3结构静载试验
3. 工程结构静力试验
【本章提要】 本章介绍了静力试验各类加载方法及设备、测量仪器原理及使用;一般结构构件如梁、板、柱及桁架的试验安装、加载方法、测量项目、测点布置等基本试验方法;试验数据的整理、分析及结构性能评定等方法。通过学习,重点掌握静力试验常用试验设备、基本测量原理及方法、数据整理及分析方法。
3.1.概述
结构的功能是承受结构上的作用并保证结构安全、适用、耐久。结构上的作用分为直接作用和间接作用,直接作用是指各种荷载如结构自重等,间接作用是指引起结构外加变形和约束变形的各种因素如温度等。结构上的作用繁多,结构因作用不同其性能也有所差异。
结构试验就是利用各种手段对结构实际工作状态进行模拟,测定结构的工作性能,确定结构变形、内力、承载能力等变化规律。结构上的荷载按是否引起结构动力反应(如惯性力、加速度)分为静力荷载和动力荷载,因此,工程结构试验也分为静力试验和动力试验。对结构施加静力荷载以模拟结构工作状态的试验称为结构静力试验。
所有结构至少都要承受静力荷载(如结构和固定设备自重等),因此,结构要进行静力试验。有些结构虽然承受动力荷载,但动力荷载引起的结构动力反应相对静力反应很小,可以忽略;或者不可忽略,但为方便计算考虑,将动力计算转化为相当的静力计算,以冲击系数考虑动力荷载;或进行动力试验时,需要测定结构有关特性参数、或进行动、静力试验对比等等,由于这些因素,结构都需要进行静力试验。由此可见,结构静力试验是结构试验中最为常见的、大量的试验,也是基本试验。
根据观测时间长短不同静力试验分为短期试验和长期试验,对结构施加长期荷载,以确定结构工作性能随时间的变化规律,这是长期试验。
试验设备、试验理论的完善,为结构动力试验提供了物质和技术手段,但用拟静力试验来研究结构抗震性能也是常用的试验方法之一。拟静力试验也称低周反复试验,是用静力的手段来研究结构动力性能的一种方法,这种试验设备相对简单,耗资小。低周反复试验将在工程结构抗震试验一章中介绍。
3.2.试验荷载系统
结构静力试验是在对试验结构施加荷载下进行的,除少数在实际荷载下实测之外,绝大多数是在模拟荷载作用下进行。产生模拟荷载的方法和设备很多,这些设备构成了试验荷载系统。试验荷载系统必须满足以下基本要求:
a)符合试件受力方式和边界条件要求,以保证试验的准确。
b)加载值稳定,不受试验环境或结构变形的影响,相对误差不超过±5%,以保证测试的准确度。
c)加载设备应有足够的强度和刚度,并有足够的安全储备。
d)应能方便调节和分级加(卸)载,以便控制加(卸)载速率。
不同的加载方法,使用不同的设备及装置,下面介绍各种加载方法、加载设备和加载装置。
3.2.1.重力加载
重力加载是利用物体重力施加荷载的一种方式。
重力加载有直接加载和杠杆加载。重力直接加载是将重物直接堆放于结构(板)表面
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结构试验机。结构试验机主要有长、短柱压力试验机和卧式万能试验机等。这些设备都是
支座、支墩是结构试验装置中模拟结构实际受力和边界条件的重要组成部分,必须保证结构在支座处的正确传力。对于不同的结构形式,不同的试验要求,就要有不同的支座与之相适应,这是试验装置设计中应考虑的重要问题。
支墩常用钢或钢筋混凝土制作,现场试验多用砖块临时砌筑。支墩高度应一致,并且以方便观测和安装测量仪器为准,支敦面积大小应能保证强度及稳定性要求。支敦上部应有足够大的平整的支撑面,最好在顶面铺钢板,支敦底面要按地耐力复核,以保证不发生过度变形。
支座按自由度不同分为滚动铰支座、固定铰支座和球铰支座等,如图3.11。支座一般用钢材制作,并且保证有足够的强度和刚度。如果混凝土结构在支撑处没有预埋支撑钢垫
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l≥
式中:R——支座反力(N);
b——上垫板宽度(mm); R (3.2) bfc
fc——混凝土抗压强度设计值(MPa)。
支座上垫板的厚度h根据均布荷载下的内力分析按下式计算:
h=2fca2
(3.3) f
; 式中:a——滚轴中心线至垫板边沿的距离(mm)
地脚螺丝式试验台座是在台面上每隔一定距离设置一个地脚螺丝,螺丝下端埋入台座混凝土内。使用时,反力设备或试件固定在地脚螺丝上。由于地脚螺丝位置已经固定,试件安装位置受到限制。这种试验台不仅用于静力试验,同时可用于某些动力试验。
箱式试验台是在箱形结构的顶板上沿纵横两个方向按一定间距留有竖向贯穿的孔洞,便于沿孔洞连线的任意位置加载。实验测量与加载工作可在台座上面,也可在箱内进行。
对于现场试验无试验台座时,可用重物平衡约束、反弯梁约束或成对构件卧位试验来代替,如图3.15。
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感受部分的敏感元件把从测点感受的微小信号传给放大部分,有时需要经过变换后传给放大部分,信号经放大部分放大后送至显示或记录部分。
选用测量仪器时注意测量仪器的技术指标,测量仪器的技术指标主要有:
a)量程S
量程是指仪器的测量上限值(最大值)与下限值(最小值)的代数差,即测量范围。通常电测仪器的上限值与下限值附近测量误差较大,不宜在该区段内使用。
b)刻度值A
刻度值又称最小分度值,是指仪器显示器上最小刻度所代表的测量值。刻度值的倒数为该仪器的放大率。试验时根据被测参数所需的分位数选用适当的仪器。
c)灵敏度K
灵敏度是指被测参数(输入量)的单位增量引起仪器读数(输出量)的增量,即输出增量与输入增量之比。
d)精确度
精确度简称精度,它是精密度和准确度的统称。精密度是指多次测量所得数据的重复程度,重复性好即精密度高。准确度是指测量值与实际值的接近程度,接近程度好准确度高。仪器精度用仪器测量误差的相对值表示:
Δmax×100% (3.4) S
式中:Δmax——仪器允许最大绝对误差;
S——仪器量程。
e)滞后
在恒定的测量环境下,仪器在整个量程范围内,从起始值到最大值再回到起始值,在这正反两个行程输出值之间的最大偏差或该值与满量程输出之百分比称为滞后。
测量仪器的使用要求是:
a)仪器性能必须满足结构试验的要求,如精度、量程、灵敏度、重量、体积、使用环境等。精度要求误差不超过测值的±1%,量程上、下限值分别大于测值最大、最小值的25%~100%为宜,安装在结构上的仪器应重量轻、体积小,不影响被测结构的工作性能、受力情况。
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b)同一物理量测量仪器型号尽量相同,避免系统误差。
c)仪器存放、安装必须符合仪器说明书要求。为保证试验数据的准确性,仪器应按说明书要求定期标定。
静力试验的测量项目不外乎有结构上的作用(如荷载及支座反力等)及结构作用效应(如应变、位移、曲率、裂缝等)。虽然静力试验测量仪器的种类种类繁多,原理各异,但按静力试验测量项目分,有应变、力、位移、曲率、裂缝等测量仪器。一次试验要用哪些仪器要根据试验目的和测量项目来定。
3.3.1.应变量测仪器
的原理和使用技术。
(1) 电阻应变计
1)电阻应变计的原理及构造
对于单根电阻丝,由物理学知道
LR=ρ (3.5) A
式中:R——电阻丝的电阻值(Ω)
ρ——电阻丝电阻率(Ω·mm2/m)
L——电阻丝的长度(m)
A——电阻丝的截面面积(mm), A=2πD2
4,D为电阻丝直径(mm)
当电阻丝受拉伸(压缩)时,其长度、横截面面积改变,电阻率因金属晶格变化也发
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生改变,这些量的改变引起了电阻丝阻值的改变,这种阻值随应变而改变的现象称为应变电阻效应。
对式(3.5)式两边取对数并微分得:
dRdρdLdA=+− (3.6) RρLA
由A=πD2
4得:
dDdA =2AD
由材料泊松比ν得:
dDdL=−ν=−νε LD
将上式代入式(3.6)得:
⎡d
ρ⎤dRdρ=+(1+2ν)ε=⎢+(1+2ν)⎥ε (3.7) ρR⎢⎥⎣ε⎦
⎡d
ρ⎤令:K0=⎢+(1+2ν)⎥ ,则 ⎢⎥⎣ε⎦
dR (3.8) =K0ε R
dρ
对大多数金属丝而言,
和ν在一定应变范围内是一个常数,故K0是一个常数,称
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Hd)灵敏系数K,一般为2.0左右。应变仪灵敏系数应与应变计灵敏系数相同,使用时,可调节应变仪灵敏系数调节器使其相同。
3)电阻应变计的粘贴技术
电阻应变计用粘结剂直接粘贴在试件测点上,随测点而变形,并反映测点应变。因此,粘贴质量好坏直接影响测量结果的可靠性。粘贴质量好坏取决于粘结剂和粘贴技术水平,应变计粘贴必须严格按照粘贴工艺程序操作。
粘结剂分为水剂和胶剂。匀质材料上粘贴应变计均采用氰基丙烯酸类水剂,如KH501,KH502快速胶,在混凝土等非匀质材料上常用环氧树脂胶。粘结剂要求有足够的抗拉和抗剪强度,蠕变小,电绝缘性能好,化学稳定性及工艺性好,温湿度影响小。
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应变计粘贴工艺程序为:应变计检查、分选→试件表面处理→粘贴应变计→固化处理→粘贴质量检查→导线连接→防潮防护
a)应变计检查、分选。外观检查主要是用放大镜检查应变计内有无气泡、霉点等缺陷;阻值检查是用万用表检查有无短路或断路,用电桥测量应变计的阻值,同一测区使用的应变计阻值相差应不大于0.5Ω。
b)试件表面处理。对钢材试件应除锈后打磨达到▽3~▽4光洁度,最好用0号砂纸打出45o交叉斜纹,然后用丙酮或酒精清洗干净;对混凝土试件,在测点范围内不能有麻面、气孔和浮浆等。在测点区用砂轮或砂纸将表面磨光,清除浮尘,再用环氧树脂胶涂一层0.05~0.1mm的防潮层打底,待底层完全固化后,再用砂纸磨平,最后用丙酮或酒精清洗干净。
c)粘贴应变计。在测点位置画出定位轴线,用手捏住应变计的引线,在应变计的背面(基底一侧)均匀涂一层粘结剂或502胶水,然后将应变计放在测点上,方向对正。在应变计上覆盖一小片玻璃纸,用手由一端向另一端轻轻滚压,挤出多余的胶水和气泡,然后用手轻按1~2分钟,待胶水初步固化后松手并揭下玻璃纸。
d)固化处理。粘贴后必须使粘结剂充分干燥、固化,以保证传递测点变形和绝缘度达标。自然干燥约2天左右,当温度太低时,可用红外线灯烘烤,以加速固化。
e)导线连接。检查合格后,用胶水固定端子,接线端子应尽量靠近应变计引线引出点,以防引线与试件接触,然后用电烙铁及焊接剂将引线与导线焊在端子上,引出导线。
f)粘贴质量检查。外观检查应变计与试件之间应无气泡。用万用表检查应变计应无短路和断路,粘贴前后的电阻值应相同。用兆欧表检查应变计引线与试件之间“对地电阻”,静载测量应高于200MΩ,长期测量或要求较高的测量应高于500MΩ,动载测量可略低
BD当 R1+R2R3+R4 R1⋅R3=R2⋅R4 (3.11) - 10 -
电桥输出电压UBD=0,此时称电桥处于平衡状态,式(3.11)为电桥平衡条件。
在平衡条件下,当桥臂四个电阻R1、R3、R2、R4分别产生电阻变化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4时,利用平衡条件并略去非线性高阶小量,则输出电压UBD为
UBD=E⎡ΔR1ΔR2ΔR3ΔR4⎤−+−⎢⎥ (3.12) 4⎣R1R2R3R4⎦
以上讨论的是电压桥,其电桥输出端为开路情况。为了使电桥有较大的输出功率,选择适当的放大器输入阻抗与电桥输出端连接,这种电桥成为功率桥。功率桥输出端可视为串上一个负载电阻,如图3.19(a)。分析表明功率桥输出电压UBD为电压桥的一半,但电桥各桥臂阻值变化对电桥输出电压影响的规律完全相同。
将式(3.9)代入(3.12)得
KE(ε1−ε2+ε3−ε4) (3.13) UBD=4
令应变仪的应变读数为
εr=
则(3.13)改写为 4UBD (3.14) KE
εr=ε1−ε2+ε3−ε4 (3.15)
即
εr=εAB−εBC+εCD−εDA
式(3.15)表明:应变仪读数等于臂AB、CD上的应变减去臂BC、DA上的应变,也可以理解为:相对桥臂应变量相加,相邻对桥臂应变量相减。这个结论很重要,它是各种电桥接法的基础。
2)温度补偿技术
此外,变化。aR2度)
一个补偿片可以补偿一个工作片,称单点补偿;一个补偿片也可以补偿多个工作片,称多点补偿。被补偿的工作片数量根据试件材料和测量要求而定。钢材一般可用一个补偿10个;混凝土导热性能差些,一个补偿片补偿的工作片数量不宜超过5个,否则补偿片连续工作,其温度会逐渐高于工作片,从而失去补偿作用。测量精度要求高的最好单点补偿。
b)工作片互补偿
ΔR灵敏系数Kr。设计应变仪时,使εrKr=。当被测试件远离应变仪而需要用长导线将R
应变计与应变仪相连接时,长导线的电阻将计入应变计电阻。此时,应变仪读数ε r、应变仪灵敏系数Kr与应变计电阻变化率之间的关系为
εr=1ΔR⋅ (3.16) KrR+RL
由应变计应变、应变计灵敏系数与电阻变化率之间的关系知
1ΔR (3.17) ε=⋅KR
若按应变计的灵敏系数K进行测量,即Kr=K,测得的应变仪读数为
εr=1ΔR⋅ (3.18) KR+RL
比较式(3.17)和式(3.18)知:应变仪读数比实际应变小,必须修正。修正的方法有两个:测量后对测量结果进行修正;或者测量前调整应变仪灵敏系数。
由式(3.17)和式(3.18)得
Rε=1+L (3.19) εrR
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ε=⎜1+⎝⎛RL
R⎞⎟εr (3.20) ⎠
按应变计的灵敏系数K进行测量,即Kr=K,测量结果按式(3.20)修正。这是第一种方法。
以下是第二种方法。因为
ε=
所以 1ΔR⋅ (3.21) KrR+RL
2)其它位移测量仪器及装置
对于大型结构构件如桥梁等,当位移较大、测量精度要求不高时,可用挠度计(图
3.28)、连通管(图3.29)进行测量,也可用水准仪、经纬仪及直尺进行测量,其精度不如上述各类位移传感器,一般在0.1mm~1mm之间。连通管是一种简单装置,将连通管注水,则各竖向管水位在一个平面内,试件变形后水位仍在一个平面内,可利用试件变形前后水位在标尺上的读数变化,求得试件挠度。
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3.3.2.2.裂缝测量仪表
结构(尤其是混凝土结构)静力试验、检测中观察裂缝的发生和发展,对于确定开裂荷载,研究结构抗裂性能和破坏过程有着重要的作用。
裂缝观察方法主要有:
(1)贴应变计。应变计贴在混凝土试件受拉区上可以观测到裂缝的出现和开裂应变的大小,当应变计应变突然急剧变化或失效时,说明出现了裂缝。为避免裂缝位置绕过应变计,可采用连续贴应变计方式。对于其它材料,有一种裂纹应变计专用于裂缝扩展观察,如图3.17(c)。各栅条有一端互不相连,每个栅条两端分别接在仪器上,根据各栅条阻值变化判断裂缝扩展情况。
(2)白石灰水涂层。试验前将试件涂白石灰水,干燥后试件表面呈白色并画上坐标格,便于用放大镜观测裂缝的出现及其位置、走向和宽度。
(3)导电漆膜。在混凝土试件受拉区表面涂上一种专用导电漆膜,干燥后两端接入
以此判断裂电路。当混凝土裂缝宽度达到0.001~0.005时导电漆膜会出现火花直至烧断,
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传感器的作用是感受各种试验物理量并把它们转变成电信号;数据采集仪的作用是对- 16 -
所有的传感器通道进行扫描,将扫描结果进行信号/物理量转换,然后将这些物理量数据
3.4.1.1.测定材料性能
材料的物理力学性能不仅是进行结构计算、提出计算理论的重要依据,也是结构试验中确定荷载分级、估算试件各阶段试验特征值的依据。因此,试验前必须对试件材料的物理力学性能进行测定。
测定项目通常有强度、变形性能、弹性模量、泊松比、应力——应变关系曲线。
3.4.1.2.估算试件特征值
根据试件计算简图、几何尺寸和材料物理力学性能估算出各试验阶段的特征值(如开裂荷载、极限荷载、变形、应变等),以便试验时心中有数,控制试验节奏。
3.4.1.3.试件准备
试件应严格按试件设计图纸和制作要求进行制作加工。制作时应按设计图纸检查钢筋位置、保护层厚度等,试验前应检查试件尺寸,制作缺陷等,这些情况对结构试验有着重要影响,必须记录在案。对于影响观测的制作缺陷,试验前应进行修补。
此外,为方便操作,有些测点布置和处理,如手持应变计脚座的固定,钢测点的除锈,裂缝观测涂白、坐标网线,甚至应变计的粘贴,接线和材料非破损检测等也应在这个阶段进行。
3.4.1.4.设备与场地准备
试验前应集中试验所用的加载设备和测量仪器,进行必要地检查、调试和标定。标定须有标定报告,以供资料整理或使用过程中的修正。
试验前应进行场地的清理和场地水、电、交通的安排。必要时,还要做场地平面设计,架设或准备好试验中的防风、防雨和防晒措施,避免对荷载和测量造成影响。现场的支撑点地耐力应经局部验算和处理,沉降量不宜过大,保证结构作用力的正确传递和试验工作顺利进行。
3.4.1.5.试验安装
在完成上述技术、物质准备之后,即可按试验大纲的设计要求进行试验安装。试验安
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装包括试件就位、加载设备和测量仪器的安装。
保证试件安装位置准确,试件边界条件符合要求,加载位置准确,试验装置稳定、对正,测点位置准确,避免试验误差和出现安全事故,是试验安装的中心问题。此外,试验吊装时,应注意防止试件扭曲、平面外弯曲,造成试件开裂、变形,必要时加设夹具,提高试件强度及抗裂能力。
简支结构的两支点应在同一水平面上,高差不宜超过1/50跨度,试件、支座、支墩、试验台座之间应密合稳固,为此常用砂浆坐缝处理。超静定结构,包括四边支撑和四角支撑板的各支座应保持均匀接触,可用可调支座、砂浆坐浆或湿砂调节。若带支反力测力计,可调节支反力至合理为止。扭转试件安装应注意扭转中心与支座转动中心一致。嵌固支撑,应上紧夹具,不得有任何松动或滑移。
加载设备应对正、稳定,防止加荷过程中出现偏斜、崩脱等现象,同时应采取适当安全措施,例如小设备加系吊绳,避免掉落伤人伤设备。
百分表等仪表表座应独立设置在固定的不动点上,防止与承力架、脚手架等相互影响,干扰变形的测量。测量仪器按设计要求就位后,应进行调试、试测,测点所接的仪器通道应作编号对应记录,接触式仪器(如百分表等)应加保护措施,如系吊绳,避免掉落伤人伤设备。
3.4.2.一般结构构件静力试验
梁、板、柱、桁架都是常见的基本承重结构和构件,下面介绍它们的基本试验方法。
3.4.2.1.梁和板静力试验
(1)试验装置与加载方案
板和梁可采用正位试验,也可采用异位(卧位、反位)试验。当采用异位试验方法时,应注意结构实际工作状态与试验状态的不一致造成的影响,如混凝土试件自重产生裂缝、试件自重产生的附加内力、变形等。
板承受均布荷载,可采用重力加载,荷载布置应均匀,避免因构件变形造成重物块起拱而改变构件受力形式。当荷载较大采用液压加载时,可用多点集中荷载等效,并注意同步加载。
梁的试验荷载较大,一般采用液压加载。荷载布置应符合试验加载图式。当受试验条件限制而采用等效荷载时,除应注意控制截面内力等效外,还应注意非控制截面的内力差异对试验结果产生的影响,同时加强非控制截面强度,以防出现其它破坏形式。
试件支座形式应符合实际边界条件。对于简支板和梁应保证一边是固定铰支座,其余边是滚动铰支座,以使试验装置稳定和试件内不产生轴向力,当采用分配梁加载时,分配梁的两支座也应如此。试验支座本身应进行强度和刚度设计,其尺寸也要满足与其接触物件的局部强度。
正常使用荷载之前一般分五级加载,每级荷载约为使用荷载的20%;正常使用荷载之后每级荷载加密一倍,约为使用荷载的10%;为了准确得到开裂荷载或破坏荷载,在达到开裂荷载或破坏荷载的90%后,级距再加密,约为使用荷载的5%。
加载设备吨位适当,以大于试验最大荷载的20%~50%为宜。对于破坏性试验,由于混凝土梁破坏前钢筋屈服,构件变形较大,选择和安放液压加载器时,应注意加载器行程,以免因行程不够使试验无法继续。
(2)观测方案
观测项目根据试验目的确定。对于鉴定性试验,主要测定试验荷载下的试件短期挠度、最大裂缝宽度和承载力;对于科研性试验,除上述观测项目外,一般还要测量开裂荷载、截面应变大小和分布规律,有时还要测量截面曲率、。
下面介绍梁板测点布置的一些基本方法,其原理可用于其它构件的测点布置。 - 18 -
挠度测量一般用百分表,选用时要注意量程。挠度测量必须扣除支座影响,因此,测量单向板和梁跨中最大挠度时,除在跨中布置沉降测点外,还应在支座处布置沉降测点,
测量悬臂式结构构件时的最大挠度时,除在自由端布置沉降测点测点数目不得少于3个。
外,还应在固定端布置沉降测点和转角测点;测量变形曲线时,测点应布置在构件跨度方向的中点和L/4处,包括支座变形在内,测点数目不宜少于5个。对于跨度大于6m的构件,测点数目还应适当增加。宽度大于600mm的单向板和梁,同一截面挠度测点应布置2~3个,取其平均值作为该截面处挠度。对于双向板,挠度测点应沿两个跨度方向的跨中或挠度较大部位布置,且任意方向的测点数目包括支座测点在内,测量跨中最大挠度时不得少于3个,测量变形曲线时不宜少于5个。精度要求不高时可以在试件上固定标尺,用水准仪测量。
梁、板弯曲应变的测量是主要内容之一,通常要测量正负弯矩控制截面和有突变的截面的截面应变(应力)分布规律和中和轴位置,因此应沿截面高度连续布置应变测点,测点数量不少于五个,测点可等距布置或不等距布置,不等距布置采用外密里疏,以测出较大应变,获得较好精度。
测量梁弯剪区段混凝土的主应力(应变)时,可布置适当数量的应变花,并按数据整
缝宽度。弯曲垂直裂缝宽度应在结构构件的侧面相应于主筋高度处测量,弯剪斜裂缝的宽度应在斜裂缝与箍筋交汇处或斜裂缝与弯起钢筋交汇处测量。
构件开裂后应立即对裂缝的发生和发展情况进行详细观测,用测量仪器确定各级荷载作用下的主要裂缝宽度、长度、位置、走向、裂缝间距和正常使用荷载作用下的最大裂缝宽度。试验后绘出裂缝展开图,统计出平均裂缝宽度和平均裂缝间距。
对于超静定梁的内力图形,可采用测定反弯点的方法,即预估出反弯点的位置,在其两旁的截面上各布置一个或两个测点,按比例作图即可求得应变为零的位置(反弯点位置),由荷载可求出固端内力,如图3.36。
(3)安装就位
试件安装就位时,必须注意使构件、加载设备及测量仪表位置准确、方向正确,应避
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中心作为截面力学中心。
3.4.2.3.桁架静力试验 (1)试验装置与加载方案
桁架尺寸大、重心高,平面外强度、刚度极小,试验时应充分注意这些特点。 桁架试验在室内一般多采用正位加载方案。由于桁架平面外刚度极小,正位试验时应设置侧向支撑,保证桁架侧向稳定。侧向支撑应当不妨碍桁架受力和平面内挠曲变形。在施工现场作鉴定性试验时,也可以采用两榀桁架对顶作卧位试验。卧位试验可以解决桁架侧向稳定问题,但自重的影响无法消除,向下的侧面观测困难。
桁架一般承受节点荷载,有时也承受上弦节间荷载。桁架试验可用重力加载或液压加载器多点同步加载。利用杠杆进行多点加载时,各杠杆吊篮不应放在桁架的同一侧,以防杠杆产生的侧向推力造成桁架平面外失稳。两榀桁架同时作正位试验时,可将两榀桁架并排放置,用堆放屋面板等重物方法加载。
桁架受力后下弦伸长,滚动支座的水平位移往往较大,应当留有足够的位移空间;此外,要保证支座滚动后,不改变桁架支撑点位置和桁架端节点应力状态,可采用图3.11(b)的滚动支座形式。
(2)观测方案
桁架试验观测项目主要有:桁架挠度及变形曲线;开裂荷载及破坏荷载;杆件截面应
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变(应力);节点应变(应力)分布;结构裂缝发展及分布;节点刚度及变形对杆件次应力的影响。
(3)安装就位
桁架在正常使用荷载下挠度较大,尤其在破坏前挠度更大。因此,安装试件时,应防试验过程中试件或吊篮着地或加载器、测量仪表行程不够。
3.5.试验资料整理与分析
试验所得到的数据包含着丰富的结构工作信息,只有对试验数据进行计算、表达和分析,才能找出结构工作的规律,才能对结构工作性能进行评定。试验结果的计算、表达和分析过程就是资料整理过程。
3.5.1.试验原始资料的整理 试验原始资料主要有:(1)试验对象的考察记录、图例、照片;(2)试验大纲,材料力学性能试验结果;(3)仪表的测读数据记录及裂缝记录图;(4)试验情况记录;(5)破坏形态描述、图例、照片。试验原始记录汇集应保持完整性、科学性、严肃性,不得随意更改。所有原始资料应有试验、测读、记录、校核、项目负责签字、备案。
为方便观察、分析规律,试验测读数据应列表计算,算出每个测点在各级荷载下的递增值和累计值,多测点还要算出平均值。对于最大变形、最大应变等控制性数据应在现场及时整理、通报,以便指导下一步试验。
资料整理时,对于异常数据应进行判断,判断其是否是仪器故障或安装不当造成,如果是,则可舍去;如果分析不出原因,则应根据统计学的偶然误差理论来处理这些异常数据(详见第九章)。异常数据有时包含着我们尚未认识的客观规律,绝不能轻易弃舍。
3.5.2.试验结果的表达
为了方便分析,试验数据常用表格、图象或函数表达。同一组数据可以同时用这三种方法表达,目的就是为了使分析简单、直观。建立函数关系的方法主要有回归分析、系统识别等方法,请参见第九章,这里介绍表格和图象。
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3.5.2.1.表格
表格是最基本的数据表达方法,无论绘制图象还是建立函数表达式,都需要数据表。表格分为汇总表格和关系表格两大类。汇总表格把试验结果中的主要内容或试验中的某些重要数据汇集于一个表格中,起着类似于摘要和结论的作用,表中的行与行、列与列之间没有必然的关系;关系表格是把相互有关的数据按一定的格式列于表中,表中行与行、列与列之间有一定的关系,它的作用是使有一定关系的若干变量的数据更加清楚地表示出变量之间的关系和规律。
表格的形式不拘一格,关键在于完整、清楚的显示数据内容。对于工程检测试验记录表格,表格内容除了记录数据外,还应适当包括工程名称、委托单位、检测单位、检测日期、气象环境条件、仪器名称、仪器编号及试验、测读、记录、校核、项目负责的签字等项内容。
3.5.2.2.图象
表格的直观性不强,试验数据经常用图象表达,图象表达方式有曲线图、形态图、直方图和馅饼图等。试验中常用曲线图表达数据关系;用形态图表达试件破坏形态和裂缝扩展形态。
(1)曲线图
对于定性分析和整体分析来说,曲线图是最合适的方法,它可以直观地反映数据的最大值、最小值、走势、转折。
1)坐标的选择与试验曲线的绘制
选择适当的坐标系、坐标参数和坐标比例,有时对于反映数据规律是相当重要的。 试验分析中常用直角坐标反映试验参数间的关系。直角坐标系只能反映两个变量间的关系。有时会遇到变量不止两个的情况,这时可采用“无量纲变量”作为坐标来表达。例如为了验证钢筋混凝土矩形单筋梁的截面承载力公式
⎛Asσs
−Mu=Asσs⎜h⎜02bf
cm⎝
⎞⎟⎟ ⎠
As
、混凝土强度等级fcu、截面形bh0
需要进行大量的试验研究,而每一个试件的配筋率ρ=
状和尺寸bho都有差别,若以每一试件的实测极限弯矩Mu0和计算极限弯矩Muc逐一比较,
点会使曲线变形、平移,应选择适当的坐标比例和坐标原点使曲线特征突出并占满整个坐标系。
绘制曲线时,运用回归分析的基本概念,使曲线通过较多的试验点,并使曲线两旁的试验点大致相等。
2)常用试验曲线
常用的试验曲线有荷载——变形、荷载——应变、荷载——应力曲线等。 荷载变形曲线有很多,诸如结构或构件的整体变形曲线;控制点或最大挠度点的荷载变形曲线;截面的荷载变形(转角)曲线;铰支座与滚动支座的荷载侧移曲线;变形时间曲线、反复荷载作用下的结构构件的延性曲线;滞回曲线等。
图3.40是三条荷载挠度曲线。曲线1及曲线2的OA段说明结构处于弹性状态。曲线
通过应变测量结果分析,可得到截面内力、平面应力状态。 3.5.3.1.截面弹性内力计算 通过对轴向受力、拉弯、压弯等构件的实测应变分析,可以得到构件的截面弹性内力。 (1)轴向拉、压构件
拉压构件测点布置如图3.41(a)。根据截面中和轴或最小惯性矩轴上布置的测点应变,截面轴向力可按下式计算
N=σ⋅A=⋅A (3.23)
式中:E、A——材料弹性模量和截面面积;
1
——实测的截面平均应变,=∑εi。
n
(2)单向压弯、拉弯构件
这类构件测点布置如图3.41(b)。由材料力学知,截面边缘应力计算公式为
σ1=
NMy1
(3.24) −
AI
- 23 -
σ2=
NMy2
(3.25) +
AI
注意到:y1+y2=h,σ1=ε1E,σ2=ε2E,则截面轴力及弯矩计算公式为
EA
(ε1y2+ε2y1) (3.26) hEI
(ε2−ε1) (3.27) M=h
式中:A、I——构件截面面积和惯性矩;
N=
ε1、ε2——截面上、下边缘的实测应变值;
y1 、y2——截面中和轴至截面上、下边缘测点的距离。
(3)双向弯曲构件
构件受轴力N、双向弯矩Mx和My作用时,截面上的测点布置如图3.41(d)。根据测得的四个应变ε1、ε2、ε3、ε4,利用外插法求出截面相应四个角的应变值εa、εb、εc、
εd,再利用式(3.28)中的任意三个方程,即可求解N、Mx和My。
- 24 -
My⎫NMx
σa=εaE=+y1+x1⎪
AIxIy
⎪⎪MyNMx
σb=εbE=+y1+x2⎪
AIxIy⎪⎪
⎬ (3.28) MNMy
σc=εcE=+xy2+x1⎪
⎪AIxIy
⎪My⎪NM
σd=εdE=+xy2+x2⎪
AIxIy⎪⎭
对于图3.41(c)的测点布置,可利用上式中的前三个方程,取消σc中的最后一项,即可求出N、Mx和My。
若构件除轴向力N和弯矩Mx及My作用外,还有扭转力矩B时,则在上述各式中再加上一项σω=B⋅
ω
Iω
。利用上述四式可同时解出N、Mx、My和B。
N10ε1M=ε1−εN=100−200=−100με ε2M=ε2−εN=400−200=200με
通过本例分析知,材料力学中的概念如弯曲应变符合平截面假定、截面形心处的应变
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不受双向弯曲的影响等,是图解法的基础。
【例题3.2】 一对称的矩形截面上布置四个测点,测得应变后换算成应力,画出应力图并延长至边缘,得边缘应力为σa=-44Mpa,σb=-22Mpa,σc=24Mpa,σd=54Mpa,
力,其值为
σN=σM=±
x
σe+σf
2
=
−33+39
=3MPa 2
σf−σe
2
=±
39+33
=±36MPa
2
因为上、下盖板应力分布图呈二个梯形,说明除了有N和Mx外,还有其它内力作用,这时可通过沿水平盖板的应力图得左侧应力图。其值为
σa−σb
2
=±
−44+22
=m11MPa 2
σd−σc
2
=±
54−24
=±15MPa 2
由于截面上、下相应测点余下的应力绝对值及其符号均不同,说明它们是由水平弯矩My和扭矩MT联合产生,其值为
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−15+11
=m2MPa y
2−15−11
σMT=m=±13MPa
2
现将计算结果列于表3.2,求得四种应力后,根据截面几何性质,按材料力学公式,即可求得各项内力值。
应力分析结果 表3.2
各点应力(MPa)
应力组成 符 号
σa σb σc σd
σM=±
垂直弯矩产生的应力 轴向力产生的应力 水平弯矩产生的应力 扭矩产生的应力 各点实测应力
σMx σN σMy σMT
Σ
+36 +54
3.5.3.2.平面应力状态分析
用应变花测量平面应力状态的主应力(应变)大小和方向时,可用二片应变计或三片应变计作为一个应变花。
当主应力方向未知时,则必须用三片应变计作为一个应变花,测量一个测点的三个方向的应变。常用应变花型式如表3.3。
为了简化计算,通常将应变花中的一个应变计的方向与水平轴x重合,则应变花的其它应变计与x轴的夹角就由特殊角度组成。由材料力学可知,不同型式的应变花的主应变
ε1、ε2、主应变方向θx(与x轴夹角)和剪应变γmax的计算有着共同的规律,其通式为
ε1⎫=A±B2+C2⎪ε2
⎪
γmax=2B2+C2⎬ (3.29)
C
tg2θx=
B
式中:A、B、C——应变花型式参数,见表3.3。
主应力σ1、σ2、主应力方向θx(与x轴夹角)和剪应力τmax按下式计算
⎪⎪⎪⎪⎭
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σ1⎛E⎞⎛E⎞22=⎜⎟A±⎜⎟B+C⎪σ2⎝1−ν⎠⎝1+ν⎠⎪τmax=⎜
⎛E⎞22
⎟B+C⎝1+ν⎠C
tg2θx=
B
⎪
⎬ (3.30) ⎪⎪⎪⎭
式中:E、ν——材料弹性模量和泊松比
若主应力方向已知,可用二个应变计作为一个应变花。二个应变计分别沿主应力方向布置,且测得应变即为主应变,分别为ε1、ε2,则主应力σ1、σ2和剪应力τmax按下式计算
⎫E
()ενε+12⎪1−ν2
⎪
E⎪
()σ2=ενε+⎬ (3.31) 212
1−ν⎪
σ1=
响。如图3.44(a)的简支梁,消除支座影响后实测跨中最大挠度fqo为
ulo+uro
(3.32) f=u−
2
oq
om
如图3.44(b)的悬臂梁,消除支座影响后自由端实测挠度fqo为
o
fqo=u1o−u2−l⋅tgα (3.33)
此外,计算构件实测挠度时还应加上构件自重、加载设备重等产生的挠度。构件实测短期挠度fs0计算公式如下:
fs0=ψfq0+fgc (3.34)
()
裂缝宽度进行评定,给出评定结论,也是试验数据整理的一项工作。对于鉴定性试验,应按相关设计规范的要求对结构进行评定,看其是否满足规范的要求;对于科研性试验,应对理论分析结果进行评定,看其与试验结果的符合程度。
由于各种结构规范不同,评定标准有所差异,以下就建筑结构评定作一说明。
3.5.5.1.结构、构件承载力评定
0鉴定性试验,按下式计算构件的承载力检验系数实测值γu
Pu0γ= (3.36) P0
u
或
Su0γ= (3.37) S0
u
式中:Pu0、Su0——分别为构件破坏荷载、破坏荷载效应实测值;
P、S——分别为构件承载力检验荷载、检验荷载效应。
并应满足
0γu≥γo[γu] (3.38)
式中:γo——结构的重要性系数,按表3.4取用;
[γu]——构件的承载力检验系数允许值,按表3.5取用。
建筑结构的重要性系数 表3.4
结构安全等级 γo
一级二级三级
承载力检验指标 表3.5
标志编[γu]受力情况 承载力检验标志 号
轴心受拉、偏心主筋处裂缝宽度Ⅰ~Ⅲ级钢筋,冷拉Ⅰ、1.20受拉、受弯、大达到1.5mm或挠Ⅱ级钢筋
偏心受压 度达到跨度的冷拉Ⅲ、Ⅳ级钢筋①
1/50 热处理钢筋、钢丝、钢绞1.45线
受压区混凝土破Ⅰ~Ⅲ级钢筋,冷拉Ⅰ、② 1.25坏 Ⅱ级钢筋
冷拉Ⅲ、Ⅳ级钢筋- 30 -
③
轴心受压、偏心
受压
受弯构件的受剪
⑥ ④ ⑤ 热处理钢筋、钢丝、钢绞1.40线 受力主筋拉断混凝土受压破坏腹部斜裂缝宽度达到1.5mm或斜裂缝末端混1.35凝土剪压破坏 1.50其它锚固破坏
0对于科研性试验,按下式计算承载力检验系数实测值γu
R(fc0,fs0,a0……)γ= (3.39) 0Su0u
00当γu=1时,说明理论计算与试验结果的符合程度良好;γu
0试验结果小,偏于安全;γu>1时,说明计算结果比试验结果大,偏于不安全。
混凝土构件达到下列破坏标志之一时,即认为达到承载力极限状态。
(1)轴心受拉、偏心受拉、受弯、大偏心受压构件
1)受拉主筋应力达到屈服强度、受拉应变达到0.01;
2)受拉主筋拉断;
3)受拉主钢筋处最大垂直裂缝宽度达到1.5mm;
4)挠度达到跨度的1/50,悬臂构件挠度达到1/25;
5)受压区混凝土压坏;
6)锚固破坏或主筋端部混凝土滑移达0.2mm。
(2)轴心受压或小偏心受压构件
1)混凝土受压破坏;
2)受压主筋应力达到屈服强度。
(3)受弯构件剪切破坏
1)箍筋或弯起钢筋或斜截面内的纵向受拉主筋应力达到屈服强度;
2)斜裂缝端部受压区混凝土剪压破坏;
3)沿斜截面混凝土斜向受压破坏;
4)沿斜截面撕裂形成斜拉破坏;
5)箍筋或弯起钢筋与斜裂缝交会处的斜裂缝宽度达1.5mm;
6)锚固破坏或主筋端部混凝土滑移达0.2mm。
试验加载应保证有足够的持荷时间,因此,结构承载力应按下述规定取值:在加载过程中出现上述破坏标志之一时,取前一级荷载作为结构的实测承载力;在持荷结束后出现上述破坏标志之一时,以此时荷载作为结构的实测承载力;在持荷时间内出现上述破坏标志之一时,取本级与前一级荷载的平均值作为结构实测承载力。
试验记录资料也是确定构件承载力的参考依据,它们包括混凝土或钢筋的应变、荷载——挠度曲线顶点、构件最大挠度、最大裂缝宽度出现时刻等。
3.5.5.2.结构挠度评定
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鉴定性试验,应满足下式要求:
fs0≤[fs] (3.40)
式中:fs0、[fs]——正常使用短期荷载作用下,构件的短期挠度实测值和短期挠度允许值;
对于混凝土构件
[fs]=Qs[f] (3.41) Ql(θ−1)+Qs
或
[fs]=Ms[f] (3.42) Ml(θ−1)+Ms
式中:Qs、Ql——分别为短期荷载组合值、长期荷载组合值;
Ms、Ml——分别为按荷载短期效应组合值、荷载长期效应组合计算的弯矩;
[f]——结构挠度允许值。
对于科研性试验比较计算挠度与实测挠度的符合程度。
3.5.5.3.结构抗裂性评定
对于正常使用不允许出现裂缝的混凝土构件,构件的抗裂性检验应符合下式要求:
0γcr≥[γcr] (3.43)
γcrγftk+σpc=0.95 (3.44) ftkσsc
0式中:γck——构件抗裂系数实测值,即构件的开裂荷载实测值与正常使用短期检验荷载值之比;
[γcr]——构件的抗裂检验系数允许值;
γ——受压区混凝土塑性影响系数;
σsc——荷载短期效应组合下,抗裂验算截面边缘的混凝土法向应力;
σpc——检验时在抗裂验算边缘的混凝土预压应力计算值,应考虑混凝土收缩徐变造成预应力损失随时间变化的影响系数β,β=
天计。 4j,j为施加预应力后的时间,以120+3j
ftk——检验时混凝土抗拉强度标准值。
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对于正常使用允许出现裂缝的混凝土构件,构件的裂缝宽度应符合下式要求:
Ws0,max≤[Wmax] (3.45)
式中:Ws0,max——在正常使用短期荷载作用下,受拉主筋处最大裂缝宽度的实测值;
[Wmax]——构件检验的最大裂缝宽度允许值。
【本章小结】 结构静力试验是结构试验中最为常见的、大量的试验,也是结构试验的基础性试验。通过对本章的学习,重点掌握如下内容:
1.不同的加载方法和加载设备,其加载特点和适用范围不尽相同,使用时本着方便、适用的原则灵活选用,同时应注意其出力大小、加载精度及加载行程等。
2.试验数据的可靠与否取决于测量仪器的好坏和正确的使用方法。了解各种测量仪器的原理、性能和使用方法是正确使用测量仪器的必要基础。因此,使用前应根据试件材料、被测参数的大小、范围、测量精度要求、测点数量等合理选择测量仪器。同时,对测量仪器应有妥善的保管、维护,使用前还应进行必要的校准。
3.充分的试验准备、准确的试验安装、正确的加载程序、合理的测点布置为结构试验的准确性和试验的顺利进行提供了保障。因此,试验前应根据加载图式和必要的安全防范措施进行试验安装;根据试验目的合理安排测点数量和位置;试验过程中应严格按照试验规程规定的试验步骤、加载程序等试验方法进行试验。
4.试验成果最终体现在试验数据的整理和分析中。试验数据的整理、分析不仅涉及到对数据的误差处理,还涉及到专业知识,较为广泛。整理、分析试验数据时,应该结合专业知识和第三章的内容综合考虑。
总之,通过对本章的学习,不仅为从事结构静力试验打下理论基础,同时也为进一步学习结构动力试验奠定了一定的基础。应当指出的是,学习中应注重理论与实践相结合,只有这样才能提高试验技能。
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主要参考文献
[1] 湖南大学 太原工业大学 福州大学合编 《建筑结构试验》 北京 中国建筑工业出版社 1991
[2] 马永欣 郑山锁 《结构试验》 北京 科学出版社 2001
[3] 张亚非 《建筑结构检测》 武汉 武汉工业大学出版社 1995
(GB50152-92) 北京 1992 [4] 《混凝土结构试验方法标准》
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