结构试验第3章试验荷载与加载装置

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1、E-mail: SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 进 行 结 构 试 验 时 ， 应 在 试 验 结 构 上 再 现 要 求 的 荷载 ， 即 试 验 荷 载 。 试 验 荷 载 绝 大 多 数 是 模 拟 荷 载 ， 而产 生 这 些 模 拟 荷 载 的 方 法 很 多 ， 一 般 都 通 过 加 载 设 备和 试 验 装 置 产 生 ， 可 用 于 结 构 试 验 的 加 载 设 备 有 重 物气 压 、 机 械 机 具 、 液 压 、 动 力 激 振 以 及 与 它 们 相 匹 配的 各

2、 种 试 验 装 置 等 。 把 试 验 荷 载 分 成 了 静 力 荷 载 、 动力 荷 载 以 及 荷 载 反 力 设 备 3部 分 内 容 ， 主 要 对 荷 载 的原 理 、 方 法 、 特 点 等 方 面 进 行 介 绍 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 一 、 荷 载 试 验 是 结 构 试 验 的 基 本 方 法 。 二 、 荷 载 的 选 用 原 则 ：1.试 验 用 的 荷 载 形 式 、 大 小 、 加 载 方 式 等 都 是 根 据 试 验 的 目 的要 求 ， 以 如 何 能 更 好 地 模 拟 原 有 荷 载 等 因 素 来 选

3、择 。2.在 决 定 试 验 荷 载 时 ， 还 应 该 根 据 试 验 室 的 设 备 条 件 和 现 场 所具 备 的 试 验 条 件 的 具 体 情 况 进 行 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 三 、 荷 载 的 分 类 ：直 接 作 用 ： 自 重 、 活 、 雪 、 灰 、 施 工 、 风 等 ；间 接 作 用 ： 温 度 、 收 缩 、 偏 差 、 沉 降 、 地 震 等 ；分 布 ；集 中 ； 短 期 ；长 期 ； 静 ；动 ； 由 模 拟 荷 载 实 现 四 、 产 生 荷 载 的 方 法 与 加 载 设 备 有 很 多 种 类 ： 静

4、力 试 验1. 重 物 直 接 加 载 或 通 过 杠 杆 作 用 间 接 加 载 的 重 力 加 载 方 法 ；2. 液 压 加 载 器 和 液 压 试 验 机 、 电 液 伺 服 加 载 系 统 的 液 压 加 载 ；3. 绞 车 、 差 动 滑 轮 组 、 弹 簧 和 螺 旋 千 斤 顶 等 机 械 加 载 方 法 ；4. 利 用 压 缩 空 气 或 真 空 作 用 的 特 殊 方 法 等 等 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 动 力 试 验1. 惯 性 力 或 电 磁 系 统 激

5、振 ;2. 比 较 先 进 的 设 备 是 由 自 动 控 制 、 液 压 装 置 与 计 算 机 相 结 合 而组 成 的 电 液 伺 服 加 载 系 统 和 由 此 作 为 振 源 的 地 震 模 拟 振 动 台 加载 设 备 等 ；3. 人 工 爆 炸 和 利 用 环 境 随 机 激 振 （ 脉 动 法 ） 的 方 法 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 五 、 选 择 试 验 荷 载 和 加 载 方 法 时 ， 应 满 足 下 列 几点 要 求 ： 试 验 荷 载 的 图 式 所 产 生 的 内 力 值 完 全 一 致 或 极 为 接 近 ； 荷 载

6、 值 准 确 ； 荷 载 传 力 方 式 和 作 用 点 明 确 ， 产 生 的 荷 载 数 值 要稳 定 ； 荷 载 分 级 符 合 要 求 ， 同 时 必 须 满 足 试 验 量 测 的 精 度 要 求 ； 加 载 装 置 要 有 足 够 的 安 全 性 和 可 靠 性 ， 强 度 ！ 满 足 刚 度 要 求 ； 加 载 设 备 的 操 作 要 方 便 ， 便 于 加 载 和 卸 载 ， 能 控 制 加 载 速 度 ； 采 用 现 代 化 先 进 技 术 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 六、试 验 荷载 和加载 方法1荷载 图 式的选 择 与 设 计

7、 荷载 在试 验 结 构 构 件上的布置形式（荷载 的类 型、分布方式等）称 为 荷载 图 式。2试 验 荷载 制度 试 验 荷载 制度指的是试 验 进 行期间 荷载 与 时 间 的关 系。 荷载 程序。一般结 构 静 力试 验 的加载 分为 预 载 、标 准荷载 （正常使用荷载 ）、破坏荷载 三个 阶 段。加载 分级 ；卸荷分级 和一次性卸荷两 种 。 荷载 大小。在试 验 的不同阶 段有不同的试 验 荷载 值 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 七 、 荷 载 系 统荷 载控 制 装 置 荷 载 系 统 配 重荷 载 架 、 反 力 墙分 配 梁 、 支

8、 座承 台产 生 荷 载 的 设 备 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 重 力 荷 载 就 是 利 用 物 体 本 身 的 重 量 将 物 体 施 加 于 试 验 结 构 上作 为 荷 载 的 加 载 方 式 。 重 物 可 以 直 接 加 在 试 验 结 构 或 构 件 上 ， 也可 以 通 过 杠 杆 间 接 加 在 结 构 或 构 件 上 。（ 1） 重 力 直 接 加 载 方 法图 3.1.1 重 物 堆 放 作 均 布 荷 载 试 验 图 图 3.1.2 重 物 堆 放 作 集 中 荷 载 试 验l 重 物 ； 2 试 验 板 ； 3 支 座 ； 3

9、 支 墩 1 试 件 ； 2 重 物 ； 3 支 座 ； 3 支 墩 ； 5 吊 篮 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.（ 1） 试 验 荷 载 可 就 地 取 材 ， 可 重 复 使 用 ， 针 对 试 验 结 构 或 试 件的 变 形 而 言 ， 可 保 持 恒 载 ， 可 分 级 加 载 ， 容 易 控 制 ；（ 2） 但 加 载 过 程 中 需 要 花 费 较 大 的 劳 动 力 ， 占 据 较 大 的 空 间 ，安 全 性 差 ， 试 验 组 织 难 度 大 ；（ 3） 散 装 或 块 体 材 料 要 注 意 起 拱 ；（ 4） 注 意 材 料 的 吸

10、 湿 性 。 （2）杠杆加载 方法优 点 ： 杠 杆 原 理 ， 将 荷 载 放 大 作 用 于 结 构 上 。 荷 载 可 以 保 持恒 定 ， 对 于 持 久 荷 载 试 验 尤 为 适 合 ， 尤 其 是 集 中 力 。分 类 ： 承 压 式 图 3.3 利 用 杠 杆 加 载 图 示拉 杆 式 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. （ a） （ b）图 3.1.5 现 场 试 验 杠 杆 加 载 的 支 承 方 法（ a） 墙 洞 支 承 ； （ b） 桩 支 承SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 图 3.4 利 用 卷 扬

11、 机 加 载 图 示 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 1.设 备 简 单 ， 容 易 实 现 ；2.通 过 索 具 加 载 时 ， 很 容 易 改 变 荷 载 作 用 方 向 ；3.应 工 作 在 线 形 范 围 内 ；4.缺 点 是 荷 载 值 不 大 ， 荷 载 作 用 点 产 生 变 形 时 ， 会 引 起 荷 载 值 的 改 变 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 一 、 液 压 加 载 器 （ 液 压 千 斤 顶 ）u油 箱 （ 泵 ） 、 阀 门 、 液 压 加 载 装 置 、 测 力 计 ；图 3.5 单 、

12、 双 向 加 载 器 图 示 特 点 ： 荷 载大 ， 操 作 简单 ， 可 实 现低 周 反 复 荷载 。 需 反 力设 备 ， 多 点同 步 加 载 卸载 比 较 困 难 。单 向 、 双 向作 用 的 液 压加 载 器 . SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 液压 加载 系统 主要是由储 油箱、高压 油泵 、液压 加载 器、测 力装置和各类 阀 门 通过 高压 油管连 接组 成的操纵 台。二 、 液 压 加 载 系 统图 3.5 液 压 加 载 系 统 图 示 特 点 ： 对 大 吨 位 、大 挠 度 、 大 跨 度 的结 构 更 为 适 用 ， 它不 受

13、 加 荷 点 数 的 多少 、 加 荷 点 的 距 离和 高 度 的 限 制 ， 并能 适 应 均 布 和 非 均布 、 对 称 和 非 对 称加 荷 的 需 要 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 三 、 大 型 结 构 试 验 机大 吨 位 、 高 行 程30000kN（ 压 ）10000kN（ 拉 ） SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 四 、 电 液 伺 服 液 压 系 统图 3.6电 液 伺 服 加 载 系 统 图 示电 液 伺 服 加 载 系 统 采 用 闭 环 控 制电 液 伺 服 加 载 器控 制 系 统液 压

14、 源 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 图 3.7液 压 加 载 器 构 造 示 意 图1 铰 支 基 座 ; 2 位 移 传 感 器 ; 3 电 液 伺 服 阀 ; 4 活 塞 杆 ; 5 荷 载 传 感 器 ; 6 螺 旋 垫 圈 ; 7 铰 支 接 头 1 2 3 4 5 6 7电 液 伺 服 作 动 器 (加 载 器 )SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 液 压 源 （ 油 源 ） 控 制 系 统 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 五 、 地 震 模 拟 振 动 台 （ shaking

15、table）1 试 验 结 构 模 型 ； 2 控 制 室 ； 3 振 动 台 台 面 ； 4 电 液 伺 服 助 动 器 ； 5 振 动 台 基 础 ； 6 液 压 动 力 系 统 1233 65 振 动 台 台 面 与 基 础液 压 驱 动 和 动 力 系 统控 制 系 统测 试 和 分 析 系 统SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 最 大 日 本 : （ 15米 20米 ） 三 向 六 自 由 度 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.图 3.7 车 道 荷 载 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.

16、图 3.8 中 -活 载 图 式 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 利 用 气 体 压 力 对 结 构 加 载 有 两 种 方 式 ： 一 种 是 利 用 压 缩 空 气 加 载 ； 另一 种 是 利 用 抽 真 空 产 生 负 压 对 结 构 构 件 施 加 荷 载 。 由 于 气 压加 载 所 产生 的 是 均布 荷 载 ，对 于 平 板或 壳 体 试验 尤 为 适合 。 在 磁 场 中 通 电 的 导 体 要 受 到 与 磁 场 方 向 相 垂 直 的 作 用 力 ， 电磁 加 载 就 是 根 据 这 个 原 理 ， 在 强 磁 场 (永 久 磁 铁 或

17、 直 流 励 磁 线 圈 )中 放 入 动 圈 ， 通 入 交 变 电 流 ， 则 可 使 固 定 于 动 圈 上 的 顶 杆 等 部 件作 反 复 运 动 ， 对 试 验 对 象 施 加 荷 载 。 目 前 常 见 的 电 磁 加 载 设 备 有电 磁 式 激 振 器 和 电 磁 振 动 台 。 一 、 电 磁 激 振 器 （ 略 ） 。二 、 电 磁 式 振 动 台 （ 略 ） 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 1初位移加载 法（张 拉突卸法） 使结 构 变 形而产 生一个 人为 的初始强迫位移，然后突然释 放，使结 构 在静 力平衡位置附近作自由振动

18、 。 冲 击 力 加 载 的 特 点 是 荷 载 作 用 时 间 极 为 短 促 ， 在 它 的 作 用 下使 被 加 载 结 构 产 生 自 由 振 动 ， 适 用 于 进 行 结 构 动 力 特 性 的 试 验 。张 拉 突 卸 法 图 示 （ 1）SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 张 拉 突 卸 法 图 示 （ 2）张 拉 突 卸 法 特 点 ：结 构 自 振 时 荷 载 已 经 不 再 依 附 适 用 于 刚 度 不大 的 结 构 ， 用 较 小 的 力 使 结 构 产 生 振 动 。注 意 ： 加 载 时 在 一 个 平 面 内 ， 避 免 在 另

19、一 个面 内 产 生 振 动 。 2 初 速 度 加 载 法 （ 突 加 荷 载 法 ） 利 用 摆 锤 或 落 重 的 方 法 使 结 构在 瞬 时 内 冲 击 ， 产 生 一 个 初 速 度 。 突 加 荷 载 法 图 示 3 反 冲 激 振 法 也 称 火 箭 激 振 。 特 点 ： 不 依 附 于 结 构 ， 力 比 较 小 。SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 离 心 力 加 载 图 示 直 线 位 移 惯 性力 加 载 图 示SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 人 们 可 以 利 用 自 身 在 结 构 物 上 有 规

20、 律 的 活 动 ， 产 生 足够 大 的 人 力 惯 性 力 ， 就 有 可 能 形 成 适 合 作 共 振 试 验 的 振 幅 。这 对 于 自 振 频 率 比 较 低 的 大 型 结 构 来 说 ， 完 全 有 可 能 被 激振 到 足 可 进 行 量 测 的 程 度 。 举 例 ： 一 个 体 重 约 70kg的 人 使 其 质 量 中 心 作 频 率 为 1Hz、 双 振幅 为 15cm的 前 后 运 动 时 ， 将 产 生 大 约 0.2kN的 惯 性 力 。 由 于 在1 临 界 阻 尼 的 情 况 下 共 振 时 的 动 力 放 大 系 数 高 达 50， 这 意 味着 作 用

21、 于 建 筑 物 上 的 有 效 激 振 力 大 约 为 10kN。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 建 筑 结 构 由 于 受 外 界 的 干 扰 而 经 常 处 于 不 规 则 的 振 动 中 ，其 振 幅 在 10 m以 下 ， 称 之 为 脉 动 。 建 筑 物 的 随 机 荷 载 与 地 面 脉 动 、 风 或 气 压 变 化 有 关 ， 特 别 是受 城 市 车 辆 、 机 器 设 备 等 产 生 的 扰 动 和 附 近 地 壳 内 部 小 的 裂 缝 以及 远 处 地 震 传 来 的 影 响 尤 为 重 要 ， 其 脉 动 周 期 一 般 为

22、0.1-2.0s，并 且 任 何 时 候 都 存 在 着 环 境 随 即 振 动 ， 从 而 引 起 建 筑 物 的 响 应 。这 种 能 够 引 起 建 筑 物 脉 动 的 作 用 或 外 界 的 干 扰 叫 做 随 机 荷 载 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 车 辆 以 较 高 速 度 行 驶 过 桥 梁 时 ， 由 于 桥 面 或 轨 面 的 不 平 整 、车 轮 不 圆 ， 以 及 发 动 机 的 抖 动 或 机 车 的 偏 心 作 用 等 原 因 ， 会 引起 桥 梁 结 构 的 振 动 ， 这 种 动 力 效 应 通 常 称 为 冲 击 作

23、用 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.（ 1） 跳 车 荷 载 ；（ 2） 刹 车 荷 载 ； （ 3） 跑 车 荷 载 。 结 构 试 验 中 的 支 座 是 支 承 结 构 ， 正 确 传 力 和 模 拟 实 际荷 载 图 式 的 设 备 ， 通 常 由 支 墩 和 铰 支 座 组 成 。 1.支 墩 多 用 砖 块 临 时 砌 成 ， 支 墩 上 部 应 有 足 够 大 的 、 平 整 的支 承 面 ， 最 好 在 砌 筑 时 要 铺 设 钢 板 。 支 墩 本 身 的 强 度 必 须要 进 行 验 算 ， 支 承 底 面 积 要 按 地 基 耐 力

24、来 复 核 ， 保 证 试 验时 不 致 发 生 沉 陷 或 过 度 变 形 。 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 滚 动 铰 支 座固 定 铰 支 座 滚 动 铰 支 座 固定铰支座 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 支 座 的 基 本 要 求 ： 1.必 须 保 证 结 构 在 支 座 处 能 自 由 转 动 和 结 构 能 正 确 地 传 递 力 ； 2.铰 支 座 处 的 上 下 垫 板 要 有 一 定 刚 度 ； 3.滚 轴 强 度 的 要 求 ； 4.滚 轴 的 长 度 ； 滚 轴 的 长 度 一 般 取 试 件

25、支 承 处 截 面 宽 度 。 图 3.6.13 受 扭 试 验 转 动支 座 构 造 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. （ a） （ b）柱 与 压 杆 试 验 的 铰 支 座 （ a） 单 向 铰 支 座 ； （ b） 双 向 铰 支 座 固 定 铰 支 座SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 分 配 梁 是 将 一 个 集 中 力 分 解 成 若 干 个 小 的 集 中 力 的 装 置 。分 配 梁 不 用 多 跨 连 续 梁 形 式 ， 均 为 单 跨 简 支 形 式 。 一 般 不 宜大 于 3层 。 分 配 梁 设 置

26、 示 意 图 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 1.竖 向 荷 载 架 2.水 平 荷 载 架 3.反 力 墙 竖 向 、 水 平 荷 载 架 、 反 力 墙图 3.6.8组 合 式 垂 直 荷 载 架 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. L形 反 力 墙主 墙 ： 高 12.5m 宽 18m 厚 2.5m基 底 总 剪 力 4000kN总 承 弯 矩 37000kN.m副 墙 ： 高 6.5m 宽 8.6m 厚 1.5m基 底 总 剪 力 2500kN总 承 弯 矩 12000kN.m 5 6 412 3 4N NF1F2SC

27、HOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 1.抗 弯 大 梁 式 台 座2.空 间 桁 架 式 台 座 结 构 试 验 台 座 是 永 久 性 的 ， 用 以 平衡 施 加 在 试 验 结 构 物 上 的 荷 载 产 生的 反 力 。SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 3 地 面 试 验 台 座 槽 式 试 验 台 座 地 锚 式 试 验 台 座 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 1 箱 形 台 座 ； 2 顶 板 上 的 孔 洞 ； 3 试 件 ；4 加 荷 架 ； 5 液 压 加 载 器 ； 6 液 压

28、 操 纵 台SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.箱 式 试 验 台 座 关 键 ： 如 何 实 现 平 衡 由 液 压 加 载 器加 载 所 产 生 的 反 力 。液 压 加 载重 物 堆 载SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 试验图片 失陷性黄土地基建筑物纠倾试验 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 试验图片 大跨预应力屋架荷载试验 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 试验图片 SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT. 试验图片 混 凝 土 梁 钢 管 混 凝 土 柱十 字 节 点 试 验SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.