建筑结构试验基础教学课件6

教学分析第6章 建筑结构防灾试验教学分析6.1 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验工程结构中存在着许多疲劳现象。如挤梁、吊车梁、直接承受悬挂吊车作用的屋架和其他主要承受重复荷载作用的构件等，其特点都是受重复荷载作用。这些结构物或构件在重复荷载作用下达到破坏时的强度比其静力强度要低得多，这种现象称为“疲劳”。疲劳问题涉及的范围比较广，对某一种结构而言，它包含材料疲劳和结构构件的疲劳。如钢筋混凝土结构中有钢筋的疲劳、混凝土的疲劳和组成构件的疲劳等。近年来，国内外对结构构件，特别是钢筋混凝土构件疲劳性能的研究比较重视，其原因在于：（1）普遍采用极限强度进行设计，以至于结构构件处于高应力工作状态；（2）正在扩大钢筋混凝土构件在各动重复荷载作用下的应用范围，如吊车梁、桥梁、轨枕、海洋石油平台、压力机架、压力容器等；（3）在使用荷载作用下，采用允许受拉开裂设计；（4）结构构件大部分采用脉冲千斤顶施加重复荷载，使构件处于反复加载和卸载的受力状态。教学分析6.1 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验6.1.1疲劳试验项目鉴鉴定性疲定性疲劳试验劳试验抗裂性及开裂荷载；裂缝宽度及其发展；最大挠度及其变化幅度；疲劳强度。科研性疲科研性疲劳试验劳试验各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律；抗裂性及开裂荷载；裂缝宽度、长度、间距及其发展趋势；最大挠度及其变化规律；疲劳强度的确定；破坏特征分析。疲劳试验项目表 教学分析6.1 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验6.1.2疲劳试验荷载1疲劳试验荷载取值疲劳试验的上限荷载Qmax是根据构件在最大标准荷载最不利组合下产生的弯矩计算而得，荷载下限Qmin是根据疲劳试验设备的要求而定。如AMSLER脉冲试验机取用的最小荷载不得小于脉冲千斤顶最大动负荷的3%2疲劳试验频率疲劳试验荷载在单位时间内重复作用次数即为荷载频率，它会影响材料的塑性变形和徐变，另外频率过高时对疲劳试验附属设施带来的问题也较多。目前，国内外尚无统一的频率规定，主要依据疲劳试验机的性能而定，且不应使构件及荷载架发生共振。同时，应使构件在试验时与实际工作时的受力状态一致。为此，荷载频率与构件固有频率之比应满足条件：3疲劳试验的控制次数构件经受下列控制次数的疲劳荷载作用后，抗裂性（即裂缝宽度）、刚度和强度必须满足现行规范中有关的规定。中级工作制吊车梁：n=2106次，重级工作制吊车梁：n=4106次。教学分析6.1 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验6.1.3疲劳试验的步骤1疲劳试验前预加静载试验对构件施加不大于上限荷载20%的预加静载12次，消除松动及接触不良，压牢构件并使仪表运转正常。2正式疲劳试验第一步先做疲劳前的静载试验。其目的主要是对比构件经受反复荷载后受力性能有何变化。荷载分级加到疲劳上限荷载。每级荷载可取上限荷载的20%，临近开裂荷载时应适当加密，第一条裂缝出现后仍以的荷载施加，每级荷载加完后停歇1015min，记取读数，加满后分两次或一次卸载，也可采取等变形加载方法。第二步进行疲劳试验。首先调节疲劳及上下限荷载，待示值稳定后读取第一次动载读数，以后每隔一定次数（如30万50万次）读取数据。根据要求可在疲劳过程中进行静载试验（方法同第一步），完毕后重新启动疲劳机继续进行疲劳试验。教学分析6.1 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验6.1.3疲劳试验的步骤第三步做破坏试验。达到所要求的疲劳次数后进行破坏试验时有两种情况。一种是继续施加疲劳荷载直至破坏，得出承受荷载的次数；另一种是做静载疲劳试验，方法同第一步，荷载分级可以加大。疲劳试验的步骤可用下图表示。 疲劳试验步骤教学分析6.1 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验6.1.3疲劳试验的步骤应该注意，不是所有疲劳试验都采取相同的试验步骤，随着试验目的和要求的不同，可有多种多样，如带裂缝的疲劳试验，静载可不分级缓慢地加到第一条可见裂缝出现为止，然后开始疲劳试验，如图（a）所示。还有在疲劳试验过程中变更荷载上限，如图（b）所示。提高疲劳荷载的上限，可以在达到要求疲劳次数之前，也可在达到要求疲劳次数之后。 (a)带裂缝试验步骤 (b)变更荷载上限教学分析6.1 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验6.1.4疲劳试验的观测1强度测量构件所能承受疲劳荷载作用次数(n)，取决于最大应力值max（或最大荷载Qmax）及应力变化幅度（或荷载变化幅度）。试验应按设计要求取最大应力值max和疲劳应力比值=min/max进行。依据此条件进行疲劳试验，在控制疲劳次数内，构件的强度、刚度、抗裂性应满足现行规范要求。疲劳破坏的标志应根据相应规范的要求而定，对科研性的疲劳试验有时为了分析和研究破坏的全过程及其特征，往往将破坏阶段延长至构件完全丧失承载能力。教学分析6.1 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验6.1.4疲劳试验的观测2应变测量一般采用电阻应变片测量动应变，测点布置依试验具体要求而定。通常用动态电阻应变仪和记录器组成测量系波器或光线示波器组成测量系统，这种方法简便且具有一定的精度，可多点测量。3裂缝测量由于裂缝的开始出现和微裂缝的宽度对构件安全使用具有重要意义。因此，裂缝测量在疲劳试验中也是重要的内容，测量裂缝的方法可利用光学仪器、目测或利用应变传感器电测。4动挠度测量疲劳试验中动挠度测量可采用接触式测振仪、差动变压器式位移计和电阻应变式位移传感器等，如国产CW-20型差动变压器式位移计（量程20mm)，配合YJD-1型应变仪和光线示波器组成测量系统，可进行多点测量，并能直接读出最大荷载和最小荷载下的动挠度。教学分析6.1 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验6.1.5疲劳试验试件的安装试件安装时应注意以下几点：1严格对中荷载架上的分布梁、脉冲千斤顶、试验构件、支座及中间垫板都要对中，特别是千斤顶轴心一定要同构件断面纵轴在一条直线上。2保持平稳疲劳试验的支座最好是可调的，即使构件不够平直也能调整安装水平。另外千斤顶与试件之间、支座与支墩之间、构件与支座之间都要找平。用砂浆找平时不宜铺厚，因为厚砂浆层易压酥。3安全防护疲劳破坏通常是脆性断裂，事先没有明显预兆。为防止发生事故，对人身安全、仪器安全均应采取安全措施。教学分析6.2 结构抗震试验结构抗震试验地震是地球内部应力释放的一种自然现象。结构抗震试验目的在于验证抗震设计方法、计算理论和采用的力学模型的正确性，通过试验观测和分析试验结构或模型的破坏机理和震害原因，最后由试验结果综合评价试验结构或模型的抗震能力。结构抗震试验的难度与复杂性比结构静力试验大得多。其主要原因是：（1）结构抗震试验的荷载最好具有动态或模拟动态特性，即荷载能够使得结构产生动力响应。（2）结构抗震试验需注意加载速率对结构材料强度的影响。（3）为模拟地震作用的往复性与动态性，会使得结构抗震试验的加载装置与设备构造复杂，控制困难。（4）结构抗震试验的研究内容及数据采集不但要关注试件承载力、变形、刚度等指标，还可能包括自振周期、振型、阻尼、强度与强度退化、耗能能力等指标。本节主要介绍结构抗震试验中常见的拟静力试验、拟动力试验、模拟地震振动台试验与人工地震试验。教学分析6.2 结构抗震试验结构抗震试验6.2.1拟静力试验拟静力试验又称伪静力试验，是指对结构或结构构件施加多次往复循环作用的静力试验，是使结构或结构构件在正反两个方向重复加载和卸载的过程，用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点。1加载装置拟静力试验中的加载装置主要由能够产生竖向荷载的反力架和满足水平往复加载的反力墙或专用抗侧力构架组成。拟静力试验中的试验加载装置应尽可能地模拟结构的实际荷载与边界条件，同时注意满足加载装置需循环加载的要求。教学分析6.2 结构抗震试验结构抗震试验6.2.1拟静力试验2加载制度及加载方法（1）单向反复加载制度目前国内外较为普遍采用的单向反复加载方案有变幅加载、，等幅加载和、变幅等幅混合加载和模拟构件承受二次地震冲击影响专门设计的变幅等幅混合加载制度。控制位移加载法是目前在结构抗震恢复力特性试验中使用得最普遍和最多的一种加载方案。这种加载方案即是在加载过程中以位移为控制值，或以屈服位移的倍数作为加载的控制值。这里位移的概念是广义的，它可以是线位移，也可以是转角、曲率或应变等相应的参数。在控制位移的情况下，又可分为变幅加载，等幅加载和变幅等幅混合加载。变幅加载制度等幅加载制度变幅等幅混合加载制度 一种专门设计的变幅等幅混合加载制度教学分析6.2 结构抗震试验结构抗震试验6.2.1拟静力试验2加载制度及加载方法（1）单向反复加载制度控制作用力的加载方法是通过控制施加于结构或构件的力数值的变化来实现低周反复加荷的要求。控制作用力的加载制度如右图所示。纵座标用力值表示，横座标为加卸荷载的周数。由于它不如控制位移加载那样直观地可以按试验对象的屈服位移的倍数来研究结构的恢复特性，所以在实践中这种方法使用得比较少。控制作用力和控制位移的混合加载法是先控制作用力再控制位移加载。先控制作用力加载时，不管实际位移是多少，一般是经过结构开裂后逐步加上去，一直加到屈服荷载，再用位移控制。开始施加位移时要确定一标准位移，它可以是结构或构件的屈服位移，在无屈服点的试件中标准位移由研究者自定数值。在转变为控制位移加载起，即按标准位移值的倍数控制，直到结构破坏。控制作用力加载制度教学分析6.2 结构抗震试验结构抗震试验6.2.1拟静力试验2加载制度及加载方法（2）双向反复加载制度与单向反复加载相同，低周反复荷载作用在与构件截面主轴成角的方向作斜向加载，使X、Y两个主轴方向的分量同步作用。反复加载同样可以是控制位移、控制作用力和两者混合控制的力加载制度。非同步加载是在构件截面的X，Y两个主轴方向分别施加低周反复荷款。当采用由计算机控制的电液伺服加载器进行双向加载试验时，可以对一结构构件在X，Y两个方向成90作用。实现双向协调稳定的同步反复加载。控制作用力加载制度教学分析6.2 结构抗震试验结构抗震试验6.2.1拟静力试验3测量方案拟静力试验测量内容可根据试验研究的目的而定。不同试验结构构件有不同的测量内容，以梁柱节点为例（图a），通常有下表所示测量项目。(a)梁柱节点测点布置1-柱端位移测点；2-梁端位移测点；3-梁塑性铰区段转角；4-节点核心区剪切角；5-柱塑性铰区段转角荷荷载载和和变变形形通过数据采集仪或x-y函数记录仪记录整个试验过程的荷载变形曲线的全过程。曲率与曲率与转转角角对于梁、柱，一般可在梁顶与梁底处或柱左右两侧布设一对位移计，通过测量得到的位移，计算塑性铰区段曲率与转角。节节点核心区剪切角点核心区剪切角可通过测量核心区对角线的位移量来计算确定。梁柱梁柱纵纵筋筋应应力力一般用电阻应变片测量。测点布置以梁柱相交处截面为主，在试验中为了测定塑性铰区段的长度或钢筋锚固应力，还可根据要求沿纵向钢筋布置更多的测点。核心区箍筋核心区箍筋应应力力测点按核心区对角线方向布置，一般可测得箍筋最大应力值。如果沿柱的轴线方向布点，则测得的是沿轴方向垂直截面上的箍筋应力分布规律。钢钢筋滑移筋滑移梁内纵向钢筋通过核心区的滑移量可以通过测量并比较靠近柱面处梁主筋上B点相对于柱面混凝土C点之间的位移1，及B点相对于柱面处钢筋A点之间的位移2得到（图b）。裂裂缝缝在试验过程中认真观察裂缝的开展情况，做到及时记录。必要时，可暂停试验，以仔细观察结构开裂和破坏形态，描绘并标记裂缝开展情况。(b)钢筋滑移时测点布置1-钢筋滑移测点；2-试件教学分析6.2 结构抗震试验结构抗震试验6.2.1拟静力试验4试验数据整理分析低周反复加载试验的结果通常由荷载变形滞回曲线以及相关参数描述，它们是研究结构抗震性能的基础数据，可用于评定结构构件的抗震性能。荷载位移曲线的各级第一循环的峰值点（卸载顶点）连接起来的包络线作为骨架曲线。骨架曲线在研究非线性地震反应时，它反映了每次循环的荷载位移曲线达到最大峰点的轨迹，反映了试验构件的开裂强度、极限强度和延性特征。滞回曲线的形状随反复加载循环次数的增加而改变，对混凝土结构来说，滞回环的形状可以反映钢筋的滑移或剪切变形的扩展情况。滞回曲线面积