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=水平数因子数表2.1 用因子法计算试验数量由表可知，因子数和水平数稍有增加，试件的个数就极大地增多，所以此方法在结构试验中不常用。

②正交设计法正交设计法，是一种解决多因素问题的试验设计方法，它主要是应用正交表来进行整体设计和综合比较的。

它科学地解决了各因子和水平数相对结合可能参与的影响，也妥善地解决了试验所需要的试件数与实际可行的试验试件数之间的矛盾。

以钢筋混凝土柱剪切强度性能研究为例，用正交设计法做试件数目设计。

常用的正交表有：L9(34)、L12(31×24）、L4(23)，L表示正交设计，其它数字的含义参见下式：L试验数(水平数1相应因子数×水平数2相应因子数）表2.2 试件数目正交设计L9(34)表2.3 试件数目正交设计L12(31×24）表2.4 试件数目正交设计L4(23)下面以钢筋混凝土柱剪切强度的基本性能试验研究为例，说明如何利用正交设计法进行试件数目设计的具体过程。

在进行钢筋混凝土柱剪切强度的基本性能试验研究中，我们取不同混凝土强度等级、不同配筋率、轴压比、剪跨比和混凝土强度等级等五个因子，并假设混凝土只用一种强度等级C20，这样实际因子数只有4个，如果每个因子各自有3个水平数，则按单因素方法进行试件数量设计时，试件数目为34=81，即需要81个试件。

如果采用正交设计法，各因子和水平的具体含义如表4.5所列，根据正交表L9(34)，试件主要因子组合结果列于表4.6。

这一问题通过正交试验法进行设计，可将原来需要81个试件综合为9个试件，试验数正好等于水平数的平方。

即试验数=水平数2表2.5 钢筋混凝土柱剪切强度试验分析因子与水平数表2.6 正交设计法试件试件数量设计是一个多因素问题、在实践中我们应该使整个试验的数目少而精，切忌盲目追求数量；要使所设计的试件尽可能做到一件多用，即是以最少的试件、最小的人力、经费，得到最多的数据；要使通过设计所决定的试件数量，经试验得到的结果能反映试验研究的规律性，满足研究目的的要求。

为了使试件某项参数的实际测试值与设计计算值尽可能接近，必须控制试件制作成型和试验安装过程中产生的误差。

钢筋混凝土试件在制作的过程中需要控制保护层厚度、材料的强度和试件尺寸，要正确埋置传感器和应变片。

（4）构造措施在试件设计中，当确定了试件形状、尺寸和数量后，在每一个具体试件的设计和制作过程中，还必须同时考虑试件安装、加载、量测的需要，在试件上作出必要的构造措施，这对于科研试验尤为重要。

(a) 例如混凝土试件的支承点应预埋钢垫板以及在试件承受集中荷载的位置上应埋设钢板，以防止试件局部承压而破坏（如图2.3所示）。

图2.3(b) 如果试件加荷面倾斜时，应作出凸缘，以保证加载设备的稳定（如图2.4所示）。

图2.4（c）在钢筋混凝土框架作恢复力特性试验时，为了框架端部侧面施加反复荷载的需要，应设置预埋构件以便与加载用的液压加载器或测力传感器联接，为保证框架柱脚部分与试验台的固接，一般均设置加大截面的基础梁（如图2.5所示）。

图2.5(5)试件的安装就位在试件安装就位时，要尽量减少安装误差，使试件就位后的实际计算跨度（梁）和计算高度（柱）与计算简图一致。

由于支座约束条件的内力传递及变形有关，试件安装时应严格按照设计要求选择支座形式。

一般在试件就位前，应先在试件上画出支座反力的作用线位置和试验加载点位置，需要对中的试件还要画出中心线位置，荷载作用部位要附设定位零件，以使荷载有明确的着力点。

2.3 建筑结构试验的荷载方案设计2.3.1荷载设计的一般要求（1）选用的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完全一致或极为接近；试验荷载在试件上的布置形式称为加荷图式。

（2）荷载值要准确；（3）荷载传力方式和作用点明确，产生的荷载数值要稳定，特别是静力荷载要不随加载时间、外界环境和结构的变形而变化；（4）荷载分级的数值要参考相应试验结构试验方法的技术要求，同时必须满足试验量测的精度要求；（5）加载装置本身要有足够的安全性和可靠性，要满足强度要求和刚度要求。

（6）加载设备的操作要方便，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不同步加载的要求；（7）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。

2.3.2 试验的荷载图式一般要求加荷图式与理论计算简图相一致。

但是，由于条件限制无法实现或者为了加载的方便而采用不同于计算所规定的荷载图式时，可根据试验的目的和要求．采用与计算简图等效的荷载图式。

等效荷载是指加在试件上，使试件产生的内力图形与计算简图相近，使控制截面的内力值相等的荷载。

看下面这个例子。

2.3.3 试验加载装置设计（1）加载装置的强度首先应满足试验最大荷载量的要求，保证有足够的安全储备，同时要考虑到结构受载后有可能使局部构件的强度有所提高。