用電液伺服系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，它在低頻時(shí)能產(chǎn)生巨大的推力。根據(jù)輸入信號(hào)（周期波或地震波），由電液伺服閥控制進(jìn)入作動(dòng)器的液壓油流量的大小和方向，從而由作動(dòng)器推動(dòng)臺(tái)面能在垂直軸或水平軸方向上產(chǎn)生相位受控的正弦運(yùn)動(dòng)或隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.控制系統(tǒng)（controlsystem）地震模擬振動(dòng)臺(tái)的控制系統(tǒng)主要由模擬控制和數(shù)字控制兩部分組成。模擬控制方法又分為兩種。一種是采用位移反饋控制的PID控制方法，同時(shí)利用壓差反饋?zhàn)鳛樘岣呦到y(tǒng)穩(wěn)定的補(bǔ)償，德國(guó)SCHENCK公司就是采用這種控制方法；另一種方法是將位移、速度和加速度共同進(jìn)行反饋的三參量反饋控制方法，美國(guó)MTS公司就是采用這種控制方法。第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup4.測(cè)試和分析系統(tǒng)（measurementanddata-processingsystem）測(cè)試系統(tǒng)一般是測(cè)量位移、加速度和應(yīng)變等參數(shù)，總通道數(shù)可達(dá)百余點(diǎn)。位移測(cè)量多數(shù)采用差動(dòng)變壓器式和電位計(jì)式的位移計(jì)，可測(cè)量模型相對(duì)于臺(tái)面的位移或相對(duì)于基礎(chǔ)的位移；加速度測(cè)量采用應(yīng)變式加速度計(jì)、壓電式加速度計(jì)，近年來(lái)也采用差容式或伺服式加速度計(jì)。第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.5動(dòng)力激振加載法（dynamicloading）1.沖擊力加載（impactloading）（1）初位移加載法ab圖3.5.1用張拉突卸法對(duì)結(jié)構(gòu)施加沖擊力荷載1-結(jié)構(gòu)物；2-鋼絲繩；3-鉸車；4-鋼拉桿；5-保護(hù)索；6-模型；7-鋼絲；8-滑輪；9-支架；10-重物；11-減振墊層第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup（2）初速度加載法（a）（b）圖3.5.2用擺錘或落重法施加沖擊力荷載1－擺錘；2－結(jié)構(gòu)；3－落重；4－砂墊層；5－試件第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2．離心力加載（centrifugalforceloading）離心力加載是根據(jù)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的離心力對(duì)結(jié)構(gòu)施加簡(jiǎn)諧振動(dòng)荷載。其特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)具有周期性，作用力的大小和頻率按一定規(guī)律變化，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。離心力加載一般采用機(jī)械式激振器。激振器由機(jī)械和電控兩部分組成：機(jī)械部分主要是由兩個(gè)或多個(gè)偏心質(zhì)量組成，一般的機(jī)械式激振器工作頻率范圍較窄，大致在50～第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

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60Hz以下，由于激振力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以當(dāng)工作頻率很低時(shí)，激振力就較小；電氣控制部分采用單相可控硅，速度電流雙閉環(huán)電路系統(tǒng)，對(duì)直流電機(jī)實(shí)行無(wú)級(jí)調(diào)速控制。通過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)作速度反饋，通過(guò)自整角機(jī)產(chǎn)生角差信號(hào)，送往速度調(diào)節(jié)器與給定信號(hào)綜合，以保證兩臺(tái)或多臺(tái)激振器不但速度相同且角度亦按一定關(guān)系運(yùn)行。第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3．直線位移慣性力加載（linerdisplacementinertiaforceloading）圖3.5.3直線位移慣性力加載系統(tǒng)1－固定螺栓；2－加載器；3－伺服閥；4－荷重；5－平臺(tái)；6－鋼軌；7－低摩擦直線滾輪；8－樓板第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.5.2電磁加載（electromagneticloading）（a）激振器（b）振動(dòng)臺(tái)1－外殼；2－支撐彈簧；3－動(dòng)圈；4－鐵心；1－機(jī)架；2－激振頭；3－驅(qū)動(dòng)線圈；4－支撐彈簧；5－勵(lì)磁線圈；6－頂桿5－磁屏蔽；6－勵(lì)磁線圈；7－傳感器圖3.5.4電磁加載設(shè)備第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.5.3現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn)的激振方法（fielddynamictesting）1.人體激振動(dòng)加載法（vibrationloadingbyhuman）在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，人們可以利用自身在結(jié)構(gòu)物上的有規(guī)律的活動(dòng)，即使人的身體作與結(jié)構(gòu)自振同步的前后運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生足夠大的慣性力，就有可能形成適合作共振試驗(yàn)的振幅，這種方法稱為人體激振動(dòng)加載法。第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2.人工爆炸激振法（vibrationloadingbyartificialexplosion）人工爆炸激振法是指在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)附近場(chǎng)地采用炸藥進(jìn)行人工爆炸，利用爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬時(shí)激振，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)?？砂唇?jīng)驗(yàn)公式估算出人工爆炸產(chǎn)生場(chǎng)地地震的加速度A和速度V：

第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3．環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)激振法（stochasticvibration）建筑物經(jīng)常處于微小而不規(guī)則的脈動(dòng)中，這種微小而不規(guī)則的振動(dòng)來(lái)源于微小的地震活動(dòng)、機(jī)器運(yùn)作、車輛行駛等，使地面存在著連續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的幅值極為微小，而它所包含的頻譜是相當(dāng)豐富的，故稱為建筑脈動(dòng)。第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.6加載裝置（loadingdevices）3.6.1試驗(yàn)臺(tái)座（testfloor）1．槽式試驗(yàn)臺(tái)座（channeltype）圖3.6.1槽式試驗(yàn)臺(tái)座橫向剖面圖1－槽軌；2－型鋼骨架；3－高強(qiáng)度混凝土；3－混凝土第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2．地錨式試驗(yàn)臺(tái)座（groundanchortype）1－1圖3.6.2地錨式試驗(yàn)臺(tái)座1－地腳螺絲；2－臺(tái)座地槽第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3．箱式試驗(yàn)臺(tái)座（boxanchortype）圖3.6.3箱式試驗(yàn)臺(tái)座1－箱形臺(tái)座；2－頂板上的孔洞；3－試件；4－加荷架；5－液壓加載器；6－液壓操縱臺(tái)第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup4．槽錨式試驗(yàn)臺(tái)座（channelanchortype）圖3.6.3槽錨式試驗(yàn)臺(tái)座1－滑槽；2－高強(qiáng)度混凝土；3－槽鋼；4－錨栓第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup5．抗彎大梁式臺(tái)座（beamtype）圖3.6.5抗彎大梁臺(tái)座的荷載試驗(yàn)裝置1一試件；2一抗彎大梁；3一支墩；4一分配梁；5一液壓加載器；6一荷載加載架第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.6.2水平反力墻或反力架（horizontalreactionsetup）（a）（b）圖3.6.7水平反力裝置1－反力墻；2－試驗(yàn)臺(tái)座；3－推拉加載器；4－試件；5－反力架；6－千斤頂滾軸連接5631233NNF1F2第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.6.3豎向荷載架（verticalreactionsetup）圖3.6.8組合式垂直荷載架第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.6.4分配梁（transformationbeams）圖3.6.9分配梁加載示例1－分配梁；2－試件第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup3.6.5支座與支墩（supportsandbuttress）1．支座（supports）圖3.6.10常見(jiàn)鉸支座的形式（a）活動(dòng)鉸支座；（b）固定鉸支座；（c）球鉸支座（a）（c）（b）第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)形式，要求有不同的支座形式，具體如下：（1）簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁支座圖3.6.11嵌固端支座構(gòu)造1－試件；2－上支座刀口；3－下支座刀口；4－支墩；5－拉桿圖3.6.12板殼結(jié)構(gòu)的支座布置方式1－滾軸；2－鋼球；3－試件；4－固定球鉸第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup（2）四角支承板和四邊支承板的支座（3）受扭試件兩端的支座圖3.6.13受扭試驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)支座構(gòu)造1－受扭試件；2－墊板；3－轉(zhuǎn)動(dòng)支座蓋板；4－滾軸；5－轉(zhuǎn)動(dòng)支座第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup（3）受壓試件兩端的支座（a）（b）圖3.6.13柱與壓桿試驗(yàn)的鉸支座（a）單向鉸支座；（b）雙向鉸支座1－試件；2－鉸支座；3－調(diào)整螺絲；4－刀口第3章加載設(shè)備與試驗(yàn)裝置

Chapter3LoadingEquipmentandTestSetup2．支墩（buttress）支墩本身的強(qiáng)度必須進(jìn)行計(jì)算，以保證試驗(yàn)時(shí)不致發(fā)生過(guò)度變形。支墩在現(xiàn)場(chǎng)多用磚塊臨時(shí)砌成，支墩上部應(yīng)有足夠大的平整支承面，最好在頂部鋪鋼板，支承面積要按地耐力復(fù)核。在試驗(yàn)室內(nèi)