中南大学结构试验课件--第四章-结构静载试验

1、第四章 结构静载试验 4-1 试验准备,1.调查研究、收集资料 （1）设计资料：设计图纸、计算书、设计所依据的原始资料 （2）施工资料：施工日志、材料性能试验报告、施工记录和隐蔽工程验收记录 （3）使用资料：使用过程、环境、超载情况或事故过程等 情报调研,4-1 试验准备,2.编写试验大纲 （1）概述 （2）试件设计及制作要求 （3）试件安装与就位 （4）加载方法与设备 （5）量测方法和内容 （6）辅助试验 （7）安全措施 （8）试验进度计划 （9）试验组织管理 （10）附录,4-1 试验准备,3.试件准备 4.材料物理力学性能测定 5.试验设备与试验场地的准备 6.试件安装就位 7.加载设备和量测仪表安装 8.试验控制特征值的计算,4-2 加荷方案设计,试验加荷方案的决定因素： 研究目的和要求 试验对象的结构形式 结构构件在试验空间位置 加荷图式 加荷程序,4-2 加荷方案设计,4-2-1 结构类型与搁置位置 1.结构类型 框架结构大梁：集中荷载 板和壳体结构：均布荷载 墙和柱：竖向和水平向的集中荷载 2.构件在试验空间位置 （1）正位试验 （2）异位试验（反位、卧位试验）,4-2

2、加荷方案设计,4-2-2 试验加荷图式 一、加荷图式 指试验荷载在试件上的布置形式。 二、等效加荷图式应满足的条件 1.等效荷载产生的控制截面上的主要内力应与计算内力值相等。 2.等效荷载产生主要内力图形与计算内力图形相似。 3.由于等效荷载引起的变形差别，应给于适当修正。 4.控制截面上的内力等效时，其次要截面上的内力应与设计值接近。,5.3.1 试件安装和加载方法,例：如图简支梁承受均布荷载q kN/m的作用，梁计算跨度为L 米，不计梁自重，求四分点二集中力等效荷载的大小。,均布荷载作用下弯矩图,解:跨中截面为控制截面 在均布荷载作用下跨中截面弯矩 ： 在等效荷载作用下跨中截面弯矩：,令,即,若采用三分点二集中力加载,注：若计梁的自重，则需扣除自重的影响。,4-2 加荷方案设计,4-2-4 加载程序设计 确定加荷时间与加荷量的过程称为加载程序设计 下图是一个典型的静力试验加载制度。,4-2 加荷方案设计,1.预加载 预载目的： （1）使结构进入正常工作状态，荷载与变形关系趋于稳定。 （2）检查加荷设备工作是否正常，加荷装置是否安全可靠。 （3）检查测试仪表是否进入正常工作状态 （4

3、）使试验工作人员熟悉自己担任的任务，掌握调表、读数等操作技术，保证采集的数据正确无误。,预载试验所用的荷载一般是分级荷载的12级，预载时的加载值不宜超过该试件开裂荷载值计算的70% 。 应注意考虑结构自重的影响，应将其作为试验荷载的一部分。此外，作用在结构上的加载设备的重力，应在施加的荷载中扣除，且不宜大于使用状态短期试验荷载的20%。,4-2 加荷方案设计,2.荷载分级 （1）分级的目的 控制加载速度； 便于观察结构变形随荷载变化的规律，了解结构在各个阶段的工作性能。 为读取各种数据提供所必需的时间。 分级方法应考虑能得到比较准确的承载力试验荷载、开裂荷载值和正常使用状态的试验荷载值及其相应的变形。,4-2 加荷方案设计,（2）确定分级加载值的大小 依据： 混凝土结构试验方法标准（GB50152-92）。,4-2 加荷方案设计,分级加载值的大小： 在达到使用状态短期试验荷载值以前，每级加载不宜大于该荷载值的20%；超过该荷载后，每级加载不宜大于该荷载值的10%； 加载达到开裂荷载计算值的90%以后，每级加载不宜大于使用状态短期试验荷载值的5%；试件开裂后恢复正常加载； 对于研究性试验

4、，加载达到承载力试验荷载计算值的90%以后，每级加载不宜大于使用状态短期试验荷载值的5%； 对于检验性试验，加载接近承载力检验荷载时，每级加载不宜大于承载力检验荷载设计值的5%。 卸载时可取使用状态短期试验荷载值的20%50%。,4-2 加荷方案设计,（3）荷载作用及空载时间 荷载作用时间 一般：t10min 在使用状态短期试验荷载值作用下恒载30min。 对科研性试验，要求在开裂试验荷载计算值作用下恒载30min；生产鉴定性试验应不少于10mim. 对于新结构或跨度大于12m的屋架、桁架及薄腹梁在使用状态短期试验荷载值作用下恒载12h。恒载时间内应定时连续结构的变形与裂缝发展情况。,4-2 加荷方案设计,空载时间 结构受荷载作用后的残余变形是说明结构工作性能的重要指标。因此在试验过程中还应观测结构卸载后的变形恢复能力和残余变形的数值。 为了使卸载后结构的变形得到充分的恢复，试验空载时间一般为恒载时间的1.5倍，对于混凝土构件为45分钟，对于新结构或跨度大于12m的屋架、桁架及薄腹梁在使用状态短期试验荷载值作用下恒载18h。空载期间也需定时观测记录。,4-3 观测方案设计,制定观测方案

5、的决定依据： 结构的变形特征； 控制截面上的变形参数。 测试方案通常包括以下几个内容： 确定观察和测量的项目。 选定观测区域、布置测点。 按量测精度要求选择仪器和设备。,4-3 观测方案设计,4-3-1 观测项目 结构在静力荷载作用下的变形分成两类：整体变形和局部变形。 确定观测项目时首先应该考虑整体变形 因为结构任何部位的异常变形或局部破坏都能在整体变形中得到反映，不仅能反映结构的刚度变化，而且还可以反映结构弹性或非弹性工作性质。 观测项目和测点数量要满足必须满足结构分析和推断结构工作状态的需要。,4-3 观测方案设计,4-3-2 测点布置 1.挠度测点 （1）最大挠度 在最大挠度处及支座处布置测点。 （2）整体挠度曲线 沿结构跨度方向及支座处布置测点，通常跨度不大于6m时，跨度内不少于3个测点，跨度大于6m时适当增加测点，见下图。,4-3 观测方案设计,4-3 观测方案设计,2.应变测量 （1）弯曲应力的测量 如果只要测量弯矩引起的最大应力。一般在截面上下边缘纤维处安装应变计(对称)。见图5-4。,（2）截面应变分布规律 为求得梁截面上应力分布的规律和确定中和轴的位置，一般沿截面高

6、度布置测点（至少需5个），如图5-4、图5-5。,4-3 观测方案设计,（3）剪切应力的测量 在荷载作用下的梁截面2-2上既有弯矩作用，又有剪力作用，为平面应力状态。为求得梁截面上的最大主应力及剪应力的分布规律，需要布置应变花，求得最大主应力的大小及方向。,4-3 观测方案设计,（4）钢箍和弯筋应力的测量 为研究梁的抗剪承载力，通常在钢箍和弯筋上布置应变测点。如图5-6。,4-3 观测方案设计,（5）翼缘与孔边应力的测量 对于翼缘较宽较薄的T型梁，其翼缘部分受力不一定均匀，以致不能全部参加工作，这时应该沿翼缘宽度布置测点，测定翼缘上应力分布的情况，见图5-7。梁腹板上开孔，孔边应力集中，应力梯度较大，应沿孔边布置测点。见图5-8,4-3 观测方案设计,3.混凝土开裂应变的测定（连续布置应变计） 在截面受拉区最外层表面沿受力主筋方向拉应力最大区段内连续搭接（标距与标距互相衔接）布置应变计法，总长不小于30倍最大主筋直径或23倍计算裂缝间距，见图5-10。当应变片的应变增量有突变时的荷载值为开裂荷载。（某应变片读数突增，则裂缝出现在该应变片标距内，而相邻应变片读数会因应力放松而突减）。,4

7、-3 观测方案设计,4-3 观测方案设计,斜截面上的主拉应力裂缝，经常出现在剪力较大的区段内对于箱形截面或工字形截面，则腹板与翼缘相交处常是主拉应力较大的部位，故在这些部位布置开裂测点，如图5-11。,4-3 观测方案设计,通常应测定受拉面的最大裂缝宽度、在钢筋水平位置上的侧面裂缝宽度以及斜截面上由主拉应力作用产生的斜裂缝宽度。 每一构件中测量裂缝宽度的裂缝数目一般不应少于3条，取其最大值为最大裂缝宽度值。,4-3 观测方案设计,4-3-3 量测仪表的选择 1）所用仪器能很好地符合量测所需的精度要求，要防止盲目选用高准确度和高灵敏度的精密仪器。一般要求仪表的最小刻度值不大于5%的最大被测值。 2）仪器的量程应该满足最大变形和各种测量的需要。最大被测值宜在仪器满量程的1/52/3范围内，不宜大于选用仪器最大量程的80%。 3）附于结构上的仪表要求自重很轻，体积很小，不影响结构的工作。 4）选择仪器必须考虑测读的方便、快速、省时。 5）为了简化工作，避免差错，量测仪器的型号、规格尽可能选用一样的，种类愈少愈好。,4-4 量测数据整理,试验资料的整理和分析就是指“将试验所得的原始数据系统化、

8、经过计算绘成图表和曲线或用数学表达式形象而直观地反映出结构的工作性能及其变化规律性”的全过程。 第一阶段：试验前资料整理 第二阶段：试验中的资料整理 第三阶段：试验后的资料整理,4-4 量测数据整理,4-4-1 挠度的修正 1支座沉降影响的修正 如图4-4-1.1所示，梁跨内某点D与左支座A的距离为x，左、右支座及点D的位移值分别为 、 、 ，求点D处的挠度值 。,解：若左支座A沉降，右支座B不沉降，点D产生的位移为 若左支座A不沉降，右支座B沉降，点D产生的位移为 点D的挠度,对于跨中点C，若其位移值为，则修正后挠度值 运用上式时应注意： 实测位移值V=末读数-初读数，它是一个代数值。 应注意装表方向，若支座处装表方向与测点方向不同时，规定一个方向为正方向，将装表方向不同的测点位移代数值前加“-”号。 实际位移方向由测点的装表方向及表的读数差值的符号决定。 伸臂梁不能套用该式。,4-4 量测数据整理,2.结构构件自重和加载设备重力影响的修正 挠度是指由全部荷载（含自重）引起的变形值，但百分表的安装是在试件安装后进行的，此时自重挠度已产生，试验所得实测挠度仅由外加荷载所产生，故实际挠度

9、值还应加上自重作用产生的挠度 。 一般自重挠度是难以测出来的，故采用计算法求 ，通常根据构件开裂前挠度与荷载成线性关系。,图4-4-1.2 自重挠度计算法,式中： 构件自重和加载设备重力产生的跨中弯矩值。 从外加试验荷载开始至构件出现裂缝的前一级荷载为止的加载值产生的跨中弯矩值。 从外加试验荷载开始至出现现裂缝的前一级荷载为止的加载值产生的跨中挠度实测值。 修正后跨中挠度实测值：,4-4 量测数据整理,3.加载图式影响的修正 当试验采用的加载图式是按“内力等效”的原则确定的等效荷载图式时，由于内力等效并不等于“变形等效”，故实测的挠度要考虑“等效荷载”与实际荷载作用的差异，要对测量值进行修正，方法是引入加载图式修正系数。 跨中点C修正后挠度值,提问：为何自重引起的挠度也要进行加载图式影响修正？ 分子为均布荷载作用下的挠度，分母为等效荷载作用下的挠度。,4-4 量测数据整理,4-4-2 弹性构件截面内力计算 1.公式法 已知四个角点a、b、c、d的应变值分别为a、b、c、d。因对截面法向正应力可能有贡献的外力成分有：轴向力N、立面弯矩Mx、平面弯矩My及弯曲扭转双力矩B。,式中： 扇性惯性矩 主扇性面积 解方程即可求得各种内力值。,4-4 量测数据整理,4-4 量测数据整理,2图解法 例：如图4-4-2.3，一对称的箱形截面上布置4个应变测点，测得应变后换算成应力，用一定的比例尺绘出应力图(因构件在弹性限度内受力，故应力呈直线规律变化)并延至边缘，得边缘四个角点a、b、c、d的应力分别为：a=-44MPa 、b=-22MPa、c=24MPa 、d=54MPa，试用图解法分析截面上的应力及其在各角点上的大小。,图4-4-2.3 图解法分析截面应力,a,b,d,c,-33,+36,+39,-36,+11,-13,-11,-22,-33,-11,+13,+15,+39,+15,-15,+24,解：

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