结构模型试验ppt课件

关于量纲分析法的若干说明n对某一问题用量纲分析法求相似判据时，要正确认定哪些物理量与研究问题有关，并在量纲分析时将它们都考虑到；n对一个复杂的物理问题，必须进行深入的研究，有比较正确的了解，才能进行量纲分析；n对物理方程未知的物理现象，量纲分析是求得相似判据的唯一方法；n量纲分析法没有考虑物理现象的单值条件，由判据方程得出的相似条件是使现象相似的必要条件。相似第三定理n两个现象相似的必要和充分条件在几何相似系统中，如两现象由文字结构相同的物理方程描述，它们的单值条件相似，单值量对应成比例，且单值量的判据相等，则两现象相似。n所谓单值条件是在同一类的一群现象中，把一个具体现象区分出来的那些条件（几何性质、初始状态、边界条件、重要的物理参数）。结构模型设计n模型的分类1.弹性模型试验目的获得原型结构在弹性阶段的资料2.强度模型试验目的是预计原型结构的极限强度以及在各级荷载直到破坏荷载时的性能弹性模型n用以验证结构设计计算方法的正确性，为设计提供某些参数n模型材料不一定与原型完全相似n不能预计原型结构在荷载作用下的非线性性能（混凝土开裂、钢筋屈服后的性能）强度模型n较多用于钢筋混凝土结构非弹性性能研究n试验的成功与否取决于模型材料与原型材料的相似程度n对于小比例模型只能做到不完全相似（材料相似难以满足）相似常数的确定n先确定SL，然后确定SE和S，再确定其它相似常数。n静力弹性模型先确定SL和SE，其它常数是SL和SE的函数，或等于1。n强度模型对材料相似要求严格（-曲线）n动力模型要求考虑材料密度相似和时间相似，对模型材料的E和要求严格，在Sg=1时，Em p(要求采用附加质量的方法解决材料密度相似）模型设计步骤1.根据任务明确试验的具体目的，选择模型的类型2.在对研究对象进行理论分析和初步估算的基础上，用方程式分析法或量纲分析法确定相似判据（）3.假定模型的几何尺寸，定出相似常数SL4.根据相似判据确定各有关的相似常数5.设计绘制模型施工图结构静力试验模型n结构静力试验模型的相似要求n钢筋混凝土结构静力试验模型的相似n砖石结构静力试验模型的相似静力试验模型的相似要求n物理条件相似要求模型与原型的相应各点应力和应变之间的关系相同（法向应力、弹性模量、法向应变、剪应力、剪切弹性模量、剪切应变、泊松比）n几何条件相似要求模型与原型各相应部位的长度互成比例（长度、位移、应变）n边界条件相似要求模型与原型在与外界接触的区域内的各种条件保持相似静力试验模型的相似指标n根据物理相似n根据几何相似1SSSE1SSSG1S1SSSlx1lEKSSS1lGKSSS静力试验模型的相似指标n根据边界条件相似集中力或剪力线荷载面荷载弯矩或扭矩12lPSSS1lwSSS1SSq13lMSSS钢筋混凝土结构静力试验模型的相似n受集中荷载的受弯构件1.模型应力与原型应力相等 荷载 弯矩 剪力 挠度pmplmPSP2plmMSM3plmVSV2pmplmfEESf钢筋混凝土结构静力试验模型的相似n受集中荷载的受弯构件2.模型挠度与原型挠度相等 荷载 弯矩 剪力 应力pmffplpmmPSEEP plpmmMSEEM2plpmmVSEEV plpmmSEE1钢筋混凝土结构静力试验模型的相似n结构自重影响1.模型应力与原型应力相等 则 因为 所以模型材料密度必须比原型高，这是模型试验中的困难，可采用增加恒载的方法来补足密度。pmplmS11lS钢筋混凝土结构静力试验模型的相似n结构自重影响2.模型采用与原型相同的材料 则 因为 所以模型中的应力和挠度比原型小得多，要求提高测量精度。pmplmS1lSpmEE plmfSf2钢筋混凝土结构静力试验模型的相似n材料的相似关系 当模型材料的应力-应变曲线在所有的应力-应变水平上都相似于原型材料时 pppmmmESSSSEpmSSSSEpmS钢筋混凝土结构静力试验模型的相似n受集中荷载的受弯构件 应力 荷载 弯矩 剪力 挠度pmSplmPSSP2plmMSSM3plmVSSV2plmfSSSf钢筋混凝土结构静力试验模型的相似n理想的钢筋混凝土模型材料应具有相似的-曲线，并在极限强度下的变形c、s相等n上述情况很难满足，除非即模型与原型采用完全相同的材料SSScsEE1SSScsEE钢筋混凝土结构静力试验模型的相似n讨论 的情况 （钢筋和混凝土粘结良好，变形协调，应变相等）混凝土钢筋SSEESspsmsEcpcmScpcmSspEspspsmsmsSSEESspsmSsplspsmsplsmASSSAEESSSAs221钢筋混凝土结构静力试验模型的相似n在钢筋混凝土结构中，只有当模型与原型采用相同强度和变形的材料时，才能满足应力应变曲线的相似。钢筋混凝土结构静力模型的相似常数类型物理量量纲一般模型实用模型材料性能混凝土应力cFL-2S1混凝土应变c-11混凝土弹性模量EcFL-2S1泊松比c-11质量密度cFL-4T2S/Sl1/Sl钢筋应力sFL-2S1钢筋应变s-11钢筋弹性模量EsFL-2S1粘结应力uFL-2S1几何特性几何尺寸lLSlSl线位移LSlSl角位移-11钢筋面积A sL2Sl2Sl2荷载集中荷载PFS Sl2Sl2线荷载wFL-1SSlSl面荷载qFL-2S1力矩MFLS Sl3Sl3砖石结构静力模型的相似n对于砖石结构，由于它是由砖石和砂浆两种材料组成的复合材料结构，因此制作模型时在所有细节上都要按比例缩小，给制作带来困难。n由于要求模型砌体具有与原型相似的应力-应变曲线，实用的途径是采用与原型相同的材料。砖石结构静力模型的相似常数类型物理量量纲一般模型实用模型材料性能砌体应力mFL-2S1砌体应变m-11砌体弹性模量EmFL-2S1砌体泊松比m-11砌体质量密度mFL-4T2S/Sl1/Sl几何特性几何尺寸lLSlSl线位移LSlSl角位移-11面积AL2Sl2Sl2荷载集中荷载PFS Sl2Sl2线荷载wFL-1SSlSl面荷载qFL-2S1力矩MFLS Sl3Sl3结构动力试验模型n动力模型的相似要求n动力模型相似条件的讨论动力模型的相似要求n动力模型试验除满足静力模型的三个条件外，还要满足下列条件：1.质点动力平衡方程式相似2.运动的初始条件相似1MtcSSS12MtKSSS动力模型相似条件的讨论n在实际设计模型时，要全部满足相似条件是很困难的，只有在模型比例较大时才能实现。n当模型比例较小时，可根据试验目的对模型设计有所侧重：1.当试验目的为验证一种新的理论，这种理论适用于某一类型的结构，而不是某一具体结构，这时只要求模型表现结构的共同特点，要求在主要方面相似（几何尺寸，动力性能）2.当试验目的为了检验设计或提供设计依据，在设计比较复杂的结构或新结构时，由于计算结果没有把握，要求依靠模型试验来判断和检验，则要求模型与原型严格相似。尺寸效应和加载速率n在模型的相似条件中，没有考虑尺寸效应和加载速率对材料力学性能的影响1.材料强度随试件尺寸减小将逐渐提高；2.材料强度、刚度随荷载频率的提高而增加。钢筋混凝土结构模型相似问题的有关说明n模型相似条件1.模型与原型的应变相同2.材料强度完全相似3.材料应力-应变关系全过程相似n尺寸效应和应变速率的影响1.当模型比例大于1/4.5，模型能较准确地反映原型的性能；2.当粘结破坏是主要因素时，模型试验结果通过相似关系不能正确反映原型的特性。钢筋混凝土结构模型相似问题的有关说明n裂缝的模拟1.模型混凝土抗拉强度提高，导致裂缝推迟出现；2.不同的粘结特性导致不同的裂缝尺寸和间距，裂缝宽度随模型尺寸的改变而变化，数量随模型尺寸的减小而减少；3.裂缝间距可以不正比于小模型的有效保护层厚度。钢筋混凝土结构模型相似问题的有关说明n粘结力的模拟 对于小直径钢筋，总是可得到较高的粘结应力，就粘结破坏而言，模型要比原型承担相对高的荷载。n最大骨料尺寸的影响 随着骨料的最大尺寸与模型比例尺寸比值的增加，模型强度有明显提高，随着骨料尺寸的增加，强度可增加1015%骨料尺寸也影响原型和模型的破坏形态以及裂缝的模拟。骨料实际尺寸比按比例缩小的尺寸大时，将会使裂缝数量减少，斜裂缝宽度增大，产生脆裂形态的破坏。模型材料n结构模型试验对材料的要求1.保证相似要求；2.保证试验量测要求，能产生足够大的变形，要求Em低一些；3.材料性能稳定，不受温度、湿度影响而变化；4.要求徐变小，对用作弹性模型的有机合成材料尤应注意；5.便于加工制造。弹性模型材料n模型材料并不要求和原型完全相似n材料强度或屈服指标无严格的相似要求n要求模型材料在试验时保持弹性（满足SE要求）弹性模型材料n塑料（环氧树脂、有机玻璃等）1.优点强度高、弹性模量低、便于加工；2.缺点力学性能受应变影响，弹性模量随时间、温度变化，徐变大，泊松比大；3.措施控制加载速度，控制试验环境温度，应力控制在1/3极限强度。当应变较小时，拉、压的-曲线相同，拉压弹性模量相同，但抗压强度大于抗拉强度。弹性模型材料n常用塑料特性1.有机玻璃能产生较大的变形，但延性较差，无破坏前兆；2.聚氯乙烯有较好的延性；3.硝酸一基-曲线与钢材相似，但无硬化段；4.环氧树脂、聚脂树脂在配置时可以改变固化剂的用量，或掺入不同填充料调整其性能，以满足材料的相似要求例：环氧水泥水泥：环氧：砂：聚酰胺=0.5:1:2:0.7 E=5670N/mm2,fc=35N/mm2,ft=9N/mm2弹性模型材料n石膏1.泊松比和混凝土接近，成本低，易加工；2.抗拉强度低，要获得均匀和准确的弹性特性比较困难；3.纯石膏弹性模量较高，很脆，加工时凝结太快；4.使用时应参入一定数量的掺合料（矽藻土、塑料或其他有机物）及缓凝剂，改善其力学及加工性能。弹性模型材料n金属（钢、铜、铝合金）1.力学性能符合弹性理论假定；2.铜、铝合金允许大应变，导热性能好、弹性模量低；3.泊松比在0.30左右，接近混凝土；缺点：1.试验荷载大，加工困难。强度模型材料n微粒混凝土1.用作钢筋混凝土或预应力混凝土结构中模拟混凝土材料；2.微粒混凝土是用粗砂代替混凝土中的粗骨料，以细砂代替细骨料，按一定级配组成的新型材料；3.微粒混凝土不等于砂浆，其力学性能与普通混凝土相似；4.影响微粒混凝土力学性能的主要因素是骨料级配和水灰比。强度模型材料n微粒混凝土级配设计应考虑的因素1.模型缩小比例2.微粒混凝土强度3.模型保护层厚度4.混凝土的和易性5.与模型钢筋的粘结性能 一般首先满足弹性模量和强度极限的要求，最大粒径不大于截面最小尺寸的1/3，通过0.15mm筛孔的细骨料用量应少于10%（和易性要求）强度模型材料n模型用钢筋1.钢筋的-特性是决定结构非线性性能的主要因素；2.-曲线应尽量与原型一致。3.模型钢筋一般采用盘状细钢筋拉直而成，当需模拟钢筋与混凝土的粘结时，钢筋表面需要冷加工改变了钢筋的-曲线，应将钢筋进行热处理。强度模型材料n铜1.可模拟劲性混凝土中的型钢2.-曲线与钢材相似3.强度为210MPa，弹性模量为1.0 x105MPa模型试验的精确度及应注意的问题n模型制作的精度1.模型尺寸的不准确是产生试验误差的主要原因之一（允许误差一般为5%）2.模板制作和模板材料对尺寸有重要影响3.注意浇捣混凝土对钢筋位置的影响4.模型最小尺寸 板3mm，梁柱6mm模型试验的精确度及应注意的问题n试验环境1.有机玻璃等塑料模型试验时，温度变化不应超过1C2.混凝土模型因温度变化会引起收缩和温度应力3.温度影响远非一般温度补偿能解决4.一般应在控制温度、湿度的条件下进行试验模型试验的精确度及应注意的问题n试验荷载1.模型试验的荷载必须事先仔细校正2.当模型比例小，完全模拟实际荷载情况有困难时，应改用作用明确的集中荷载，否则在结果整理时会引进很大的误差。模型试验的精确度及应注意的问题n试验量测1.测点与仪表安装位置应特别准确；2.当模型本身刚度较小时，应注意测量仪表的重量；3.应变片保护层将增加模型的局部刚度；4.接触式仪表测杆的恢复力对模型产生附加荷载；5.当模型比例较小时，必须选用精度较高的仪表测量变形。模型试验的精确度及应注意的问题n材料试件尺寸1.为消除尺寸效应，模型材料性能试验的试件尺寸应与模型最小截面的大小相应，2.注意材性试件的施工工艺、养护条件等的同一性3.对于塑料应测定徐变的影响范围与程度模型试验的相似误差失真效应n模型设计要按研究的具体对象和目的，本着突出主要矛盾的原则，对相似关系有所取舍，在试验中允许有一定的失真效应存在，并将失真的影响减低到最小程度，最后再充分估计失真效应对预计原型反应特性的影响。模型相似误差n由于相似条件不能完全得到满足，把模型试验所得结果换算到原型上去所产生的误差。（并非是由于试验量测技术所引起的误差）模型相似误差n工程中描述原型结构状态的物理参数有两类1.已知状态参数几何尺寸、材料强度、荷载等（特征参数P0)2.未知状态参数结构的极限强度、位移、动态反应、加速度等（响应参数P1)模型相似误差n模型试验的目的就是当直接由原型在特征参数P0的状态下，求原型响应参数P1较困难的情况下，将原型特征参数经相似关系的变换转化为模型的特征参数M0，通过模型在特征参数M0状态下所进行的实验获得模型的响应参数M1，再由模型的相似关系变换将M1转换为原型的响应参数P1，从而间接地获得原型结构的响应参数。模型相似误差 和 是相似转换矩阵，由严格满足相似关系的相似常数组成。jjjjjjiiiiMSPMFMPSM)(111101000iiS0jjS1模型相似误差n真实模型完全满足全部相似关系的模型，特征参数为n失真模型违背一个或几个相似关系的模型，特征参数为n两者的差异表现为特征参数的差异（失真效应）0M0M000MMM模型相似误差n失真模型的特征参数n模型试验所获得的响应参数n 与原型的响应参数之间不存在相似关系000MMM)(001MMFM1MjjjjMSP1111失真效应的修正n式中 表示模型特征参数发生单位变化时，响应参数的变化量。)(0()()(00001100000001MMMMFMMMMMMFMMFMFM000)(MMMF失真效应修正举例n竖向重力失真效应的产生 对于强度模型pmpmpmmmppmmxxggxMxMgMgM 失真效应修正举例n由物体动力平衡方程 得相似指标22tuwzyxxxxyx1SSSwl12tulSSSSS失真效应修正举例n加速度相似常数luSSSS luSSSS1 失真效应修正举例n由于1ugpmSSgg ppumggSg gSgSgguu)1(失真效应修正举例n对应模型试验的不同阶段，竖向重力失真效应的影响是不同的，若以各阶段结构所承受的地面输入加速度峰值作为结构抗震性能的指标，则有关失真效应的修正最终都可归结为地面输入加速度峰值的修正。失真效应修正举例n砌体结构初裂阶段重力失真效应的修正 失真模型的抗裂强度 真实模型的抗裂强度18.0Vff18.0Vff失真效应修正举例n其中n失真模型抗裂强度的失真量)1(uS)1(18.0)(18.018.018.0uVVSfffff 失真效应修正举例n假定砌体的抗裂强度与地面运动加速度成正比，则地面运动加速度修正值ufSuffuVu 18.0)1(18.0