结构试验

绪论 土木工程结构是由工程材料构成的不同类型的承重构件(梁、板、柱等)相互连接的组合体，在一定的经济条件制约下，要求结构在规定的使用期限内、规定的条件下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。为了达到这个目的，要求设计者必须综合考虑结构在整个生命周期内如何适应可能产生的各种风险，如在建造阶段可能产生的各种施工荷载，正常使用阶段来自各式各样的外界活动，特别是自然和人为的灾害，以及老化阶段出现的各种损伤的积累和正常抗力的丧失等。为此，工程技术人员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，了解结构构件实际所具有的强度和安全储备以及刚度、抗裂性能等。 结构试验是研究和发展土木工程结构新材料、新体系、新施工工艺以及探索结构计算分析、设计理论的重要手段，在土木工程结构科学研究和技术创新等方面起着重要作用。 结构试验是结构工程专业的一门技术基础课程。它研究的主要内容有:结构静力试验和动力试验的加载模拟技术，结构变形(应变)的量测技术，试验数据的采集与处理技术，以及对试验对象进行理论分析或技术评价。 我国结构试验发展的初期，主要是为了适应国民经济恢复时期的需要，对一些改建和扩建工程进行现场静力试验。例如，鞍山钢铁公司旧厂房改造扩建工程、黄河铁桥加固工程等，通过现场静载试验，为改建扩建及加固处理提供了科学依据，并为结构试验的发展积累了宝贵经验。 随着经济和科学技术的发展，人们从不同角度对土木工程结构提出了更高的要求，促进了结构试验技术的发展，也为土木工程结构计算设计理论的发展和工程应用提供了可靠依据，所以说结构试验是土木工程领域科学研究不可缺少的一种技术手段。对此我国在不同时期进行的大型结构试验可以充分说明。 1953年，长春市对25.3m高的输电铁塔进行了原型结构的检验性试验。当时由于试验手段落后，加载设备是用吊盘内装铁块作垂直荷载，水平荷载是用人工铰车施加，铁塔主要杆件的应变当时只能用机械式杠杆引伸仪量测，铁塔的水平变位则用经纬仪观测。1957年，我国对武汉长江大桥全面地进行了静载和动载试验，它是我国建桥史上**次进行的以工程验收为目的的结构试验。 20世纪70年代以后，结构试验日益成为人们研究结构新体系不可缺少的手段。从确定结构材料的物理力学性能，到验证各种结构构件的受力特点和破坏特征，直至建立一个结构体系的计算理论，都是建立在试验研究的基础上。例如，对上海市体育馆及南京市五台山体育馆等建筑所进行的网架结构模型试验，为建立网架结构的计算理论和模型试验理论等提供了大量实测资料。70年代我国研究出许多新结构和构件，有些目前仍然在应用。 我国结构动力试验的工作起步较晚。早期主要是由科学研究机构研制一些小型振动台和起振设备(例如用火车车架作台面的机械式振动台等），用它们对建筑物、高炉及水坝等结构模型进行动力试验。以后又研制出了脉动测量仪，开始对新丰江、小丰满和恒山等地的大型水坝工程实地进行了脉动观察和测量。60年代以后又研制出了我国**批工程强震加速度计。从此，为研究实际地震作用下的结构性能开辟了新领域。由于我国是地震带分布很广的国家(据统计全国f以上的省都有七度以上的地震史），地震是土木工程结构的一个重要灾害源，我国曾进行过各种结构的抗震试验和减震试验，如钢筋混凝土框架、剪力墙等结构的抗震性能试验，砖砌体和砌块结构以及底层框架砖混结构的抗震性能试验。在野外进行的规模较大的足尺房屋抗震性能破坏性试验就有十多次。例如1973年北京进行了装配整体式框架结构(两层、一开间)抗震试验，1978年兰州进行了粉煤灰密实砌块结构(五层、三开间)抗震试验，1979年上海进行了中型砌块结构的抗震试验等。此外，结构模型的抗震拟动力试验和振动台试验近年来也日益增多，如1982年中国建筑科学研究院对12层轻板框架结构模型进行的抗震试验，1991年西安建筑科技大学对混合结构（空心砖)模型(六层、二开间）进行的抗震试验，1997年西安建筑科技大学进行的底层框架上托砖混结构房屋的结构模型和振动台抗震性能试验等，为研究发展抗震计算分析理论和指导工程应用提供了十分丰富的试验资料。 近年来，随着自动控制系统和电液伺服加载系统在结构试验中的广泛应用，从根本上改变了试验加载的技术，由过去的重力加载逐步改进为液压加载，进而过渡到低周反复加载、拟动力加载以及地震模拟随机振动台加载等。在试验数据的采集和处理方面，实现了量测数据的快速采集、自动化记录和数据自动处理分析等。尤其是计算机控制多维地震模拟振动台可以实现地震波的人工再现，模拟地面运动对结构作用的全部过程;用计算机联机的拟动力伺服加载系统可以帮助人们在静力状态下量测结构的动力反应；由计算机完成的各种数据采集和自动处理系统可以准确、及时、完整地收集并表达荷载与结构行为的各种信息。计算机也加强了人们进行结构试验的能力。 目前结构试验技术正在向智能化、模拟化方向深入发展，不断引用现代科学技术发展的新成果来解决应力、位移、裂缝、内部缺陷及振动的量测问题;正在广泛开展结构模型试验理论与方法的研究、计算机模拟试验及结构非破损试验技术的研究等。结构试验技术发展前景广阔。 在结构工程学科的发展过程中形成的由结构试验、结构理论与结构计算构成的学科结构体系中，结构试验本身也成为一门真正的试验科学。 科学实践是人们正确认识事物本质的一个源泉，可以帮助人们认识事物的内在规律。在土木工程结构工程学科中，人们为了正确认识结构的性能和不断深化这种认识，结构试验也是一种已被实践所证明的行之有效的方法。作为结构工程专业的学生，除了认真学习理论知识之外，还应努力掌握结构试验技术，提高自己动手的能力。因此，学习“结构试验”这门课程，应重视理论与实践的结合，认真掌握课程内容，以培养和提高观察事物及分析问题的能力，丰富自己的专业知识水平。 **章 结构试验概论 §1-1 结构试验的任务和分类 1-1-1 结构试验的任务 结构在外荷载作用下，它就可能产生各种反应。钢筋混凝土简支梁在静力集中荷载作用下，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。当一个框架承受水平的动力荷载作用时，同样可以从测得结构的自振频率、阻尼系数、振幅和动应变等研究结构的动力特性和结构承受动力荷载作用下的动力反应。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，由试验所得的应力与变形关系的滞回曲线来分析抗震结构的强度、刚度、延性、刚度退化、变形能力等。 由此可见，结构试验的任务就是在结构物或试验对象(实物或模型)上，使用仪器设备和工具，以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重要根据。 1-1-2 结构试验的分类 1.根据不同的试验目的分类 一般把结构试验归纳为两大类，即生产性试验和科学研究性试验。 (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。 1)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。南浦大桥、杨浦大桥建成后的荷载试验和核电站安全壳结构整体加压试验均属此例。 2)工程改建或加固，通过试验判断具体结构的实际承载能力。 对于已使用多年结构的扩建加层，由于生产需要提高吊车起重能力或由于建筑抗震需要提高抗震烈度而进行加固等，在单凭理论计算不能得到分析结论时，经常是通过试验确定这些结构的潜在能力。例如，西安建筑科技大学曾做过服役受损钢筋混凝土构件的承载能力试验研究和钢吊车梁满负荷运行时的应力、挠度试验。 3)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)的危险性结构，也往往有必要进行详细的检验。 4)服役结构的可靠性鉴定，通过试验推断和估计结构的剩余寿命。 已建服役结构随着建造年代和使用时间的增长，结构逐渐出现不同程度的老化现象，有的到了老龄期、退化期和更换期，有的则到危险期。为了保证服役结构的安全使用，尽可能地延长它的使用寿命和防止结构破坏、倒塌等重大事故的发生，国内外对建筑物的使用寿命，特别是对使用寿命中的剩余期限，即剩余寿命特别关注。通过对已建建筑进行观察、检测和分析普查后，按可靠性鉴定规程评定结构的安全等级，由此推断其可靠性和估计其剩余寿命。可靠性鉴定大多数是采用非破损检测的试验方法。我国解放前和建国初期建成的钢铁厂，如鞍钢、武钢、太钢、本钢等的炼铁、炼钢、轧钢等厂房均进行过结构可靠性检测鉴定。 5)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，通过少量的试件试验，以推断成批产品的质量。 (2)科学研究性试验 科学研究性试验的目的是验证结构设计计算的各种假定，发展新的设计理论，改进设计计算方法，为发展和推广新结构、新材料及新工艺提供理论与实践的依据。 1)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，对结构构件的计算简图和本构关系作某些简化的假定。例如在较大跨度的钢筋混凝土结构厂房中，采用30～36m跨度竖腹杆形式的预应力钢筋混凝土空腹桁架，在设计中这类桁架的计算简图可假定为多次超静定的空腹桁架，也可按两铰拱计算，而将所有的竖杆看成是不受力的吊杆，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，则完全是通过试验加以确定的。 2)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，进行了大量钢筋混凝土结构、砖石结构和钢结构的梁、柱、框架、节点、墙板、砌体等实物和缩尺模型的试验，以及实体建筑物的试验研究，为我国编制各类结构设计规范提供了基本资料与试验数据。事实上现行规范采用的钢筋混凝土结构构件和砖石结构的计算理论，几乎全部是以试验研究的直接结果为基础的，这也进一步体现了结构试验学科在发展设计理论和改进设计方法上的作用。 3)为发展和推广新结构、新材料与新工艺提供实践经验。 随着土木工程结构科学和国家经济建设发展的需要，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和高强度混凝土的应用，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、髙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，再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。在目前高层建筑