第三章結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)(加載設(shè)備)

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的加載設(shè)備第3章3.1概述靜力試驗(yàn)：利用重物直接加載或通過杠桿作用的間接加載的重力加載方法；液壓加載器（千斤頂）和液壓試驗(yàn)機(jī)等的液壓加載方法；利用鉸車、差動(dòng)滑輪組、彈簧和螺旋千斤頂?shù)葯C(jī)械設(shè)備的機(jī)械加載法和用壓縮空氣或真空作用的特殊加載方法等。動(dòng)力試驗(yàn)：利用慣性力或電磁系統(tǒng)激勵(lì)；由自動(dòng)控制、液壓和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合而成的電液伺服加載系統(tǒng)；人工爆炸和利用環(huán)境隨機(jī)激振的方法；1）選用的試驗(yàn)荷載的圖式應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的荷載圖式所產(chǎn)生的內(nèi)力值相一致或極為接近；2）荷載傳力方式和作用點(diǎn)明確，產(chǎn)生的荷載數(shù)值要穩(wěn)定，特別是靜力荷載要不隨加載時(shí)間，外界環(huán)境和結(jié)構(gòu)的變形而變化；3）荷載分級(jí)的分度值要滿足試驗(yàn)量測的精度要求，加載設(shè)備要有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備；選擇試驗(yàn)荷載和加載方法時(shí)，應(yīng)滿足的幾項(xiàng)要求4）加載裝置本身要安全可靠，不僅要滿足強(qiáng)度要求，還必須按變形條件來控制加載裝置的設(shè)計(jì)，即尚必須滿足剛度要求。防止對(duì)試件產(chǎn)生卸荷作用而減輕了結(jié)構(gòu)實(shí)際承擔(dān)的荷載；5）加載設(shè)備要操作方便，便于加載和卸載,并能控制加載速度，又能適應(yīng)同步加載或先后加載的不同要求；6）試驗(yàn)加載方法要力求采用現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)，減輕體力勞動(dòng)，提高試驗(yàn)質(zhì)量?！糁亓虞d法

◆液壓加載法

◆慣性力加載法

◆

機(jī)械力加載法◆

氣壓加載法◆

電磁加載法◆

人激振動(dòng)加載法◆

環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)激振法主要內(nèi)容§3-1重力加載法

3-1.1重力直接加載方法利用物體本身的重量加于結(jié)構(gòu)上作為荷載。優(yōu)點(diǎn)：重物容易取得，并可重復(fù)使用；缺點(diǎn)：用砂粒等加載時(shí)，若將材料直接堆放于結(jié)構(gòu)表面，將會(huì)造成材料本身的起拱，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生卸荷作用；重力直接施加均布荷載的方法重力直接施加集中荷載的方法水直接施加均布荷載的方法

3-1.2杠桿加載方法杠桿加載也屬于重力加載的一種。利用杠桿原理1、放大荷重；2、結(jié)構(gòu)有變形時(shí)，荷載可以保持恒定，對(duì)持久試驗(yàn)尤為適合。利用杠桿施加荷載的一些方法§3-2液壓加載法液壓加載法是目前應(yīng)用比較普遍和理想的一種加載方法。其最大優(yōu)點(diǎn)是利用油壓使液壓加載器（千斤頂）產(chǎn)生較大的荷載，試驗(yàn)操作安全方便。1.2-2.1液壓加載器是液壓加載設(shè)備中的一個(gè)主要部件。原理是用高壓油泵將具有一定壓力的液壓油壓入液壓加載器的工作油缸，推動(dòng)活塞，對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載。手動(dòng)千斤頂加載器單向加載器3-2.2液壓加載系統(tǒng)液壓加載器系統(tǒng)主要是由儲(chǔ)油箱、高壓油泵、液壓加載器、測力裝置和各類閥門組成的操縱臺(tái)通過高壓油管連接而成。液壓加載系統(tǒng)§3-2.3大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)一種比較完善的液壓加載系統(tǒng)。是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的一種專門設(shè)備，比較典型的是結(jié)構(gòu)長柱試驗(yàn)機(jī)。在國內(nèi)最大噸位5000kN，試件最大高度可達(dá)3m；國外：日本大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件萬能試驗(yàn)機(jī)的最大壓縮荷載為30000kN，最大抗拉荷載為10000kN，高度達(dá)22.5m，可進(jìn)行15m構(gòu)件受壓試驗(yàn)；長柱試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)§3-2.4電液伺服液壓系統(tǒng)電液伺服液壓系統(tǒng)一種比較理想、更為完善的試驗(yàn)設(shè)備。電液伺服液壓系統(tǒng)工作原理

電液伺服液壓系統(tǒng)的閉環(huán)回路

控制系統(tǒng)閥的輸出流量、位移、噴嘴擋板間隙等都與輸入電流成比例變化。電液伺服閥的工作原理電液伺服閥是電液伺服液壓加載系統(tǒng)中的心臟部分，它安裝于液壓加載器上，根據(jù)指令發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)放大后輸入伺服閥，轉(zhuǎn)換成大功率的液壓信號(hào)，將來自液壓源的液壓油輸入加載器，使加載器按輸入信號(hào)的規(guī)律產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載，同時(shí)由伺服閥及結(jié)構(gòu)上量測的荷載、應(yīng)變、位移等信號(hào)通過伺服控制器作反饋控制，以提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度。電液伺服閥的工作原理§3-2.5地震模擬振動(dòng)臺(tái)

60年代開始，模擬地震臺(tái)就出現(xiàn)在抗震試驗(yàn)中，其中日本最多；再現(xiàn)各種地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)的一種先進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備。其特點(diǎn)：1、具有自動(dòng)控制；2、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)；3、閉環(huán)伺服液壓控制技術(shù)。振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體結(jié)構(gòu)臺(tái)面具有一定尺寸的平板結(jié)構(gòu)（同濟(jì)從美國引進(jìn)4×4m，日本原子能工作試驗(yàn)中心是15×15m，中國建筑科學(xué)研究院6×6m，河北工程大學(xué)從英國引進(jìn)3×3m，

1987水電科學(xué)院從西德引進(jìn)5×5m）振動(dòng)臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是給振動(dòng)臺(tái)以推力，按照振動(dòng)臺(tái)是單向（水平或垂直）、雙向（水平—水平或水平—垂直）或三向（二向水平—垂直）運(yùn)動(dòng)，各向加載器推力取決于可動(dòng)質(zhì)量的大小和最大加速度的要求。常用電液伺服系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)兩種控制方法：模擬控制；數(shù)字計(jì)算機(jī)控制。模擬控制方法：有位移反饋控制和加速度信號(hào)輸入控制兩種。數(shù)字計(jì)算機(jī)控制：采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字替代的補(bǔ)償技術(shù)。振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)可由計(jì)算機(jī)將臺(tái)面輸出信號(hào)與系統(tǒng)本身的傳遞函數(shù)（頻率響應(yīng)）求得下一次驅(qū)動(dòng)臺(tái)面所需的補(bǔ)償量和修正后的輸入信號(hào)。經(jīng)過多次迭代，直至臺(tái)面輸出反應(yīng)信號(hào)與原始輸入信號(hào)之間的誤差小于預(yù)先給定的量值，完成迭代補(bǔ)償并得到滿意的期望地震波。測試和分析系統(tǒng)

除了對(duì)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)需進(jìn)行位移、加速度的測量外，還需測量模型的位移、加速度和應(yīng)變。位移：差動(dòng)變壓器式和電位計(jì)式的位移計(jì)；可測量模型相對(duì)于臺(tái)面的位移或相對(duì)于基礎(chǔ)的位移；加速度：應(yīng)變式加速度計(jì)、壓電式加速度計(jì)。振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)參數(shù)最基本的是位移、速度和加速度以及使用頻率。3.4慣性力加載法在結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)中，利用物體質(zhì)量在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力對(duì)結(jié)構(gòu)施加動(dòng)力荷載。3.4.1沖擊力加載特點(diǎn)是荷載作用時(shí)間極為短促，在它的作用下使被加載結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)適于進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)。3.4.1.1初位移加載法也稱張拉突卸法。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)自振時(shí)荷載不附加在結(jié)構(gòu)上缺點(diǎn)：由于加載作用點(diǎn)的偏差而使結(jié)構(gòu)在另一平面內(nèi)同時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生干擾。用初位移加載法施加沖擊力荷載

初速度加載法（突加荷載法）

反沖激振法（火箭激振）

1、一般裝在建筑物頂部；質(zhì)心的軸線上；2、進(jìn)行扭振試驗(yàn)；3、多振型測量（布置多個(gè)）反沖力：0.1～0.8kN，1～8kN共8種。3.4.2離心力加載根據(jù)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的離心力對(duì)結(jié)構(gòu)施加簡諧振動(dòng)荷載。其特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)具有周期性，作用的大小和頻率按一定規(guī)律變化，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。離心力加載

常見的應(yīng)變花1．一對(duì)偏心質(zhì)量由偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心力為：

—偏心塊旋轉(zhuǎn)角速度r/s

使用時(shí)將激振器底座固定在被測結(jié)構(gòu)物上，由底座把激振力傳遞給結(jié)構(gòu)，致使結(jié)構(gòu)受到簡諧變化激勵(lì)作用。3.4.3直線位移慣性力加載此法的特點(diǎn)適用于現(xiàn)場結(jié)構(gòu)動(dòng)力加載，在低頻條件下各項(xiàng)性能較好，可產(chǎn)生較大的激振力。直線位移慣性力加載3.5機(jī)械力加載法常用的機(jī)具有鉸車、螺旋千斤頂、彈簧等。1．應(yīng)工作在線性范圍內(nèi)2．荷載值不大3．相對(duì)結(jié)構(gòu)變形量

，彈簧的

充分大（柔性）

拉力測力裝置彈簧加載3.6氣壓加載法兩種方式：一種是利用壓縮空氣加載；另一種是利用抽真空產(chǎn)生負(fù)壓對(duì)結(jié)構(gòu)機(jī)件施加荷載。優(yōu)點(diǎn)：加、卸載容易，荷載穩(wěn)定。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)受載面無法觀測。氣壓加載法

3.7電磁加載法在磁場中通電的導(dǎo)體要受到與磁場方向相垂直的作用力，電磁加載就是這個(gè)原理；3.7.1電磁式激振器：由磁系統(tǒng)、動(dòng)圈、彈簧和頂桿等部件組成。電磁式激振器的頻率范圍在0～200Hz，范圍寬，推力可達(dá)幾個(gè)千牛，但缺點(diǎn)是激振力不大，因此僅適合于小型結(jié)構(gòu)及模型試驗(yàn)。

電磁式激振器

電磁式激振器工作原理3.7.2電磁振動(dòng)臺(tái)閉環(huán)控制：1、正弦波；2、三角波；3、方波；4、隨機(jī)波。電磁振動(dòng)臺(tái)的使用頻率范圍較寬，臺(tái)面振形波形較好，一般失真度在5％以下，操作使用方便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。但用電磁振動(dòng)推動(dòng)一水平臺(tái)面進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)受到激振力的限制，因此臺(tái)面尺寸和模型重量均會(huì)受到限制。電磁振動(dòng)臺(tái)

3.8人激振動(dòng)加載法一個(gè)體重約70kg的人使其質(zhì)量中心作頻率約為1Hz、雙振幅為15cm的前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生大約0.2kN的慣性力。加上在1%臨界阻尼的情況下共振時(shí)的動(dòng)力放大系數(shù)為50，意味著作用于建筑物上的有效作用力大約為10kN。國外用這種方法曾在一座15層鋼筋混凝土建筑上取得振動(dòng)記錄，獲得結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼系數(shù)。3.9環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)激振法（脈動(dòng)法）

環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)激振法也稱脈動(dòng)法。建筑物經(jīng)常處于微小的而不規(guī)則的振動(dòng)中。這種微小而不規(guī)則的振動(dòng)來源于微小的地震活動(dòng)以及諸如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，車輛來往等人為擾動(dòng)的原因，使地面存在著連續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)幅值極為微小，而它所包含的頻譜是相當(dāng)豐富的，故稱為地面脈動(dòng)。由地面脈動(dòng)激起建筑物經(jīng)常處于微小而不規(guī)則的振動(dòng)中，通常稱為建筑物脈動(dòng)?？梢岳眠@種脈動(dòng)現(xiàn)象來分析測定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。3.10荷載支承設(shè)備和試驗(yàn)臺(tái)座3.10.1支座支座是支承結(jié)構(gòu)、正確傳遞作用力和模擬實(shí)際荷載圖式的設(shè)備，通常由支座和支墩組成。支座：一般用鋼制作，常用的構(gòu)造形式如圖3-23常用的支座構(gòu)造形式支座與支墩活動(dòng)鉸支座；滾動(dòng)鉸支座；固定鉸支座；固定鉸支座。對(duì)鉸支座的基本要求：

1.保證結(jié)構(gòu)在支座處能自由轉(zhuǎn)動(dòng)；

2.保證結(jié)構(gòu)在支座處力的正確傳遞；

3.本身并有足夠的強(qiáng)度和剛度儲(chǔ)備。支墩：常用鋼或鋼筋混凝土制作，現(xiàn)場試驗(yàn)多臨時(shí)用磚砌成。高度應(yīng)一致，并以方便觀測和安裝量測儀表為準(zhǔn)。截面大小應(yīng)能保證抗壓強(qiáng)度