第二章结构试验加载设备

第二章结构试验加载设备
双作用双出杆式液压千斤顶：
1
2
3
1
4
前工作油缸
后工作油缸
1—进出油孔；2—活塞；3—活塞杆； 4—位移传感器
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常用的液压加载设备：
手动液压加载器（千斤顶）、电动液压加载器、结构试 验机和电液伺服加载器。
手动液压千斤顶：
由手动油泵、液压千斤顶、油路和压力表组成。 装置轻便，适合人工搬运，便于现场及高空作业，但 加载能力一般不超过1000KN。
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人激振动加载法：
利用人的身体重量做与结构自振周期相近的往复运动 ，可产生较大的激振力，从而可能产生适合完成振动试验 的物体振动幅值,例如荡秋千。
环境随机振动激振法：
也叫脉动法；大气运动、河水流动、机械振动、汽车行 驶等都会产生激振力，并使结构产生各种振动，通过精密仪 器的记录和分析，就可以测定结构的动力特性。
以上的多点集中荷载。分配梁一般均为单跨简支梁形式，不 能用多跨连续梁的形式。
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3.卧梁 卧梁的作用：是将若干个加载点的集中荷载转换成
均布荷载施加于试件的端面，保证试件的受载截面获得均 匀分布的应力状态。为了保证荷载的正确传递，卧梁必须 有足够的强度和刚度。如需降低卧梁的刚度，应适当增加 集中荷载的个数。卧梁安装时与试件端面之间应平整辅设 砂浆垫层，砂浆强度不应低于试件混凝土强度等级的 50%。
柱或墙板偏心受压试验：可以通过调节螺丝来调整刀口 与试件几何中线的距离，满足不同偏心矩的要求。
短柱轴压试验：如结构试验机上下压板之一已有球铰， 则短柱两端可不设刀铰支座。
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铰支座的基本要求
①保证结构在支座处自由水平移动（滚动铰支座）和自 由转动。 ②保证结构在支座处力的传递。 ③保证结构在支承处局部受压强度。 ④滚轴长度（铰支座的长度）：一般取等于试件支承处截 面宽度； ⑤垫 板：上垫板宽度b与试件支撑宽度一致，长度L不小 于R/bfc，厚度不小于垫板宽度的1/6，且可按下式计算：
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三、液压加载
液压千斤顶的构成：
由活塞、油缸和密封装置构成。
液压千斤顶的工作原理：
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。
F=P*A F:对结构施加的荷载值； P：液压油压强； A：活塞工作面积
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根据力的产生方式不同，也可分为单作用式和双作用 式。单作用式对结构施加单向压力，用于结构静力试验； 双作用式有两个油腔和两个供油口，可用于低周反复荷载 试验。双作用式又分为单出杆式和双出杆式。
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荷载传递装置
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，同时满足荷载放大、分配和荷载作用形式 转换的要求。有杠杆、分配梁和卧梁。 1．杠杆
利用放大原理，将施加的较小荷载，经过杠杆的传递 而获得放大几倍的作用力，杠杆比例不宜大于1：6。
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2．分配梁 将单一杠杆或液压加载器产生的荷载分配成两个或两个
机械机具加载设备简单、索具加载时易改变方向。但荷载值 较小。
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气压模拟加载
1）用空气压缩机对 气包充气，给试件施加 均匀荷载。正压
2）用真空泵抽出试件 与台座围成的封闭空间的空 气，形成大气压力差对试件 施加均匀荷载。负压
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优缺点 优点：加、卸载方便，荷载稳定，构件破坏时能自动 卸载，构件外表面便于观察与安装仪表。 缺点：内表面无法直接观察。 气压加载特别适合于曲面结构加载。气压加载需要一 个对试件无约束的密封容器或气囊。
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惯性力加载法
用于对结构施加动力荷载，激发结构产生动力反应， 用来分析结构的自振频率、阻尼等动力特性参数。
有初位移法、初速度法、反冲击法和离心力法。 初位移法：
通过钢丝绳对结构构件施加拉力，使结构产生一初始 位移，然后突然释放，使结构产生自由振动。
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初速度加载法：
第二章结构试验加设备
基本要求：
(1)支敦和地基总变形量不宜超过试件挠度的1/10。 试验使用两个以上支敦时，各支敦应具有相同的刚度。
(2) 单向简支试件的两个铰支座的高差应符合设计要 求，其偏差不宜大于试件跨度的1/50。
双向板在两个跨度方向的高差和偏差应满足上述要求。 (3)连续梁各中间支敦应采用可调式支敦，按支敦反 力的大小调节支敦高度。
直接重力加载法
1）直接放在结构表面上形成均布荷载； 2）重物置于荷载盘上，通过吊盘形成集中荷载； 3）借助钢索和滑轮导向，对结构施加水平荷载； 4）大面积平板结构第二，章结可构采试验用加载水设作备 试验荷载。
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间接重力加载法
利用杠杆将荷重放大后作用在结构上。
重力加载系统优缺点 优点：设备简单、取材方便、荷载恒定及加载形式灵活。 缺点：荷载量不能很第大二，章结操构试作验笨加载重设备而费工。
利用运动重物对结构施加瞬间的水平或垂直冲击，使结构 产生初速度而获得所需的冲击荷载。
也叫突然加载法，有摆锤法和落锤法。摆锤法应防止摆锤 和建筑物有相近的自振频率。落锤法为避免重物下落后的跳动 ，可采取加砂垫层的措施。
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反冲击激振法：
也叫火箭激振，通过点燃火药，使高 温高压气体从喷管口喷出，从而给结 构施加反冲击荷载。
支墩
现场试验的支墩：多用砖块砌筑或用混凝土浇注而成， 支墩上部应有足够平整并应垫钢板。支墩本身应有足够的强 度和刚度，支承底面积要按地耐力进行复核验算，保证试验 时各支墩不发生过度的变形或不均匀沉降。在试验荷载作用 下，支墩和地基的总压缩变形不超过试件挠度的1／10。
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。
离心力加载法：
利用旋转质量产生的离 心力对结构施加简谐振动荷 载。
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当一对偏心质量按相反方向运转时，离心力将产生一 定方向的激振力。
P=mω2r m :偏心块质量 ω：偏心块旋转角速度 r ：偏心块旋转半径。
通过调整偏心转轮的位置，可产生水平或垂直的激振力。 多台同步激振器同时使用时，不但可提高激振力，还可扩大 使用范围。扭振试验、水平振动台。
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电磁加载法：
工作原理：在磁场中的通电导体受到与磁力线方向垂直的作 用力。电磁激振器就是根据这个原理制成的。
组成：电磁激振器由励磁线圈、动圈、弹簧、顶杆等组成， 可进行静、动载试验；
优点：频率范围宽、重量轻、 控制方便、可按给定信号产生多个 波形的激振力；
缺点：激振力不大、适用于小 型结构试验。
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四、其他加载技术
机械机具加载
机械加载机具：绞车、卷扬机、倒链、花篮螺丝、 螺旋千斤顶及弹簧等。
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葫芦、卷扬机、倒链葫芦、绞车和花篮螺丝等主要用于远距 离或高耸结构加载。联结滑轮组可以改变作用力的方向和拉力大 小。拉力大小通常用拉力测力计测定 。
弹簧和螺旋千斤顶：弹簧与螺旋千斤顶均适用于施加长期荷 载。螺旋千斤顶由涡轮蜗杆等组成，手动顶升采用类似普通手动 液压千斤顶。弹簧加载通过旋动螺帽，靠弹簧的弹力加压，用百 分表测其压缩变形确定其荷载。
d=(2fca2/f)1/2(a第为二章滚结轴构试中验加心载设到备垫板边缘的距离)
（2）固定支座
对于柱或框架等构件，可用螺栓直接固定于试验台座。 对于梁式构件，在实验室内可利用试验台座和拉杆锚定装 置模拟固定端支座。
柱、框架第二固章结定构支试验座加载设备
梁式构件固定端支座构造
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3）优缺点 优点：能产生较大的荷载，试验操作安全方便，加载 速度快。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。尤其是电液伺服加载系统能模拟 地震荷载、海浪波动等不同特性的动力荷载。 缺点：投资较大、维护费用高，使用受到一定限制。 4）应用 可以做静态、动态、低周疲劳和地震模拟振动台试验 及利用造波机用于海洋结构试验等。
重力加载的要求
• 加载重物的重量不随时间变化。砂、石、砖等应控制 其含水量，液体加载应有防水渗漏措施。
• 加载重物堆放时，应防止重物起拱产生卸荷作用。砂、 石等粒状材料应采用容器分装，逐级称量，规则堆放； 砖、砝码等块状材料应整齐堆放，并留空隙 （30~50mm）.
• 水作为均布荷载时，不应含泥沙。 • 称量重物的衡器，示值误差应小于±1%。
2）产生的荷载值应当明确，满足试验的准确度，除模 拟动力作用之外，荷载值应能保持相对稳定，不会随时间、 环境条件的改变和结构的变形而变化。
第二章结构试验加载设备
3）加载设备本身应有足够的承载力和刚度，并 有足够的储备，保证使用安全可靠。
4）加载设备不应参与结构工作，以致改变结构的 受力状态或使结构产生次应力。
加载、人工爆炸加载、惯性力加载、电磁系统激振、 压缩空气或真空加载、机械力加载、地震模拟振动台 等。
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二、重力加载
重力加载概念
利用物体本身的重量施加于结构作为荷载，又分为直 接重力加载和间接重力加载。
加载物体
1）实验室：标准铸铁砝码、混凝土立方试块、水等； 2）现场：砂、石、砖块等或钢锭、铸铁、废构件等。
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试验机类型
1）材料万能试验机 2）结构长柱试验机
组成：液压操纵台、大吨 位液压加载器和试验机架。
3）卧式结构试验机 4）结构疲劳试验机
组成：脉动发生系统、 控制系统和千斤顶工作系统 。
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电液伺服液压加载系统
1）系统工作原理
组成：液压源、控制系统和执行系统。
第二章 结构试验的加载设备
第二章结构试验加载设备
一、概 述
作用于工程结构上的荷载
荷载又称为作用，可分为直接作用和间接作用。
作用
直接作用
结构自重 建筑物面的活荷载 机械设备的振动荷载 桥梁上的车辆振动荷载 地震等荷载等
温度变化 间接作用 混凝土收缩
支座沉降等
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加载设备基本要求
1）试验荷载的作用，应符合实际荷载作用的传递方式 ，能使被试验结构、构件再现其实际工作状态的边界条件， 使截面或部位产生的内力与设计计算等效。
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五 结构试验荷载支承装置
支座与支敦
支座：按作用方式不同可分为滚动铰支座、固定铰支座、 球铰支座和刀口支座。铰支座一般用钢材制作。
第二章结构试验加载设备
（1）铰支座：
铰支座一般用钢材制作，其型式有滚轴式和刀铰式两种。
板梁式铰支座
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受压构件刀式铰支座
对柱或墙板的试验时，构件两端均应采用刀铰支座。刀 铰支座有单向铰和双向铰两种。双向刀铰支座适用于可能发 生双向屈曲时使用。
第二章结构试验加载设备
电动液压千斤顶：
采用电力驱动油泵，加载能力高，可达10000KN。
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大型结构试验机：
由液压操作台、液压千 斤顶、试验机架、管路系统 组成。比较典型的大型结构 试验机是结构长柱试验机， 国内普遍使用的长柱试验机 是5000kN，试件最大高度 可达6m，用以进行柱、墙板、 砌体、节点和梁的受压与受 弯试验。
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电液伺服振动台：
用来模拟地震过程或产生人工地震波。由台面和基础、 高压油源、管路系统、电液伺服作动器、模拟控制系统、计 算机控制系统和数据采集系统组成。
第二章结构试验加载设备
同济大学实验室地 震模拟振动台，台 面尺寸4mX4m，最 大试件质量25t。
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系统可将荷载、应变和位移等物理量作为控制参数， 实行自动控制。
人计算机程序或指令 模拟控制器 指令转换为电信号 开 普
环通
电液伺服阀 电信号转换为液压信号 电液伺服作
液 压
加
动器 对试件施加力、位移或应变 试件 实际工作信号 载
力、位移等传感器
系
测量反馈调节器 统
第二章结构试验加载设备
调差信号
第二章结构试验加载设备
5）应能方便调节和分级加(卸)载，易于控制加( 卸)载速率，分级值应能满足精度要求。
6）尽量采用先进技术，满足自动化的要求，减轻 劳动强度，方便加载，提高试验效率和质量。
第二章结构试验加载设备
加载设备分类
• 按荷载性质分：静力试验设备、动力试验设备。 • 按加载方法分：重力加载、普通液压加载、电液伺服