第二章 结构试验设计

第二章 试验设计、试验前的准备及试验方案

试验大纲：

1、 建筑结构试验的主要环节概述

2、 建筑结构试验的试件设计

3、 建筑结构试验的荷载方案设计

4、 建筑结构试验的观测方案设计

5、 建筑结构试验材料的力学性能

6、 建筑结构试验大纲和试验基本文件

本章提要

建筑结构试验包括结构试验设计、结构试验准备、结构试验实施和结构试验结果分析 等主要环节。本章主要介绍试验的前期准备工作，内容包括试件及模型设计、荷载方案设计、观测方案设计、材料的力学性能试验、建筑结构试验的安全与防护措施设计及结构试验大纲和试验基本文件的编制等内容。学习本章，应着重掌握试件及模型设计、荷载方案设计、观测方案设计等内容，并对材料的力学性能试验、试验的安全与防护措施设计及结构试验大纲和试验基本文件的编制有一定的了解。

2.1、建筑结构试验的主要环节概述

建筑结构试验包括结构试验设计、结构试验准备、结构试验实施和结构试验结果分析等主要环节，他们之间的关系如图2.1所示。 结构试验目的结构试验设计结构试验准备结构试验实施结构试验分析

结构试验结论试验总结报告

试验观测和采集数据处理

结构参数识别

结构破坏机制分析

结构性能与承载力分析试验加载试验反应观测和数据采集试件变形、裂缝和破坏形态

记录

试件制作与安装

试验人员组织分工

仪器设备的检验与率定

材料力学性能试验试件设计试验荷载设计试验观测设计

试验误差控制措施

试验安全措施

调查研究、搜集有关资料

确定试验的性质与规模设计试件的形状和尺寸确定试件的数量

设计构造措施

确定试验荷载图示设计试验加载装置选择试验方法及设备设计试验加载制度确定试验观测项目确定测点布置位置与数目选择测试仪器与设备

图2.1 结构试验的主要环节

结构试验设计是整个结构试验中极为重要的一项工作。它的主要内容是对所有进行的结构试验工作进行全面的规划与设计，从而使试验计划与试验大纲能对整个试验起着统管全局和具体指导的作用。

2.2 建筑结构试验的试件设计

2.2.1 试件设计

（1）试件的形状

试件的基本要求是构造一个与实际受力相一致的应力状态，这个问题对于静定系统中的单一构件（如梁、柱、桁架等），一般构件的实际形状都能满足要求，问题比较简单。但当从整体结构中取出部分构件单独进行实验时，特别是在比较复杂的超静定体系中，必须要注意它的边界条件的模拟，以如实反映该构件的实际工作状态。

当实验如图2.2（a）所示受水平荷载作用的框架结构应力分析时，若试验A-A部位的注脚、柱头部分时，试件要设计成如图2.2（b）所示的形式；若作B-B部位的试验，试件设计成如图2.2（c）所示形式；对于梁，如果设计成图2.2（d）、（e）所示的形式，则应力状态可与设计目的相一致。

对于钢筋混凝土柱，若要探讨其挠曲破坏性能，试件应设计成如图2.2（h）所示的形状；但若作剪切性能的探讨，则图2.2（h）所示的试件在反弯点附近的应力状态与实际情况有所不同，为此有必要采用图2.2（i）中的适用于反对称加载的试件。

(c)

(f)

(g)

(i)

图2.2 框架结构中的梁柱和节点试件的典型示例

在做梁柱连接的节点试验时，试件承受轴力、弯矩和剪力的作用，这样的复合应力使节点部分发生复杂的变形，但其中主要是剪切变形，以致节点部分由于大剪力作用会发生剪切

破坏。为了探求节点的强度和刚度，使其应力状态能充分反映，避免在试验过程中梁柱部分先于节点破坏，在试件设计时必须先对梁柱部分进行适当加固，使试验过程中梁出铰后节点即开始屈服，以满足整个试验能达到预期的效果。这时十字形试件如图2.2（f）中节点两侧梁柱长度一般取1/2梁跨和1/2柱高，即按框架承受水平荷载时产生弯矩的反弯点的位置来决定。边柱节点可采用T字形试件。如果试验目的是为了解初始设计应力状态下的性能并同理论计算做对比，可以采用如图2.2（g）的X形试件。为了使在X形试件中再现实际的应力状态，必须根据设计条件给定的N和V来确定试件的尺寸。

（2）试件尺寸

关于结构试验所用试件的尺寸和大小，一般可分为真型（原型实物或足尺结构）和模型两个大类。试件尺寸和大小应根据试验目的和试验条件来确定。真型试件的尺寸与实际结构物的大小一样，而模型的尺寸应按一定的相似条件确定。

一般框架界面尺寸为真型的1/4~1/2，必要时也可采用真型。

基本构件性能研究的试件大部分采用缩小比例尺的小构件，压弯构件的截面为(16cm×16cm)～(35cm×35cm)，矩形柱(偏压剪)为(15cm×15cm)～(50cm×50cm)，双向受力构件为(10cm×l0cm)～(30cm×30cm)。

若研究剪力墙的抗震性能，则单层墙体试件的外形尺寸一般为(80cm×100cm)～(1780cm×2740cm);多层的剪力墙试件取为真型的1/10~1/3。

砌石和砌块的砌体试件尺寸一般取为真型的1/4~1/2。

在结构静力试验，局部性的试件尺寸可取为真型的1/4~1，整体性的结构试验试件可取为真型的1/10~1/2。

（3）试件数量

在进行试件设计时，试件数目即试验量的设计是一个不可忽视的重要问题，因为试验量的大小直接关系到能否满足试验的目的、任务以及整个试验的工作量问题，同时也受试验研究、经费和时间的限制。

（a）生产鉴定性试验：

按照试验任务的要求有明确的试验对象。试件数量应执行相应结构构件质量检验评定标准。

对于预制构件的质量检验和评定，按《预制混凝土构件质量检验评定标准》(GBJ 321—90)进行。

（b）科研性试验：其试验对象是按照研究要求而专门设计的，这类结构的试验往往是属于某一研究专题工作的一部分。特别是对于结构构件基本性能的研究，由于影响构件基本性能的参数较多，所以要根据各参数构成的因子数和水平数来决定试件数目，参数多则试件的数目也会增加。

试验数量的设计方法有因子设计法、正交设计法。

因子数：影响结构构件某种性能的因素的个数。

水平数：试验中每个因素的不同取值，也称为档次数。

①因子设计法

试验数=水平数因子数