简支钢桁架静载非破坏性试验

简支钢桁架静载非破坏性试验
目录
一、试验对象简介与应用 (2)
二、试验介绍 (3)
三、试验重点 (4)
四、试验对比 (5)
五、试验方案、步骤 (6)
六、试验数据处理 (11)
七、试验报告与误差分析 (13)
八、参考文献 (14)
一、试验对象简介与应用
桁架（truss），由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构。

在荷载作用下，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度，故适用于较大跨度的承重结构和高耸结构，如屋架、桥梁、输电线路塔、卫星发射塔、水工闸门、起重机架等。

常用的有钢桁架、钢筋混凝土桁架、预应力混凝土桁架、木桁架、钢与木组合桁架、钢与混凝土组合桁架。

桁架按外形分有三角形桁架、梯形桁架、多边形桁架、平行弦桁架，及空腹桁架。

在选择桁架形式时，应综合考虑桁架的用途、材料、支承方式和施工条件，在满足使用要求的前提下，力求制造和安装所用的材料和劳动量为最小。

而根据其几何样式的不同可分为三角形桁架（在沿跨度均匀分布的节点荷载下，上下弦杆的轴力在端点处最大，向跨中逐渐减少；腹杆的轴力则相反。

三角形桁架由于弦杆内力差别较大，材料消耗不够合理，多用于瓦屋面的屋架中。

)、梯形桁架(和三角形桁架相比，杆件受力情况有所改善，而且用于屋架中可以更容易满足某些工业厂房的工艺要求。

如果梯形桁架的上、下弦平行就是平行弦桁架，杆件受力情况较梯形略差，但腹杆类型大为减少，多用于桥梁和栈桥中。

)、多边形桁架(也称折线形桁架。

上弦节点位于二次抛物线上，如上弦呈拱形可减少节间荷载产生的弯矩，但制造较为复杂。

在均布荷载作用下，桁架外形和简支梁的弯矩图形相似，因而上下弦轴力分布均匀，腹杆轴力较小，用料最省，是工程中常用的一种桁架形式。

)、空腹桁架(基本取用多边形桁架的外形，上弦节点之间为直线，无斜腹杆，仅以竖腹杆和上下弦相连接。

杆件的轴力分布和多边形桁架相似，但在
不对称荷载作用下杆端弯矩值变化较大。

优点是在节点相交会的杆件较少，施工制造方便。

)等。

二、试验介绍
1、试验结构
用等边角钢焊接而成的钢桁架如计算简图所示.试件———钢桁架、跨度6m，上下弦采用等边角钢2∠70 ×6 ( F = 2 ×816mm2 ) ，腹杆采用等边角钢2∠56 ×5 ( F= 2 ×514mm2 ) ，节点板厚δ= 4 mm，测点布置见下图所示. 钢材Q345.1—电阻应变片2—挠度计
2、试验项目
各杆件的应变和钢桁架下弦结点的挠度。

3、试验目的
(1)了解所用仪器的原理，学会所用仪器设备的安装、操作与读数、(2)通过对钢桁架各杆件的应变和钢桁架下弦结点的挠度的量测，来检验桁架的工作特性和验证桁架、(3)通过试验，学会试验数据的采集、(4)掌握结构实验中静力实验的基本过程和方法；进一步学习、掌握应变和挠度测量仪器的性能、安装和使用方法；了解桁架结构的加载方法、原理和特点。

通过对构件内力、挠度、杆件附加弯矩的测定，运用相关专业知识，根据实验数据对桁架结构的工作性能作出评定，掌握静力实验的数据处理分析和结构性能评定技能，解决工程实
际问题。

分析、整理与表达。

4、试验步骤
准备工作- - - - - - 分级加载(1级) - - -- - - - - 分级卸载(1级)
5、试验特点
应变测试点多(有6点) ，结构具有对称性。

6、桁架内力计算假定:
(1)结点为铰结点. (2)杆件轴线为直线且通过铰中心. (3)荷载及支座反力作用在结点上。

三、试验重点
本试验的重点和难点主要有以下几方面的内容:
1、桁架的工作特性:在结点荷载作用下桁架各杆件呈二力杆特性，具体地说是上弦为压杆，在应变特性上表现为负应变(压应变) ，下弦杆为拉杆在应变特性上表现为正应变(拉应变) ，腹杆中有拉杆、压杆、零杆(要特别注意其前提:在结点荷载作用下，这点在误差分析中很重要)。

2、桁架计算理论:节点法和截面法. 本试验报告中涉及到几个单位荷载作用图，而几个单位荷载作用图的正确与否直接关系到本试验报告的质量。

3、结点挠度实测值的处理:应考虑支座沉降值对结点挠度测量值的影响，采用梯形图处理方法。

4、时效作用对试验结果的影响:钢结构在某级荷载作用下其变形充分发展一般需要两个小时，但是由于时间关系学生在试验课上不可能按两小时加一次
荷载，这也是产生误差的主要原因。

5、加载—卸载分析:对加载到某级荷载与卸载到同一级荷载的杆件应变和结点的挠度进行对比分析、总结，可以发现规律，分析原因。

6、试验数据的采集、分析、整理与表达:采集的方法，要点;试验数据的定性分析与定量分析相结合;试验数据的整理应优先采用表格表达方式;试验数据的表达一般采用图、表(记录表格、计算表格、结果表格) 、数学函数表达式。

7、结点挠度理论值的计算:应采用简化表格计算方法，具体地说就是先计算某结点在P荷载作用下的挠度理论值(为包含荷载P的数学式)。

四、试验对比
针对当前试验领域的发展趋势并结合具体的合理化建议与要求进行了试验改革的探索与研究:
1、出发点: 1)针对现代试验大型化、现代化的发展趋势，为了既培养学生的动手能力又能让学生接触和熟悉现代先进的仪器设备及比较先进的试验手段、方法. 2)判断支座支撑情况是否良好. 3)了解“摸态”(振型)的概念，为后续课程的学习打下基础。

2、改革方法: 1)将传统手动采集方式改为一半点仍采用手动采集，一半改用自动采集系统进行采集. 2)采用振动及动态信号采集系统进行模态演示试验，并借此判断支撑条件的好坏. 3)通过增加或改变加载点数量和位置进行试验，培养实验者对对称性、等效荷载的理解与深化.
3、试验改革前后对比:简支桁架非破损试验(综合性、设计性实验)与简支桁架非破损试验(验证型)的主要优点在于:改变了加载点位置，加载点数量，使
对称性变成了非对称性，相应地使试验内容和试验形式变得复杂、多样，客观上要求学生必须主动做好试验的充分准备，这样就调动了学生对试验的主动性及兴趣，同时可以有效抑制验证型试验中出现的试验报告千篇一律的抄袭现象，真正培养了学生的设计、创新能力.
4、改革效果:经过改革将验证型试验升华为设计、创新综合型试验，不仅增加了试验难度，还大大激发了学生的学习积极性.
五、试验方案、步骤
试件——钢桁架、跨度2.0m ，上下弦杆采用等边角钢2∠20×2.5，腹杆采用
2∠20×2.5，测点布置见图1.1所示；
2、加载设备——油压千斤顶或吊篮重物加载；
3、静态电阻应变仪；
4、百分表及支架；
5、倾角仪。

(一)、 试验方案
桁架试验一般多采用垂直加荷方式，
桁架试验支座的构造可以采用梁试验A 挠度计
钢桁架尺寸与测点布置图
的支承方法，支承中心线的位置尽可能准确，其偏差对桁架端结点的局部受力影响较大，对钢筋混凝土桁架影响更大，故应严格控制。

三角形屋架受荷后，下弦伸长较多，流动支座的水平位移往往较大，因此支座垫板应有足够的尺寸。

桁架试验加荷方法可采用实物加荷，也可采用吊篮加荷，但一般多采用螺旋千斤顶或同步液压千斤顶加荷，试验时应使桁架受力稳定、对称、防止平面外失稳破坏，同时还要充分估计千斤顶的有效行程。

桁架的试验荷载不能与设计荷载相符合时，亦可采用等效荷载代换，但应验算，使主要受力构件或部位的内力接近设计情况，还应注意荷载改变后可能引起的局部影响，防止产生局部破坏。

观测项目一般有节点挠度和转角、杆件内力等。

测量挠度，可采用挠度计或水准仪，测点一般布置于下弦结点。

为测量支座沉陷，在桁架两支座的中心线上应安置垂直方向的位移计。

杆件内力测量，可用电阻应变片或接触式位移计，其安装位置随杆件受力条件和测量要求而定。

荷载分级、开裂荷载和破坏荷载的判别，参照梁的试验。

桁架试验由于荷载点高，加荷载过程中要特别注意安全，以防损坏仪器设备和造成人身伤害。

本试验采用缩尺钢桁架作非破损检验，以达到熟悉的目的。

杆件应变测量点设置在杆件的中间区段，为消除自重弯矩的影响，电阻应变片均安装在截面的重心线上，见图1.3。

在水平杆AF及BJ的支座处装倾角仪，量测在各级荷载下的转角变化。

挠度测点均布置在桁架下弦结点上，同时支座处尚应装置百分表测量沉降值（及侧移值）。

附：试验仪器
应变片粘贴位
图1.2简支刚桁架
表1-1 试验仪器表
仪器名称规格
钢桁架跨度2.0m，上下弦杆采用等边角钢2∠20×2.5，腹杆采用2∠20×2.5
加载设备液压千斤顶
高精度静态伺服液压控制台
型号JSF-1-2.5/31.5A2
流量 2.5L/min
动态精度+2%
功率 2.2KW
压力31.5MPa
静态精度+0.5%
静态应变仪YE2538 程控静态应变仪
R R
图1.3 应变片粘贴位置示意图
(二)、试验步骤
1、实验设备的连接及调试：
①应变的连接及调试
将桁架上的应变片按半桥单臂的方式（参见实验二）接入DH3818静态电阻应变仪上，采用公共补偿。

连接完毕后观察每个测点是否都处在正常工作状态(即每个通道均有数字显示，而不是“------”)。

②百分表的安装及调整
将磁芯表座吸附在置于地上的稳定的钢梁上（若钢梁不稳，在测试过程中产生晃动，将会影响测试精度），并将百分表的滑杆顶端顶在桁架的各节点上，旋紧表座连杆上的旋扭，轻轻触动百分表，如果指针晃动之后能回到原位，说明百分表已固定好；再旋转表盘，使表盘上的两个（或三个）指针的读数协调一致。

注意：由于挠度是结构某一位置与一不动点的相对位置变化，因此，安装好百分表后，在荷载为零时，不一定要把百分表的指针调零，可以有一个初读数，关键是要把百分表大小针的进位关系调整好。

百分表调整方法：轻轻滑动百分表的滑杆，使表盘中的小指针指到整数并保持稳定，然后旋转大表盘，使长指针对准“0”。

百分表读数方法：先读小表盘上距指针最近的两个数字中小的一个作为读数的整数位，再读大表盘指针所指的数字作为读数的小数位，精确到0.01。

2、正式实验：
①预载：加40kN荷载，循环两次，做预载实验。

其目的为：消除节点和
结合部位的间隙，使结构进入正常工作状态；检查全部实验装置的可靠性；检查全部观测仪表的工作是否正常；检查现场的组织工作和人员的工作情况。

然后卸载，及时排除发现的问题。

预载过程中要注意观察应变及挠度测试仪表的读数是否发生变化，变化情况是否正常。

②正式加载及测量：采用分级等量的荷载进行加荷，先施加10kN初载(结构试验测量的是结构在每级加载后的应变及挠度增量，为了排除荷载较小时的非线性段，使数据结果更理想，更好地了解整个静载实验过程，因此将P0=10kN 作为零荷载)，初载施加完毕后，将应变仪调零并记录初读数，同时记录挠度的初读数。

然后进行分级加载，每级荷载30kN（ P=30kN），共加三级，即10kN→40kN→70kN→100kN。

每加一级荷载之后稳载5分钟，然后读取应变及挠度数据，记录在表6-1中。

实验共进行两个循环，排除所测读数的偶然性。

六、试验数据处理
表6-1 原始记录表格
根据应力应变公式
ε=δ/Ε表6-2 平均应变值
表6-3 整理数据记录表
七、试验报告与误差分析
1、钢材本身存有缺陷。

2、桁架结构不对称，放在钢架上加压时没有精确在桁架中心，应变片贴片位置不够精确且左右贴片位置不对称。

3、桁架在加载过程中产生了塑性变形，同时桁架结点处的间隙，在预加载后没有完全消除。

4、加压点没有在桁架的对称轴所在的直线上，加的压力没有精确到整数。

5、两次加压时并没有十分精确。

6、应变仪读数不稳定，产生一定误差。

7、应变片的电阻值不同，导线的电阻值不同，将其忽略而导致对试验结果的影响。

8、温度、电压的变化对结构带来的影响，接应便仪时，不同组的线头混搭在一起，彼此产生影响。

9、应变仪、加压设备有滞后性，导致显示读数与实际值有偏差，其他实验条件达不到理论的要求也影响了试验结果。

八、参考文献
[ 1 ]龙驭球. 结构力学教程( 1) [M ]. 北京:高等教育出版社，2002.
[ 2 ]王天稳. 土木工程结构试验[M ]. 武汉:武汉理工大学出版社，2003.
[ 3 ]湖南大学. 建筑结构试验[M ]. 北京:中国建筑工业出版社，1993.
[ 4 ]陈雨林. 改革实验教学方法，培养学生创新能力[ J ]. 实验室研究与探索，2003，22 (4) : 30～31.
[ 5 ]张雅琴. 实践教学内容改革的实践与思考[ J ]. 实验技术与管理，2003，20 (3) : 59～62.
[ 6 ]宋智. 新时期理工科院校实验教学改革研究与探索
[ 7 ]实验技术与管理，2003，20 (3) : 72.
[ 8 ]《建筑结构试验》，王娴明，清华大学出版社；
[ 9 ]《结构试验》，潘景龙，湖南大学出版社。