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5结构单调加载静力试验


第5章 结构单调加载静力试验

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主要内容
?
?

5.1 概述
5.2 结构单调加载静力试验的加载制度

?
? ?

5.3 基本构件的单调加载静力试验
5.4 扩大构件的单调加载静力试验 5.5 建筑物或其部

件的单调加载静力试验

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5.1 概述
? 定义:单调加载静力试验是指在短时期内对试验对象 进行平稳的一次连续施加荷载,荷载从“零”开始一 直加到结构构件破坏,或是在短时期内平稳地施加若 干次预定的重复荷载后,再连续增加荷载直到结构构 件破坏。 ? 单调加载静力试验是最普遍的试验类型。 ? 单调加载静力试验主要用于模拟结构承受静荷载作用 下观测和研究结构构件的强度、刚度、抗裂性等基本 性能和破坏机制。
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5.2 结构单调加载静力试验的加载制度
? 定义:试验进行期间荷载与时间的关系。

? 试验加载应与结构的实际受力情况吻合,如三种荷载 组合(短期、长期、基本)情况。
? 典型的单调加载静力试验的加载程序。

? 预加载试验
? 预加载荷载值为开裂荷载的70%左右,一般为开 裂荷载的30-70%。

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单调静力试验的加载程序
5

5.2 结构单调加载静力试验的加载制度(续)
? 科研性试验荷载量分级要求
?

开裂前,在达到开裂荷载计算值的90%以前,按荷 载短期效应组合的20%分级;
开裂前,达到开裂荷载计算值的90%后,按荷载短 期效应组合的5%分级; 开裂后,直至达到荷载短期效应组合值,仍按20% 分级; 超过荷载短期效应组合值后,直到结构屈服前,按 10%分级; 结构屈服后,按Δy的倍数施加荷载,按2Δy、3Δy、 4Δy分级。 6

?

?

?

?

荷载值下降? 对非线性分析重要;? 按荷载加难以控制。

5.2 结构单调加载静力试验的加载制度(续)
? 生产鉴定性试验荷载量分级要求
? 当荷载小于荷载标准值时,每级荷载不应大于荷载标准值

的20%;
? 当荷载大于荷载标准值时,每级荷载不应大于荷载标准值

的10%;
? 当荷载接近抗裂检验荷载值时,每级荷载不应大于荷载标

准值的5%;(复式抽样检验 0.95指标,分级加密)
? 当荷载接近承载力检验荷载时,每级荷载不应大于承载力

检验荷载设计值的5%。(复式抽样检验 0.95指标,分级加 密)
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5.2 结构单调加载静力试验的加载制度(续)
? 对仅作挠度、抗裂或裂缝宽度检验的构件应分级卸载。 ? 作用在构件上的试验设备重量及构件自重应作为第一次加

载的一部分。
? 注:构件在试验前,宜进行预压,以检查试验装置的工作

是否正常,同时应防止构件因预压而产生裂缝。

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5.2 结构单调加载静力试验的加载制度(续)
? 分级加载级间间歇时间t1(卸载级间间歇时间t3) ? 砼结构≥10min,钢结构略少; ? 基本原则:变形、应变等基本稳定。 ? 恒载持续时间t2(一般不小于t1的三倍)

? 一般科研性试验≥30min
? 生产鉴定性试验≥30min ? 新结构和大跨结构≥12h ? 空载持续时间t4:1.5t2

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钢筋混凝土结构破坏标志:
? (1)跨中挠度达到跨度的1/50,悬臂结构的挠度达

到悬臂长的1/25;
? (2)受拉主筋处的垂直裂缝宽度达到1.5mm; ? (3)受剪斜裂缝宽度达到1.5mm,或斜裂缝末端受压

区混凝土剪压破坏,或沿斜截面混凝土斜压破坏;
? (4)受拉主筋在端部滑脱达0.2mm,或其它锚固破坏; ? (5)受拉主筋拉断; ? (6)受压构件的混凝土被压坏。

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构件的承载力检验系数允许值[γu]
受力情况 轴心受拉、偏心受 拉 、受弯、大偏心受 压 达到承载能力极限状态的检验标志

受拉主筋处的最大裂 缝宽度达到1.5mm,或 挠度达到跨度的1/50
受压区混凝土破坏

热轧钢筋
钢丝、钢绞线、热处理钢筋 热轧钢筋

1.20
1.35 1.30

钢丝、钢绞线、热处理钢筋

1.45
1.50 1.40 1.55 1.50

受拉主筋拉断 腹部斜裂缝达到1.5mm,或斜裂缝末端受城市混凝土 剪压破坏

受弯构件的受剪

沿斜截面混凝土斜压破坏,受拉主筋在端部滑脱或其 他锚固破坏
混凝土受压破坏

轴心受压、小偏心 受压

注:热轧钢筋系指HPB235级、HRB335级、HRB400级和RRB400级钢筋。
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承载力确定
? 对构件进行承载力检验时,应加载至构件出现规范所列承 载能力极限状态的检验标志。当在规定的荷载持续时间内 出现上述检验标志之一时,应取本级荷载值与前一级荷载 值的平均值作为其承载务检验荷载实测值;当在规定的荷 载持续时间结束后出现上述检验标志之一时,应取本级荷 载值作为其承载力检验荷载实测值。 ? 注:当受压构件采用试验机或千斤顶加载时,承载力检验 荷载实测值应取构件直至破坏的整个试验过程中所达到的 最大荷载值。 ? 说明: 本条明确规定了承载力检验荷载实测值的取值方 法。此处“规定的荷载持续时间结束后”,系指本级荷载 持续时间结束后至下一级荷载加荷完成前的一段时间。
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5.3 基本构件的单调加载静力试验
一、受弯构件的试验
? 试件的安装和加载方法
? 简支座与固定支座的实现 (1) (2) 应尽量保证加载面与支承面平整(砂浆、垫 沙层、橡胶+钢板) ? 加载方法:千斤顶+分配梁最常见 一般采用等效荷载的加载图式(按照所研究的截 面位置)
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一、受弯构件的试验(续)
正位试验,一端采用铰支座,另一端采用滚动支座,支 座下面用支墩安置在地面上,要求牢固和稳定。 ? 加载方法: ? 梁:常用液压加载器和分配梁,或用液压同步加载加载 器直接加载。 ? 板:一般重物加载。也可用集中荷载等效,采用梁加载 方式加载。 ? 吊车梁:采用液压,试验时的加载图式要按最不利荷载 布置决定集中荷载的作用位置。
?

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一、受弯构件的试验(续)
? 试验项目和测点布置
(1) 挠度测量
? ?

梁的挠度f,P-f曲线、框架的P-Δ曲线、节点的P -γ曲线 梁的真实挠度f a) 剔除支座位移; b) 对宽度较大的梁、板,两边对称布点(贴片), 以消除扭转的影响(支座偏心、加载点偏心); c) 挠度的预计大小(选择仪器的量程)。
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一、受弯构件的试验(续)
(2) 应变测量
? ?

一般在以下几个截面上:M+max、M-max、σl、σy 或 弯矩突变处; 贴片的原则:①按应变梯度;②受拉区少、压区密 (如采用引伸仪则不用);③一般情况下多采用不 均匀布置的方法。 a)单向应力测定:单向片 b)平面应力测定:多个单向片、应变花 c)箍筋和弯筋应力测量:预埋式和表面开槽式 d)翼缘与孔边应力测量:连续贴片(力学分析结果) e)校核测点:不受力位置,检验系统误差
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一、受弯构件的试验(续)
(3)裂缝测量
? ? ? ? ? ?

裂缝包括:弯曲裂缝、剪切裂缝、弯剪裂缝。 基于力学分析,在裂缝位置的垂直方向布置测点。 裂缝永远与σl垂直(事故处理常用原则)。 裂缝出现的判别方法:①目测;②P-Δ曲线;③ 应变值。 最大裂缝宽度的测量方法:等弯矩段选取3条,在 纵筋水平位置处采用读数放大镜或裂缝标尺。 裂缝的标注方法:试验完毕后绘制裂缝开展图。

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裂缝的标注方法
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一、受弯构件的试验(续)
(4)受弯塑性铰测量
? ? ?

测量内容:塑性铰的出现、长度,钢筋及砼的应 变情况、裂缝情况。 延性系数 测量P-Δ曲线的意义:

?

钢筋在塑性铰区的连续贴片。
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1)试验项目 ? 鉴定性试验:承载力、抗裂度和各级荷载作用下的挠度及 裂缝开展情况。 ? 研究性试验:除了承载力、抗裂度、挠度和裂缝观测外, 还测量构件某些部位的应力。 挠度观测 (最大值)
?

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? 挠度分布:

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?应力测量 梁弯曲应力测点:

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梁剪应力测点:

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钢筋应力测点
? 用预埋或试件表面开槽的方法来解决设点的问题

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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, 应沿翼缘宽度布置测点,测定翼缘上应力分布的情况。

25 梁腹板圆孔周边的应变测点布置

校核测点和裂缝观测
?

?

为了校核试验的正确性,便于整理试验结果时进行误差修正, 经常在梁的端部凸角上的零 应力处设置少量测点,以检验整 个测量过程是否正常。 裂缝测量:开展、宽度、发展和分布。肉眼观察;连续地或 交替地布置测点;读数显微镜。

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由荷载一应变曲线观测混凝士的开裂

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? 斜裂缝测点

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转角和曲率的测量
?

转角:用角位移传感器进行测量。常用的角位移传感器和 线位移传感器都是测量测点相对于地面的转角,测量结果 处理时应该考虑支座沉陷引起的刚体转动。 曲率:用应变计或位移计进行测量,在该截面的上下边缘 布置应变或位移测点,通过测量上下边缘的应变来计算曲 率。

?

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二、压杆和柱的试验
? 主要研究轴压比和长细比的影响。 ? 试件的安装和加载方法
?

?

正位试验(试验机上或大型荷载架上进行)、 卧位试验(大型试件)两端采用可动铰支座 (反弯点截取试件模型),可考虑P-Δ效应。 对受压构件的安装就位,关键在于对中:首先 进行几何对中,再进行物理对中(通过应变测 量,施加20-40%试验荷载)。

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1、试件安装和加载方法 ? 卧位和正位,液压加载,构件二端均应采用比较灵活的可动 铰支座型式,一般采用刀口支座。

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正位试验

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对中
?

轴心受压柱:安装时一般先进行,即将构件轴线对准作 用力的中心线。构件在几何对中后再进行物理对中,即 加载达20%~40%的试验荷载时,测量构件中央截面两 侧或四个面的应变,并调整作用力的轴线,以达到各点 应变均匀为止。在构件物理对中后即可进行加载试验。 偏压试件:也应在物理对中后,沿加力中线量出偏心距 离,再把加载点移至偏心距的位置上,进行试验。

?

?

加载:长柱试验机或液压加载系统;(1/10-1/15)Nu,接近 开裂荷载和破坏荷载时细分2-4级。

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2、试验项目和测点布置 ? ? ? ? 破坏荷载:力传感器 挠度:百分表或位移传感器 曲率:曲率计 砼应变:应变片+应变仪,应变 片后贴。 ? 钢筋应变:应变片+应变仪,应 变片预埋

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试验项目:P-Δ曲线、εs、 εc、ωmax等,注意需要成 对测量。 ? 为研究混凝土受压区的实 际应力图形,可采用测力 板进行测定(教材P105, 类似自制传感器) (1)将测力板浇筑在棱柱体 试件中进行标定; (2)将测力板浇筑在试件中 进行测量。
?
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5.4 扩大构件的单调加载静力试验 (教材P106-120)
一、屋架试验
1、试件安装和加载方法 ? 就位方式:一般采用正位试验。现场试验时还可以采用成

对试件的卧位试验。安装时应设置侧向支撑,以保证屋架
上弦的侧向稳定。 ? 支承方式:与梁相同,支承垫板应留有充分余地。

? 加载方式:可以采用重力直接或杠杆加载。当施加多点集
中荷载并且节点荷载较大时,采用同步液压加载。

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重 物 加载

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液 压 加 载

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屋 架 成 对试验

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屋架试验支撑设置

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2、观测项目和测点布置 ?观测项目 1)桁架挠度及挠曲线。 2)开裂荷载及破坏荷载。 3)主要杆件的应变。 4)节点的变形及节点刚度对杆件的次应力影响 5)屋架端节点的应力分布 6)预应力钢筋张拉应力和对有关部位混凝土的预压应力。

7)屋架下弦预应力钢筋对屋架的反拱作用。
8)预应力锚头工作性能。

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? 测点布置 可以利用结构和荷载的对称性,在屋架一半布置主要测点, 而在另一半布置校核测点。 1)节点位移:大量程的挠度计或者用米厘纸制成标尺通过水准 仪进行观测。

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2)杆件的内力测量 通过测应变来测量杆件内力。

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? 杆件的内力测量测点布置

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3)节点应变测量测点布置:上弦节点

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?端部节点应变测量

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4)锚具性能测量 ? 在端节点砼表面沿自锚头长度方向布置若干应变测点:横向 测点和纵向测点

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5)预应力钢筋张拉应力的测量 ? 直接在预应力钢筋上布置应变测点测量,通常布置屋 架跨中和两端头。注意应变计的防护处理。 6)裂缝测量 ? 杆件开裂荷载和裂缝宽度。(端节点、腹杆与下弦杆 及节点交汇处较早开裂的位置)

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二、薄壳和网架结构的试验
用于大跨度建筑,通过原型试验和1/5-1/20 模型试验 研究结构受力性能及计算可靠性。 1、试件安装和加载方法 ?支承形式:

1)薄壳结构:实际支承形式类似双向板,有四角支承和 四边支承,试验支承可以用固定铰、活动铰及滚轴。
2)网架结构:实际支承在框架或柱顶,试验时支承在刚 性较大的型钢圈梁上。边支座一般受压,角支座及其附 近支座可能受拉。支座形式下如图。

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网架试验支座形式

受压支座

拉压球铰支座 拉压锁形支座 球面支座
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? 加载方法 重物直接堆载、水池加载或通过吊篮加载。也可用气压 加载,需要较大荷载时常使用液压加载器和分配梁加 载。

2、观测项目和测点布置 1)观测项目:主要测量位移和应变。 2)测点布置:常利用对称性减少测点数量。同时布置一 些校核测点。

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薄壳结构液压加载

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网 壳 水 加 载

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双曲扁壳结构测点布置
边界

位移测点

应变测点

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网架测点布置:(1)利用对称性分区(2)位移下弦节点,应 力布置在杆件上(杆件中间或节点附近) (3)校核测点。

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5.5 建筑物或其部件的单调加载静力试验
一、钢筋混凝土平面楼盖试验
? 楼盖包括板、次梁、主梁三个部分,试验目的是研究活荷 载的作用。

(一)试验荷载布置
? 板的试验 ? 确保为单向板

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(一)试验荷载布置(续)
? 对于连续梁,活荷载最不利布置的原则

? 跨中Mmax:该跨布置,左右隔跨布置
? 支座Mmax:该支座左、右跨布置,左右隔跨布置 ? 支座最大剪力:同支座Mmax 可从弯矩图、挠曲线来理解 试验中为简化,可忽略较远跨的影响或仅在荷载数值上 考虑其影响

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(一)试验荷载布置(续)
? 次梁的试验

? 当主梁支承次梁时,可将次梁视为连续梁
? 当柱支承次梁时,将次梁视为固支梁 ? 实际上结构中均为弹性支座,无绝对意义上的铰支、 固支 ? 主梁的试验 ? 同次梁的试验 ? 柱的试验 ? Nmax:柱相邻跨满布

? Mmax:同梁端Mmax时布置方案
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(二)试验观测
? 平面楼盖试验一般为非破坏性,经常为现场试验 ? 板、梁挠度的观测

? 工程中:精密水准仪、引出法
? 消除支座的影响 ? 混凝土梁、板中混凝土及钢筋的原始应力测定

? 卸载法(应力释放法)
? 荷载的施加一般采用成袋砂、石、水泥

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二 单层工业厂房整体结构空间工作试验
? 单层工业厂房由排架、屋盖系统、山墙等组成,由于屋 盖系统和山墙对各榀平面排架的约束作用,从而形成空 间结构。 ? 试验目的:确定厂房整体空间作用性质及具体分配系数。

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(一)试验荷载布置
? 采用机械力加载的方式

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(二)试验观测
? 主要测量加载柱列各柱柱顶的横向水平位移,从而可确定 分配系数。

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三 足尺房屋结构的整体试验 ? 一般花费巨大,试验设备、台座、荷载架等的 要求都很高,但能反映真实结构的实际工作性 能,通常用作模拟试验基础上的验证性试验。 ? 五层中型砌块建筑足尺结构抗震静力试验(教 材P129-134) ? 足尺试验意义及特点(教材P133)

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思考题:
1、简述单调加载静力试验的定义。 2、绘出阐述结构单调加载静力试验的加载制度。 3、试根据弯矩和剪力等效原则绘出均布荷载下简支梁的等效 荷载加载图式。 4、如何布置测量简支梁弯曲应力、剪应力分布的应变测点? 5、混凝土梁裂缝的测量有几种方法?

6、柱的安装和加载方案有哪两种,特点是什么?
7、何谓几何对中与物理对中,在柱的试验中如何实现? 8、如何布置测量柱的侧向位移和变形曲线的测点? 9、屋架安装和加载方法有几种,特点是什么?
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