試驗荷載及其設(shè)備

試驗荷載及其設(shè)備第一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五一、結(jié)構(gòu)上作用的分類結(jié)構(gòu)上的作用分為直接作用和間接作用。直接作用：主要是指荷載的作用，包括結(jié)構(gòu)自重和作用在結(jié)構(gòu)上的外力，分為靜荷載作用和動荷載作用兩類。間接作用：引起結(jié)構(gòu)附加變形和約束變形的原因。第二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五二、結(jié)構(gòu)試驗對儀器設(shè)備的要求1）選用的試驗荷載圖式應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的荷載圖式所產(chǎn)生的內(nèi)力值相一致或極為接近，即使截面或部位產(chǎn)生的內(nèi)力與設(shè)計計算等效。2）荷載傳遞方式和作用點(diǎn)要明確，產(chǎn)生的荷載值要穩(wěn)定，滿足試驗的準(zhǔn)確度，特別是靜力荷載應(yīng)不隨加載時間、外界環(huán)境和結(jié)構(gòu)的變形而變化。3）荷載分級的分度值要滿足試驗量測的精度要求。4）加載裝置本身要安全可靠，不僅要滿足強(qiáng)度要求，還必須按變形條件來控制加載裝置的設(shè)計，即應(yīng)滿足剛度要求有足夠的強(qiáng)度儲備，防止對試件產(chǎn)生卸荷作用而減輕結(jié)構(gòu)實際承擔(dān)的荷載。5）加載設(shè)備要操作方便，便于加載和卸載，并能控制加載速度，還能適應(yīng)同步加載或先后加載的不同要求。6）加載設(shè)備不應(yīng)參與結(jié)構(gòu)工作，導(dǎo)致改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)或使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力。7）盡量采用先進(jìn)技術(shù)，減輕勞動強(qiáng)度，提高試驗效率和質(zhì)量。第三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五§2-2重力加載重物加載是利用物體本身的重量施加在結(jié)構(gòu)上作為荷載。在實驗室內(nèi)可以采用的重物有專門制作的標(biāo)準(zhǔn)鑄鐵砝碼，混凝土立方試塊、水箱等；在現(xiàn)場試驗可以就地取材如磚、砂、石、袋裝水泥等建筑材料，或廢構(gòu)件、鋼錠等。重物可以直接加在試驗結(jié)構(gòu)上，也可以通過杠桿系統(tǒng)間接加在試件上。第四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-2-1重力直接加載1．重物加載的形式重物荷載可直接堆放于結(jié)構(gòu)表面（如板的試驗）作為均布荷載（圖2-1）或置于荷載盤上通過吊桿掛在結(jié)構(gòu)上形成集中荷載（圖2-2），此時吊桿與荷載盤的自重應(yīng)計入第一級荷載。

圖2-1用重物做均布荷載直接加載試驗圖2-2用重物做集中荷載加載試驗第五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-2-1重力直接加載2．加載應(yīng)注意的幾個問題（1）當(dāng)使用砂石等松散顆粒材料加載時，如果將材料直接堆放于結(jié)構(gòu)表面，將會造成荷載材料本身的起拱，而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生卸荷作用，為此最好將顆粒材料置于一定容量的無底箱框之中，然后疊加于結(jié)構(gòu)之上，在試驗構(gòu)件跨度方向施加的箱框數(shù)量不應(yīng)少于兩個。（2）當(dāng)采用型體較為規(guī)則的塊狀材料加載，如磚塊、鑄鐵塊、鋼錠等，則要求疊放整齊，每堆重物的寬度≤L/6（L為試驗結(jié)構(gòu)的跨度），堆與堆之間應(yīng)有一定間隔（約50～100mm）。（3）如果利用鋼錠作用載重，為了加載的方便與安全，要求每塊質(zhì)量不大于20kg。（4）當(dāng)利用吊桿荷載盤施加集中荷載時，每個荷載盤應(yīng)分開或通過靜定的分配梁體系作用于試驗對象上，使結(jié)構(gòu)所受的荷載明確。第六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-2-1重力直接加載3.優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：試驗用的重物容易取得，不影響結(jié)構(gòu)的自由變形，特別適用于長期荷載和均布荷載試驗。缺點(diǎn)：加載過程中需要花費(fèi)較大的勞動力，此外，利用砂石、磚塊等材料作為荷載，它們的容重常隨大氣溫度、濕度改變而發(fā)生變化即由于其含水率的變化，以致荷載不易恒定，使荷載值產(chǎn)生誤差。第七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-2-1重力直接加載利用水作均布荷載試驗，如圖2-3所示是一種簡易方便而且又十分經(jīng)濟(jì)的加載方法。加載時可以直接用自來水管放水，水的比重為1，從標(biāo)尺上的水深就可知道荷載值的大小，卸載也方便，可采用虹吸管原理放水卸載，特別適用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和平板結(jié)構(gòu)加載試驗。缺點(diǎn)是全部承截面被水掩蓋，不利于布置儀表和觀測。當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形時，要注意水荷載的不均勻所產(chǎn)生的影響。第八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五3第九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-2-2杠桿加載1．加載形式當(dāng)利用重物作集中荷載時，經(jīng)常會受到荷載量的限制，常采用杠桿原理將荷載值放大，將荷重放大作用于結(jié)構(gòu)上。如圖（2-4）

圖2-4杠桿加載第十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-2-2杠桿加載2．特點(diǎn)杠桿制作方便，荷載值穩(wěn)定不變，當(dāng)結(jié)構(gòu)有變形時，荷載可以保持恒定，對于做持久荷載試驗尤為適合。杠桿加載的關(guān)鍵是要有牢固穩(wěn)妥的支承反力裝置。3．加載應(yīng)注意的問題杠桿比例不宜過大。支點(diǎn)、力點(diǎn)和加載點(diǎn)位置必須明確，并應(yīng)在同一直線上。杠桿應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度，防止自身的總體失穩(wěn)。第十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五§2-3液壓加載法

液壓加載是目前最常用的試驗加載方法。優(yōu)點(diǎn)：利用油壓使液壓千斤頂產(chǎn)生較大的荷載，試驗操作安全方便。對于大型結(jié)構(gòu)試驗，當(dāng)要求荷載點(diǎn)數(shù)多，采用多點(diǎn)同步加載更為合適。尤其是電液伺服技術(shù)在液壓加載設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用后，為結(jié)構(gòu)模擬地震荷載試驗創(chuàng)造了有利條件。第十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-3-1液壓加載器液壓加載器俗稱千斤頂，是液壓加載設(shè)備中的一個主要部件。其主要工作原理是用高壓油泵將具有一定威力的液壓油壓入液壓加載器的工作油缸，使之推動活塞，對結(jié)構(gòu)施加荷載。

第十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-3-2液壓加載系統(tǒng)液壓加載系統(tǒng)的組成儲油箱、高壓油泵、測力裝置和各類閥門組成的操縱臺，通過高壓油管同時并聯(lián)連接若干個液壓加載器組成。必須配置各種支承系統(tǒng)，來承受液壓器對結(jié)構(gòu)加載時產(chǎn)生的反作用力。第十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-3-3大型結(jié)構(gòu)試驗機(jī)1．結(jié)構(gòu)長柱試驗機(jī)結(jié)構(gòu)長柱試驗機(jī)如右圖所示，用以進(jìn)行梁、柱、墻板、砌體結(jié)構(gòu)等的受壓和受彎試驗。這種設(shè)備的構(gòu)造和加載原理與一般材料試驗機(jī)相同。壓力傳感器立柱控制器下承壓板上承壓板第十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2．結(jié)構(gòu)疲勞試驗機(jī)結(jié)構(gòu)液壓試驗機(jī)主要用于對各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行單向負(fù)荷的壓力及彎曲疲勞試驗。在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生周期性的單向脈動荷載，實現(xiàn)正弦波的動態(tài)疲勞試驗。由液壓脈動器、控制系統(tǒng)和液壓脈動加載器三部分組成。液壓脈動器是疲勞機(jī)的核心部分，其結(jié)構(gòu)原理：當(dāng)脈動器中的飛輪帶動曲柄連桿轉(zhuǎn)動時，脈動器活塞上下移動而產(chǎn)生脈油壓，傳至加載器形成正弦波形的脈動荷載。調(diào)整脈動器中曲柄連桿的固定位置，可改變活塞沖程，從而改變脈動量的大小。頻率可根據(jù)試驗的不同要求在100～500次/分范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)選用。疲勞次數(shù)可由頻率指示器自動記錄，并可按預(yù)選的疲勞次數(shù)自動停機(jī)。疲勞試驗機(jī)應(yīng)滿足2級試驗機(jī)的精度要求。測力不值相對誤差應(yīng)為±2.0%。荷載量程應(yīng)同時滿足最大荷載和最小荷載的要求。第十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-3-4電液伺服液壓系統(tǒng)電液伺服液壓系統(tǒng)可以較為精確地模擬試件所受的實際荷載，產(chǎn)生真實的受力狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)試驗中，用以模擬地震、海浪等荷載對結(jié)構(gòu)物的作用，是比較理想的試驗設(shè)備，特別適用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震研究的偽靜力試驗和擬動力試驗。第十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五3．電液伺服液壓系統(tǒng)（1）組成

由電液伺服加載器或稱伺服千斤頂、控制系統(tǒng)和液壓源等三大部分組成。（2）作用

它可以將荷載、應(yīng)變、位移等不同力學(xué)參量直接作為控制參數(shù)，實行自動控制，并在試驗過程中進(jìn)行控制參量的轉(zhuǎn)換。第十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-3-4電液伺服液壓系統(tǒng)1.電液伺服系統(tǒng)的工作原理利用自動控制和液壓技術(shù)相結(jié)合的電液伺服閉環(huán)控制試驗加載（見下頁圖）。由電液伺服加載器或稱伺服液壓加載器、控制系統(tǒng)和液壓源等三大部分組成。加載系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件是電液伺服閥

第十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五電液伺服閉環(huán)控制回路指令信號調(diào)整放大系統(tǒng)比較器加載器傳感器油源伺服閥反饋系統(tǒng)閉環(huán)閉環(huán)控制回路圖第二十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-3-5地震模擬振動臺地震模擬振動臺是再現(xiàn)各種地震波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力試驗的一種先進(jìn)設(shè)備，其特點(diǎn)是具有自動控制和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，采用了電子計算機(jī)和閉環(huán)伺服液壓控制技術(shù)，并配合先進(jìn)的振動測量儀器，可以在實驗室內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)物的地震模擬試驗，以求得地震反應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響。第二十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-3-5地震模擬振動臺1.振動臺臺體結(jié)構(gòu)2.液壓驅(qū)動和動力系統(tǒng)3.控制系統(tǒng)4.測試和分析系統(tǒng)第二十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五§2-4其他加載方法2-4-1慣性力加載1.沖擊力加載特點(diǎn)：荷載作用時間極為短促，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動，適用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性試驗。（1）初位移加載法（張拉突卸法）借助外力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的初位移，然后突然卸去荷載，利用結(jié)構(gòu)的彈性使其產(chǎn)生自由振動。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)自振時荷載已不存在于結(jié)構(gòu)，沒有附加質(zhì)量的影響，但僅適應(yīng)于剛度不大的結(jié)構(gòu)。第二十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-4-1慣性力加載mm突加荷載法

突卸荷載法第二十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-4-1慣性力加載（2）初速度加載法（突加荷載法）利用擺錘或落重的方法使結(jié)構(gòu)在瞬時內(nèi)受到水平或垂直的沖擊，產(chǎn)生一個初速度，同時使結(jié)構(gòu)獲得所需的沖擊荷載。優(yōu)點(diǎn)：較小的荷載產(chǎn)生較大的振幅。缺點(diǎn)：荷載將附著于結(jié)構(gòu)一起振動，并且落重的跳動又會影響結(jié)構(gòu)自振阻尼振動，同時有可能使結(jié)構(gòu)受到局部損傷。這時沖擊力的大小要按結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算，不致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過度的應(yīng)力和變形。第二十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2-4-1慣性力加載（3）反沖激振器（火箭激振）加載工作原理：當(dāng)點(diǎn)火裝置內(nèi)的點(diǎn)火藥被點(diǎn)燃后，很快使主裝火藥到達(dá)燃燒溫度，主裝火藥開始在燃燒室中進(jìn)行平穩(wěn)的燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體便從噴管口以極高的速度噴出。按動量守恒定律得到反沖力，即為作用在被測結(jié)構(gòu)上的脈沖力。第二十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五2.離心力加載離心力加載的原理

根據(jù)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的離心力對結(jié)構(gòu)施加簡諧振動荷載。特點(diǎn)

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。第二十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五3.機(jī)械加載常用的機(jī)械力加載機(jī)具有吊鏈、卷揚(yáng)機(jī)、絞車、花籃螺絲、螺旋千斤頂和彈簧等。吊鏈、卷揚(yáng)機(jī)、絞車和花籃螺絲等主要配合鋼絲或繩索對結(jié)構(gòu)施加拉力，還可與滑輪組聯(lián)合使用，改變作用力的方向的拉力大小。連接測力計或拉力傳感器可以測量其加載值螺旋千斤頂是利用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動的原理加力，使用時需要用力傳感器測定其加載值，設(shè)備簡單，使用方便。彈簧常用于構(gòu)件的持久荷載試驗，產(chǎn)生的荷載相對比較穩(wěn)定。彈簧加載采用千分表量測彈簧的壓縮長度的變化量確定彈簧的加載值。彈簧變形與力值的關(guān)系一般通過壓力試驗機(jī)標(biāo)定來確定。第二十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五3.機(jī)械加載優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，容易實現(xiàn)，當(dāng)通過索具加載時，很容易改變荷載作用的方向，故在建筑物、柔性構(gòu)筑物的實測或大尺寸模型試驗中，常用此法施加水平集中荷載。缺點(diǎn)荷載值不大，當(dāng)結(jié)構(gòu)在荷載作用點(diǎn)產(chǎn)生變形時，會引起荷載值的改變。第二十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五4.氣壓加載法氣壓加載法主要利用空氣壓力對試件施加荷載。它所產(chǎn)生的是垂直于試件或結(jié)構(gòu)模型表面的均布荷載。氣壓加載分為正壓加載和負(fù)壓加載兩種，正壓加載是利用壓縮空氣的壓力對結(jié)構(gòu)施加荷載。負(fù)壓加載是利用真空泵將試驗結(jié)構(gòu)物的下面密封室內(nèi)的空氣抽出，使之形成真空，結(jié)構(gòu)的外表面受到的大氣壓，就成為施加在結(jié)構(gòu)上的均布荷載，由真空度可得出加載值。一般很少用。優(yōu)缺點(diǎn)：氣壓加載、卸載方便，荷載穩(wěn)定，直接通過壓力表就可反映加載值。缺點(diǎn)：試件受力面無法觀測，利用真空加載時試件周邊密封要求較高。另外，由于荷載垂直于試件受載面，所以殼體試驗時荷載是均勻分布的壓力而不是重力荷載，當(dāng)殼體曲率較大時會有一定誤差，同時模擬局部荷載作用會有一定困難。第三十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五5.電磁加載法電磁加載的原理

在磁場中通電的導(dǎo)體將受到與磁場方向相垂直的作用力。在磁場（永久磁鐵或激磁線圈中）放入動圈，通以交變電流，就可使固定于動圈上的頂桿等作往復(fù)運(yùn)動，對試驗對象施加荷載。若在動圈上通以一定方向的直流電，則可產(chǎn)生靜荷載。第三十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五5.電磁加載法一、電磁式激振器電磁式激振器是由磁系統(tǒng)（包括勵磁線圈、鐵芯、磁極板）、動圈（工作線圈）、彈簧、頂桿等。當(dāng)激振器工作時，在勵磁線圈中通入穩(wěn)定的直流電，使在鐵芯與磁極板的空隙中形成一個強(qiáng)大的磁場。與此同時，由低頻信號發(fā)生器輸出一交變電流，經(jīng)功率放大器放大后輸入工作線圈，這時工作線圈即按交變電流的諧振規(guī)律在磁場中運(yùn)動并產(chǎn)生一電磁感應(yīng)力，使頂桿推動試件產(chǎn)生振動。第三十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五5.電磁加載法二、電磁振動臺電磁振動原理基本上與電磁激振器一樣，實際上是由電磁激振器來推動一個活動的臺面而構(gòu)成。電磁振動臺通常由信號發(fā)生器、振動自動控制儀、功率放大器、電磁激振器和臺面組成。電磁振動臺是按閉環(huán)振動試驗要求設(shè)計的。第三十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五6.人激振動加載在結(jié)構(gòu)動力試驗的加載方法中，一般都需要比較復(fù)雜的設(shè)備，這些在實驗室內(nèi)尚可滿足，而在野外現(xiàn)場試驗時，往往受到各方面條件的限制難于實現(xiàn)。因此人們設(shè)法尋求更簡單的試驗方法，即可以獲得有關(guān)結(jié)構(gòu)動力特性的資料和數(shù)據(jù)，而又無需復(fù)雜的設(shè)備。人激振動的關(guān)鍵在于選擇好最容易激發(fā)振動的空間位置。

第三十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五7.環(huán)境隨機(jī)振動激振法環(huán)境隨機(jī)振動激振法也稱脈動法。它不需要任何激振設(shè)備，又不受