建筑结构实验文档格式.docx

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结构实验本质上是通过实验了解结构的性能，最重要的因素就是在结构实验中模拟实际结构所处的环境。

原型及模型结构和构件实验（针对实验对象而言）：

完全足尺的原型实验用于鉴定性实验，现场大多为完全足尺非破坏实验，实验室大多为足尺破坏实验；

模型结构实验是指被实验的结构或构件与原型结构在几何形状上基本相似，各部分结构或构件尺寸按比例缩小，模型结构有原型结构的主要特征，关键是模型结构的设计和制作必须符合相似原理，消除尺寸效应的影响。

结构静载实验（不考虑实验过程中结构本身运动的加速度效应）：

根据实验性质分为单调静载实验（实验加载过程从零开始，在一段时间内实验荷载逐渐单调增加到结构破坏或预定的状态目标）、低周反复荷载实验（属于结构抗震实验，利用加载系统使结构受到逐渐增大的反复作用荷载或交替变化的位移，直到结构破坏。

有在地震过程下的受力历程的基本特点但加载速度远低于实际结构在地震作用下的变形速度，也叫伪静力实验）和拟动力实验（属于结构抗震实验，目的是模拟结构在地震作用下的行为，将实验过程中测量的力、位移等数据输入计算机，计算机根据结构当前状态和输入的地震波，控制加载系统使结构产生计算确定的位移，由此形成一个递推的过程，得到结构在地震作用下的时程响应曲线），根据荷载作用的时间长短分为短期荷载实验（如忽略混凝土的徐变和收缩）和长期荷载实验（应对实验环境有严格控制）。

结构动载实验（考虑结构本身运动的惯性力效应）：

利用各类动载实验设备使结构受到动力作用，并观测结构的动力相应，从而了解掌握动力性能。

疲劳实验（使构件受到重复作用的荷载，受到足够多的应力或应变循环，材料损伤积累导致裂纹产生并扩展从而疲劳破坏）、动力特性实验（即结构物在振动过程中所表现的固有性质，固有频率、振型、阻尼系数。

用振型分解法求得结构自振频率和振型—模态分析，用实验方法获得—实验模态分析方法。

采用人工激励法或环境随机激励法使结构产生振动，同时测量并记录结构的速度响应或加速度响应，再通过信号分析得到结构的动力特性参数）、地震模拟振动台实验（在振动台上安装结构模型，然后控制振动台按设定地震波运动，量测记录结构位移和动应变等数据，观察结构破坏过程和形态，研究结构的抗震性能，复杂结构在地震过程中是非线性非弹性的）和风洞实验（产生和控制气流以模拟建筑或桥梁等结构物周围的空气流动，量测气流对结构的作用。

实验模型分为钝体模型（研究结构表面各位置的风压）和气弹模型（研究风致振动以及相关的空气动力学问题）），除了以上还有：

根据结构所处动力学环境分为强迫振动实验，周期抗震实验，冲击碰撞实验。

结构非破损检测：

以不损伤结构和不影响结构功能前提下，在建筑结构现场，根据结构材料物理性能和结构体系受力性能对结构进行检测。

1.3结构实验技术发展

现代结构实验技术和相关的理论和方法在一下几个方面发展迅速：

先进的大型和超大型实验设备、基于网络的远程协同结构实验技术、现代测设技术、计算机与结构实验。

第二章结构实验设计原理

2.1概述

结构实验一般分为：

实验规划与设计（应认真规划，编制实验大纲）、实验技术准备（实验达到预期的目的很大程度取决于这步）、实验实施过程（主要是操作实验设备，观察试件反应）、实验数据分析与总结（整理实验数据，撰写实验报告）

2.2结构实验设计的基本原则

1）真实模拟结构所处的环境和结构所受到的荷载：

根据不同的结构实验的目的设计实验环境和实验荷载，如地震模拟振动台再现地震时地面运动等；

鉴定性实验中按照相关标准确定实验荷载特征，研究性实验完全取决于研究目的；

实验中还应注意对实验装置的设计要考虑边界条件的模拟，如简支梁在实验中铰接于梁底部而非梁中心轴处，由圣维南原理知这种边界条件对梁的单调静力荷载的影响很小，还有就是排架柱和框架柱中注意前者端部弯矩为零而后者中点弯矩为零的模拟。

2）消除次要因素的影响：

实验目的中明确包括了需要研究的是主要因素，在实验设计时候因尽量消除次要因素影响。

如进行研究徐变对钢混受弯构件长期刚度的影响中，为消除混凝土收缩因素对混凝土徐变的影响，因在恒温恒湿条件下进行；

在结构模型实验中，模型的材料、各部分尺寸和细部构造的主要因素应在模型中体现，如地震模拟振动台实验中采用大比例缩尺模型进行混凝土结构抗震实验，原型结构采用普通混凝土，最大骨料可达20mm，采用一定比例制作结构模型中则只能选用最大骨料3-4mm的微粒混凝土。

3）将结构反应视为随机变量：

从结构设计的可靠性理论中，结构抗力和作用效应都是随机变量，因此我们在设计和规划结构实验时应将结构的反应视为随机变量，在实验前结构实验的结果不仅具有随机性还具有模糊性，即其力学模型是不确定的，如新材料胶合木材制成的梁不能用材料力学分析其弹性阶段性能。

常规研究方法是将实验结果建立结构力学模型，再由实验数据确定模型参数，如进行钢筋混凝土梁受剪承载能力的实验结果十分离散，影响因素很多，梁的抗剪模型也很多种。

将结构反应视为随机变量，这使得我们在结构实验设计中必须运用统计学的方法设计试件数量，排列影响因素，如基于数理统计的正交实验法。

4）合理选择实验参数：

结构实验方案涉及很多参数，这决定了实验结构的性能，实验参数一般分为与实验加载系统有关的参数和与实验结构的具体性能有关的参数两类。

5）统一测试方法和评价标准：

在鉴定性结构实验中，实验对象和实验方法大多事先已确定，如回弹法、超声法测定原型结构的非破损检测等；

研究性结构实验中，因很多新的发现来源于新的实验方法，为信息交换我们需要对实验方法进行一些规定，建立共同的评价标准，如对混凝土受拉开裂中裂缝的定义是使用放大倍数20-40倍进行观察裂缝，看不到则认为混凝土没有开裂，这是一种约定。

6）降低实验成本和提高实验效率：

在实验设计中根据实验目的选择实验参数和实验仪器，尽可能重复利用；

测试精度应考虑到实验成本和效率的因素，如挠度测试进度0.05-0.1mm即满足一般要求，若要达到0.01mm精度则要求更高的实验设备；

除此之外应考虑到安全因素。

2.3测试技术基本原理

测试技术的关键之一是传感器技术，结构实验就是在规定的实验环境下，通过各种传感器将结构在不同受力阶段的反应转换成可以观测记录的定量信息。

测量可以分为直接测量（无须经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测量值，如钢尺测量构件截面尺寸）和间接测量（在直接测量的基础上，根据已知的函数关系，通过计算得到被测量物理量的量值，如超声检测仪测量混凝土声速）

使用各种传感器对物理量进行测量时，十分重要的环节就是传感器和测量系统的标定或校准；

标定：

是指采用已知的标准物理量校正仪器或测量系统的过程。

现代测量技术的一个突出特点是采用电测法，即电测非物理量，通过转换放大调节运算，最后输出测量结果，另一个特点是采用计算机作为测量系统信息处理的关键器件。

第三章结构静载实验

3.1静载实验加载设备

静载实验是指对结构施加静力荷载（不考虑任何惯性作用和加速度的影响）并考察结构在静力荷载下的力学性能的实验。

加载设备可以分为：

荷载系统+测量系统+显示记录系统。

加载设备和利用加载设备所施加的实验荷载必须满足：

1）实验荷载的作用方式必须使被实验结构产生预期的内力和变形方式、2）加载设备产生的荷载应能够以足够进度进行控制和测量、3）加载设备或装置不应参与结构工作，不改变结构和构件的受力状态、4）加载设备本身应该有足够的强度和刚度。

一般对结构施加静力荷载的方式有利用重力加载和利用液压或机械装置加载两种。

重力加载：

1）直接重力加载。

常用于构件的检验性实验，如预应力混凝土空心板的检验。

2）杠杆重力加载。

利用杠杆原理设计重力放大装置，满足静力荷载实验对所加荷载大小的要求，如实验室的长期荷载实验，优点是无须测力装置不用调整就可以保持荷载的长期不变。

液压加载：

液压加载是实验室中最常见的加载设备，一般由液压泵源、液压管路、控制装置和加载油缸组成，主要工作原理是液压油泵输出压力油，经控制装置对油的压力和流量进行调节后输送到加载油缸，推动油缸活塞运动，对结构施加荷载。

一般主要有：

1）移动式同步液压装置，可以将多个加载油缸灵活安装在实验装置的各个部位；

2）液压千斤顶，小型集成化的液压加载装置；

3）液压试验机，结构或构件的静载实验也常在液压试验机上进行。

4）电液伺服液压试验系统，也是由液压泵源、液压管路、控制装置和加载油缸组成，最大的区别是液压控制装置中采用了电液伺服阀，主要特点是将电流信号转换为阀芯的机械运动，通过其调节电液伺服阀的输出和输入流量和压力，具有良好的动态特性。

机械加载：

常用的有螺旋千斤顶、纹盘、卷扬机等。

气压加载：

适合于对板壳结构施加均布荷载，有正压加载（通过气囊充气加载）和负压加载（构件间形成密闭的气密空间抽出气体进行加载，特别适合曲面结构）。

3.2实验装置的支座设计

根据结构实验的目的不同，有两种思路设计实验装置的支座。

一是被试结构的支座和边界条件尽可能和实际结构一致，以使得结构性能得到真实的模拟；

二是被试结构的边界条件尽可能理想化，受力条件明确和结构设计所采用的计算简图一致，以便对实验结构的力学性能进行正确分析，研究性实验的支座设计按这种。

结构实验的铰支座：

简支边界条件用铰支座实现有几种类型，1）活动铰支座，构件可自由转动和在一个方向上移动，提供一个竖向支座反力，不传递弯矩和水平力。

2）固定铰支座，构件可以只有转动但不可移动，梁类构件实验中一般采用一个固定铰支座，其他均为活动铰支座的布置。

3）柱式试件的铰支座，柱和墙的实验所采用的支座是固定铰支座，在受压实验中由于对压力作用点有较高要求，偏心距应当主要控制，故在试验机的压板上仍要安装铰支座。

固定边界条件的实验：

是指结构的端部不发生转动和移动，可传递弯矩和剪力。

注意，若使用螺栓连接等实现固定边界条件时候应当注意试件边界上的受力，必须有足够的强度和刚度。

实验台座和反力钢架：

根据结构实验的通用性要求设计，满足不同的要求。

如自平衡式梁式构件实验台座、板式台座、箱式台座等，若需要对结构施加较大的水平荷载则可以建造反力墙。

3.3应变测试技术

在结构实验中应力很难直接测量，只有测量应变再通过材料的应力应变关系，由测量的应变得到应力，应变测量方法分为机测（利用机械式仪表测量结构上两点之间的位移，将其转换为应变，但存在测距、测点布置、温度补偿的限制）和电测（最常用的是电阻应变片法）两种。

电阻应变片工作原理：

利用电阻应变效应（导体或半导体在外界作用下产生机械变形时电阻值将发生变化），将导体制作成电阻应变片粘贴于被测结构或材料的表面，当结构收到外界作用产生的变形传递到电阻应变片使电阻值发生变化，通过测量电阻的变化从而得到应变的变化。

受拉时电阻增大，受压时电阻变小。

灵敏系数K表示单位应变引起的相对电阻变化，常见的电阻应变片一般为K=2.0，电阻值为120欧姆。

电阻应变的测量原理：

在结构实验中，由于测试的应变较小，相应电阻也较小，需要通过惠斯登电桥把微小电阻变化为电压或电流的变化，主要有四分之一桥应变测量（只有一个电阻应变片测量应变，其他三个电阻不改变，电压最小）、半桥测量（两个电阻应变片接入桥路，电压是1/4的两倍）、全桥测量（全部参与测量，电压是1/4的四倍）。

电阻应变测试中的温度补偿：

实际测量中应当考虑温度变化时候电阻应变片也受到温度影响而电阻变化，通常和应变所产生的电阻变化是同一个数量级，必须采取措施消除温度影响。

温度导致附加应变可分为两类，一是温度变化