结构试验课件(第三章)讲解
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试验-02-结构实验技术讲稿静力部分1
✓ 实验室试验的支墩：用钢材或钢筋混凝土制成专 用支墩，支墩的高度一般在400～600mm，以满 足仪表安装、观测和加卸荷载的要求
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2、荷载传递装置
§3.2 试验加载系统
➢ 作用：将加载设备产生的荷载按试验荷载图式的 要求传递到试验的结构上，同时满足分配和荷载 作用形式转换的要求。有分配梁和卧梁。
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Rmax
§3.2 试验加载系统
➢ 上下垫板要有一定刚度，厚度可按下式计算：
fcl2
式中：fc—混凝土抗2压f 强度设计值 MPa；
l—板长； f —钢材计算强度。
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Rmax
§3.2 试验加载系统
➢ 滚轴选择：滚轴的长度，一般取等于试件支
承处截面宽度b，滚轴直径参照下表选用
滚轴受力 <2
16
§3.2 试验加载系统
二、液压加载 （1）工作原理：是用高压油泵将具有一定压力
的液压油压入液压加载器的工作油缸，使之 推动活塞，对结构施加荷载。荷载值由油压 表示值和加载器活塞受压底面积求得，也可 由液压加载器与荷载承力架之间所置的测力 计直接测读。 （2）常见形式：手动液压加载器；单作用液压 加载器；双作用液压加载器。
常用几种支座的形式
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Rmax
§3.2 试验加载系统
铰支座设计
➢ 上下垫板尺寸应分别按试验和支墩局部承压考虑， 梁类构件，上垫板宽度不应小于梁的底面宽度。 垫板长度按下式计算：
l Rmax b fc
式中： Rmax ——最大支座反力； b ——上垫板宽度；
fc ——试件材料抗压强度设计值 MPa
本章主要讲述内容为： ➢ 静载加载系统：加载设备、装置及加载方法 ➢ 静载量测系统：量测仪器和量测方法 ➢ 常见结构静载试验方法：梁板、柱、桁架、墙体
第三章结构静载试验(加载设备)汇总
1.2-2.1液压加载器
是液压加载设备中的一个主要部件。原 理是用高压油泵将具有一定压力的液压油压 入液压加载器的工作油缸，推动活塞，对结 构施加荷载。
手动千斤顶加载器
单向加载器
3-2.2液压加载系统
液压加载器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 门组成的操纵台通过高压油管连接而成。
用初位移加载法施加冲击力荷载
初速度加载法（突加荷载法）
反冲激振法（火箭激振）
1、一般装在建 筑物顶部；质 心的轴线上； 2、进行扭振试 验； 3、多振型测量 （布置多个） 反冲力：0.1～ 0.8kN，1～ 8kN 共8种。
液压加载系统
§3-2.3大型结构试验机
一种比较完善的液压加载系统。是结构试验 室内进行结构试验的一种专门设备，比较典型的 是结构长柱试验机。
在国内最大吨位5000kN，试件最大高度可达 3m；国外：日本大型结构构件万能试验机的最 大压缩荷载为30000kN，最大抗拉荷载为 10000kN，高度达22.5m，可进行15m构件受压 试验；
4）加载装置本身要安全可靠，不仅要满足 强度要求，还必须按变形条件来控制加载装 置的设计，即尚必须满足刚度要求。防止对 试件产生卸荷作用而减轻了结构实际承担的 荷载； 5）加载设备要操作方便，便于加载和卸载, 并能控制加载速度，又能适应同步加载或先 后加载的不同要求； 6）试验加载方法要力求采用现代化先进技 术，减轻体力劳动，提高试验质量。
3.4 惯性力加载法
在结构动力试验中，利用物体质量在 运动时产生的惯性力对结构施加动力荷 载。 3.4.1冲击力加载 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 适于进行结构动力特性试验。
3.4.1.1初位移加载法
《结构试验图文并茂》课件
总结和问题解答
总结本课程的要点，并回答学员提出的问题，加深对结构试验的理解和应用。
试验室设备和材料
介绍结构试验室常用的设备和材料，包括负荷框架、传感器、试件材料等。
试验步骤和数据采集
详细说明结构试验的步骤和数据采集方法，包括试验前的准备、测量技术、数据记录等。
数据分析处理和结果展示
介绍结构试验数据的分析处理方法，并展示结果的方式，如图表、统计数据 等。
案例分析
通过实际案例，展示结构试验的应用领域和成果，并分析其中的关键问题和 解决方法。
《结构试验图文并茂 PPT课件
本课件将帮助您了解结构试验的基本原理、试验室设备和材料、试验步骤和 数据采集、数据分析处理和结果展示、案例分析，以及总结和问题解答。
课程介绍
本节将介绍本课程的目标和内容，让您了解结构试验的重要性，并为后续章 节做好准备。
试验的基本原理
本节将解释结构试验的基本原理，包括受力分析、载荷应力曲线等关键概念。
(结构试验)第三章结构试验加载方法与设备
2020/7/8
14
3.2 静力加载方法
大型结构试验机
大型结构试验机是结构 试验室内进行大型结构 试验的专门设备，比较 典型的是结构长柱试验 机，用以进行柱、墙板 、砌体、节点与梁的受 压与受弯试验。试验机 由液压操纵台、大吨位 的液压加载器和机架三 部分组成。
2020/7/8
15
3.2 静力加载方法
这类加载装置的优点是试验用的重物容易取得，并可重复使 用，但加载过程中需要花费较大的劳动力。
2020/7/8
5
利用水作为重力加载用的荷载装置，是一个简易方便而且甚 为经济的方案。对于大面积的平板试验，如楼面、平屋面等 钢筋混凝土结构可以采用特殊的盛水装置作为均布荷载直接 加于结构表面。
在现场试验水塔、水池、油库等特种结构时，水是最为理想 的试验荷载，它不仅附合结构物的实际使用条件，而且还能 检验结构的抗裂抗渗情况。
➢电液伺服系统在试验加载设备中得到广泛应用后，为结构 动力试验模拟地震荷载、海浪波动等不同特性的动力荷载创 造了有利条件，使动力加载技术发展到了一个新的高度。
2020/7/8
13
3.2 静力加载方法
大型结构试验机
大型结构试验机是结构 试验室内进行大型结构 试验的专门设备，比较 典型的是结构长柱试验 机，用以进行柱、墙板 、砌体、节点与梁的受 压与受弯试验。试验机 由液压操纵台、大吨位 的液压加载器和机架三 部分组成。
第三章 结构试验加载方法与 设备
School of Urban Construction and Management
2020/7/8
1
3.2 静力加载方法 重力直接加载法
重物荷载可直接堆放于结构表面（如板的试验）形成均布荷 载，或置于荷载盘上通过吊杆挂于结构上形成集中荷载。
结构试验教学课件 本课程重点归纳
2020/4/25
20
三、结构试验加载方法与设备
4. 荷载支承装置
试验荷载支承装置是满足试验荷载设计、实现荷载图式、结构受力和边界条
件要求以及保证试验加载正常进行的关键之一。
支座 铰支座要求： 1、保证试件在支座处能自由转动。 2、保证试件在支座处可将力良好传 递。 3、试件支座处铰的上线垫板要有一 定得刚度。
b.制订结构设计规范和标准。
2020/4/25
5
一、绪论
2. 结构试验的分类
结
按试验目的分类
构 试
按试验对象分类
验 分
按荷载性质分类
类
按试验时间分类
按试验场合分类
(1) 原型试验
原型试验的试验对象是实际结构或是按实 物结构足尺复制的结构或构件。
对于实际结构试验一般均用于生产鉴定性 试验。例如核电站安全壳加压整体性的试 验，工业厂房结构的刚度试验、楼盖承载 能力试验以及桥梁在移动荷载下的动力特 性试验等均在实际结构上加载量测
模型是仿照原型（真实结构）并按照一定 比例关系复制而成的试验代表物，它具有 实际结构的全部或部分特征。设计制作及 试验是根据相似理论，用适当的比例和相 似材料制成与原型几何相似的试验对象， 在模型上施加相似力系（或称比例荷载） ，使模型受力后重演原型结构的实际工作 ，最后按照相似理论由模型试验结果推算 实际结构的工作。目前在试验室内进行的 大量结构试验均属于这一类。
直接作用分类
结构试验除极少数是在实际荷载下实测外，绝大多数是在模拟荷载条件下进 行的。
2020/4/25
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三、结构试验加载方法与设备
1. 概述
1.2 加载要求 在选择试验荷载和加载方法时，应满足下列几点要求： (1)选用试验荷载的图式应与结构设计计算的荷载图式所产生的内力值相一致
杨晓明建筑结构试验第三章结构静载试验
4 K U U 1234
“邻臂相减，对臂相加”
2019/11/13
29
应变测试技术——电阻应变片
有时只在电桥的AB和BC端接应变片，而在AD 和DC端接应变仪内部的两个阻值相等的标准电 阻。这种接线法称为半桥接线法。
4 K U U 1234
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• 把导线用绝缘胶带固定在构件上，再一次检查应变片质量
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• 在应变片周围涂上单分子硅胶或石蜡（防潮需要）
• 涂胶或石蜡前也要清洁表面
2019/11/13
49
• 硅胶固化后应变片粘贴工作完毕
• 在连接应变仪前再次检查应变片的阻值和绝缘情况
2019/11/13
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主要内容
1 静载试验的加载设备 2 试验装置的支座设计 3 应变测试技术 4 静载试验的测试仪器 5 静载试验实例
30
应变测试技术——电阻应变片
温度补偿技术
粘贴在试件测点上的应变计所反映的应变值，除了 试件受力的变形外，还包含试件与应变计受温度 影响而产生的变形和由于试件材料与应变计的温 度线膨胀系数不同而产生的变形等。这种变形不 是荷载效应，一般采用温度补偿方法加以消除。
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L
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ΔLC ΔLF
2019/11/13
53
静载试验的量测仪器
倾角传感器
2019/11/13
54
静载试验的量测仪器
测力传感器
2019/11/13
55
静载试验的量测仪器
裂缝量测仪器
2019/11/13
电阻应变突变点； 放大镜观测法
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主要内容
1 静载试验的加载设备 2 试验装置的支座设计 3 应变测试技术 4 静载试验的测试仪器 5 静载试验实例
结构试验课件.共36页文档
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
结构试验课件.
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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建筑结构试验-03静载①
第三章 结构静载试验
静载试验的加载设备
② 用水作均布荷载直接作用于结构上： （适合于大面积平板等结构试验，尤其适用于水塔、水池 等结构的现场荷载试验） 要点： o 对变形较 大的构件， 应慎用。 o 同时可检 验构件抗裂、 抗渗。
第三章 结构静载试验
静载试验的加载设备
重物用作集中荷载 ① 利用荷载盘、吊杆等在结构上形成集中荷载： （适合于现场做屋架、小梁等荷载试验）
静载试验的加载设备
——电液伺服加载系统 ——电液伺服加载系统
是一种采用闭环控制的先进的液压加载设备，可以按 输入讯号通过计算机或模拟控制正确模拟结构所受的真实 荷载，广泛应用于结构的伪静力、拟动力和结构动力加载 试验。 系 系系系
电 电 电电电电电
控 控系系
电 液液
第三章 结构静载试验
静载试验的加载设备
第三章 结构静载试验
静载试验的加载设备
——试验台座： ——试验台座： 是试验室内永久性的固定设备，用以平衡施加在试验 结构物上的荷载所产生的反作用力。 结构形式——厚度1 结构形式——厚度1米以上的劲性钢筋混凝土结构； 台面形式——槽道式、地锚式、穿孔式、组合式。 台面形式——槽道式、地锚式、穿孔式、组合式。
动电结结
静载试验——静力荷载试验 ——静力荷载试验
研究和评价结构在静力荷载作用下的力学性能，也是研究 结构抗震性能的重要试验手段之一。 结构抗震性能的重要试验手段之一 静力单调加载试验——一般结构静载试验。在不太长的时 静力单调加载试验——一般结构静载试验。在不太长的时 间内，完成试验荷载从零开始一直加至结构破坏的全过程。 间内，完成试验荷载从零开始一直加至结构破坏的全过程。 常用于研究在模拟静荷载作用下结构或构件的强度(稳定) 常用于研究在模拟静荷载作用下结构或构件的强度(稳定)、 刚度、抗裂性等基本性能和破坏机制。 刚度、抗裂性等基本性能和破坏机制。 伪静力加载试验——低周反复加载试验。是以控制荷载或 伪静力加载试验——低周反复加载试验。是以控制荷载或 控制变形由小到大，周期反复作用于结构的静力荷载试验。 控制变形由小到大，周期反复作用于结构的静力荷载试验。 以此模拟地震对结构的作用，由荷载变形关系获得结构的恢 以此模拟地震对结构的作用，由荷载变形关系获得结构的恢 复力特性。 复力特性。 拟动力加载试验——计算机— 拟动力加载试验——计算机—加载器联机试验。由计算机 按输入的地震记录和结构反应，闭环控制加载器完成模拟结构 按输入的地震记录和结构反应，闭环控制加载器完成模拟结构 在地震作用下的动力反应的一种静力试验方法。 在地震作用下的动力反应的一种静力试验方法。
静载试验的加载设备
② 用水作均布荷载直接作用于结构上： （适合于大面积平板等结构试验，尤其适用于水塔、水池 等结构的现场荷载试验） 要点： o 对变形较 大的构件， 应慎用。 o 同时可检 验构件抗裂、 抗渗。
第三章 结构静载试验
静载试验的加载设备
重物用作集中荷载 ① 利用荷载盘、吊杆等在结构上形成集中荷载： （适合于现场做屋架、小梁等荷载试验）
静载试验的加载设备
——电液伺服加载系统 ——电液伺服加载系统
是一种采用闭环控制的先进的液压加载设备，可以按 输入讯号通过计算机或模拟控制正确模拟结构所受的真实 荷载，广泛应用于结构的伪静力、拟动力和结构动力加载 试验。 系 系系系
电 电 电电电电电
控 控系系
电 液液
第三章 结构静载试验
静载试验的加载设备
第三章 结构静载试验
静载试验的加载设备
——试验台座： ——试验台座： 是试验室内永久性的固定设备，用以平衡施加在试验 结构物上的荷载所产生的反作用力。 结构形式——厚度1 结构形式——厚度1米以上的劲性钢筋混凝土结构； 台面形式——槽道式、地锚式、穿孔式、组合式。 台面形式——槽道式、地锚式、穿孔式、组合式。
动电结结
静载试验——静力荷载试验 ——静力荷载试验
研究和评价结构在静力荷载作用下的力学性能，也是研究 结构抗震性能的重要试验手段之一。 结构抗震性能的重要试验手段之一 静力单调加载试验——一般结构静载试验。在不太长的时 静力单调加载试验——一般结构静载试验。在不太长的时 间内，完成试验荷载从零开始一直加至结构破坏的全过程。 间内，完成试验荷载从零开始一直加至结构破坏的全过程。 常用于研究在模拟静荷载作用下结构或构件的强度(稳定) 常用于研究在模拟静荷载作用下结构或构件的强度(稳定)、 刚度、抗裂性等基本性能和破坏机制。 刚度、抗裂性等基本性能和破坏机制。 伪静力加载试验——低周反复加载试验。是以控制荷载或 伪静力加载试验——低周反复加载试验。是以控制荷载或 控制变形由小到大，周期反复作用于结构的静力荷载试验。 控制变形由小到大，周期反复作用于结构的静力荷载试验。 以此模拟地震对结构的作用，由荷载变形关系获得结构的恢 以此模拟地震对结构的作用，由荷载变形关系获得结构的恢 复力特性。 复力特性。 拟动力加载试验——计算机— 拟动力加载试验——计算机—加载器联机试验。由计算机 按输入的地震记录和结构反应，闭环控制加载器完成模拟结构 按输入的地震记录和结构反应，闭环控制加载器完成模拟结构 在地震作用下的动力反应的一种静力试验方法。 在地震作用下的动力反应的一种静力试验方法。
《建筑结构试验》课件
试验； 9 1977年，“建筑结构测试技术的研究”八年规划； 9 上世纪80年代以来，随着大型高精度试验装置和数采
系统的应用，标志着我国结构试验达到一个新水平。
9
建筑结构试验
结构试验的发展趋势：
9 大型化、体系化； 9 精密性，包括试件设计、加载、测试； 9 计算机联机试验。
我校的结构试验建设情况：
16
建筑结构试验
静力试验与动力试验：
9 静力试验
♦ 单调静力试验、低周反复静力试验等 ♦ 优点：加载设备简单，试验观测方便 ♦ 缺点：不能反映结构动力性能
9 动力试验
♦ 振动台试验、疲劳试验、风载试验等 ♦ 优点：能真实反映结构的动力特性和动力响应 ♦ 缺点：加载设备和测试手段复杂
17
建筑结构试验
9 共有六个试验室； 9 静力、拟动力、振动台、抗火、风洞、耐久性。
10
结构试验的任务：
9 定义：课本P1－2
P
P
Δ
应变片
建筑结构试验
P－Δ曲线（构件） M－φ关系（截面） 承载力、挠度、裂缝 平截面假定验证
11
建筑结构试验
结构试验的目的：
9 生产性试验（又称鉴定性试验或检验性试验） 9 科研性试验
2
结构试验设计
建筑结构试验
试件设计
加载方案
荷载设备
测试方案
数据采集和测 量仪器
3
建筑结构试验
课时安排
第一章 结构试验概论
（2课时）
第三章 结构试验的荷载设备
（2课时）
第四章 结构试验的数据采集和测量仪器 （2课时）
第二章 结构试验设计
（4课时）
第五章 结构单调加载静力试验
（2课时）
系统的应用，标志着我国结构试验达到一个新水平。
9
建筑结构试验
结构试验的发展趋势：
9 大型化、体系化； 9 精密性，包括试件设计、加载、测试； 9 计算机联机试验。
我校的结构试验建设情况：
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建筑结构试验
静力试验与动力试验：
9 静力试验
♦ 单调静力试验、低周反复静力试验等 ♦ 优点：加载设备简单，试验观测方便 ♦ 缺点：不能反映结构动力性能
9 动力试验
♦ 振动台试验、疲劳试验、风载试验等 ♦ 优点：能真实反映结构的动力特性和动力响应 ♦ 缺点：加载设备和测试手段复杂
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建筑结构试验
9 共有六个试验室； 9 静力、拟动力、振动台、抗火、风洞、耐久性。
10
结构试验的任务：
9 定义：课本P1－2
P
P
Δ
应变片
建筑结构试验
P－Δ曲线（构件） M－φ关系（截面） 承载力、挠度、裂缝 平截面假定验证
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建筑结构试验
结构试验的目的：
9 生产性试验（又称鉴定性试验或检验性试验） 9 科研性试验
2
结构试验设计
建筑结构试验
试件设计
加载方案
荷载设备
测试方案
数据采集和测 量仪器
3
建筑结构试验
课时安排
第一章 结构试验概论
（2课时）
第三章 结构试验的荷载设备
（2课时）
第四章 结构试验的数据采集和测量仪器 （2课时）
第二章 结构试验设计
（4课时）
第五章 结构单调加载静力试验
（2课时）
结构试验3
图3-3 杠杆加载方法 1－试件；2－重物；3－支座；4－支墩；5－荷载盘；6－分配梁支座； 7－分配梁；8－加载支点；9－杠杆；10－荷载支架；11－杠杆平衡重
§3.2 重力加载法
二、杠杆加载法：
杠杆加载的放大率，即杠杆总长与加荷点到施力点长度之比 ，常用放大率为3至5倍。过大的放大率保证不了这个荷载比 的准确。在用杠杆加荷的时候要注意两个问题：一是事先必 须把这个杠杆保持水平，如果不水平，那么就会对试件有一
§3.3 液压加载法
液压加载是结构试验中应用比较普遍和理想的一种加载 方法。它最大优点是利用油压使液压加载器产生较大的荷 载，试验操作安全方便，特别是对于大型结构构件试验当 要求荷载点数多、吨位大时更为合适。尤其是电液伺服系 统在试验加载设备中得到广泛应用后，为结构动力试验模 拟地震荷载等不同特性的动力荷载创造了有力条件,使动力 加载技术发展到了一个新水平。 在用液压加载的装置当中，必须要有一个承力的装置 ，叫做承载架，或者叫做加荷架。它要承受加载器的反力 ，这个加载器一方面给试件加力，同时承受反力，最后传 递到试验台上去。 液压加载法主要包括液压千斤顶，液压加载系统，大型 结构实验机，电液伺服液压加载系统。
图3-4 杠杆加载方法 1－试件；2－重物；3－支座；4－支墩；5－荷载盘；6－分 配梁支座；7－分配梁；8－加载支点；9－杠杆；10－荷载支 架；11－杠杆平衡重
§3.2 重力加载法
水平力的作用，容易失去稳定，发生危险。另外试件变形比 较大的时候，(假如做一个屋架，它的变形就可能倾斜了) 又会产生一个水平的推力，因此，要求后面这个拉杆应该是 可以调节的，可以通过螺旋来调节长度，随着这个试件变形 的增加，需要把拉杆调短，随时的保持这个杠杆的水平，否 则在试验过程中容易出现危险。
第三章：结构风洞试验的相似理论
z 表征流体压力和惯性力之比 z 无量纲风压系数即为欧拉数 ，模型的值可直接应用到原型上
¾ 柯西数（Cauchy number）Ca
Ca= ED 2/(ρU 2D 2) = E/(ρU 2) z 也称弹性参数，它是表征结构弹性力和流动惯性力之间比值
¾ 结构阻尼比 ξ
z 结构的阻尼也是影响振动响应的一个重要参数
⎛ tU n0 B ρ B 2 H D H ⎞ x = f ⎜ ,ζ , , , , ⎟ 2M B B ⎠ B U ⎝ B
z 相似准则：ζ、tU/B、n0B/U、ρB2H/(2M)、D/B 、H/B，Cf 和 x/B z Cf 和 x/B为由非单值条件无量纲组合数，模型值可直接用于原型
结构抗风试验
三：结构风洞试验的相似理论
结构抗风试验
三：结构风洞试验的相似理论
3.1 相似理论的基本概念及定理
3.1.1流动相似的定义：流动相似五大要素（续）
z 运动相似 @ 定义：在两个几何相似的流动中，流体微团流过任意对应流线的
时间比值为一常数 @ 两个流场的速度场、加速度场的几何相似
@ 所有对应点之间的速度和加速度之比保持一致 z 质量相似 @ 定义：在两个几何相似的流动中，对应点上的密度之比为常值 z 动力相似 @ 定义：在两个几何相似的流动中，对应点上的流体微团所受到的
z 引入无量纲坐标x*=x/B和无量纲时间t*=tU/B，则得无量纲方程：
d 2 x* dt *
2
n0 B dx* 2 ⎛ n0 B ⎞ 2 x π + 4πζ + = Cf 4 ⎜ U ⎟ U dt * ⎝ ⎠
2
⎛ ρ B2 H ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 2M ⎠
z 空气动力学ÆCf 是 D/B和H/B的函数
¾ 柯西数（Cauchy number）Ca
Ca= ED 2/(ρU 2D 2) = E/(ρU 2) z 也称弹性参数，它是表征结构弹性力和流动惯性力之间比值
¾ 结构阻尼比 ξ
z 结构的阻尼也是影响振动响应的一个重要参数
⎛ tU n0 B ρ B 2 H D H ⎞ x = f ⎜ ,ζ , , , , ⎟ 2M B B ⎠ B U ⎝ B
z 相似准则：ζ、tU/B、n0B/U、ρB2H/(2M)、D/B 、H/B，Cf 和 x/B z Cf 和 x/B为由非单值条件无量纲组合数，模型值可直接用于原型
结构抗风试验
三：结构风洞试验的相似理论
结构抗风试验
三：结构风洞试验的相似理论
3.1 相似理论的基本概念及定理
3.1.1流动相似的定义：流动相似五大要素（续）
z 运动相似 @ 定义：在两个几何相似的流动中，流体微团流过任意对应流线的
时间比值为一常数 @ 两个流场的速度场、加速度场的几何相似
@ 所有对应点之间的速度和加速度之比保持一致 z 质量相似 @ 定义：在两个几何相似的流动中，对应点上的密度之比为常值 z 动力相似 @ 定义：在两个几何相似的流动中，对应点上的流体微团所受到的
z 引入无量纲坐标x*=x/B和无量纲时间t*=tU/B，则得无量纲方程：
d 2 x* dt *
2
n0 B dx* 2 ⎛ n0 B ⎞ 2 x π + 4πζ + = Cf 4 ⎜ U ⎟ U dt * ⎝ ⎠
2
⎛ ρ B2 H ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 2M ⎠
z 空气动力学ÆCf 是 D/B和H/B的函数
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3.1.2杠杆加载方法
现场试验时,杠杆反力支点可用重物、桩、墙洞或反弯梁等作支承（图3.1.5)
杠杆加载注意事项
用重物加载进行破坏试验时,应特别注 意安全。在加载试验结构的底部均应有保护 措施,防止倒塌造成事故
3.2气压加载：正压加载
气压加载分为正压加载和负压加载两种。图3.2.1a为正压加载示意图, 正压加载是利用压缩空气的压力对结构施加荷载。
正压加载对加均布荷载特别有利,直接通过压力表就可反映加载值,加卸载方便,并可产 生较大的荷载,可达到50~100KN/m2,一般应用于模型结构试验较多。
3.2气压加载：负压加载
用真空泵将空气抽走形成真空，结构外表面受到大气压的作用形 成均布荷载，由真空度可得出荷载值。负压加载适用于壳体结构
试验,缺点是安装量测仪表受到限制,观测裂缝不方便等 .
1、冲击力加载
(2)初速度加载法：初速度加载法也称突加荷载法。如图3.5.2所示
,利用摆锤或落重的方法使结构在瞬时内受到水平或垂直的冲击,产生一个初速度, 同时使结构获得所需的冲击荷载。这时作用力的总持续时间比结构的有效振型 的自振周期短些,所引起的振动是整个初速度的函数,而不是力的函数.
模拟地震振动台的构成
2.液压驱动和动力系统：液压驱动系统是 向振动台施加巨大推力的设备。目前,世界 上已经建成的大中型模拟地震振动台,基本 是采用电液伺服系统来驱动,它在低频时能 产生巨大的推力。根据输入信号(周期波或 地震波),由电液伺服阀控制进入作动器的液 压油流量的大小和方向,从而由作动器推动 台面能在垂直轴或水平轴方向上产生正弦运 动或随机运动。
电液伺服加载系统构成
3.液压源：为整个试验系统提供液压动力。电液伺服作动器为
高精度加载设备,对液压源有很高的技术要求。1、要保持液压油的压力 和流量工作稳定,2、对供电有一定的要求, 要有安全保护环节及其监测 仪表以保证液压源的安全运行。3、电液伺服加载系统所用液压油的洁 净程度要高,在供油管路和回油管路都装有过滤器,这主要是为了保证作 动器上的电液伺服阀能够安全可靠地工作。4、液压源上都配有冷却器： 液压源在运行过程中需要不断地进行冷却,以保持油温在额定温度范围之 内,否则液压油的温度升高,会造成设备的损坏和液压油的失效,尤其是动 态加载试验时液压油的温度上升情形更为严重。5、液压源配有冷却水 供给系统，因为液压油的冷却是通过热交换器来完成的。
3.4液压加载
目前最常用的试验加载方法。利用油压使液压千斤顶产生较大荷 载。由油泵、油管系统、千斤顶、加载控制台、加载架和试验台 座等组成,如图3.4.1所示。
3.4.1液压加载千斤顶
液压千斤顶通常为加载而专门设计制造,具有较高的精度,分为 手动油泵供油和电动油泵供油两种,如图3.4.2所示。
液压千斤顶的工作压力在40~100MPa，配置油路稳压器以使结构产生较大变 形时能够保持所需荷载值。高压油经三通可同时给多个千斤顶供油可施加同步荷 载。拉压双作用千斤顶配置换向阀可施加低周反复荷载。
3.1.1重物直接加载
作集中荷载
置于荷载盘上通过吊杆挂在结构上形成集中荷载 (图3.1.2), 计入吊杆与荷载盘的试验（图3.1.3）, 直接用自来水管放 水,水的相对密度为1,从标尺上的水深就可知道荷载值的大小。
3.1.1重物直接加载 用水作均布荷载
电液伺服闭环控制是以电参量(通常是指控 制器发出的电压信号,其波形、频率和幅度 的设定值由要求的荷载值和位移量来确定) 通过伺服阀去控制高压油的流量,推动液压 作动器执行元件(千斤顶的活塞)对试件施加 荷载。
电液伺服加载系统工作原理
另一方面,传感器检测出的加载试件的某一力学参 量(位移、荷载、应变),经传感器转换后以电参量的方 式作为反馈信号在比较器中随时与设定的控制电参量 进行比较,得出的差值信号经调整放大后控制电液伺服 阀再推动液压作动器执行元件,使其向消除差值的方向 动作。
卸载时,可采用虹吸管原理放水卸载。比较方便,特别适用于网架 结构和平板结构加载试验。其缺点是全部承载面被水掩盖,不利于 布置仪表和观测。当结构产生较大变形时,要注意水荷载的不均匀 性所产生的影响。
3.1.2杠杆加载方法
3.1.2杠杆加载方法
重物作集中荷载试验时,常采用杠 杆原理将荷载值放大,如图3.1.4所示。 杠杆应有足够的刚度,杠杆比≤5。三 个支点在同一直线上,保持荷载稳定、 准确。避免因结构变形、杠杆倾斜而 导致杠杆放大,比例失真。
机具加载的适用情况
弹簧加载采用千分表量测弹簧的压缩长度 的变化量确定弹簧的加载值,弹簧变形与力值的 关系一般通过压力试验机标定来确定。加载时, 承载力较小的弹簧可直接拧紧螺帽施加压力,承 载力很大的弹簧则需借助于液压加载设备加压 后再拧紧螺帽。当结构产生变形时会自动卸载, 应及时拧紧螺帽调整压力,保持荷载不变 。
模拟地震振动台的构成
4.测试和分析系统：测试系统一般是测量位移、加
速度和应变等参数,总通道数可达百余点。位移测量多 数采用差动变压器式和电位计式的位移计,可测量模型 相对于台面的位移；加速度测量采用应变式加速计， 压电式加速度计，近年来也采用差容式或伺服式加速 度计 数据的采集在直观式示波器或磁带记录器上将反映的 时间历程记录下来,或经过模数转换送到数字计算机储 存,并进行分析处理。模型的破坏过程可采用摄像机进 行记录 .
现场：砖、砂、石和袋装水泥等建筑材料。
加载方式：1、直接加在试验对象上,
象上。
2、通过杠杆系统间接加在试验对
3.1.1重物直接加载
重物荷载直接堆放于结构表面作为均布荷载(图3.1.1)
重物直接加载应注意的问题
重物直接加载应注意的问题:1、当采用铸铁 砝码、砖块、袋装水泥等作为均布荷载时,应注意 重 物 尺 寸 和 堆 放 距 离 ( 图 3.1.1);2 、 当 采 用 砂 、 石等松散颗粒材料作为均布荷载时,切勿连续松散 堆放,宜采用袋装堆放,以防止砂石材料摩擦角引起 的拱作用;3、当环境湿度不同时,可能引起砂石重 量随含水率而变化,造成荷载值的不稳定。
3.5动力加载法—3.5.1惯性力加载法
惯性力加载法是在结构动力试验中,利 用物体质量在运动时产生的惯性力对结构施 加动荷载。因此,按产生惯性力的方法通常 将其分为冲击力加载法、离心力加载法和直 线位移惯性力加载法。
3.5.1惯性力加载法
1、冲击力加载：特点是荷载作用时间极为短促, 在它的作用下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。 冲击力加载方法有初位移法和初速度法两种：
3.3机械机具加载
机械机具加载设备：由绞车、卷扬机、倒链葫芦、螺旋千斤顶和弹簧 等组成。
机具加载的适用情况
绞车、卷扬机、倒链葫芦等主要用于对远距离或高耸结构物施加拉力。 连接定滑轮可以改变力的方向,连接滑轮组可以提高加载能力,连接测力计或 拉力传感器可以测量其加载值。
机具加载的适用情况
螺旋千斤顶和弹簧均适用于长期荷载试验,产生的荷载相对比 较稳定。螺旋千斤顶是利用涡轮涡杆机构传动的原理加力,使用时 需要用力传感器测定其加载值,设备简单,使用方便。
模拟地震振动台
液压动力系统是一个巨大的液压功率 源,能供给作动器所需要的高压油,满足巨大 推力和台身运动速度的要求。目前建成的振 动台中都配有大型蓄能器组,根据蓄能器容 量的大小使瞬时流量可为平均流量的1~8 倍,它能产生具有极大能量的短暂突发力,更 好的模拟地震作用 。
模拟地震振动台的构成
3.控制系统：模拟地震振动台的控制系统主要由模拟控制
图3.5.1 用张拉突卸法对结构施加冲击力荷载 1-结构物 2-钢丝绳 3-铰车 4-钢拉杆 5-保护索
（1）初位移加载法
对于小模型则可采用图3.5.1b所示的方法,使悬挂的重物通过 钢丝对模型施加水平拉力,剪断钢丝造成突然卸载。这种方法的优 点是结构自振时荷载已不存在,对结构没有附加质量的影响,但仅 适用于刚度不大的结构。为防止结构产生过大的变形,加载的数量 必须正确控制,经常是按所需的最大振幅计算求得。加载时应防止 由于加载作用点的偏差而使结构在另一平面内同时振动产生干扰。
3.4.3电液伺服加载系统
电液伺服加载系统主要是由电液伺服作动器(伺服千斤顶)、控制系统和液压源 三大部分组成,如图3.4.4所示。它可以将荷载、应变和位移等不同力学参量直接 作为控制参量,实行自动控制,并在试验过程中进行控制参量的转换 。
电液伺服加载系统工作原理
电液伺服加载系统采用电液伺服阀进行闭环控制。
和数字控制两部分组成。模拟控制方法又分为两种。一种是采用位移 反馈控制的PID控制方法,同时利用压差反馈作为提高系统稳定的补偿, 德国SCHENCK公司就是采用这种控制方法;另一种方法是将位移、 速度和加速度共同进行反馈的三参量反馈控制方法,美国MTS公司就 是采用这种控制方法。数字控制目前采用计算机进行数字迭代的补偿 技术进行控制,实现台面地震波的再现。试验时,振动台台面输出的波 形是期望再现的某个地震记录或是模拟设计的人工地震波。由于包括 台面、试件在内的系统的非线性影响,在计算机给台面的输入信号激励 下所得到的反应与输出的期望之间必然存在误差。这时,计算机由台面 输出信号与系统本身的传递函数(频率响应)求得下一次驱动台面所需 的补偿量和修正后的输入信号。经过多次迭代,直至台面输出反应信号 与原始输入信号之间的误差小于预先给定的值,完成迭代补偿并得到满 意的地震波形。
2.控制系统：控制系统由液压控制器、电参量
信号控制器、绘图仪和计算机四部分组成。其中,液压 控制器控制液压源的启动和关闭;电参量信号控制器主 要控制荷载、位移和应变等参量的转换,还有极限保护 以免开环失控等功能;绘图仪主要对试件的各阶段受力 与变形的变化规律进行实时直观显示；计算机主要对 电信号控制器和绘图仪进行实时控制 。
土木工程结构试验与检测
第三章 加载设备与试验装置
产生模拟荷载的方法
利用加载设备和试验装置产生模拟荷载. 用于结构试验的加载设备：重物、气压、机 械机具、液压、动力激振及与它们相匹配的