建筑结构试验第五章建筑结构试验设计.

《建筑结构试验》第五章建筑结构试验设计

2004-12-28

建筑结构试验设计中应注意的问题

建筑结构试验设计要解决的问题：试件设计应从哪些方面进行考虑？要注意哪些问题？结构试验对试件设计有哪些要求？常用的模型材料有哪些？结构模型相似的三个定理应如何进行理解？如何确定原型与模型的相似条件？量纲分析法确定相似条件的步骤？为什么有时采用不同于设计计算所规定的荷载图式？试验的加载制度包括哪些内容？试验加载程序包括哪几部分内容？观测仪器如何选择，测读时应遵循什么原则？结构试验时应采取哪些安全措施？试验报告要如何书写？

带着所提出的问题进行有针对性的学习。主要思路如下：

结构试验设计的内容，主要是通过反复研究，确定试验的目的，试验的性质与规模，进行试件设计，选定试验场所，拟定加载与量测方案，设计专用的试验装置和仪表夹具附件以及制订安全技术措施。同时，按试验规模组织试验人员，提出试验经费预算和消耗性器材数量和设备清单。最后在设计规划的基础上提出试验大纲和进度计划。试验工作者对新型的加载设备和测量仪器方面知识准备充分。

一、试件设计

对于试件设计，包括试件的形状，尺寸和数量的选择都要遵循合理可行的规则。

试件设计之所以要注意它的形状，主要是要在试验时形成和实际工作相一致的应力状态。在从整体结构中取出部分构件单独进行试验时，必须要注意其边界条件的模拟，使其能如实反映该部分结构构件的实际工作，同时要注意有利于试验合理加载。

任一试件的设计，其边界条件的实现与试件安装、加载装置与约束条件等有密切的关系。在整体设计时必须进行周密考虑，才能付诸实施。

结构试验所用试件的尺寸和大小，总体上分为真型（实物或足尺结构）和模型两类。不同情况下选择不同的试件尺寸，采用缩尺或真型试件。必要时要考虑尺寸效应的影响，在满足构造要求的情况下，太大的试件也没有必

要。

对于结构动力试验，试验尺寸常受试验加载条件等因素的限制。动力特性试验可在现场原型结构上进行。至于地震模拟振动台加载试验，因受台面尺寸、激振力大小等参数的限制，一般只能作缩尺的模型试验。

试件设计同时必须考虑必要的构造措施。

在科研性试验时，为了保证结构或构件在某一预定的部位破坏，以期得到必要的测试数据，就需要对其它部位事先进行局部加固。为了保证试验量测的可靠性和安装仪表的方便，在试件特定的部位必须预设埋件或预留孔洞。对于为测量混凝土内部应力的预埋元件或专门的混凝土应变计、钢筋应变计等，应在浇捣混凝土前，按相应的技术要求用专门的方法就位固定埋设在混凝土试件内部。

采用模型试验时，为了保证模型试验所研究的物理现象与实物试验的同一现象是相似的，下列问题必需考虑：试验材料如何选择；试验参数如何确定；试验中应该测量哪些量；如何处理试验结果以及可以推广到什么样的现象上去。

相似设计要求模型和原型能描述同一物理现象，所以，要求模型材料和原型材料的物理性能、力学性能和加工性能相似：建筑结构模型可分为弹性模型和强度模型两大类，模型材料也可分为弹性模型材料和强度模型材料两大类。对材料所涉及的种类和物理性能要有充分的认识。

相似设计中要掌握结构模型相似的必要与充分条件，即掌握相似理论的三个定理，并弄清其中的关系。

两个物理现象相似，就是描述这个物理现象的各种参数之间具有相同的关系。简单地讲，就是两个物理现象可用同一个表达式描述。尽管这种表达式可能是未知的。

相似第一定理：若两个物理现象相似，则相似指标必为1；或者相似判据相等，且为常数。相似第一定理说明了，相似指标为1或相似判据相等是相似的必要条件。

同样可以证明逆定理也是成立的，它给出了相似的充分条件，即相似第三定理：如果相似指标为1或相似判据相等且其它单值条件（边界条件、初始条件等）相同，则两现象必相似。

设计模型就是要确定相似判据，进而确定相似指标，再确定模型各参数的相似常数，最后设计出试验模型。

相似判据存在定理——π定理表述如下：如果一个物理现象可由n个物理量构成的物理方程式描述，在n个物理量中有k个独立的物理量，则该物理现象也可以用这些量组成的（n-k）个无量纲群的关系来描述。这些无量刚群均可作为相似判据。所谓量纲，就是物理的种类。

π定理的意义在于：相似判据一定存在，而且至少存在一个。

结构模型设计

结构模型试验的过程要客观地反映出参与该模型工作的各有关物理量之间的相互关系。由于要在模型和真型建立相似关系。因此，也必然反映出模型与真型结构相似常数之间的关系。这样，相似常数之间所应满足的一定关系就是模型与真型结构之间的相似条件，也就是模型设计需要遵循的原则。确定相似条件的方法有方程式分析法和量纲分析法两种。

前者是根据基本的力学方程式，把所有变量移到等式一端，常数移到另一端，求得相似判据。在相似判据中，将所有的变量都用相应的相似常数代替，得相似指标，并令其等于1。在每一个相似指标中，有一个相似常数不能任意取值，而按相似指标为1来计算出。

一般地，首先确定模型材料。按模型材料可得模型材料的弹性模量及波桑比，可确定出弹性模量的相似常数及波桑比的相似常数，称为材料相似。其次，按实际可能与试验条件，随意确定几何尺寸的相似常数，模型的所有集合尺寸全部按此相似常数确定，称为几何相似。在相似判据方程式中，一些相似常数决定后，还会有其它相似常数，可随意选取其中一些值，最后按式计算出另外的相似常数。可取，即荷载的比例，称为荷载相似。用方程式分析法建立相似条件相当方便明确，但必须在进行模型设计前对所研究的物理过程中各物理量之间的函数关系，亦即对试验结果和试验条件之间的关系提出明确的数学方程式。这常常需要通过试验研究才能提出，尤其当结构或荷载条件较复杂，我们还没有掌握其间的客观规律时，在进行模型设计前一般不能提出明确的函数方程式。

用量纲分析法进行模型设计仅需明确哪些物理量影响该物理现象以及量测这些物理量的单位系统的量纲就够了。

量纲的概念是在研究物理量的数量关系时产生的，它说明量测物理量时所用单位的性质。每一种物理量都对应一种量纲。注意，有些物理量是无量