结构试验设计.pptx
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1、2.1 2.1 试验设计概述试验设计概述1 1、结构试验过程、结构试验过程:试验设计、试验准备、试验实施和试验分析试验设计、试验准备、试验实施和试验分析四个阶段。其中试验设计试验设计是整个结构试验中极为重要的并且带有全局性的一项工作,是结构试验成功与否的关键环节。2 2 2 2、试验设计、试验设计、试验设计、试验设计试件设计试件设计试件设计试件设计:试件形状、尺寸;确定试件数量;设计:试件形状、尺寸;确定试件数量;设计构造措施构造措施荷载设计荷载设计荷载设计荷载设计:荷载图式、加载装置、试验方法与设备、:荷载图式、加载装置、试验方法与设备、加载制度加载制度观测设计观测设计观测设计观测设计:观测
2、项目、测点部位与数目、测试仪器:观测项目、测点部位与数目、测试仪器误差控制误差控制误差控制误差控制:试件制作安装、材料性能、加载设备、:试件制作安装、材料性能、加载设备、测量仪器测量仪器安全措施安全措施安全措施安全措施:保证试验人员、仪器设备安全:保证试验人员、仪器设备安全试件设计试件设计试件设计试件设计试件加载方案设计试件加载方案设计试件加载方案设计试件加载方案设计试验观察、量测方案设计试验观察、量测方案设计试验观察、量测方案设计试验观察、量测方案设计设计试件的形状和尺寸设计试件的形状和尺寸设计试件的形状和尺寸设计试件的形状和尺寸确定试件的数量确定试件的数量确定试件的数量确定试件的数量设计构
3、造措施设计构造措施设计构造措施设计构造措施确定试验荷载图式确定试验荷载图式确定试验荷载图式确定试验荷载图式设计试验加载装置设计试验加载装置设计试验加载装置设计试验加载装置选择试验方法和设备选择试验方法和设备选择试验方法和设备选择试验方法和设备设计试验加载制度设计试验加载制度设计试验加载制度设计试验加载制度确定试验观测项目确定试验观测项目确定试验观测项目确定试验观测项目确定测点部位与数目确定测点部位与数目确定测点部位与数目确定测点部位与数目选择测试仪器设备选择测试仪器设备选择测试仪器设备选择测试仪器设备 结构试验设计结构试验设计3 3 3 3、试验准备、试验准备、试验准备、试验准备试件制作与安装
4、试件制作与安装加载设备安装调试加载设备安装调试测试设备标定、调试测试设备标定、调试材料性能试验材料性能试验试验人员组织分工试验人员组织分工4 4 4 4、试验实施、试验实施、试验实施、试验实施加载试验加载试验数据采集数据采集裂缝分布图裂缝分布图破坏形态记录破坏形态记录5 5 5 5、试验分析、试验分析、试验分析、试验分析数据的处理数据的处理结构性能参数结构性能参数结构破坏机理结构破坏机理结构性能评价结构性能评价对于同一研究课题,目的不同可以采用不同类型的试件,可以是实际结构的整体或其中的一部分,可以是按原型设计不同比例的整体模型,也可以是结构某一关键性的局部构件,或者是连接结构的某一节点。这样
5、可以突出研究的主要因素,忽略次要因素。这时应考虑模型与原型的相似关系。2.2 2.2 试件设计试件设计试件设计(科研性试件设计(科研性)包括:试件形状的选择试件尺寸与数量的确定构造措施必须满足结构受力的边界条件试验的破坏特征试验加载条件 要求突出主要问题,以最少的试验数量获得最多的试验数据,以满足研究任务的需要。科研性试验科研性试验:试件专为试验研究的目的而设计的,同一研究课题,目的不同也可以采用不同类型的试件(原型、整体模型、局部构件、某一节点等)。科研性试验科研性试验主要包括:确定试验确定试件形状、尺寸和数量以及构造措施,同时必须满足结构和受力的边界条件的要求。生产性试验生产性试验:一般不
6、存在试件设计问题。对具体试验或检验部位,按实际情况选择并确定。例如:?重要工程综合鉴定重要工程综合鉴定:选结构受力最不利部位。:选结构受力最不利部位。?施工质量和受灾结构施工质量和受灾结构:以受损程度和加固补强的需:以受损程度和加固补强的需要,确定测试部位和构件。要,确定测试部位和构件。?预制构件检验预制构件检验:按相关标准规定,在同批产品中随:按相关标准规定,在同批产品中随机抽取检验样品数量。(机抽取检验样品数量。(GB50204-2002 GB50204-2002 砼施规范)砼施规范)2.2.1 2.2.1 试件形状试件形状在设计试件形状时,最重要的是要造成和设计目最重要的是要造成和设计目
7、的相一致的应力状态或和实际工作相一致的应力的相一致的应力状态或和实际工作相一致的应力状态状态。对于从整体结构中取出部分构件单独进行试验时,特别是在比较复杂的超静定构件,必须特别是在比较复杂的超静定构件,必须要注意其边界条件的模拟要注意其边界条件的模拟,使其能如实反映该部分结构构件的实际工作。基本原则基本原则:受力条件和边界条件的模拟,能反映:受力条件和边界条件的模拟,能反映结构的实际状态。结构的实际状态。示例:框架结构示例:框架结构试验目的:结构主要构件受力分析试验目的:结构主要构件受力分析试件形状:框架梁、柱模型试件形状:框架梁、柱模型1.框架柱控制截面框架柱控制截面2.框架梁控制截面框架梁
8、控制截面3.梁柱节点梁柱节点观测位置:截面观测位置:截面A A-A A部位。部位。受力特征:受力特征:A A-A A截面存在截面存在轴力、弯矩和剪力,柱中轴力、弯矩和剪力,柱中间有反弯点;同时靠近节间有反弯点;同时靠近节点,节点刚度很大。点,节点刚度很大。试件形状:如图(试件形状:如图(b b)所)所示。示。框架柱模型(框架柱模型(1)观测位置:截面观测位置:截面B-BB-B部位。部位。受力特征:截面受力特征:截面B-BB-B存在轴存在轴力和剪力,柱中间有反弯力和剪力,柱中间有反弯点。点。试件形状:如图(试件形状:如图(c c)所示)所示框架柱模型(框架柱模型(2)观测位置:截面观测位置:截面
9、C-CC-C部位。部位。受力特征:受力特征:截面截面C-C C-C 存存在轴力(不考虑)、弯矩在轴力(不考虑)、弯矩和剪力,同时靠近节点,和剪力,同时靠近节点,节点刚度很大。节点刚度很大。试件形状:如图(试件形状:如图(d d)所)所示。示。框架梁模型(框架梁模型(3)观测位置:截面观测位置:截面D-DD-D部部位。位。受力特征:受力特征:截面截面D-DD-D存在轴力(不考虑)、存在轴力(不考虑)、弯矩和剪力,同时靠近弯矩和剪力,同时靠近节点,节点刚度很大。节点,节点刚度很大。试件形状:如图(试件形状:如图(e e)所示。所示。框架梁模型(框架梁模型(4)试验目的:钢筋混凝土试验目的:钢筋混凝
10、土柱的柱的挠曲破坏性能试验挠曲破坏性能试验研究研究。试件形状:如图(试件形状:如图(h h)所示。所示。框架柱模型(框架柱模型(5)试验目的:钢筋混凝土试验目的:钢筋混凝土柱的柱的剪切性能试验研究剪切性能试验研究试件形状:如图(试件形状:如图(i i)所示所示,适合反对称加载适合反对称加载试件试件。框架柱模型(框架柱模型(6)试验目的:试验目的:梁柱节点受力性能试验研究。梁柱节点受力性能试验研究。受力特征:受力复杂,易剪切破坏。受力特征:受力复杂,易剪切破坏。梁柱节点部位受有轴力、弯矩和剪力作用梁柱节点部位受有轴力、弯矩和剪力作用 为了研究节点强度和刚度,避免梁柱部分先于节点为了研究节点强度和
11、刚度,避免梁柱部分先于节点破坏,应事先对梁柱部分进行加强。破坏,应事先对梁柱部分进行加强。框架梁柱节点模型(框架梁柱节点模型(7 7)十字形试件十字形试件十字形试件十字形试件:如图(:如图(f f)。节点两侧梁柱的长度一般均)。节点两侧梁柱的长度一般均取取1 12 2梁跨和梁跨和1 12 2柱高,即按框架承受水平荷载时产生柱高,即按框架承受水平荷载时产生弯矩的反弯点弯矩的反弯点(M=0)(M=0)的位置来决定。边柱节点可采用的位置来决定。边柱节点可采用T T字字形试件。形试件。X X X X形试件形试件形试件形试件:如图(:如图(g g)。)。为了为了解初始设计应力状态下的性解初始设计应力状态
12、下的性能并与理论对比。能并与理论对比。梁柱节点组合体的试件形式梁柱节点组合体的试件形式2.2.2 2.2.2 试件尺寸试件尺寸结构试验所用试件尺寸和大小,总体分为原型与模结构试验所用试件尺寸和大小,总体分为原型与模型两类。型两类。试件尺寸受到试件尺寸受到尺寸效应、构造要求、试验设备和经尺寸效应、构造要求、试验设备和经尺寸效应、构造要求、试验设备和经尺寸效应、构造要求、试验设备和经费条件费条件费条件费条件等因素的制约。等因素的制约。研究性试验研究性试验:采用缩尺模型。:采用缩尺模型。对于局部性试件:对于局部性试件:1/41/41 1;整体结构:;整体结构:1/101/101/21/2。生产性试验
13、生产性试验:选用原型构件,如屋架、吊车梁和屋:选用原型构件,如屋架、吊车梁和屋面板。面板。基本构件性能研究基本构件性能研究?框架:1/41/2;?框架节点:1/21;?单层剪力墙:0.8mx1.0m1.78mx2.74m;?多层剪力墙:1/101/3;?砖石及砌块墙体:1/41/2;?薄壳和网架等空间结构:1/51/20;?振动台试验模型:1/501/4。静力试验试件静力试验试件大小要考虑大小要考虑尺寸效应尺寸效应。在满足构造模。在满足构造模拟要求的条件下太大的试件尺寸也没有必要。拟要求的条件下太大的试件尺寸也没有必要。实践证明:足尺结构虽然具有反映实际构造的优点,实践证明:足尺结构虽然具有反
14、映实际构造的优点,但试验所耗费的经费和人工如用来做小比例尺试件,但试验所耗费的经费和人工如用来做小比例尺试件,可以大大增加试验数量和品种,而且试验室的条件可以大大增加试验数量和品种,而且试验室的条件比野外现场要好,测试数据的可信度也高。比野外现场要好,测试数据的可信度也高。因此,局部性的试件尺寸可取为原型的因此,局部性的试件尺寸可取为原型的1/41/41 1,整,整体性的结构试验试件可取体性的结构试验试件可取1/101/101/21/2。尺寸效应尺寸效应:反映结构构件和材料强度随试件尺寸的改反映结构构件和材料强度随试件尺寸的改变而变化的性质,试件尺寸越小,表现出相对强度变而变化的性质,试件尺寸
15、越小,表现出相对强度提高越大和强度离散性也大的特征。尺寸太小要考提高越大和强度离散性也大的特征。尺寸太小要考虑尺寸效应,同时小尺寸试件难以满足试件构造上虑尺寸效应,同时小尺寸试件难以满足试件构造上的要求的要求例如混凝土抗压强度试验例如混凝土抗压强度试验 100100100 0.95 100100100 0.95 200200200 1.05200200200 1.05150150150 1.0150150150 1.0对于对于动力试验动力试验,试件尺寸常受试验加载条件等,试件尺寸常受试验加载条件等因素的限制。因素的限制。现场原型结构量测结构的动力特性。现场原型结构量测结构的动力特性。试验室足尺
16、构件足尺构件疲劳试验试验室足尺构件足尺构件疲劳试验试验室地震模拟振动台试验室地震模拟振动台1/50-1/41/50-1/4的缩尺的缩尺模型试验(受振动台台面尺寸载重和激振力大小模型试验(受振动台台面尺寸载重和激振力大小等参数限制)等参数限制)2.2.3 2.2.3 试件数量试件数量生产性试验:按试验任务要求确定,靠抽样规定。预制构件按预制砼构件质量检验评定标准中结构性能检验规定确定试件数量,规定成批(不超过三个月的1000件同类型产品为一批)中随机抽取1件进行检验。抽样时,取设计荷载最大、受力最不利或生产数量最多的构件中抽取。“同类型产品”是指采用同一钢种、同一混凝土强度等级、同一工艺、同一结
17、构形式的构件。uu科研性试验:试验是按研究目的而设计的,因此,试件的数量与各参数构成的因子数和水平数有关。科研性试验科研性试验因子设计法因子设计法正交设计法正交设计法(解决多因素)(解决多因素)如研究钢筋混凝土短柱抗剪强度试验主要分析因子:即主要影响参数,如混凝土强度等级、受拉钢筋配筋率、配箍率、轴向应力和剪跨比等。水平数:而对每一参数又要考虑有几种工作状态,如剪跨比2,3,4等。试件设计时必须要将它们相互组合起来,才能研究各个参数与其相应各种状态对试验问题的影响。因此参数与备种状态愈多,即因子数与水平数愈多,则要求的试件数量也就自然增加。因子设计法因子设计法 试件数试件数=水平数水平数因子数
18、因子数正交试验设计:将参数组合与试验结果合并一起考虑,即利用事先制好的正交表来安排多因素试验,并进行试验结果分析的一种试验设计方法。正交表是正交试验设计法中合理安排试验并对试验结果进行统计分析的一种特殊表格。常用正交表有L4(23)、L9(34)、L12(31 24)等。试验次数因素的水平数因素数正交设计法正交设计法 试件主要因子组合试件主要因子组合试件主要因子组合试件主要因子组合试件设计中,在确定试验形状、尺寸和数量后,还需试件设计中,在确定试验形状、尺寸和数量后,还需要考虑试件安装、加载及量测的需要,需要在试件上要考虑试件安装、加载及量测的需要,需要在试件上做一些特殊构造,这对科研性试验尤
19、为重要。做一些特殊构造,这对科研性试验尤为重要。2 2.2.4.2.4 结构试验时对试件设计的要求结构试验时对试件设计的要求科研性试验:为了保证结构或构件在某一预定的部位破坏,以期得到必要的测试数据,就需要对其它部位事先进行局部加固。为了保证试验量测的可靠性和安装仪表的方便,在试件特定部位必须预设埋件或预留孔洞。对于为测量混凝土内部应力的预埋元件或专门的混凝土应变计、钢筋应变计等,应在浇捣混凝土前,按相应的技术要求用专门方法将应变计等就位固定埋设在混凝土试件内部。2 2.3 3 结构试验加载方案设计结构试验加载方案设计 结构试验荷载设计主要取决于试验的目的要求,试验对象的结构形式、试件承受荷载
20、的类型和性质以及实验室或现场所具有的加载条件等因素。试件就位与加载方案试验加载图式的选择与设计试验加载装置的设计试验荷载值的计算与试验加载制度2.3.1 2.3.1 试件就位与加载方案试件就位与加载方案按照结构试验时构件在空间就位型式分类:1.正位试验(最常见加载型式)对于梁板和屋架等简支的静定构件,正位试验时结构构件的受压区在上,受拉区在下,结构自重和它所承受的外荷载作用在同一垂直平面内。正位试验符合实际受力状态,应该优先采用。2.异位试验异位试验是在结构构件安装位置与实际工作状态不一致的情况下进行的试验。按照空间位置的不同,可以分为反位试验和卧位试验。1)反位试验定义:反位试验与正位试验在
21、空间位置上正好相差180,构件的受拉区在上部,受压区在下部,该反位装置用液压加载器对结构进行多点加载时,加载器活塞向上对构件施加荷载,反力直接由试验台座平衡。特点:便于观测受拉区的裂缝;可以简化和减少加载装置。注意:外荷载首先要抵消构件自重,尤其对于自重较大钢混构件,在反位安装时要特别注意自重反位作用可能引起受压区的开裂。2)卧位试验定义:卧位试验与正位试验在空间位置上正好相差90,试验时构件平卧,平行于地面.特点:试件平卧可以降低试验高度,简化试验加载装置,便于试验观测。适合:跨度大的屋架结构和高大的柱子试验 现场卧位试验较多采用成对构件试验的方法(利用局部加强后的另一同类试件作为荷载平衡机
22、构)。1.试件 2.加固后作荷载平衡用的屋架 3.支承反力架 4.液压加载器 5.荷载传感器 屋架成对卧位试验屋架成对卧位试验3.3.原位试验原位试验原位试验是为检验已建结构性能进行现场荷载试验唯一使用的方法。原位试验构件在生产或施工现场进行,并使其处于实际工作位置(支承情况、边界条件和实际工作状态完全一致),这时构件支承并不是理想支座,与计算简图有差别,甚至由于结构整体作用会产生部分卸荷作用,应特别注意荷载图式与加载方案的选择与设计。2.3.2 2.3.2 试验荷载图式的选择与设计试验荷载图式的选择与设计荷载图式定义试验荷载在试验结构上的布置形式(包括荷载类型与分布)。要求试验时荷载图式要根
23、据试验目的来决定。试验时荷载图式要根据试验目的来决定。试验时的荷载应该使结构处于某种实际可能的最不试验时的荷载应该使结构处于某种实际可能的最不利的工作情况。利的工作情况。试验时荷载图式要与结构设计计算的荷载图式一样。试验时荷载图式要与结构设计计算的荷载图式一样。当采用不同于设计计算的荷载图式时当采用不同于设计计算的荷载图式时,原因如下:,原因如下:1 1)对设计计算时采用的荷载图式的合理性有所怀疑,)对设计计算时采用的荷载图式的合理性有所怀疑,故试验时采用某种更接近于结构实际受力情况的荷载故试验时采用某种更接近于结构实际受力情况的荷载布置方式。布置方式。2 2)在不影响结构工作和试验成果分析的
24、情况下,由于)在不影响结构工作和试验成果分析的情况下,由于受试验条件的限制和为了加载方便,可以改变加载图受试验条件的限制和为了加载方便,可以改变加载图式,式,即即采用与计算荷载图式不同的采用与计算荷载图式不同的等效荷载等效荷载图式。图式。等效荷载指在它的作用下,结构构件的控制截面和控制部位上能产生于原来荷载作用时相同的某一作用效应(轴力、弯矩、剪力或变形)的荷载。等效荷载数值要根据其相同的某一效应的等效条件换算得到。采用等效荷载时,必须全面演算由于荷载图式的改变对结构造成的各种影响。必要时应对结构构件作局部加强,或对某些参数进行修正。当构件满足强度等效,而整体变形条件不等效时,则需对所测变形进
25、行修正。取弯矩等效时,尚需演算剪力对构件的影响,同时要把采用等效荷载的试验结果所产生的误差控制在试验允许的范围内。框架节点荷载图式框架节点荷载图式图图a a是柱端无轴力的节点试是柱端无轴力的节点试验验,这种荷载图式只用于观这种荷载图式只用于观察梁端受力的情况。察梁端受力的情况。图图b b是有柱向轴力的试验,是有柱向轴力的试验,该荷载图式可以是梁端该荷载图式可以是梁端加载,也可以是柱端水加载,也可以是柱端水平加载。平加载。图图c c是边柱是边柱T T型节点的异位试型节点的异位试验,即将试件的柱子平卧,验,即将试件的柱子平卧,在两端施加水平轴力在两端施加水平轴力N N,梁上,梁上端部施加水平荷载端
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