第六章模型試驗1試驗概述2模型試驗理論基礎3模型設計4模型制作5試驗與仿真分析結合

1試驗概述

1.1模型試驗的特點（1）經濟性好模型結構的幾何尺寸小于原結構（一般取原型結構的1/2~1/20，甚至更小），制作容易，裝拆方便，大大節省材料、勞動力和時間，且同一個模型可進行多個不同目的的試驗，實現“一模多用”。（2）針對性強可以根據試驗目的，突出主要設計因素，簡略次要因素，同時也可以改變其某些主要因素進行多個模型的對比試驗。（3）數據準確由于試驗模型的尺寸很小，一般可在試驗技術條件和環境條件均較好的室內進行試驗，因此可以嚴格控制其主要測試參數，避免外界因素（溫度、濕度、磁場等）的干擾，保證試驗結果的準確性。不足之處：必須建立在合理的相似條件基礎上，因此，它的發展必須依賴相似理論的不斷完善與進步。148（1）大型結構試驗的輔助試驗許多受力復雜、體積龐大的構件或結構，往往很難進行實物試驗，這是因為現場試驗難以組織，室內的足尺試驗又受經濟能力和室內空間的控制，所以常用模型試驗代替。對于某些重要的復雜結構，模型試驗則作為實際結構試驗的輔助試驗。（2）作為結構分析計算的輔助手段當設計受力較復雜的結構時，由于設計計算存在一定的局限性，往往通過模型試驗作結構分析，彌補設計上存在的不足，核算設計計算方法的適應性，比較設計方案。（3）驗證和發展結構設計理論新的設計計算理論和方法的提出，通常需要一定的結構試驗來驗證，由于模型試驗具有較強的針對性，故驗證試驗均采用模型試驗。

1.2模型試驗的應用范圍1492模型試驗理論基礎2.1模型相似的基本概念

在進行物理變化的系統中，在相應的時刻第一過程和第二過程相應的物理量之間的比例保持著常數，這些常數間又存在互相制約的關系，這種現象稱為相似現象。

在相似理論中，系統是按一定關系組成的同類現象的集合，現象是由物理量所決定的、發展變化中的具體事物或過程。這就是系統、現象和物理量三者之間的關系。兩個現象相似是由決定現象的物理量的相似所決定的。模型與原型結構之間所對應部分的尺寸成比例幾何尺寸之比稱為幾何相似常數幾何相似荷載相似模型與原型在各對應點所受的荷載方向一致，大小成比例2.1模型相似的基本概念要求模型和原型在與外界接觸的區域內的各種條件保持相似，即要求支承條件相似、約束條件相似以及邊界受力情況相似。模型的支承條件和約束條件可以由與原型結構構造相同的條件來滿足與保證。邊界條件相似在研究工程振動等問題時，要求模型與原型結構對應部分質量成比例，通常簡化為對應點的集中質量質量相似物理相似是指除了幾何相似之外，在進行物理過程的系統中，在相應的地點（位置）和對應的時刻，模型與原型的各相應物理量之間的比例應保持常數物理相似對于結構的動力問題，在隨時間變化的過程中，要求模型與原型在對應時刻進行比較，要求相對應的時間成比例時間相似2.2模型相似的基本原理定理描述：彼此相似的現象，單值條件相同，其相似準數也相同。第一相似定理某一現象各物理量之間的關系方程式，都可表示為相似準數之間的函數關系。以簡支梁在均布荷載q作用下的情況來說明第二相似定理現象的單值條件相似，即存在相似常數，并且由單值條件導出來的相似準數的數值相等，則現象相似。第三相似定理是現象彼此相似的充分和必要條件，它指出了判斷相似現象的方法。是第一、第二定理的補充。第三相似定理2.3常見相似現象的相似關系（1）靜力彈性相似對一般的靜力彈性模型，應以長度及彈性模量Sl、SE的相似常數為設計時首先確定的條件，所有其他量的相似常數都是Sl和SE的函數或等于1。結構靜力彈性模型的相似常數和相似關系2.3常見相似現象的相似關系（2）動力相似在進行動力模型尤其結構抗震模型設計時，除了將長度[l]和力[F]作為基本物理量外，還要考慮時間[T]這一基本物理量。結構動力模型的相似常數和相似關系2.3常見相似現象的相似關系（3）靜力彈塑性相似在結構試驗研究中鋼筋（或型鋼）混凝土或砌體結構的強度模型試驗除了應獲得彈性階段應力分析的數據資料外，還要求能正確反映原型結構的彈塑性性能，要求能給出與原型結構相似的破壞形態、極限變形能力和極限承載能力，這對于結構抗震試驗更為重要。為此，對于鋼筋（或型鋼）混凝土和砌體這類由復合材料組成的結構，模型材料的相似就更為嚴格。鋼筋（或型鋼）混凝土結構靜力強度模型的相似常數和相似關系2.4量綱分析量綱的概念是在研究物理量的數量關系時產生的，它是區別量的種類，而不是區別量的度和值。在一切自然現象中，各物理量之間存在著一定的聯系。在量綱分析中有兩種基本量綱系統：絕對系統和質量系統。絕對系統的基本量綱為長度、時間和力，而質量系統的基本量綱是長度、時間和質量。常用物理量及物理常數的量2.4量綱分析量綱之間的相互關系可簡要歸結如下：①兩個物理量相等，是指不僅數值相等，而且量綱也要相同。②兩個同量綱參數的比值是無量綱參數，其值不隨所取單位的大小而變。③一個完整的物理方程式中，各項的量綱必須相同，方程才能用加、減并用等號聯系起來，這一性質稱為量綱和諧。④導出量綱可和基本量綱組成無量綱組合，但基本量綱之間不能組成無量綱組合。⑤若在一個物理方程中共有幾個物理參數x1，x2，…，xn和k個基本量綱，則可組成n-k個獨立的無量綱組合。無量綱參數組合簡稱“π數”。用公式的形式可表示為f(x1，x2，…，xn)=0，改寫成φ(π1，π2，…，πn-k)=0；這一性質稱為π定理。03模型設計模型的類型彈性模型彈性模型試驗的目的是要從中獲得原型結構在彈性階段的資料，其研究范圍僅限于結構的彈性階段。適用于鋼筋（或型鋼）混凝土結構、砌體結構強度模型強度模型試驗的目的是探討原型結構的極限強度、極限變形以及在各級荷載作用下結構的性能。適用于于鋼筋（或型鋼）混凝土結構、鋼結構的彈塑性性能研究。間接模型間接模型試驗的目的是要得到關于結構支座、反力、彎矩、剪力、軸力等內力的資料，因此間接模型并不要求與原型結構直接相似。。3.1模型的類型根據試驗目的選擇模型類型，用以驗證結構的設計計算方法和測試結構動力特性時，一般選擇彈性模型；用以研究結構的極限強度和極限變形性能時，選擇強度模型。01根據任務明確試驗的具體目的和要求，選擇適當的模型類型和模型制作材料。02針對課題所研究的對象，用方程式分析法或量綱分析法確定相似條件。03根據現有試驗設備的條件，確定出模型的幾何尺寸，即幾何相似常數。04根據相似條件，定出其他相似常數。。3.2模型設計的流程05繪制模型施工圖。3.2模型設計的流程結構模型幾何尺寸的變動范圍較大，縮尺比例可以從幾分之一到幾百分之一，設計時應綜合考慮模型的類型、制作條件及試驗條件來確定出一個最優的幾何尺寸。小模型所需荷載小，但制作較困難，加工精度要求高，對量測儀表要求亦高；大模型所需荷載大，但制作方便，對量測儀表可無特殊要求；一般來說，彈性模型的縮尺比例較小。強度模型，尤其是鋼筋（或型鋼）混凝土結構的強度模型的縮尺比例較大，因為模型的截面最小厚度、鋼筋間距、保護層厚度等方面都受到制作可能性的限制，不可能取得太小。模型的縮尺比例04模型制作4.1模型材料模型試驗對模型材料有下列幾項要求：（1）保證相似要求。要求模型設計滿足相似條件，以至于模型試驗結果可按相似常數相等條件推算到原型結構上去。（2）保證量測要求。要求模型材料在試驗時能產生足夠大的變形，使量測儀表有足夠的讀數。因此，應選擇彈性模量適當低一些的模型材料，但也不能過低，以至于因儀器防護儀器安裝裝置或重量等因素而影響試驗結果。（3）要求材料性能穩定。不受溫度﹑濕度的變化影響而發生較大變化。一般模型結構尺寸較小，對環境變化很敏感，以至于其產生的影響遠大于它對原型結構的影響，因此材料性能穩定是很重要的。（4）要求材料徐變小。一切用化學合成方法生產的材料都有徐變，由于徐變是時間，溫度和應力的函數，故徐變對試驗的結果影響很大，而真正的彈性變形不應該包括徐變。（5）要求加工制作方便。選用的模型材料應易于加工和制作，這對于降低模型試驗費用是極為重要的。模型設計中常采用的材料有金屬、塑料、石膏、水泥砂漿以及細石混凝土材料等。4.2模型試驗應注意的問題1、模型的制作精度模型尺寸的不準確是引起模型試驗誤差的主要原因之一。模型尺寸的允許誤差范圍與原型結構的允許誤差范圍一樣，為±5%，但由于模型的幾何尺寸小，允許制作偏差的絕對值就很小。因此，在制作模型時對其尺寸應倍加注意。2、試件材料性能的測定模型材料的各種性能，如應力-應變曲線，泊松比，極限強度等等，都必須在模型試驗之前就準確地測定。3、模型試件的尺寸非彈性工作時的相似條件一般不容易滿足，而小尺寸混凝土結構的力學性能的離散性也較大，因此混凝土結構模型的比例不宜太小，最好縮尺比例在1/2~1/25之間取值。目4、鋼筋和混凝土之間的黏結力鋼筋和混凝土之間的黏結情況對結構非彈性階段的荷載-變形性能以及裂縫的發生和發展有直接關系。4.2模型試驗應注意的問題5、模型試驗環境小模型試驗對于周圍環境的要求比一般結構試驗嚴格。環境變化對試驗模型的復雜影響是遠非在量測時布置溫度補償儀表所能解決，所以一般應在試驗過程中控制溫、濕度的變化。6、模型荷載模型試驗的荷載必須事先仔細校正。如因模型較小，完全模擬實際的荷載情況有困難時，改加明確的集中荷載將比勉強模擬實際荷載更好，否則會在整理和推算量測結果時引起很大的誤差。7、模型量測小模型試驗量測儀表的安裝位置應特別準確，否則在將模型試驗結果換算到原型結構上去時將引起較大的誤差。此外，如果模型的剛度較小，則應注意量測儀表的重量、剛度等的影響。模型結構試驗比一般結構試驗要求更嚴格，因為在模型試驗結果中較小的誤差推算到原型結構則會形成不可忽略的較大的誤差。因此，在模型試驗的過程中應嚴格操作，采取各種相應的措施來減小誤差，從而使試驗結果更真實可靠。4.3模型試驗工程實例港珠澳大橋組合連續箱梁模型試驗中華恐龍塔模型試驗05試驗與仿真分析結合5.1有限元模型的應用點擊此處添加標題1、巖土工程2、建筑結構工程3、水利工程4、橋梁工程5.2案例分析本案例以中華恐龍塔模型石塔為原型，使用SAP2000有限元程序進行分析。并且采用實體單元進行分析，SAP2000實體單元有6個四邊形面八個節點，每個節點具有三個平動自由度，采用2×2×2高斯積分點計算應力，且向外插值到節點。它是基于包含9個可選擇的非協調彎曲模式的等參公式。（1）模型建立（2）模型石塔振型分解反應譜法分析反應譜法計算的模型石塔最大反應（a）模型石塔（b）模型石塔有限元建模5.2案例分析在216gal的人工波作用下，結構處于彈性階段，模型石塔沒有出現拉應力，最大應力為-0.005MPa，結構安全。由表6-12可以看出，豎向應力與主應力數值非常接近，經分析知此時主應力方向與豎向應力方向接近。（3）模型在6度多遇人工波地震作用下的應力化學工業出版社THANKS！數字出版中心第7章靜載試驗第7章靜載試驗7.1概述7.2靜載試驗觀測案例分析7.3數據整理及結構性能評定7.1概述土木工程結構在其服役期間會受到重力荷載、地震作用、風荷載等直接作用以及溫度變化、地基不均勻沉降、其他環境影響以及結構內部的物理、化學作用等間接作用的影響。要保證結構在這些作用下安全、穩定、耐久，就要對結構在這些作用下的各種反應進行測試。結構靜載試驗就是通過對結構構件施加靜荷載，并采用各種檢測方法和手段對結構的各種反應（如：位移、應變、裂縫等）進行觀測和分析，以得到對結構構件強度、剛度、穩定性的正確評估，從而了解結構的工作性能、正常使用性能和承載能力。嚴格地說，結構受到的荷載，靜是相對的，而動是絕對的。靜載試驗中的靜荷載指的是，在其作用下，結構的反應不隨時間推移產生明顯變化，結構不產生加速度反應，或產生的加速度反應很小可以忽略的荷載，即加荷導致結構本身運動的加速度效應(慣性力效應)可以忽略不計。7.1靜載試驗的概念結構試驗可以根據試驗目的、試驗對象、荷載作用時間、試驗場地、是否破壞等進行分類，除了以上這些分類方法之外，靜載試驗根據加載制度的不同可分為單調靜力荷載試驗、擬靜力試驗和擬動力試驗。單調靜力荷載試驗是指試驗荷載逐漸單調增加到結構破壞或預定的狀態目標，研究結構受力性能的試驗。剪、扭等最基本作用的梁、板、柱和砌體等系列構件。通過單調加載靜力試驗可以研究各種基本作用單獨或組合作用下試件的荷載和變形的關系。對于混凝土構件尚有荷載與開裂的相關關系及反映結構試件變形與時間關系的徐變問題。對于鋼結構構件則還有局部或整體失穩問題。對于框架、屋架、殼體、折板、網架、橋梁、涵洞等由若干基本試件組成的擴大試件，在實際工程中除了有必要研究與基本試件相類似的問題外，尚有構件間相互作用的次應力、內力重分布等問題。7.1靜載試驗分類及用途擬靜力試驗也稱為偽靜力試驗，或低周反復荷載試驗，屬于工程結構抗震試驗。其基本原理是用低周往復循環加載的方法對結構構件進行靜力試驗，試驗中控制結構的變形值或荷載量，使結構試件在正反兩個方向反復加載和卸載，用以模擬結構在地震作用下的受力過程。這種試驗加載方法的目的是用靜力方法研究地震作用下結構構件的受力和變形性能。通過試驗獲得結構構件超過彈性極限后的荷載-變形性能和破壞特征，用以比較和驗證抗震構造措施的有效性和確定結構的抗震極限承載能力的可靠性，進而為建立數學模型進行結構抗震非線性計算機分析提供依據。擬動力試驗又稱聯機試驗，是將地震反應所產生的慣性力作為荷載加在試驗結構上，便結構所產生的非線性力學特征與結構在實際地震動作用下所經歷的真實過程完全一致。但是，這種試驗是用靜力方式進行的而不是在振動過程中完成的，故稱擬動力試驗。7.1靜載試驗分類及用途2靜載試驗觀測案例分析7.2受彎構件的測點布置板、梁、屋架等受彎試件的最大撓度由其相應的設計規范規定的最大撓度允許值控制，試驗時應量測最大撓度值作為控制整體變形的依據。因此，除應在跨中或撓度最大位置部位量測外，還應同時量測支座沉降、壓縮變形以及懸臂式結構試件由于試驗裝置、支墩變形等因素引起的固端轉動，在實測數據中消除由此產生的誤差和影響。7.2受彎構件的測點布置撓度測量梁的撓度值是量測數據中最能反應其整體工作性能的一項指標，因為梁的任何部位的異常變形或局部破壞都將通過撓度或撓度曲線反映出來。在受彎試件中，主要是測定跨中最大撓度值fmax及彈性撓度曲線。為求跨中最大撓度fmax，最少要布置3個撓度測點，如圖所示。對撓度較大的梁，為保證測量結果的可靠性，并獲得梁在變形后的彈性撓度曲線，則相應的要增加至5～7個測點，并沿梁的跨間對稱布置，如圖所示。7.2受彎構件的測點布置梁板試件的應變分布規律是靜載試驗的一個重要測量項目。試驗時要測量由于彎曲產生的應變，一般在梁承受正負彎矩最大的截面或彎矩有突變的截面上布置測點。對于變截面梁，應在抗彎控制截面上布置測點，有時，需要在截面突然變化的位置布置測點。主要觀測受壓區混凝土最大壓應變、縱向受拉鋼筋應變、抗剪試驗中箍筋和彎起鋼筋的應變、沿截面高度的應變變化等內容。在實驗室內進行的鋼筋混凝土梁板試驗，混凝土表面應變測量常使用電阻應變計，如果只要求測量彎矩引起的最大應力，則只需在截面上下邊緣纖維處粘貼應變計。為了減少誤差，上下纖維處的儀表應設在梁截面的對稱軸上，如圖7-2（a）所示，或是在對稱軸的兩側各設一個儀表，取其平均應變量。7.2受彎構件的測點布置對于鋼筋混凝土梁，由于材料的非彈性性質，梁截面上的應力分布往往是不規則的。為了求得截面上應力分布的規律和確定中和軸的位置，需要增加一定數量的應變測點，一般情況下沿截面高度至少需要布置五個測點。如果梁的截面高度較大時，還可沿截面高度增加測點數量，一般可取6個點。測點愈多，中和軸位置確定愈準確，截面上應力分布的規律愈清晰。應變測點沿截面高度的布置可以是等距的，也可以是不等距而外密里疏，以便比較準確地測得截面上較大的應變，如圖所示。7.2受彎構件的測點布置一般結構靜力試驗的主要目的之一是研究結構或構件關鍵截面的應力分布情況。試驗時，截面應力由截面上的應變測量數據，通過計算或已知的應力-應變曲線得出應力值。根據試驗測試的需要，受彎試件試驗中應力測量主要包括單向應力測量、平面應力測量、梁腹筋應力測量、翼緣與孔邊應力測量等。7.2受彎構件的測點布置單向應力測量、在梁的純彎曲區域內，梁截面上僅有正應力，無剪應力，在該處截面上可僅布置單向的應變測點，如圖截面1-1所示。7.2裂縫測點布置目的是測定鋼筋混凝土梁的抗裂性能。測量項目：裂縫出現時間、裂縫寬度。垂直裂縫測定，一般產生在彎矩最大受拉區段，在該區段連續布置測點，如圖所示。7.2裂縫測點布置斜截面上的主拉應力裂縫，經常出現在剪力較大的區域內。對于箱形截面或工字形截面，腹板的中和軸或腹板與翼緣相交接的腹板常是主拉應力較大的部位，如圖7-6所示。7.2壓桿和柱的試驗測點布置柱是工程結構中的基本承重構件，鋼筋混凝土柱大多數屬偏心受壓試件。柱子試驗時的測試內容有側向撓度變形量測和截面上應變量測；安裝和加載方法有臥位和正位兩種。試驗項目：破壞荷載、各級荷載作用下的側向撓度值、控制截面或區域的應力變化規律以及裂縫開展情況。7.2壓桿和柱的試驗測點布置柱(與壓桿)的側向撓度變形量測可與受彎試件相同，除量測試件中部最大側向位移外，可按側向五點布置法量測撓度變形曲線。如圖7-7所示，圖（a）為測點布置圖，圖（b）為破壞后的情況。混凝土柱子常用測試內容與測點布置具體如下：撓度：百分表或位移傳感器，側向5點布置。混凝土應變：應變片+應變儀，應變片后貼，受壓區邊緣2排布置，沿截面高度布置5~7個；鋼筋應變；鋼筋應變計，施工時預埋。荷載：力傳感器，當采用臥位試驗時，如圖7-7（c）所示，可以與受彎試件量測撓度的布點方法一樣。兩端一般采用刀口支座或可動餃支座。7.2屋架試驗的測點布置撓度測點：對屋架撓度測點應布置在下弦桿跨中或最大撓度的節點位置上，需要時亦宜在上弦桿節點處布置測點；量測撓度曲線的測點應沿跨度方向各下弦節點處布置，如圖7-8所示。（1）撓度和節點位移測點布置水平位移測點：同時量測結構在水平推力作用下沿跨度方向的水平位移。內力測點：需要量測桿件內力，量測方法同上軸心和偏心受力試件。應變測點：需量測截面應變分布規律時，測點布置與受彎試件相同。7.2屋架試驗的測點布置一般情況下，在一個截面上引起的內力最多有3個，即軸向力FN、彎矩Mx、My；對于薄壁桿件則可能有4個，即增加扭矩。鋼筋混凝土整體澆搗的屋架，結點實際上為剛接，測點所在截面應盡量離結點遠一些，如圖7-9所示。7.2屋架試驗的測點布置一般情況下，在一個截面上引起的內力最多有3個，即軸向力FN、彎矩Mx、My；對于薄壁桿件則可能有4個，即增加扭矩。鋼筋混凝土整體澆搗的屋架，結點實際上為剛接，測點所在截面應盡量離結點遠一些，如圖7-9所示。03數據整理及結構性能評定7.3試驗原始資料整理在原始記錄數據整理過程中，應特別注意讀數及讀數差值的反常情況，如儀表指示值與理論計算值相差很大，甚至有正負號顛倒的情況，應對出現這些現象的規律性進行分析，并找出原因。主要有兩方面原因：一方面由于試驗結構本身發生裂縫、節點松動、支座沉降或局部應力達到屈服而引起數據突變；另一方面是由于測試儀表工作不正常。凡不屬于差錯或主觀造成的儀表讀數突變都不能輕易舍棄，待以后分析時再作判斷處理。本節針對靜載試驗中常見測量數據進行整理，最后用曲線、圖表或方程式表達。7.3試驗結果表達為了方便分析，試驗數據常用表格，圖像或函數表達。同一組數據可以同時用這三種方法表達，目的就是為了使分析簡單.直觀。建立函數關系的方法主要有回歸分析，系統識別等方法(請參見第15章)，這里介紹表格和圖像。（1）表格表格是最基本的數據表達方法，無論繪制圖像還是建立函數表達式，都需要數據表。表格分為匯總表格和關系表格兩大類。匯總表格把試驗結果中的主要內容或試驗中的某些重要數據匯集于一個表格中，起著類似于摘要和結論的作用，表中的行與行、列與列之間沒有必然的關系；關系表格是把相互有關的數據按一定的格式列于表中，表中行與行，列與列之間有一定的關系，它的作用是使有一定關系的若千變量的數據更加清楚地表示出變量之間的關系和規律。表格的形式不拘一格，關鍵在于完整，清楚地顯示數據內容。對于工程檢測試驗記錄表格，表格內容除了記錄數據外，還應適當包括工程名稱、委托單位、檢測單位、檢測日期、氣象環境條件、儀器名稱、儀器編號及試驗、測讀、記錄、校核、項目負責人的簽字等項內容。7.3試驗結果表達（2）圖像表格的直觀性不強，試驗數據經常用圖像表達，圖像表達方式有曲線圖、形態圖、直方圖和餡餅圖等。試驗中常用曲線圖表達數據關系，用形態圖表達試件破壞形態和裂縫擴展形態。①曲線圖對于定性分析和整體分析來說，曲線圖是最合適的方法，它可以直觀地反映數據的最大值、最小值、走勢，轉折。坐標的選擇與試驗曲線的繪制選擇適當的坐標系、坐標參數和坐標比例，有時對于反映數據規律是相當重要的。試驗分析中常用直角坐標反映試驗參數間的關系。直角坐標系只能反映兩個變量間的關系。有時會遇到變量不止兩個的情況，這時可采用“無量綱變量"作為坐標來表達。組合試驗參數作為坐標軸，應根據分析目標而定，同時還要有專業的知識并仔細地考慮。不同的坐標比例和坐標原點會使曲線變形、平移，應選擇適當的坐標比例和坐標原點使曲線特征突出并占滿整個坐標系。繪制曲線時，運用回歸分析的基本概念，使曲線通過較多的試驗點，并使曲線兩旁的試驗點大致相等。②形態圖試驗過程中，應在試件上按裂縫展開面和主側面繪出其開展過程并注上出現裂縫的荷載值及寬度、長度，直至破壞。待試驗結束后用照相或用坐標紙按比例作描繪記錄。此外，結構破壞形、截面應變圖都可以采用繪圖方式記錄。除上述的試驗曲線和圖形外，根據試驗研究的結構類型、荷載性質、變形特點等，還可以繪出一些其他結構特性曲線，如超靜定結構的荷載反力曲線、節點局部變形曲線、節點主應力軌跡圖等。7.3平面應力狀態下的主應力和剪應力計算對于梁的彎剪區、屋架端節點和板殼結構等在雙向應力狀態下工作部位的應力分析，需要計算其主應力的數值和方向以及剪應力的大小。當被測部位主應力方向已知時，則按布置相互正交的雙向應變測點，即可求得主應力。當主應力方向未知時，則要由三向應變測點按不同的應變網絡布置量測結果進行計算。對于線彈性勻質材料的試件，可按材料力學主應力分析有關公式進行，計算時，彈性模量E和泊松比應按材料力學性能試驗實際測定的數值。如無實測數據時，也可采用規范或有關資料提供的數值。若測點處的主應力方向已知，例如：柱子各橫截面上的各個測點；局部荷載作用下簡支梁未與荷載接觸的上、下邊緣；均布荷載作用下簡支梁跨中截面上的各點等。如圖7-10所示，這種單向應力狀態的應力按下式計算：7.3平面應力狀態下的主應力和剪應力計算7.3平面應力狀態下的主應力和剪應力計算在主應力方向不清楚的測點處，可布置45°直角形應變花或60°等邊三角形應變花。主應力的大小及方向按表7-1所列公式計算。7.3撓度計算7.3撓度計算7.3撓度計算7.3撓度計算7.3結構性能評定根據試驗研究的任務和目的的不同，試驗結果的分析和評定方式也有所不同。為了探索結構內在的某種規律，或者檢驗某一計算理論的準確性或適用性，則需對試驗結果進行綜合分析，找出諸變量之間的相互關系，并與理論計算對比，總結出數據、圖形或數學表達式作為試驗研究結論。為了檢驗某種結構構件的某項性能，應根據其試驗結果，依照國家現行標準規范《混凝土結構試驗方法標準》（GB/T50152-2012）的要求對某項結構性能做出評定。進行結構性能評定，應根據構件類型及要求選擇不同的檢驗項目，表7-2為預制構件結構性能檢驗的項目和檢驗要求。構件類型及要求項

目承載力撓度抗裂裂縫寬度要求不出現裂縫的預應力構件檢檢檢不檢允許出現裂縫的構件檢檢不檢檢設計成熟，數量較少的大型構件可不檢檢檢檢同上，并有可靠實踐經驗的現場大型異型構件可免檢化學工業出版社THANKS！數字出版中心

8動載試驗8.1概述在工程結構設計建造過程中，往往還要考慮結構受到動荷載的作用。如風荷載對高層建筑、高聳結構的作用；運行的車輛產生的移動荷載對橋梁結構的振動影響；世界各地地震災害對工程結構的破壞；海洋鉆井平臺，尤其是深水域的海洋鉆井平臺的風、浪、流、冰及地震環境荷載對其的作用以及建筑物的抗爆；多層廠房中的動力機械設備引起的振動；動力設備基礎的振動等。在設計上述結構時都必須考慮這些動荷載的影響，必須對其進行動力分析。8.1概述與靜力荷載試驗相比較，動力荷載試驗具有如下特點：首先，造成結構振動的動力荷載是隨時間而改變的。其次，結構在動力荷載作用下的反應與結構本身動力特性有密切關系。在多數情況下，動力荷載產生的動力效應遠遠大于相應的靜力效應，甚至較小的一個動力荷載可能使結構遭受嚴重破壞。而在有些情況下，動力荷載效應卻并不比靜力荷載效應大，還可能小于相應的靜力效應，但從動態的角度分析，靜荷載是動荷載的一種特殊形式。在試驗中，可根據慣性力影響的大小和加載的速率區分靜載試驗和動載試驗。8.1概述分析結構在動荷載作用下的變形和內力是一個十分復雜的問題，它不僅與動力荷載的性質、數量、大小、作用方式、變化規律以及結構本身的動力特性有關，還與結構的組成形式、材料性質以及細部構造等密切相關。結構動力問題的精確計算非常繁瑣，且與實際結果有較大出人，因而借助試驗確定結構動力特性及動力反應是不可缺少的手段。通過動力加載設備直接對結構構件施加動力荷載，研究結構在一定動力荷載下的動力反應，如評估結構在動力荷載作用下的承載力、疲勞壽命以及風荷載作用下的結構動態響應等特性。動力荷載一般分為以下幾種類型：8.1概述①地震作用。②機械設備振動和沖擊荷載。③高層建筑和高聳結構的風振。④環境振動。⑤爆炸引起的振動。⑥車輛運動對橋梁的振動和危害。⑦海洋采油平臺設計中需要解決海浪的沖擊等不利影響。8.1概述綜上所述，動力荷載的產生是復雜多樣的，概括起來有三種荷載：撞擊荷載、振動荷載和復雜荷載。撞擊荷載的作用時間極為短暫，一般在1/1000~1/10000s間，作用力的大小及其出現的時間間隔往往沒有規律性。振動荷載的作用頻繁，具有周期性，作用力的大小和頻率按照某一固定規律變化。復雜荷載是多種荷載的組合，可以是撞擊荷載和振動荷載，也可以是地震、風、爆炸等特殊荷載或其組合，是實際生活中最常見的動力荷載。8.2加載設備動力試驗是需要振源的。而動力試驗的振源有兩大類：一類是自然振源，如：地面脈動、氣流所致的振動，地面爆破以及動力設備、運輸設備和起重設備等在運行中產生的振動等等。另一類則是人工振源，它可按照試驗目的的需要進行有針對性的激振。它的特點是易于人為控制。本節介紹人工激振的激振設備。通常激振系統由如下框圖構成。8.2加載設備其是一種頂桿式的電磁激振器，與上圖所示的信號發生器和功率放大器配合使用。電磁激振器由頂桿、外殼、磁鋼、動圈、環形間隙、輸入插座、支撐彈簧等組成。其體積小，使用方便，較經濟，是要求激振力不大的小型結構或小型模型的動力試驗較為理想的激振設備，結構動力試驗中應用較多。8.2.1電磁式激振器1-頂桿；2-外殼；3-磁鋼；4-動圈；5-環形間隙；6-輸入插座；7-支撐彈簧8.2加載設備工作原理是：磁鋼與外殼體組成磁路，在環形間隙處形成強磁場，動圈與頂桿連成一體，在上下支撐彈簧的支撐下，懸掛于環形間隙內，使其能沿軸向自由運動。當動圈內通入交變電流時，載流動圈在固定磁場作用下產生交變力F：8.2.1電磁式激振器式中

B——磁場強度；L——動圈繞線有效長度；

Im——通過動圈的電流幅值。8.2加載設備在使用時，將激振器放置在與被振物體相對靜止的地方。將頂桿與被振物體所要激振部位有效地固定連接，使頂桿與被振物形成一整體，并要求頂桿與被振物之間有一定的預壓力，使頂桿在振動開始前處于振動的平衡位置上。各式安裝示意圖如下圖所示。8.2.1電磁式激振器1-試件；2-橡皮繩；3-連接桿；4-可升降裝置（如螺旋千斤頂）；5-支架8.2加載設備離心式激振器是一種能提供穩態簡諧振動的具有較大激振力的激振設備。其機械部分主要是由一個在上、另一個在下的兩個載有偏心質量塊可隨旋轉輪轉動的扇形的圓盤構成。其工作原理是：當一個偏心質量塊隨旋轉輪轉動時產生的離心力為：8.2.2離心激振器式中

m——偏心質量塊的質量；ω——偏心質量塊的旋轉頻率；

r——偏心質量塊的半徑。8.2加載設備當上、下兩個偏心質量塊左右對稱放置，然后作等速反向旋轉時，兩偏心質量塊的慣性力的合力在水平方向合力為零，而在垂直方向做簡諧變化。因此，垂直方向的合成慣性力（即激振力）的大小為：8.2.2離心激振器8.2加載設備8.2.2離心激振器離心式激振器的優點是：激振力范圍大（由幾十牛到幾個兆牛）。缺點是：頻率范圍較小，一般在100Hz以內。特別是它輸出的激振力與旋轉頻率的平方成正比，因此，它在低頻時激振力不大。另外，它的激振力和頻率不能各自獨立地變化。一周內垂直慣性力數值變化的圖形如下圖所示。8.2加載設備8.2.3結構疲勞試驗機結構疲勞試驗機主要是用來對結構做正弦波形荷載的疲勞試驗。當脈動量調至零時也可用來對結構做靜載試驗或長期荷載試驗等。它主要由控制系統、脈動發生系統和脈動千斤頂組成。其工作原理：由控制系統將高壓油泵打開，使高壓油泵打出的高壓油充滿脈動器、千斤頂和油壓表。當旋轉的飛輪帶動曲柄動作時，就使脈動器活塞上下運動而產生脈動油壓并傳給千斤頂作正弦波形的脈動荷載作用于結構，即對結構做疲勞試驗。當脈動調節至零時，即可對結構做靜力加載或長期持久荷載試驗。8.2加載設備8.2.3結構疲勞試驗機結構疲勞試驗機的外觀如圖（a）所示，工作原理如圖（b）所示。1-脈動器；2-頂桿；3-曲柄；4-飛輪；5-脈動調節器1-控制系統；2-校準管；3-脈動千斤頂；4-回油管；5-噴油管：6-輸油管；7-分油頭；8-脈動發生系統；9-卸油泵（a）試驗機的外觀（b）工作原理8.3結構動力特性試驗結構動力特性的基本參數均反映了結構本身所固有的動力性能，故也稱為動力特性參數或振動模態參數。其中，固有頻率又稱為自振頻率，其倒數稱為結構的自振周期。結構自振頻率的單位為赫茲（Hz），自振周期的單位為秒（s）。一般動力問題只需量測結構的基本頻率，但對于比較復雜的多自由度體系，有時還須量測第二、第三甚至更高階的固有頻率以及相應的振型，本節介紹一些常用的結構動力特性試驗方法。8.3結構動力特性試驗8.3.1自由振動法自由振動法即是借助于外荷載使結構產生一初位移（或初速度），使結構由于彈性而自由振動起來，由此記錄下它的振動波形，從而得出其自振特性。自由振動法可以分成初速度（突然加載）法、初位移法（突然卸載法）兩類。（1）頻率從實測得到的結構有阻尼自由振動時間歷程曲線上，可以根據時間坐標直接測量振動波形的周期，由此可得結構的基本頻率

f=1/T。8.3結構動力特性試驗8.3.1自由振動法（2）阻尼有結構動力學可知，有阻尼自由振動的運動方程為：振幅值an對應的時間為tn，an+1對應tn+1，tn+1=tn+T，T=2π/ω分別代入上式，并取對數整理可得：式中——衰減系數8.3結構動力特性試驗8.3.1自由振動法（3）振型為了測定結構的振型，必須使結構按某一固有頻率振動，量測各點在同一時刻的位移值。對于單自由度體系，對應一個基本頻率只有一個主振型﹔而對于多自由度體系，對應多階固有頻率就有多個振型，其中對應于基本頻率的即為主振型或第一振型，對應于高階頻率的振型稱之為“高階振型”，依次為第二、第三振型等。8.3結構動力特性試驗8.3.2強迫振動法振動荷載法是借助具有一定振動規律的荷載，迫使結構產生一個恒定的強迫簡諧運動，通過對結構受追振動的測定，求得結構動力特性的基本參數，又稱強迫振動法和共振法。試驗時，激振器的激振方向和安裝位置應根據試驗結構的情況和試驗目的而定。整體結構的動荷載試驗都在水平方向激振，而樓板和梁等的動力試驗荷載均為垂直激振荷載。試驗前應先對結構進行初步動力分析，即先對所測量的振型曲線形式有所估計，從而使激振器沿結構高度方向安裝在所要測量的各個振型曲線的非零節點位置。8.3結構動力特性試驗8.3.2強迫振動法（1）頻率單點激振法測結構自振頻率及阻尼比的原理如圖所示。激振器的頻率信號由信號發生器產生，經過功率放大器放大后推動激振器激勵結構振動。當激勵信號的頻率與結構自振頻率相等時，結構發生共振，這時信號發生器的頻率就是試驗結構的自振頻率。1-信號發生器；2-功率放大器；3-激振器；4-頻率儀；5-試件；6-拾振器；7-放大器；8-相位計；9-記錄儀。8.3結構動力特性試驗8.3.2強迫振動法（2）阻尼由于作簡諧振動結構的整個頻率反應曲線受到阻尼值的控制，因而可以從振幅-頻率曲線的特性求阻尼系數，這時即可利用基本頻率和振幅關系曲線求阻尼，求阻尼的最簡便方法是帶寬法或稱半功率點法（0.707法)。具體作法是：在縱坐標最大值ymax的0.707處作一條平行于x軸的水平線與共振曲線相交于A、B兩點，其對應的橫坐標即為ω1和ω2，則衰減系數η和阻尼比ζ分別為：8.3結構動力特性試驗8.3.2強迫振動法基本頻率和振幅關系曲線如下圖所示。8.3結構動力特性試驗8.3.3脈動法脈動法它是借助于被測建筑物周圍外界的不規則微弱干擾（如地面脈動、空氣流動等）所產生的微弱振動作為激勵來測定建筑物自振特性的一種方法。建筑物的這種脈動是經常存在的。它有一個重要的性質即能明顯反應被測建筑物的固有頻率。它的最大優點是不用專門的激振設備，簡便易行，且不受結構物大小的限制，因而得到了廣泛的應用。脈動法的原理與利用激振設備來作為激勵的共振法的原理相類似。一般來說，脈動法只能找到被測物的基頻，而高次頻率則很難出現。在用脈動法測量結構動力特性時，要求拾振器靈敏度高。8.3結構動力特性試驗8.3.3脈動法脈動信號的分析通常有以下幾種方法：主諧量法、頻譜分析法、統計法。（1）主諧量法：建筑物固有頻率的諧量是脈動里的主要成分，從記錄得到的脈動信號圖中可以明顯地發現它反映出結構的某種頻率特性。（2）頻譜分析法：將建筑物脈動記錄圖看成是各種頻率的諧量合成。（3）統計法：由于彈性體受隨機因素影響而產生的振動必定是自由振動和強迫振動的疊加，具有隨機性的強迫振動在任意選擇的多數時刻的平均值為零，因而利用統計法即可得到建筑物自由振動的衰減曲線。8.4結構動力反應試驗在生產實踐和科學研究中，有時需要對結構在實際動荷載作用下的動力反應進行試驗測定。例如，工業廠房中的動力機械設備中，吊車在吊車梁上運行的振動情況﹔汽車、火車駛過橋梁時引起的振動﹔高聳建（構）筑物受風荷載作用等引起結構的振動以及強震觀察等。研究動力荷載作用下，結構的動力反應一般不需要專門的起振裝置，只要選擇測定位置并布置量測儀表即可記錄振動圖形，主要是選擇適當的儀器和試驗方法。8.4結構動力反應試驗8.4.1動應變的測定工程中需要測定結構在動荷載作用下特定部位的動應變，只要在結構振動時布置適當的電阻應變計，并記錄振動波形。動應變是一個隨時間變化的函數，進行測量時要把各種儀器組成測量系。應變傳感器感應的應變通過測量橋路和動態應變儀的轉換、放大、濾波后送入各種記錄儀進行記錄，最后將應變隨時間的變化過程送入頻譜分析儀或數據處理機進行數據處理和分析。動應變測量系統如下圖所示。8.4結構動力反應試驗8.4.1動應變的測定1-應變傳感器；2-測量橋；3-動態應變儀；4-磁帶記錄儀；5-光線示波器；6-電子示波器；7-筆錄儀；8-頻譜分析儀；9-數據處理計算機；10-照相機8.4結構動力反應試驗8.4.2動位移的測定若需要全面了解結構在動力荷載作用下的振動狀態，可以設置多個測點進行動態變位測量，作出在一定動荷載作用下的振動變位圖。一根雙外伸梁動態變位的測量方法如圖所示。8.4結構動力反應試驗8.4.2動位移的測定具體方法是：沿梁跨度選定測點1~5并在其上固定拾振器，并與測量系統連接，用記錄儀同時記錄五個測點的振動位移時程曲線，如圖（a）所示，根據同一時刻的相位關系確定變位的正負號，如圖中2、3、4點的振動位移的峰值在基線的左側，而1、5點的峰值在基線的右側。若假定在基線左側為正、右側為負，并根據記錄位移的大小按一定比例畫在圖上，連接各點位移值即得到在動荷載作用下結構的變位圖，如圖（b）所示。8.4結構動力反應試驗8.4.2動位移的測定測得了振動變位圖后，則可按結構力學理論近似地確定結構由動力荷載所產生的內力，設振動彈性變形曲線方程為：此方程可以根據實測結構按數學分析的方法作出，則有：

事實上，只要這一函數的形態與實測振動形態相似，而且最大變位與實測相等，由此確定的結構內力可與直接測定應變得出的內力相比較。8.4結構動力反應試驗8.4.3動力系數的測定結構動力系數是指在移動荷載作用下，動撓度和靜撓度的比值。因此，在結構設計時應加大抗力，簡便的方法是乘以一個大于1的系數，此系數稱結構動力系數，用μ表示，即：式中

yd、ys分別為結構的動撓度和靜撓度8.4結構動力反應試驗8.4.3動力系數的測定結構動力系數一般用試驗方法實測確定，先用移動荷載以最慢的速度駛過結構，測定靜撓度。再移動荷載以某種速度駛過，這時結構產生的最大撓度即視為動撓度。但此種方法需要保證移動荷載每次經過的路線相同，故只適用于一些類似于吊車梁之類的有軌的結構。從圖上量得最大靜撓度ys和最大動撓度yd，如下圖（a）所示，實測吊車梁的靜撓度和動撓度如下圖（c）所示。8.4結構動力反應試驗8.4.3動力系數的測定吊車一般都是在有軌的吊車梁上移動，對于無軌的動荷載（如汽車〉就不可能使兩次行駛的路線完全相同，有時因生產工藝要求也不可能用慢速行駛測取最大靜撓度，這時只一次高速行駛即可得到記錄曲線，如圖（b）所示，取曲線最大值為yd，同時在曲線上繪出中線，相應于yd處中線的縱坐標即為ys。（b）有軌移動荷載組合（a）有軌移動荷載（c）吊車梁的撓度8.5疲勞試驗工程結構中存在著許多疲勞現象，如承受吊車荷載作用的吊車梁，直接承受懸掛吊車作用的屋架。這些結構物或構件在重復荷載作用下達到破壞時的應力比其靜力強度要低得多，這種現象稱為疲勞。結構疲勞試驗的目的就是要了解在重復荷載作用下結構的性能及變化規律。疲勞問題涉及的范圍比較廣，對某一種結構而言，它包含材料的疲勞和結構構件的疲勞，如混凝土結構中有鋼筋的疲勞、混凝土的疲勞和試件的疲勞等。目前疲勞理論研究工作尚在不斷發展，疲勞試驗也因目的要求不同而采取不同的方法。8.5疲勞試驗8.5.1疲勞試驗的目的及內容結構疲勞試驗的目的是研究結構在多次重復或反復荷載作用下的結構性能及其變化規律，確定結構疲勞破壞時的強度值和荷載重復作用的次數，即疲勞極限和疲勞壽命。結構所能承受的荷載重復次數及應力達到的最大值均與應力的變化幅度有關。研究表明，在一定應力變化幅度下，應力與重復荷載作用次數的增加不會再引起結構的疲勞破壞，該疲勞應力值稱疲勞極限應力，結構設計時必須嚴格按照疲勞極限應力進行設計。8.5疲勞試驗8.5.1疲勞試驗的目的及內容結構疲勞試驗按目的不同可分為探索性試驗和檢驗性試驗兩類。對于探索性疲勞試驗，一般有以下內容。①鋼筋及混凝土的應力隨荷載重復次數的變化；②開裂荷載及開裂情況﹔③裂縫的寬度、長度、間距及其隨荷載重復次數的變化﹔④疲勞破壞荷載及承受疲勞荷載的重復次數﹔⑤最大撓度及其變化規律﹔⑥疲勞破壞特征。8.5疲勞試驗8.5.1疲勞試驗的目的及內容對于檢驗性試驗，在滿足現行設計規范要求的前提下，在控制疲勞次數以內還應取得下述有關數據：①抗裂性及開裂荷載；②裂縫寬度及其發展；③最大撓度及其變化幅度；④疲勞強度。8.5疲勞試驗8.5.1疲勞試驗的目的及內容對于鋼結構試件，疲勞試驗中的觀測項目主要包括：①局部應力或最大應力的變化；②試件的最大變形及其隨荷載循環次數的發展規律；③斷裂裂紋的萌生和發展；④試件承載能力與疲勞荷載的關系。8.5疲勞試驗8.5.2疲勞試驗的分類與特征對某一種結構而言，它既有材料的疲勞問題又有結構本身的疲勞問題。近年來，比較典型的疲勞試驗有以下幾種。①鋼筋混凝土和預應力混凝土梁的疲勞試驗；②焊接鋼結構疲勞試驗，如焊接鋼結構節點，焊接鋼梁等；③用于預應力混凝土結構的錨夾具組裝件疲勞試驗；④拉索疲勞試驗，拉索主要用于斜拉橋的斜拉索或吊桿拱橋的吊桿；⑤新型材料或新的結構構件的疲勞試驗，如鋼纖維混凝土梁的疲勞試驗，鋼-混凝土組合結構疲勞試驗等。8.5疲勞試驗8.5.2疲勞試驗的分類與特征結構的疲勞試驗按其受力狀況不同，可分為壓力疲勞、彎曲疲勞和扭轉疲勞試驗；按試驗機產生的脈沖信號的大小，可分為等幅疲勞和變幅疲勞試驗；還有環境疲勞試驗，如在腐蝕性環境下的疲勞試驗、高溫或低溫下的疲勞試驗、加壓或真空等條件下的疲勞試驗。從材料學的觀點來看，疲勞破壞是材料損傷累積而導致的一種破壞形態。金屬材料的疲勞有以下特征。8.5疲勞試驗8.5.2疲勞試驗的分類與特征①交變荷載作用下，試件的交變應力遠低于材料靜力強度條件下有可能發生的疲勞破壞；②單調靜載實驗中表現為脆性或塑性的材料，發生疲勞破壞時，宏觀上均表現為脆性斷裂，疲勞破壞的預兆不明顯﹔③疲勞破壞具有顯著的局部特征，疲勞裂紋擴展和破壞過程發生在局部區域；④疲勞破壞是一個累積損傷的過程，要經歷足夠多次導致損傷的交變應力才會發生疲勞破壞。8.5疲勞試驗8.5.3疲勞試驗的方法——試件安裝試件的疲勞試驗不同于靜載試驗，它連續進行的時間長，試驗過程振動大，且試件的疲勞破壞可能是突然的脆性破壞。因此，試驗裝置應具有安全防護能力、試件的安裝就位及相配合的安全措施均應認真對待，否則將會產生嚴重后果。試件安裝時應做到以下幾點。（1）嚴格對中荷載架上的分布梁、脈沖千斤頂、試驗試件，支座及中間墊板都要對中，特別是千斤頂軸心一定要同試件斷面縱軸在一條直線上。8.5疲勞試驗8.5.3疲勞試驗的方法——試件安裝（2）保持平穩疲勞試驗的支座最好是可調的，即使試件不夠平直也能調整安裝水平。另外千斤頂與試件之間、支座與支墩之間，試件與支座之間都要確實找平，用砂漿找平時不宜鋪厚，因為厚砂漿層易酥。（3）安全防護疲勞破壞通常是脆性斷裂，事先沒有明顯預兆。應采取安全防護措施，避免人員和設備因試件突然破壞而受損。8.5疲勞試驗8.5.3疲勞試驗的方法——加載步驟疲勞試驗屬于動力試驗，試驗過程中，所有的信息都在隨時間變化，但是在一定的荷載循環中，試驗信息的變化幅度不大，沒有必要采用自動數據采集設備記錄試驗數據。疲勞試驗均為荷載控制，試驗荷載值必須采用動態方式測量和記錄，以便對試驗過程進行監控，對試驗荷載值及偏差及時進行調整。試驗的主要過程，可歸納為以下幾個步驟。①預加靜載試驗對試件施加不大于上限荷載20%的預加靜載1~2次，消除松動及接觸不良，并使儀表運動正常。8.5疲勞試驗8.5.3疲勞試驗的方法——加載步驟②正式疲勞試驗第一步先做疲勞前的靜載試驗，其目的主要是為了對比試件經受反復荷載后受力性能有何變化。荷載分級加到疲勞上限荷載。每級荷載可取上限荷載的20%，臨近開裂荷載時應適當加密，每級荷載加完后10~15min記錄讀數，加滿載后分兩次或一次卸載，也可采取等變形加載方法。第二步進行疲勞試驗，首先調節疲勞機上下限荷載，待示值穩定后讀取第一次動載讀數，以后每隔一定次數讀取數據。根據要求也可在疲勞過程中進行靜載試驗（方法同上），完畢后重新啟動疲勞機繼續疲勞試驗。8.5疲勞試驗8.5.3疲勞試驗的方法——加載步驟第三步做破壞試驗。達到要求的疲勞次數后進行破壞試驗時有兩種情況。一種是繼續施加疲勞荷載直至破壞，得到承受疲勞荷載的次數。另一種是作靜載破壞試驗，這時方法同前。應該注意，不是所有疲勞試驗都采取相同的試驗步驟，隨試驗目的和要求的不同，可有多種多樣，如帶裂縫的疲勞試驗；靜載可不分級緩慢地加到第一條可見裂縫出現為止，然后開始疲勞試驗，還有在疲勞試驗過程中變更荷載上限。提高疲勞荷載的上限，可以在達到要求疲勞次數之前，也可在達到要求疲勞次數之后。8.5疲勞試驗8.5.3疲勞試驗的方法——加載步驟疲勞試驗步驟、帶裂縫疲勞試驗步驟、變更荷載上限疲勞試驗步驟分別如圖所示。（a）疲勞試驗步驟8.5疲勞試驗8.5.3疲勞試驗的方法——加載步驟（b）帶裂縫疲勞試驗步驟（b）變更荷載上限疲勞試驗步驟8.5疲勞試驗8.5.4疲勞試驗的觀測及破壞特征——觀測①疲勞強度的觀測進行疲勞試驗過程中，在控制疲勞次數內，試件的強度、剛度、抗裂性應滿足規范要求。疲勞極限強度和疲勞極限荷載作為最大的疲勞承載能力，試件達到疲勞破壞時的荷載上限值為疲勞極限荷載，試件達到疲勞破壞時的應力最大值為疲勞極限強度。②疲勞試驗的應變測量一般采用電阻應變片測量動應變，測點布置依試驗具體要求而定。8.5疲勞試驗8.5.4疲勞試驗的觀測及破壞特征——觀測③疲勞試驗的裂縫測量測裂縫的方法是用光學儀器目測或利用應變傳感器電測。裂縫開始出現的條件和微裂縫的寬度對試件安全使用具有重要意義。④疲勞試驗的撓度測量疲勞試驗中的動撓度測量，可采用各種測振儀或差動變壓器式位移傳感器、電阻應變梁式位移傳感器等電測儀表，與動態電阻應變儀、光線示波器等儀器組成測量系統可進行多點測量，并能直接測讀在最大荷載和最小荷載作用時的動撓度。8.5疲勞試驗8.5.4疲勞試驗的觀測及破壞特征——疲勞破壞標志常見的受彎試件的疲勞破壞標志（1）試件正截面疲勞破壞標志有：①縱向主筋疲勞斷裂，當配筋率正常或較低時可能發生；②受壓區混凝土疲勞破壞，當配筋率過高或倒T型截面時可能發生。（2）鋼筋與混凝土錨固疲勞破壞常發生在采用熱處理鋼筋、冷拔低碳鋼絲、鋼絞線配筋的預應力混凝土結構中。8.5疲勞試驗8.5.4疲勞試驗的觀測及破壞特征——疲勞破壞標志（3）斜截面疲勞破壞標志①與臨界斜裂縫相交的腹筋疲勞斷裂，當腹筋配筋率正常或較低時可能發生；②混凝土剪壓疲勞破壞，當腹筋配筋率很高時可能發生；③與臨界斜裂縫相交的主筋疲勞斷裂，當縱向配筋率較低時可能發生。

9工程結構抗震試驗9.1概述

結構抗震試驗是結構抗震設計理論和方法的基礎。主要目的是通過試驗手段獲取結構在地震作用試驗環境下的結構性能。包括結構線性動力特性和結構的非彈性性能兩個特性。123

9.2擬靜力試驗計算機D/APID模控器繪圖儀作動器典型的擬靜力試驗加載試驗系統

擬靜力試驗方法是以一定的荷載或位移作為控制值對試體進行低周反復加載，以獲得結構非線性的荷載-變形特性。利用此試驗方法可以提供各種信息，例如承載力、剛度、變形能力、耗能能力和損傷特征等，在一定程度上可以推斷結構的抗震性能,并改進結構的抗震構造措施。

9.3擬動力試驗擬動力試驗基本原理

擬動力試驗的目的是真實模擬地震對結構的作用，其基本原理是用計算機直接參與試驗的執行和控制，包括利用計算機按地震實際反應計算得到的位移時程曲線驅動和控制電液伺服加載器(又稱作動器)對結構施加荷載。9.4地震模擬振動臺試驗地震模擬振動臺系統示意圖

地震模擬振動臺是再現各種地震波對結構進行動力試驗的一種先進試驗設備，主要由以下幾個部分組成：臺面和基礎、高壓油源和管路系統、電液伺服加載器、模擬控制系統、計算機控制系統和相應的數據采集處理系統。

9.5人工地震試驗

為了消除對建筑結構所引起的不同動力反應和破壞機理的這種差異，達到用爆破地震模擬天然地震并得到滿意的結果，對于解決頻率的差異可采取下列措施：（1）縮小試驗對象的尺寸，從而可提高被試驗對象的自振頻率，一般只要將試驗對象比真型縮小2~3倍，這時由于縮小比例不大，可以保留試驗對象在結構構造和材料性能上的特點，保持結構的真實性。（2）將試驗對象建造在覆蓋層較厚的土層上，可以利用松軟土層的濾波作用，消耗地震波中的高頻分量，相對地提高低頻分量的幅值。（3）增加爆心與試驗對象的距離，使地震波的高頻分量在傳播過程中有極大損耗，相對地提高低頻分量的影響。的試驗結果。

9.6天然地震試驗

在頻繁出現地震的地區或在短期預報可能出現較大地震的地區，有目的地建造一些試驗性房屋，或在已建的房屋上安裝測震儀器以便地震發生時可以得到房屋的反應，這種試驗稱為天然地震試驗。

根據經濟條件和試驗要求，主要分為加固或新建試驗房屋、強震觀測、天然地震試驗場三類。

9.7結構抗震性能評定

工程結構抗震試驗的目的是抗震性能和抗震能力的評定。通過采用不同的抗震試驗方法對模型或原型結構施加振動荷載，進行數據采集，最后由反應結構性能的各項參數和各種曲線綜合評定結構的抗震性能。骨架曲線與單調加載曲線第10章無損檢測技術1.無損檢測技術概述2.無損檢測基本理論3.無損檢測的主要方法4.其它檢測媒介5.本章小結

1無損檢測技術概述

1.1無損檢測技術無損檢測技術即非破壞性檢測，在物理學、材料科學、斷裂力學、機械工程、電子學、計算機技術、信息技術以及人工智能等學科的基礎上發展起來的一門應用工程技術。261（1）便于充分利用當地出產的材料(譬如，建設地點的砂石、填料等)，以確定上述材料是否滿足施工技術規定的要求，有利于就地取材，降低工程造價。（2）有利于推廣新技術、新工藝和新材料的應用，對于推動施工技術進步，提高工程進度、質量等將起到積極的作用。（3）有利于合理地控制并科學地評價施工質量。工程質量包括施工過程中的質量控制、竣工后的評定驗收。（4）通過相應的試驗檢測可以對其性能進行合理的評估，從而在保障安全的同時，為養護加固提供依據。

1.2無損檢測技術必要性和重要性2612無損檢測基本理論2.1振動

——慣性力——慣性力——系統剛度式中：簡諧振動是一種周期振動。可以用振動位移下x(t)為時間t的函數關系用式：x(t)=x(t+T)簡諧運動每一個振動量對時間坐標作出的波形，可以得到峰值、峰—峰值、有效值和平均絕對值等量值。其中峰值是指一個周期內信號最高值或最低值到平均值之間差的值。振動量的描述根據達朗貝爾原理，可以得到無阻尼單自由度系統的自由振動運動方程式：簡諧振動方程式KxK2.1第一節

波動（1）波速即波動單位在媒質中傳播的速度。（2）波長在波動中，對平衡位置的位移總是相等的兩個相鄰質點間的距離。（3）波數是指在波的傳播方向上單位長度內的波的數目，常用K表示。（4）相位θ，對于一個波，特定的時刻在他循環中的位置。波的基本要素（1）機械波與彈性波：機械振動在介質中的傳播過程稱為機械波。（2）聲波:聲波是一種機械波,由物體振動產生,通過介質傳播（3）光波、紅外線、電磁波波的分類（1）P波（縱波或疏密波）、S波（橫波或剪切波）（2）瑞利波（也稱為瑞雷波）（3）板波（Lame波）：兩種振動的合成，使質點作橢圓軌跡的振動并傳播的波稱為板波。（4）除以上敘述的波型外，還有彎曲波、爬波、樂夫波、楔波等幾種類型彈性波的分類2.1第二節彈性波的基本方程一維狀態三維狀態一維桿中質點縱向振動圖該微元dx在處，受擾動后產生的縱向張力以表示，則：

通常在三維體中的彈性波的基本方程根據彈性體的運動方程導出：

03無損檢測的主要方法用聲學方法檢測結構混凝土可以追溯到20世紀30年代，以錘擊作為振源，測量聲波在混凝土中的傳播速度，粗略地判斷混凝土質量超聲檢測，是指用超聲波來檢測材料和構件、并以超聲檢測儀作為顯示方式的一種無損檢測方法。聲波在介質中傳播的過程中，其振幅將隨傳播距離的增大而逐漸減小，這種現象稱為衰減。為使問題簡化，假定聲波是在無吸收的均勻介質中傳播，也就是說聲波在傳播過程中無衰減。3.1超聲和超聲波技術混凝土內部超聲波傳播原理示意圖PART

THREE010203超聲波檢測儀1.聲波透射法檢測基樁完整性。2.超聲-回彈綜合法檢測混凝土抗壓強度。3.超聲法檢測混凝土裂縫深度等。用途1.快速、準確的聲參量自動判讀。2.圖形化顯示測試結果3.儀器便攜。體積小、質量小（約），攜帶方便等。性能特點3.2超聲波檢測儀器渦流檢測交流磁場檢測金屬磁記憶檢測滲透檢測技術渦流檢測是以電磁感應為基礎，通過測定被檢工件內感生渦流的變化來無損地評定導電材料及其工件的某些性能，或發現其缺陷的無損檢測方法。金屬磁記憶（MMM）檢測技術可快速準確測定應力集中區，且檢測靈敏度高特別適合野外作業，在裝備武器以及航空器缺陷快速準確定位中具有無可比擬的優勢，在軍事上具有廣闊的應用前景。交流磁場檢測是近年來無損檢測的主要進展之一，主要用來檢測覆有防腐涂層或絕緣層的水下結構表面缺陷。滲透檢測是一種基于毛細作用原理作為基礎的檢查表面開口缺陷的無損檢測方法。該方法是5種常規無損檢測方法，即超聲檢測、電磁檢測、滲透檢測、射線探傷檢測、回彈檢測其中之一，是一門綜合性的科學技術。3.3電磁檢測技術04其它檢測媒介4.1熱像/紅外紅外熱成像運用光電技術檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，將該信號轉換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形，并可以進一步計算出溫度值。近年來，國內已發生多起建筑物的外飾物脫落傷人事故。避免建筑外墻裝飾物墜落傷人的一個有效的方法就是定期對建筑物進行較全面的檢查。而在眾多的檢查方法中，近年發展較快的紅外無損檢測技術已成為越來越受到重視的新技術。標題數字等都可以通過點擊和重新輸入進行更改。建筑物內部不同的缺陷和損傷，會對紅外熱圖像產生不同的影響。建筑的外墻裝飾物與其附著物可以看成是一個結構的兩個組成部分，它們通過給合界面組合在一起。當外墻裝飾物的表面被均勻加熱時，一部分能量被反射，一部分進入人外墻裝飾物內部。進入人內部的能量會通過結合界面向其附著物傳導。4.2超聲波衍射時差法（TOFD）1.超聲波衍射時差法，是一種依靠從待檢試件內部結構（主要是指缺陷）的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法，用于缺陷的檢測、定量和定位。2.TOFD技術于20世紀70年代由英國哈威爾的國家無損檢測中心silk博士首先提出，其原理源于silk博士對裂紋尖端衍射信號的研究。超聲波衍射時差法（TOFD）（1）效率高：該技術只需要做線性掃查就可以對焊縫完成掃查，很大程度上擴大了單組探頭檢測對焊縫的覆蓋范圍大，遠遠超過了傳統的檢測方法。（2）靈敏度高：該技術的衍射波信號具有很高的靈敏度，很大程度上保證了檢出率。（3）精度高：利用衍射時差計算方法，缺陷的高度可以得到精確的計算。（4）影響小：該技術不會因焊縫結構或缺陷的方向性就左右最后的檢測結果，其檢測結果具有很高的穩定性，幾乎不受其他因素的影響。TOFD的優點（1）過高的靈敏度有時會夸大焊縫中的良性缺陷。（2）焊縫兩側需要有放置探頭的空間。（3）存在檢測盲區，即在工件的近表面（一般為2-10mm）。（4）對相關工作人員的素質和能力要求很高。（5）TOFD檢測效率低：TOFD掃查有兩種方式。一種是非平行掃查，另一種是平行掃查。TOFD的局限性05本章小結5.1本章小結本章系統的介紹了無損檢測的主要方法，它主要包括超聲和超聲波技術、電磁檢測技術、滲透檢測技術、射線探傷技術和回彈檢測技術等無損檢測技術介紹了一些其他的檢測媒介，要求學生理解無損檢測的各種技術，并能夠在結合實際情況下運用合理的技術去解決相應的問題。渦流檢測原理交流磁場檢測原理謝謝你的觀看THANKS！數字出版中心建筑結構檢測概述混凝土結構檢測砌體結構檢測鋼結構檢測1概

述1.1現場檢測程序建筑結構檢測工作程序圖大量的結構檢測技術是在現場運用，部分檢測是在實驗室內完成。檢測程序：現場和有關資料的調查制定檢測方案儀器設備檢查檢測人員現場檢測檢測數據的整理與分析檢測報告2混凝土結構檢測2.1混凝土強度檢測一.回彈法（1）基本原理：回彈法運用回彈儀的彈擊拉簧驅動儀器內的彈擊重錘，通過中心導桿，彈擊混凝土表面，并測得重錘反彈的距離，以反彈距離與彈簧初始長度之比為回彈值R，再由R與混凝土強度的相關關系來推算混凝土的強度，是混凝土結構現場檢測中最常用的一種非破損檢測方法。（2）檢測儀器：1—構件表面；2—彈擊桿；3—拉力彈簧；4—套筒；5—重錘；6—指針；7—刻度尺；8—導桿；9—壓力彈簧；10—調整螺絲；11—按鈕；12—掛鉤；（3）檢測步驟：測區布置回彈值測量2.1混凝土強度檢測二.鉆芯法（2）檢測儀器:HZ-20型混凝土鉆孔取芯機（1）基本原理：

從混凝土結構中鉆取標準芯樣試件或小直徑芯樣試件，進行實驗室抗壓強度試驗以檢測混凝土強度或觀察混凝土內部質量（3）檢測步驟：①芯樣選取：a.芯樣鉆取

b.芯樣要求②芯樣試驗2.1混凝土強度檢測三.超聲回彈綜合法（1）基本原理：是建立在超聲波在混凝土中的傳播速度和混凝土表面硬度的回彈值與混凝土抗壓強度之間的相關關系的基礎上，以超聲波聲速值和回彈平均值綜合反映混凝土抗壓強度。（3）檢測方法：角測法示意圖1—箍筋；2—主筋；F—發射換能器；S—接收換能器平測法示意圖（a）平面圖（b）主面圖（2）檢測儀器:混凝土超聲波檢測儀2.1混凝土強度檢測四.拔出法（1）檢測儀器：拔出儀實物圖

（2）后裝法檢測步驟：測點數量：a.單個構件檢測均勻布置3個測點

b.同批構件按批抽樣檢測每個構件

布置1個測點，樣本數不少于15個②測點布置:構件混凝土成型的側面③成孔要求(3）預裝法檢測步驟：①測點數量：與后裝法一致②測點布置：預埋點的間距不應小于250mm，且預埋點離混凝土構件邊沿的距離不應小于100mm。測試部位的混凝土厚度不宜小于80mm。預埋件與鋼筋邊緣凈距離不宜小于鋼筋直徑。

2.1混凝土強度檢測五.射釘法（1）基本原理：是一種用外力將鋼釘射（壓）入構件時所受到的貫入阻力與混凝土強度成正相關的原理而產生的一種檢測方法。（2）檢測儀器：射釘槍實物圖

（3）檢測步驟：確定射釘位置安裝射釘槍計算擊發時間擊發射釘切取含釘試樣加工試樣酸洗、硫印測量厚度2.2混凝土構件外觀及內在質量與缺陷尺寸偏差檢測不密實區和空洞檢測裂縫檢測表面損傷檢測結構變形檢測以設計圖紙規定的尺寸為基準檢測項目主要指截面尺寸偏差檢測方法：

對測法

斜側法

鉆孔法檢測類型：淺裂縫檢測深裂縫檢測裂縫寬度檢測損傷原因：火災、凍害及

化學腐蝕鑿開鉆芯取樣超聲波檢測檢測方法：構件撓度：激光測距儀、水準儀

或拉線等方法結構傾斜：經緯儀、激光定位儀、

三軸定位儀或吊錘的方法地基沉降：水準儀檢測2.3混凝土結構耐久性檢測混凝土抗滲性檢測混凝土抗凍性檢測混凝土化學成分檢測①取樣法檢測混凝土抗滲性能的操作與試件處理②逐級加壓法檢測混凝土抗滲性能③混凝土在檢測齡期實際抗滲等級的推定值（1）取樣慢凍法檢測混凝土抗凍性能（2）取樣快凍法檢測混凝土抗凍性能常用方法：X射線衍射分析電子顯微鏡掃描分析熒光法分析2.3混凝土結構耐久性檢測混凝土含濕量檢測混凝土氯離子檢測

混凝土抗硫酸鹽侵蝕性性能檢測檢測方法：微波法電阻法中子散射法抗氯離子滲透性能檢測方法：快速氯離子遷移系數法（或稱RCM法）電通量法（1）取樣檢測抗硫酸鹽侵蝕性能測試（2）抗壓強度及強度耐蝕系數檢測（3）混凝土抗硫酸鹽等級推定2.4混凝土結構內部鋼筋檢測混凝土結構內部鋼筋檢測保護層厚度和鋼筋間距檢測銹蝕檢測力學性能檢測直徑檢測位置檢測拉伸試驗冷彎試驗金屬應力松弛試驗鋼筋探測儀②電磁感應法直接法稱量法電磁感應法雷達法直接法局部鑿開法直觀檢測法自然電位法03砌體結構檢測砌體結構的特點3.1砌體結構檢測的主要內容及方法易發生不均勻沉降現象具有承重和維護功能，強度相對較低易因溫度變形而開裂難于形成較大的空間及較大的洞口易受潮不同部位施工質量差異較大易引起裂縫及輕微的非受力裂縫二.砌體結構檢測要點用于砌體強度檢測:原位軸壓法扁頂法原位單剪法原位單磚雙剪法用于砂漿強度檢測:推出法簡壓法砂漿片剪切法回彈法點荷法3.2砌筑塊材的強度檢測檢測項目：砌筑塊材的強度強度等級尺寸偏差外觀質量抗凍性能塊材品種檢測方法：回彈法取樣結合回彈的方法鉆芯的方法3.3砌筑砂漿的強度檢測①推出法推出儀（a）試件加工步驟示意

（b）平剖面

（c）縱剖面推出儀圖片及測試安裝1—被推出丁磚；2－支架；3－前梁；4－后梁；5－傳感器；6－墊片；7－調平螺絲；8－傳力螺桿；9－推出力峰值測定儀a.試件準備b.安裝推出儀c.加載試驗②筒壓法a.試驗對象和試驗設備b.測驗方法（a