建筑结构试验教案

建筑结构试验实验计划
《建筑结构试验》课程是建筑结构工程专业的大学生必须掌握的一门专业知识。

随着我国建筑结构工程的迅速发展，结构试验在建筑结构工程质量的评定、设计方法的验证等方面发挥着愈来愈大的作用，建筑结构工程专业的大学生必须掌握结构试验的基本理论和基本技术，在试验技能方面得到初步训练，以适应未来工作的需要。

一.实验教学的指导思想和教学目的
1、指导思想
建筑结构试验这门课程是建筑工程专业本科生必修的专业课，通过课程和实验教学使学生掌握建筑结构及其构件静、动力实验的基本方法，了解常用实验加载设备及测量仪器的工作原理及使用方法，为学生今后从事科学实验研究工作提供必要的基础知识。

2、教学目的
实验教学是进行建筑结构课程学习的一个重要环节。

通过实验教学使学生加深理解建筑结构试验的基本原理和方法，熟悉结构试验的规程及试验设备、仪器的操作技术，培养学生动手能力及试验设计能力。

二. 实验教学的基本要求
1.要求学生掌握静载试验的分级加载制度、熟悉静载试验过程及常用的加载设备；
2.要求学生掌握静态应变测量、位移测量和荷载测量方法，掌握电阻应变片的特性及其与电阻应变仪的正确连接与使用；
3.要求学生掌握应用回弹仪评定混凝土抗压强度的基本操作规程；
4.要求学生掌握运用自由振动方法测定结构动力特性的试验及数据分析技术，熟悉振动测量仪器的使用。

实验项目
1.1 实验一回弹法检测混凝土抗压强度
一、试验简介
1. 回弹法简介
回弹法是一种利用标准能量为2.207J混凝土回弹仪，通过测强曲线检验结构或构件混凝土抗压强度的无损检测方法。

它具有仪器简单、操作方便、经济迅速等特点。

目前在现场混凝土抗压强度检测中应用广泛。

2.检测原理
回弹法是建立在混凝土的抗压强度f cu与回弹值R之间的函数关系基础上的。

仪器工作时，随着对回弹仪施压，弹击杆徐徐向机壳内推进，弹击拉簧被拉伸，使联接弹击拉簧的弹击锤获得恒定的冲击能量E，当仪器水平状态时，其冲击能量E可由下式计算：
E =KL2=2.207J
式中K ——弹击拉簧的刚度785.0N/m；
L —— 弹击拉簧工作时拉伸长度0.075m 。

当挂钩与调零螺钉互相挤压时，使弹击锤脱钩，于是弹击锤的冲击面与弹击杆的后端平面相碰撞，此时弹击锤释放出来的能量借助弹击杆传递给混凝土构件，混凝土弹性反应的能量又通过弹性杆传递给弹性锤，使弹性锤获得回弹的能量向后弹回，计算弹击锤回弹的距离L ′和弹击锤脱钩前距弹击杆后端平面的距离L 之比，即得回弹值R ，它由仪器外壳上的刻度尺示出。

3.检测设备
采用山东乐陵回弹仪厂生产的ZC3-A 型指针直读式回弹仪,设备编号分别为：J038-06、J038-04、J038-01、J038-02。

4.检测依据
《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》JGJ/23—2001。

二、实验目的
1.进一步理解回弹仪的工作原理。

2.初步掌握回弹仪的测试技术、数据整理及混凝土抗压强度的推定方法。

三、实验内容
对一批混凝土构件按《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T23—2001）进行测试和推定。

并与一组同条件试块的抗压试验的强度进行比较。

四、实验步骤
1.检查回弹仪是否处于标准状态。

在钢钻上进行标定：是否符合80±2度（其他检查项目省略）。

2.在试件上选择测试面，划分10个测区。

3.在每个测区上回弹16点，并作好记录。

4.测定混凝土的碳化深度。

5.在200吨试验机上作试块的抗压破坏实验，记录试块的破坏荷载。

五、实验要求
1.测试面最好选择与混凝土浇筑方向垂直的面，测试角度最好选择水平方向，否则要分别进行修正(,)s s N N N N N N αα=+∆=+∆。

2.测点要选择平整、无气孔、无露石子的地方。

测点离构件边的距离≥3cm ，测点间的距离≥2cm 。

3.测试时回弹仪的轴线与测点平面要垂直，压弹击杆要缓慢，不要施加冲击力。

4.试块的一对侧面放置在试验机上下压板中心部位，开动试验机匀速加载至试块破坏。

计算强度值。

六、数据整理及强度推定
1.每个测区16个测点的回弹数据中，舍去最大的3个和最小的3个数据，取余下10个测点回弹数据的平均值。

2.如果测试面不是混凝土浇筑方向的垂直面，回弹仪的测试角度不是水平方向时，测得的回弹值要进行相应的修正。

3.把测区平均回弹值N （经浇筑面和测试角度的修正）和碳化深度L 值代入回归方程 2.1080.03580.0249710L ni R N -=⋅，计算得到测区混凝土强度值或直接查表求得。

4.计算第一强度值和第二强度值后推定混凝土强度。

5.将推定的强度值与试块强度值进行比较。

6.测试记录、强度计算及推定均在原始记录表和强度计算表内进行，参见表9-1和表9-2。

七、实验报告
（一）实验目的：
（二）简述回弹法测定强度的一般原理：
（三）回弹法检测的原始记录，见表9-1。

（四）构件的混凝土强度计算表，见表9-2。

4
表9-2 构件混凝土强度计算表
5
1.2 实验二应变片灵敏系数的标定
一、实验目的
1.进一步理解应变片灵敏系数的含义。

2.熟悉电阻应变仪的操作过程。

二、实验内容
1.灵敏系数的标定：在标准梁（等强度梁）上粘贴应变片，通过加砝码使其产生一个已知（计算）的应变ε,测定应变片在该应变下的电阻相对变化/R R
∆，求得应变片的
灵敏系数
/R R
K
ε
∆
=。

2.校核实验：根据测得的应变片K值，量测标准梁在各级荷载作用下的应变，并与理论计算值比较。

三、实验步骤：
1.粘贴应变片：在如图9-1所示标准梁的受压区表面用砂纸除锈并用丙酮清洗。

用502快干胶把应变片对称粘贴在梁的上下表面，并加压片刻，干燥3～4h后应变片即可工作。

要注意应变片标距方向应与梁轴平行，胶层要薄而均匀，无气泡。

2.接线。

按图9-2所示的线路将导线接好，导线与应变片的连接要用锡焊，并把导线牢固地捆在梁上，防止导线移动时把应变片破坏。

图9-1 标准梁的示意图
图9-2 应变片灵敏系数标定系统接线示意图
3.检查稳定性。

调解仪器，使示值为零。

在标准梁的秤盘上加数块砝码，此时仪器的示值偏离零位，然后取下砝码观察仪器示值的回零情况。

如此反复3～4个循环，第一次循示值可能不回零位，经3～4个循环后，示值回到零位。

如示值仍回不到零位，表明应变片粘贴质量不佳，或受潮、或试验过程中移动了导线、或各连结接头不好，须进行逐一检查，并予以排除故障。

4.应变片灵敏系数的标定实验（实验内容1）。

（1）把仪器示值调零，此时仪器灵敏度调解钮放在任意一个位置。

在标准梁的称盘上加砝码50g ，仪器示值偏离零位。

读数，并计算出加砝码前后仪器读数的增量A ∆。

（2）卸去砝码使仪器示值回零，调节并联的可变电阻，直至仪器的示值获得同样大小的增量A ∆为止。

然后将可变电阻从线路上取下来测定其电阻值P R ，实验内容告一段落。

（3）应变灵敏系数的计算。

标准梁的计算应变可按下式求得：
22136
Pl P b E E tg εδδα
=
⋅= 式中：P — 标准梁上所加的砝码（50g ）；
E — 标准梁材料的弹性摸量622.110kg/cm ⨯； l — 标准梁的跨度（cm ）
b — 标准梁固定端的宽度（cm ）
δ — 标准梁的高度（cm ）
α — 标准梁两边线夹角的一半：2b tg l
α=
标准梁在荷载P 作用下应变片的电阻相对变化值按下式计算：
P
R R R R
R R R R -∆==
+并 式中： R — 应变片的原始电阻值（Ω）； P R — 测得的可变电阻（Ω）； R 并— 并联电阻的等效电阻值（Ω）；
应变片的灵敏系数K 为R
R K ε
∆=。

为了观测K 的非线形误差，常常在若干个不同的ε值下标定。

本实验为了简化，仅作一个ε值下的K 值标定。

5.实验结果的校核实验（实验内容2）。

应变片与仪器的接线同上，但取下可变电阻，把仪器的灵敏系数度盘调到已求得的应变片灵敏系数K 值。

此时仪器的示值将表示应变片的灵敏系数为K 值时的应变值。

为了校核，将测定标定标准梁50g 、100g 、150g 、200g 、250g 荷载作用下的应变值进行记录，并绘制P -ε实验曲线以便检查线形情况，并与理论计算值ε比较。

四、思考题
1.在实验中利用何种量测方法测定
R
R
∆？ 2.在标定灵敏系数和实验结果校核的两个实验程序中，仪器的功能有何不同？ 五、实验报告
（一）实验目的：
（二）实验方法简述：
（三）记录与计算：
1.应变片灵敏系数标定与记录计算（实验内容1），见表9-3。

表9-3 应变片灵敏系数标定与记录计算表
表9-4 实测结果的校核实验记录与计算表
1.3 实验三 钢桁架的静荷载实验
一、实验目的
熟悉结构静荷载实验的全部过程。

掌握试验方法和试验结果的整理与分析方法。

二、实验要求
试验的对象是由工字钢（压弯杆用12I ）和圆钢（4根斜杆用25φ）所组成的桁架（见
图9-3）。

桁架各杆件的内力（N 、M 、Q ）均采用三种不同的计算简图进行计算，其计算结果（由学生完成）列在表9-5上。

从计算结果可以看出，不同的计算简图算出的内力值各不相同。

要求同学，通过非破坏性的静荷载实验，验证哪一种计算简图更符合桁架杆件的实际受力情况。

12445222
342cm ,23.5cm , 2.110N/mm ,
14.7cm ,
4.90cm x y s s I I E A A ===⨯==
图9-3 试验用桁架结构示意图
三、实验步骤及内容
1.拟订试验计划：主要内容包括
试验对象的就位——实验室有静力试验台座和支墩；
加载方案的选择——实验室有重力加载及油压加载设备，有各种测力计； 出平面的支撑方案——实验室有静力试验台座及各种钢架；
观测方案的选择——根据试验目的确定观测项目、测点的选择和布置以及仪器的选择。

2.确定试验计划：根据各自拟订计划的基础上，大家讨论确定一种合理的、切实可行的方案。

3.进行实验：按确定的试验计划进行试验。

在试验时，加载、记录以及观察要分工进行。

要特别注意人身及仪器设备的安全。

观测记录时要把仪器的刻度值（A ）记录下来，
以便整理时用。

4.实验结果的整理：
① 跨中挠度（节点6位移）实测值的计算： 1232
A f A f f A f ∑+∑=∑∆-中 ② 杆件轴力实测值的计算：
N E F ε=⋅⋅
式中：ε —— 杆件的实测应变值；
E —— 杆件的弹性模量，E = 2.1×106kg/cm 2；
F —— 杆件的截面面积。

③ 杆件弯矩实测值的计算：
2J M E h
ε=⋅⋅ 式中：ε —— 弯矩产生的应变，2εεε-=下
上；
ε上、ε下——所测截面上、下缘处应变值；
E —— 杆件的弹性模量，E = 2.1×106kg/cm 2；
J x —— 工字钢截面对x 轴的惯性矩， J x = 545cm 3；
h —— 工字钢的高度， h = 12cm 。

④ 杆件剪力实测值的计算：
a b M M Q L
-= 式中：M a 、M B —— 各杆件两端截面的实测弯矩值；
L —— 两截面间的距离。

⑤ 绘制实测轴力、弯矩、剪力图：
绘制各杆件在节点处弯矩时，首先，杆件靠近两端的测点截面上均按比例画出弯矩
值。

然后将延长这两截面弯矩的连线至节点，即为杆件在节点处的弯矩。

弯矩图要绘制
在杆件的受拉一侧。

剪力要注意正负号，按节点顺时针转为正，反之为负。

⑥ 绘制杆件0～5的N —P 图和f 中—P 图
四、实验成果分析
根据表9-5提供的三种计算简图的计算值和计算的结果评定桁架的工作性能。

通过
不同计算简图的轴力、弯矩、挠度的结构检验，系数论证该桁架按何种计算简图设计比
较合理。

表9-5 三种计算简图的内力计算（P = 1kg）
13
五、实验报告
（一）实验目的：
（二）实验方案（加载方法、观测方法）简要说明
（三）实验数据记录（见表9-6）。

表9-6 钢桁架静荷载实验数据记录表：
续表9-6
（四）实验结果的整理
1.轴力图：
2.弯矩图：
3.剪力图：
4.跨中挠度（节点6）实测值：
5.杆件0～5的轴力—荷载（N—P）曲线：
N
O P 6.杆件0～5的挠度—荷载（f中—P）曲线：
f中
O P 7.试验荷载（节点平衡）校验：
（五）结果分析：
1.4 实验四结构动力特性测定
一、实验目的
1.进一步理解结构的固有频率、振型、阻尼比的概念；
2.初步了解振动测试仪器；
3.在结构自由振动情况下，会计算结构的固有频率、振型、阻尼比。

二、实验内容
在一个钢框架上布置传感器，如图9-4所示。

通过张拉方法使钢框架产生一个初始位移，然后释放。

通过记录仪得到钢框架的自由振动曲线。

计算结构的固有频率、振型、阻尼比。

图9-4 传感器的布置
三、实验步骤
1.把传感器布置到被测试的结构上：本实验用的是压电晶体式加速度计，这种加速度计可以采用磁铁吸上或用螺丝连接固定到被测结构上。

2.传感器的输出端与电荷放大器的输入端用仪器所带的电缆线连接好。

3.根据传感器所给的电荷灵敏度，调整电荷放大器的电荷灵敏度与之一致。

4.根据被测量的要求，调整电荷放大器频率上限档、位移——速度——加速度转换档、工程单位与电压转换档。

5.电荷放大器的输出端与记录仪的输入端相连接。

6.调整记录仪的放大档，使之与实测量匹配。

7.把结构拉出一个初位移，然后释放，记录结果。

8.对于测试结果不理想的，重新张拉，重新调整放大档，直到满意为止。

四、实验要求
1.在布置传感器时，被布置点的区域要打平，使传感器安装好以后能与结构垂直。

2.根据实测结构，估计上限频率值，以调整相应的档。

3.根据实测结构，选择位移——速度——加速度档为位移，工程单位与电压转换档
取100（丹麦）或10（国产）。

4.调整记录仪的放大档，使振动记录不超界。

五、数据整理和固有频率、振型、阻尼比的计算
1.根据测试结果（如图9-5所示）计算固有频率：从实测得到的有衰减的结构自由振动记录曲线上，去掉最初的一、二个波不用（消除初始的影响），取若干个波的总时间除以波数，得出平均周期，取其倒数得到固有频率值。

秒）
图9-5 测试结果
2.首先根据图9-5计算出对数衰减率：
2
ln n n k
a k a γ+= 阻尼比：2γξπ
= 式中：a n —— 第n 个波的峰值；
a n+k —— 第n +k 个波的峰值；
γ —— 对数衰减率；
ξ —— 阻尼比。

3.计算振型：
根据１号测点和２号测点的实测记录（如图9-6所示），计算１号测点、２号测点同一时刻幅值比。

根据幅值比 n =
12
A A ,归一化使A 1 = 1, A 2 =1n ,绘第一振型图（如图9-7所示）。

1号
1 1
2 1/n 2号
图9-6 实测记录图9-7 第一振型
六、实验报告
（一）实验目的：
（二）实验方法简述：
（三）记录与计算：
1.附上实测记录
2.根据记录算出固有频率
3.根据记录算出阻尼比
4.根据记录给出振型图
实验考核
1.实验指导教师根据学生在实验过程中的表现及试验报告，按：优、良、中、及格、不及格评定学生的实验成绩；
2.实验成绩占课程总成绩的20％，总成绩按百分制评定。

实验成绩按以下关系记入总成绩：优——20分，良——18分，中——15分，及格——12分，不及格——10分以下。

21。