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结构试验指导书

结构测试实验指导书

编写：

王刚

成都理工大学工程技术学院土木系材料实验室

2010年10月

第一章结构试验概论

工程结构是以工程材料为主体构成的不同类型的承重构件（梁、板、柱等）相互连接组成的组合体，在一定经济条件的制约下，要求结构在规定的使用期内安全有效地承受外部及内部形成的各种作用，以满足结构在功能及使用上的要求。

为了进行合理的设计，必须掌握在各种作用下结构的实际应力分布和工作状态，了解结构构件的刚度、抗裂性能以及实际所具有的强度及安全储备。

在结构工程学科中，为了正确认识结构的性能和不断深化这种认识，结构试验是一种已被实践所证明的行之有效的方法。

本课程是一门实践性很强的课程，学生实验的目的在于：

一是熟悉、验证、巩固所学的理论知识，增加感性认识；二是了解所使用的仪器设备，掌握所学建筑各种结构的试验方法；三是进行科学研究的基本训练，培养分析问题和解决问题的能力；四是培养学生严肃认真实事求是的学风。

1.1结构试验的任务

结构在外荷载作用下，可能产生各种反应。

如图1-1（a）所示钢筋混凝土简支梁在静力集中荷载作用下，可以通过测得梁在不同受力阶段的挠度、角变位、截面上纤维应变和裂缝宽度等参数，来分析梁的整个受力过程以及结构的强度、刚度和抗裂性能。

当一个框架受到水平动力荷载作用时（图1-1（b））同样可以测得结构的自振频率、阻尼系数、振幅和动应变等。

在结构抗震研究中，经常是通过结构在承受低周反复荷载作用下，由试验所得的反应力与变形关系的滞回曲线（图1-1C）为分析抗震结构的强度、刚度、延性、刚度退化、变形能力等提供数据资料。

由此可见，“结构试验”这门科学的任务就是在结构物或试验对象（实物或模型）上，使用仪器设备为工具，利用各种实验技术为手段，在荷载（重力、机械扰动力、地震力、风力……）或其他因素（温度、变形）作用下，通过量测与结构工作性能有关的各种参数（变形、挠度、应变、振幅、频率……）从强度（稳定）刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判明建筑结构的实际工作性能，估计结构的承载能力，确定结构对使用要求的符合程度，并用以检验和发展结构的计算理论。

由结构试验的任务可知，它是以实验方式测定有关数据，由此反映结构或构件的工作性能、承载能力和相应的安全度，为结构的安全使用和设计理论的建立提供了重要的根据。

1.2结构试验的目的

在实际中，根据不同的试验日的，结构试验可归纳为两大类。

1.2.1生产性试验

这类试验经常是具有直接的生产目的，它是以实际建筑物或结构构件为试验鉴定的对象，经过试验对具体结构作出正确的技术结论。

一般这类性质的试验经常用来解决以下有关的问题。

一、结构的设计和施工通过试验进行鉴定。

对于一些比较重要的结构与工程，除在设计阶段进行必要而大量的试验研究外，在实际结构建成以后，要求通过试验，综合性地鉴定其质量的可靠程度。

上海南浦大桥和杨浦大桥建成后的荷载试验均属此例。

二、工程改建或加固，通过试验判断具体结构的实际承载能力。

对于旧有建筑的扩建加层，为了生产需要提高车间起重能力或由于建筑抗震需要提高抗震烈度而进行的加固等，在单凭理论计算不能得到分析结论时，经常通过试验以确定这些结构的潜在能力，这对于缺乏旧有结构的设计计算与图纸资料时，在要求改变结构工作条件的情况下更为必要。

三、处理工程事故，通过试验鉴定提供技术根据。

对于遭受地震、火灾、爆炸等原因而受损的结构，或是在建造和使用过程中发现有严重缺陷（施工质量事故，结构过度变形和严重开裂等）的危险性建筑，也往往有必要进行详细的检验。

四、已建结构的可靠性检验、通过试验推断和估计结构的剩余寿命

五、鉴定预制构件产品的质量。

对于在构件厂或现场成批生产的钢筋混凝土预制构件，在构件出厂或现场安装之前，必须根据科学抽样试验的原则，按照预制构件质量检验评定标准和试验规程的要求，通过少量的构件试验，以推断成批产品的质量。

1.2.2科学研究性试验

一、验证结构计算理论的假定

在结构设计中，人们经常为了计算上的方便，对结构构件的计算图式和本构关系作某些

简化的假定。

一般这可以通过试验研究来加以验证。

在构件静力和动力分析中，本构关系的模型化，则完全是通过试验确定的。

二、为制订设计规范提供依据

我国现行的各种结构设计规范除了总结已有大量科学实验的成果和经验以外，为了理论和设计方法的发展，进行了大量的钢筋砼结构、砖石结构和钢结构的梁、柱、框架、节点、板墙等实物和缩尺模型的实验，以及实体建筑物的实验研究，为我国编制各类结构设计规范提供了基本资料与实验数据。

三、为发展和推广新结构新材料与新工艺提供实践经验。

随着建筑科学和基本建设发展的需要，新结构新材料和新工艺不断涌现。

例如在钢筋混凝土结构中各种新钢种的应用，薄壁弯曲轻型钢结构的设计推广，升板、滑模施工工艺的发展，以及大跨度结构、高层建筑与特种结构的设计施工等。

但是一种新材料的应用，一个新结构的设计和新工艺的施工，往往需要经过多次的工程实践与科学试验，即由实践到认识，由认识到实践的多次反复，从而积累资料，丰富认识，使设计计算理论不断改进和不断完善。

结合我国钢材生产的特点，曾对16锰及硅钦类或硅钒类等钢种的原材料和使用这类钢材的结构构件做了大量的试验。

今天科学实验已经作为一种独立的社会实践，它将有力地促进生产的发展。

“建筑结构试验”将与其他科学实验工作一样，对子建筑科学的发展产生巨大的促进和推动作用!

编著：

王刚

2011-7-3

实验一混凝土结构碳化深度检测试验

一、试验目的

对结构混凝土碳化深度进行检测，对钢筋的锈蚀情况判断及采取合理维修加固措施

提供参考。

二、试验原理

拌和混凝土时，Ca（OH）2大部分以结晶状态存在，成为孔隙液保持高碱性的储备，它的PH值为12.5～13.5。

空气中的CO2气体不断地透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔道，与其中孔隙液所溶解的Ca（OH）2进行中和反应，反应产物为CaCO3和H2O。

随着结晶Ca（OH）2的溶解，PH值会逐渐降低，PH值的降低会导致钢筋表面钝化膜的破坏，使钢筋失去保护。

通过在混凝土新鲜断面喷洒酸碱指示剂，通过观察指示剂颜色变化来确定混凝土的碳化深度。

三、试验仪器

酸碱指示剂、75％的酒精溶液、白色酚酞粉末、酚酞、卡尺

四、试验步骤

（1）测区及测孔布置

1）测区应包括锈蚀电位测量结果有代表性的区域，也能反映不同条件及不同混凝土质量的部位，结构外侧面应布置测区。

2）测区数不应小于3个，测区应均匀布置。

3）每一测区应布置三个测孔，三个测孔应呈“品”字排列，孔距根据构件尺寸大小确定，但应大于2倍孔径。

4）测孔距构件边角的距离应大于2.5倍保护层厚度。

（2）使用酸碱指示剂喷在混凝土的新鲜破损面，根据指示剂颜色的变化，测量混凝土的碳化深度，量测值准确至毫米。

1）配制指示剂（酚酞试剂）：

75％的酒精溶液与白色酚酞粉末配置成酚酞浓度为1％~2％的酚酞溶剂，装入喷雾器备用，溶剂应为无色透明的液体。

2）用装有20mm直径钻头的冲击钻在测点位置钻孔。

3）成孔后用圆形毛刷将孔中碎屑、粉末清除，露出混凝土新茬。

4）将酚酞指示剂喷到测孔壁上。

5）待酚酞指示剂变色后，用测深卡尺测量混凝土表面至酚酞变色交界处的深度，准确至1mm。

酚酞指示剂从无色变为紫色时，混凝土未碳化，酚酞指示剂未改变颜色处的混凝土已经碳化。

6）将测区、测孔统一编号，并画出示意图，标上测量结果。

7）测量值的整理应列出最大值、最小值和平均值。

五、试验数据的整理与评定标准

混凝土碳化深度对钢筋锈蚀影响的评定，可取构件的碳化深度平均值与该类构件保护层厚度平均值之比，并考虑其离散情况，参考表1对单个构件进行评定。

表1混凝土碳化深度的评判标准

实验二混凝土保护层测试仪标定与使用

一、实验目的

熟悉混凝土保护层测试仪的标定及基本操作方法。

二、基本原理

混凝土保护层测试仪是利用电磁感应原理进行检测的。

在探头线圈中通入交流电从

而产生电磁场，在该电磁场内有钢筋等磁性体存在时，这个磁性体就产生感生电流，感

生电流形成反向的感生电磁场，结果使线圈电压产生变化。

电磁场强度的变化和金属物

大小与探头距离存在一定对应关系，如果把特定尺小的钢筋和所要调查的材料进行适当

标定，通过探头测量并由仪表显示出来这种对应关系，即估测混凝土中钢筋位置、深度

和尺寸。

三、实验仪器

混凝土保护层测试仪、标定块。

四、试验仪器标定

（1）混凝土保护层测试仪使用期间的标定校准应使用专用的标定块。

当测量标定

块所给定的保护层厚度时，测读值应在仪器说明书所给定的准确度范围之内。

（2）标定块由一根φ16的普通碳素钢筋垂直浇铸在长方体无磁性的塑料块内，使

钢筋距四个侧面分别为15mm、30mm、60mm、90mm，如图1所示。

（3）标定应在无外界磁场干扰的环境中进行。

（4）每次试验检测前均应对仪器进行标定，若达不到应有的准确度，应送专业机

构维修检验。

五、实验步骤

（1）测试前应了解有关图纸资料，以确定钢筋的种类和直径；

（2）进行保护层厚度测读前，应先在测区内确定钢筋的位置与走向，做法如下：

1）将保护层测试仪传感器在构件表面平行移动，当仪器显示值最小时，传感器正下方即是所测钢筋的位置；

2）找到钢筋位置后，将传感器在原处左右转动一定角度，仪器显示最小值是传感器长轴线的方向即为钢筋的走向；

3）在构件测区表面画出钢筋位置与走向。

（3）保护层厚度的测度

1）将传感器置于钢筋所在位置正上方，并左右稍稍移动，读取仪器显示最小值即为该处保护层厚度。

2）每一测点值宜读取2～3次稳定数值，取其平均值，准确至1mm。

3）应避免在钢筋交叉位置进行测量。

（4）对于缺少资料、无法确定钢筋直径的构件，应首先测量钢筋直径。

对钢筋直径的测量宜采用5～10次测读，剔除异常数据，求其平均值的测量方法。

六、实验数据与整理

（1）数据处理

1）首先根据某一测量部位各测点混凝土厚度实测值，按下式求出混凝土保护层厚度平均值

（精确至0.1mm）。

式中：

——结构或构件测量部位测点混凝土保护层厚度，精确至1mm；

n——测点数。

2）按照下式计算确定测量部位混凝土保护层厚度特征值Dnc（精确0.1mm）：

式中：

SD——测量部位测点保护层厚度的标准值，精确至0.1mm；

K——合格判定系数值，按表1取用。

表1混凝土保护层厚度合格判定系数值

3）根据测量部位实测保护层厚度特征值Dne与其设计值Dnd的比值，混凝土保护层厚

度对结构钢筋耐久性评定标准按表2来评判。

表2混凝土保护层厚度的评定标准

实验三钻芯取样法评定混凝土强度

实验目的：

（1）了解结构混凝土的强度半破损测定方法；

（2）了解钻芯法测定混凝土强度的原理和操作规程；

（3）会使用钻芯法对结构混凝土强度进行评定。

实验要求和实验内容：

（1）会使用钻芯取样机和岩石切片机和压力试验机；

（2）钻芯样、切割、磨片；

（3）测定试样尺寸和抗压强度；

（4）利用尺寸换算系数，推定结构混凝土强度。

主要符号：

d—芯样试件的平均直径;

F—芯样试件抗压试验测得的最大压力;

f-1—芯样试件混凝土强度换算值;

f-—芯样试件混凝土强度值;

f-（干）—干芯样试件混凝土强度;

几健（湿）—湿芯样试件混凝土强度;

f-—立方体混凝土试块强度值;

a—不同高径比芯样试件混凝土强度换算系数。

芯样试件的抗压试验应按现行国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》中对立方体试块抗压试验的规定进行。

芯样试件宜在与被检测结构或构件混凝土湿度基本一致的条件下进行抗压试验。

如结构工作条件比较干燥，芯样试件应以自然干燥状态进行试验;如结构工作条件比较潮湿，芯样试件应以潮湿状态进行试验。

按自然干燥状态进行试验时，芯样试件在受压前应在室内自然干燥3d（天）;按潮湿状态进行试验时，芯样试件应在20℃士5℃的清水中浸泡40--48h，从水中取出后应立即进行抗压试验。

试件

抗压强度MPa

试件1

试件2

试件3

试件4

试件5

试件6

结果评定

（MPa）

实验四回弹超声法测试混凝土强度实验

一、试验目的

本方法用于工程结构普通混凝土抗压强度（以下简称混凝土强度）的检测，检测结果可作为处理混凝土质量问题的一个依据。

二、试验仪器

超声波检测仪、回弹仪

三、试验原理

回弹法是采用回弹仪的弹簧驱动重锤，通过弹击杆弹击混凝土表面，并以重锤被反弹回来的距离（称回弹值，指反弹距离与弹簧初始长度之比）作为强度相关指标来推算混凝土强度的—种方法。

四、试验步骤

（1）整理试件。

将被测试件四个浇筑侧面上的尘土、污物等擦拭干净，以同一强度等级混凝土的3个试件作为一组，依次编号；

（2）在试件测试面上标示超声测点。

取试块浇筑方向的侧面为测试面,在两个相对测试面上分别画出相对应的3个测点；

（3）测量试件的超声测距。

采用钢卷尺或钢板尺，在两个超声测试面的两侧边缘处逐点测量两测试面的垂直距离，取两边缘对应垂直距离的平均值作为测点的超声测距值1l、2l、3l；

（4）测量试件的声速值。

在试件两个测试面的对应测点位置涂抹耦合剂,将一对发射和接收换能器耦合在对应测点上，并始终保持两个换能器的轴线在同一直线上。

逐点测读声时读数1t、2t、3t，精确至0.1μs；

（5）计算声速值。

分别计算3个测点的声速值vi。

取3个测点声速的平均值作为该试件的混凝土中声速代表值v，即：

式中：

v——测区混凝土中声速代表值（km/s）；

li——第i个测点的超声测距（mm）。

角测时测距按规程中角测方法计算；

ti——第i个测点的声速读数（μs）；

t0——声速初读数（μs）。

（6）测量回弹值。

应先将试件超声测试面的耦合剂擦拭干净，再置于压力机上下承压板之间,使另外一对侧面朝向便于回弹测试的方向，然后加压至30～50kN并保持此压力。

分别在试件两个相对侧面上按规程中规定的水平测试方法各测8点回弹值。

剔除3个最大值和3个最小值,取余下10个有效回弹值的平均值作为该试件的回弹代表值R，计算精确至0.1。

五、试验数据的整理与计算

将各试块测试所得的声速值v、回弹值R和试块抗压强度实测值fccu汇总；

（1）回归分析。

宜采用下列形式的回归方程式计算：

式中：

a——常数项；

b、c——回归系数；

fccu——混凝土试件抗压强度换算值（MPa）。

（2）误差计算。

测强曲线的相对误差er应按下列公式计算：

式中：

er——相对误差；

Focu——第i个立方体试件的抗压强度实测值（MPa）；

fccu——第i个立方体试件的抗压强度换算值（MPa）。

（3）专用测强曲线或地区测强曲线应按规定制定，并经工程质量监督主管部门组织审定和批准实施。

专用或地区测强曲线的抗压强度相对误差er应符合下列规定：

专用测强曲线相对误差er≤12%；地区测强曲线相对误差er≤14%。

（4）当结构或构件中的测区数不少于10个时，各测区混凝土抗压强度换算值的平均值和标准差应按下列公式计算：

实验五简支梁（纯弯段）静态试验

（一）试验概况：

为了使桥梁设计更合理经济耐用在设计中进行模型试验是非常必要的。

在桥

梁结构试验，需要测量的内容是多种多样的，如外力、变形、挠度、转角、曲率、

几何变形等等。

目前采用静力实验仪表也是比较多的。

常用的机械仪表：

有百分

表、千分表双杠引伸仪、手持应变仪、刚弦计、倾角仪、读数显微镜，常用电测

仪表有静态电阻应变仪、动态两用应变仪、动态应，以及各种传感器等。

（二）试验目的：

1.使学生掌握机械仪表用途使用方法和种类等。

2.使学生掌握各种仪表使用范围及精度等。

3.通过桥梁的模型试验加深理论与实践关系，加强桥梁实验重要性和必要

性。

（三）试验内容

先计算简支梁。

理论计算有关公式和力学性能。

a.有关公式

b.根据简支梁的基本尺寸和加荷大小计算出有有关力学性能

基本尺寸：

跨度l=36cm梁高h=1.2cm

梁宽度b=10.2cm梁的弹性模量E=3.0×104kg/cm2

荷载P=2kg

注：

基本尺寸要求同学自己量出

c.计算出

弹性模量Jc截面量跨中距跨中应力跨中挠度

d.进行加荷试验

分四个工况

1kg、2kg、3kg、4kg、5kg、6kg

相应测出：

千分表读数和百分表挠度读数

注：

因为千分表布点不在梁的一个平面，故产生角位移。

因此计算结果

偏大，除于K即为梁的跨中应变。

（四）实验方法与挠度

在有机玻璃分级加荷读千分表数和百分表数

1.纯弯简支梁受力荷载：

2.

参考文献

[1]姚振刚，刘祖华编著《建筑结构试验》同济大学出版社.1999.6