建筑結(jié)構(gòu)試驗第一章課件

建筑結(jié)構(gòu)試驗華北水利水電大學土木與交通學院2014.05建筑結(jié)構(gòu)試驗：對建筑結(jié)構(gòu)或者是它的構(gòu)件施加一定的荷載（廣義），然后用現(xiàn)代的測試手段對它引起來的各種反應(yīng)等進行測量，通過這些測量來觀測結(jié)構(gòu)對荷載的反應(yīng)能力，考查結(jié)構(gòu)是否符合使用和設(shè)計要求，同時，也可以通過觀測，來得到荷載與它產(chǎn)生的變形之間的關(guān)系，為計算提供實踐根據(jù)。建筑結(jié)構(gòu)：由工程材料構(gòu)成的不同類型的承重構(gòu)件相互連接的各種組合體。在一定經(jīng)濟條件的制約下，要求結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)和規(guī)定的使用條件下安全有效的承受外部及內(nèi)部的形成的各種作用，以滿足功能及使用上的要求。結(jié)構(gòu)試驗：主要內(nèi)容包括工程結(jié)構(gòu)試驗的設(shè)計、結(jié)構(gòu)靜力試驗和動力試驗的加載模擬技術(shù)、結(jié)構(gòu)試驗的量測技術(shù)、結(jié)構(gòu)試驗的量測技術(shù)、結(jié)構(gòu)試驗的數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)以及結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測與評價技術(shù)。第一章 建筑結(jié)構(gòu)試驗概論§1.1建筑結(jié)構(gòu)試驗任務(wù)§1.2建筑結(jié)構(gòu)試驗的目的§1.3建筑結(jié)構(gòu)試驗的分類§1.4結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)的發(fā)展§1.1建筑結(jié)構(gòu)試驗任務(wù)1.研究對象：建設(shè)工程的結(jié)構(gòu)物2.主要任務(wù)：在試驗研究對象上，以儀器設(shè)備為工具，利用各種實驗為手段，在荷載或其他因素作用下，通過對結(jié)構(gòu)物受作用后的性能進行觀測和對測量參數(shù)進行分析，從強度、剛度和抗裂性以及結(jié)構(gòu)實際破壞形態(tài)來判明結(jié)構(gòu)的實際工作性能，從而對結(jié)構(gòu)物的工作性能作出評價，對結(jié)構(gòu)物的承載能力作出正確估計，確定結(jié)構(gòu)對使用要求的符合程度，為驗證和發(fā)展結(jié)構(gòu)的計算理論提供可靠的依據(jù)。P-Δ曲線（構(gòu)件）

M-Φ關(guān)系（截面）

承載力、撓度、裂縫

平截面假定驗證

鋼筋混凝土簡支梁在靜力集中荷載作用下，可以通過測得梁在不同受力階段的撓度、角變位、截面應(yīng)變和裂縫寬度等參數(shù)，來分析梁的整個受力過程以及結(jié)構(gòu)的強度、撓度和抗裂性能。所以，建筑結(jié)構(gòu)試驗是以試驗方式測定有關(guān)數(shù)據(jù)，由此反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的工作性能、承載能力和相應(yīng)的安全度，為結(jié)構(gòu)的安全使用和設(shè)計理論的建立提供重要根據(jù)的學科。3.建筑結(jié)構(gòu)試驗的作用是發(fā)展結(jié)構(gòu)理論和計算方法的重要途徑是發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計誤區(qū)的主要手段是驗證結(jié)構(gòu)理論的唯一方法是建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量鑒定的直接方式是制定各類技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標準的基礎(chǔ)例1是發(fā)展結(jié)構(gòu)理論和計算方法的重要途徑

簡支受彎梁試驗（著名的路標試驗）

研究簡支受彎梁截面應(yīng)力分布簡支受彎梁試驗：（路標試驗）√17世紀初，伽利略提出截面應(yīng)力均勻分布；√17世紀中，有人將其修正為三角形分布；√1713年，巴朗（法國）提出正確的應(yīng)力分布型式，但未進行試驗驗證；√1767年，容格密里提出路標試驗；√1821年，拿維葉(法國科學院院士)推導(dǎo)了受彎構(gòu)件應(yīng)力分布的計算公式；√1850年，阿莫歷思(法國科學院院士)完成了試驗驗證。例2是發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計誤區(qū)的主要手段√人們對于框架矩形截面柱和圓形截面柱的受力特性認識較早，在工程設(shè)計中應(yīng)用最廣?！?/p>

20世紀80年代，出現(xiàn)了異形截面柱框架（“丁”型、“L”型和“十”字型）。起初誤認為柱子的受力特性與柱的截面形式無關(guān)。但通過試驗證明，柱子的受力特性與柱子截面的形狀有很大關(guān)系，矩形截面柱的破壞特征屬于拉壓型破壞，異形截面柱的破壞特征屬于剪切型破壞。例3：是驗證結(jié)構(gòu)理論的唯一方法√作為一門實驗科學，目的是對結(jié)構(gòu)物的受力性能作出評價，并為驗證和發(fā)展計算理論提供依據(jù)。

√當計算理論比較完善，足以分析結(jié)構(gòu)物的受力特性時，則無須進行結(jié)構(gòu)試驗?！坍斢嬎憷碚撚写晟苹蚍治鰧ο鬄樾虏牧?、新工藝或新型結(jié)構(gòu)時，則需要進行結(jié)構(gòu)試驗。例4：建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量鑒定離不開結(jié)構(gòu)試驗防災(zāi)減災(zāi)：受到災(zāi)害（風災(zāi)、雪災(zāi)、地震）的建筑物要進行檢測，評價其安全度，為加固提供依據(jù)。舊有建筑：超期或使用較長時間的建筑物，有沉降、裂縫、變形等現(xiàn)象，為使用者提供加固依據(jù)及加固方案。功能改造：原有建筑要改造，因使用多年后其材料性能、支承邊界條件、荷載作用與原始設(shè)計不同了，需要用試驗檢測手段提供結(jié)構(gòu)設(shè)計改造的科學依據(jù)。4.電子計算機技術(shù)發(fā)展對結(jié)構(gòu)試驗學科的影響電子計算機技術(shù)的發(fā)展，不僅為用數(shù)學模型方法進行計算分析創(chuàng)造了條件，同時使以有限元方法為代表的數(shù)值方法得到了空前發(fā)展。在傳統(tǒng)的理論與試驗之間提供了一條通過計算建立聯(lián)系的新途徑，使結(jié)構(gòu)工程學科由理論-試驗的兩極構(gòu)成變?yōu)槔碚?、試驗和計算三足鼎立的新學科結(jié)構(gòu)。與此同時，利用計算機控制的結(jié)構(gòu)試驗，也為實現(xiàn)荷載模擬、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理以及整個試驗實現(xiàn)自動化提供了有利條件，使結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了根本變化。5.結(jié)構(gòu)試驗在工程結(jié)構(gòu)學科中的作用和意義結(jié)構(gòu)試驗是以試驗方式測試有關(guān)數(shù)據(jù)，反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的工作性能、承載力以及相應(yīng)可靠度，為結(jié)構(gòu)的安全使用和設(shè)計理論的建立提供重要的依據(jù)。實踐是檢驗真理的唯一標準，科學實踐是正確認識事物本質(zhì)的源泉，可以幫助人們認識事物的內(nèi)在規(guī)律。在結(jié)構(gòu)工程學科中，需要正確認識結(jié)構(gòu)的性能和不斷深化該認識，結(jié)構(gòu)試驗是一種已被實踐所證明了的行之有效的方法。1.2建筑結(jié)構(gòu)試驗的目的建筑結(jié)構(gòu)試驗?zāi)康?/p>

生產(chǎn)檢驗性試驗（又稱鑒定性試驗或檢驗性試驗）科學研究性試驗1、生產(chǎn)檢驗性試驗（1）特點:非探索性，有比較成熟的計算理論，針對實際結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。（2）目的：具有直接的生產(chǎn)目的，以實際建筑物或結(jié)構(gòu)為試驗鑒定對象，經(jīng)過試驗對具體結(jié)構(gòu)作出正確的技術(shù)結(jié)論。（3）應(yīng)用場合：

①對結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工進行鑒定；②判斷改建和加固的工程結(jié)構(gòu)的實際承載力；③為工程事故鑒定處理提供技術(shù)依據(jù)；④對已建結(jié)構(gòu)進行可靠性檢驗，判斷和估計結(jié)構(gòu)的剩余壽命；⑤鑒定預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品的質(zhì)量。上海南浦大橋秦山核電站2、科研性試驗（1）特點:具有研究探索開發(fā)的性質(zhì)，針對試件而不是實際結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。（2）目的:驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的各種假定，通過制定各種設(shè)計規(guī)范，發(fā)展新的設(shè)計理論，改進設(shè)計計算方法，為發(fā)展和推廣新結(jié)構(gòu)、新材料及新工藝提供理論依據(jù)于實踐經(jīng)驗。（3）應(yīng)用場合：

①驗證結(jié)構(gòu)計算理論的假定；

②為制定或修訂設(shè)計規(guī)范提供依據(jù)；

③為發(fā)展和推廣新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝提供實踐經(jīng)驗。1.3建筑結(jié)構(gòu)試驗的分類√按照試驗對象來分類：真型試驗與模型試驗√按照荷載性質(zhì)來分類：靜力試驗與動力試驗√按照試驗時間來分類：短期荷載試驗與長期荷載試驗√按照試驗場合來分類：實驗室試驗與現(xiàn)場試驗√按照破壞程度來分類：破壞性試驗與非破壞性試驗一、真型試驗與模型試驗1.真型試驗⑴試驗對象：實際結(jié)構(gòu)或?qū)嶋H的結(jié)構(gòu)構(gòu)件實物試驗一般為生產(chǎn)性、非破壞性的現(xiàn)場試驗。實際的結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗，即一根梁、一塊板或一榀屋架⑵特點優(yōu)點：完全反應(yīng)真實結(jié)構(gòu)受力特性，試驗結(jié)論可靠缺點：費用高、加載難度大、試驗周期長、精度受環(huán)境因素干擾影響2.模型試驗⑴試驗對象：縮尺試件（按一定比例關(guān)系復(fù)制），具有實際結(jié)構(gòu)全部或部分特征⑵特點優(yōu)點：實施方便，費用低，可反復(fù)觀察缺點：嚴格相似條件難實現(xiàn)，尺寸效應(yīng)⑶分類

相似模型試驗縮尺模型試驗足尺模型試驗※亞洲第一、世界第三高度的東方明珠電視塔（高468m）是高次超靜定預(yù)應(yīng)力鋼混高塔結(jié)構(gòu)?！谌蛄杂啥饶M振動臺上完成了模型比例為1/50的電視塔結(jié)構(gòu)相似模型的抗震動力試驗。※模型材料為在結(jié)構(gòu)筒體豎向施加預(yù)應(yīng)力的模型混凝土，試驗測出了結(jié)構(gòu)動力特性及在不同烈度時的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和結(jié)構(gòu)破壞特征。①相似模型試驗嚴格相似—幾何相似、力學相似、材料相似用適當?shù)谋壤吆拖嗨频牟牧现瞥膳c原型幾何相似的試驗對象，在模型上施加相似力系，使模型受力后重演原型結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，最后按相似條件推算實際結(jié)構(gòu)的工作。②縮尺模型試驗不須遵循嚴格的相似條件，可選用與原型結(jié)構(gòu)相同的材料，并按一般的設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計和制造。將該模型的試驗結(jié)果與理論計算對比校核，用以研究結(jié)構(gòu)性能，驗證設(shè)計假定與計算方法的正確性，并可以將試驗結(jié)果所證實的一般規(guī)律與計算理論推廣到實際結(jié)構(gòu)中去。在各種結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的編制上，大量利用這類試驗來提供數(shù)據(jù)、建立公式和制定條文。鋼混結(jié)構(gòu)受彎試驗上海體育館的屋蓋體系是直徑為125m的圓形三向鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，采用了1/20的縮尺模型來驗證該體系網(wǎng)架的變形和內(nèi)力分布，同時探求了在理論計算中的次應(yīng)力問題，試驗數(shù)據(jù)與計算相符。③足尺模型試驗主要用于結(jié)構(gòu)抗震研究的發(fā)展對結(jié)構(gòu)整體性能的試驗研究，對結(jié)構(gòu)構(gòu)造、各構(gòu)件之間的相互作用、結(jié)構(gòu)整體剛度以及結(jié)構(gòu)破壞階段的實際工作進行全面觀測了解。如裝配整體式框架結(jié)構(gòu)、鋼混大板、磚石結(jié)構(gòu)、異形柱框架等不同開間或不同層高的足尺結(jié)構(gòu)。為保證測試精度，防止環(huán)境因素對試驗的干擾影響，可將現(xiàn)場試驗轉(zhuǎn)移到實驗室內(nèi)進行。近年來國內(nèi)大型結(jié)構(gòu)實驗室已考慮此類試驗的建設(shè)。港珠澳大橋埋置承臺足尺試驗研究項目

（港珠澳沉管預(yù)制足尺模型試驗混凝土澆筑）

二、靜力試驗與動力試驗1.結(jié)構(gòu)靜力單調(diào)加載試驗是結(jié)構(gòu)試驗中最大量最常見的基本試驗，主要研究結(jié)構(gòu)強度、剛度和抗裂性和破壞機理。⑴加載過程※在短時間內(nèi)對試驗對象進行平穩(wěn)地連續(xù)施加荷載，荷載從“0”開始一直加到結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞或達到預(yù)定荷載，或是在短時期內(nèi)平穩(wěn)地施加若干次預(yù)定的重復(fù)荷載后，再連續(xù)增加荷載直到結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞。⑵特點

優(yōu)點：加載設(shè)備簡單，荷載可逐步施加，試驗觀測方便，給人以明確而清晰的破壞概念。

例：對承受動力荷載的結(jié)構(gòu)為了解結(jié)構(gòu)靜力荷載下其工作特性，在動力試驗前應(yīng)先進行靜力試驗，如結(jié)構(gòu)疲勞試驗。

缺點：不能反映應(yīng)變速率對結(jié)構(gòu)性能的影響，不能反映結(jié)構(gòu)動力性能。例：在結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗中靜力試驗的結(jié)果與任意一次確定性非線性地震反應(yīng)相差較大。目前，采用計算機與加載器聯(lián)機試驗系統(tǒng)可以彌補這一缺點，但每個加載周期遠遠大于實際結(jié)構(gòu)的基本周期。2.結(jié)構(gòu)動力試驗對于在實際工作中主要承受動力作用的結(jié)構(gòu)，為了了解結(jié)構(gòu)在動力荷載下的工作性能，可通過動力加載設(shè)備直接對結(jié)構(gòu)施加動力荷載。⑴特點

優(yōu)點：能真實反映結(jié)構(gòu)動力特性和動力響應(yīng)

缺點：加載設(shè)備和測試手段復(fù)雜⑵分類

結(jié)構(gòu)動力特性試驗結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)試驗結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)構(gòu)動力特性試驗指結(jié)構(gòu)受動力荷載激勵時，在結(jié)構(gòu)自由振動或強迫振動下，量測結(jié)構(gòu)自身所固有的動力性能的試驗。試驗可以采用人工激振法（自由振動法、強迫振動法）或環(huán)境隨機激振法，量測結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼系數(shù)、振型等基本參數(shù)（也稱動力特性參數(shù)）。例：環(huán)境隨機振動法測索力----隨著大跨和特大跨斜拉橋的出現(xiàn),斜拉索每延米的重量一般已超過50kg,甚至達到100kg,長度超過100m,甚至達到300m。在這種情況下,對拉索已不可能用人力激振,來獲得理想的振態(tài),測定索頻;也不適宜預(yù)先進行實索標定,求得索力和頻率相關(guān)關(guān)系。結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)試驗指結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下，量測結(jié)構(gòu)或特定部位動力性能參數(shù)和動態(tài)反應(yīng)的試驗。包括振幅、頻率、速度、加速度、動應(yīng)變、動撓度等主要表現(xiàn)在：※抗爆試驗；※橋梁上駛過汽車、列車時引起的跳車試驗；※高聳建筑在風載下的抗風試驗；結(jié)構(gòu)疲勞試驗指結(jié)構(gòu)在等幅穩(wěn)定、多次重復(fù)荷載下，為測試結(jié)構(gòu)疲勞性能而進行