第2章建筑结构试验设计

试验中可能跌落的千斤顶、荷载分配梁，用 保护绳悬吊在附近的固定点上。
◆结构试验准备
试件制作与安装； 试验人员组织分工； 仪器设备的检测与标定； 材料力学性能试验。
◆试验实施
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。
◆试验分析
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。
（2）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（如图所示）。
（3）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（如图所示）。
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试件考虑施加荷载时的构造措施
（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。
的形状。
板柱节点试件
例2：在框架试验中，有时设计成支座固接的单层 单跨框架。
单层单跨钢筋混凝土框架
例3：剪力墙是抗震结构的重要构件，剪力墙的试 件形式多种多样。无框剪力墙的墙体是一块钢筋 混凝土平板。有框剪力墙分为两种：一种是与框 架整体相连的钢筋混凝土板；另一种是在框架内 设置钢筋混凝土剪力撑。
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（2）试验加载装置还必须有足够的刚度。 例如：在混凝土应力一应变关系曲线下降段
的测试试验中，加载装置刚度不足将难以获得达 到极限荷载后混凝土的性能。 （3） 试验加载装置必须符合结构构件的受力条件， 要求能模拟结构构件的边界条件和变形条件，否 则就失去了受力的真实性。
看下面的例子。
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例：在砖石或砌块的承重墙体水平荷载试验中，图a所示的 加载装置中，施加竖向荷载的拉杆对墙体的横向变形会产 生约束，对墙体的横向变形有较大的影响；而图b较好地 符合墙体的实际受力情况。
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试件考虑施加荷载时的构造措施
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试件考虑施加荷载时的构造措施
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2.3结构试验荷载设计 （一）荷载设计的一般要求 （二）试验的荷载图式 （三）试验加载装置 （四）试验加载程序设计
2.3结构试验荷载设计 （一）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保证试验安全和控制试验误差的措施 试验过程中保证人员和仪表的安全，非实验
人员不得入内。
各种机械式量测仪表，如千分表、百分表， 当结构进入破坏阶段时，由于变形过大或试件表 面材料酥松，可能导致仪表发生松动，甚至跌落。 所以当试验荷载达到极限荷载的85%左右时，可 将大部分仪表拆除，留下少量起控制作用的仪表。
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。
（2）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。
（3）基本结构构件性能试验， 压弯构件试件的截面尺寸一般为
16cm×16cm—35cm×35cm， 短柱试件的截面尺寸一般为15cm×15cm—
50cm×50cm。 双向受力构件试件的截面尺寸一般为
10cm×10cm—30cm×30cm。
（4）剪力墙性能试验，剪力墙尺寸一般为真型的 1/10—1/3，也有百度文库行足尺试验的。
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2.3结构试验荷载设计 （二）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。
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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。
（1）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（如图所示）。
务和职责以保证试验工作顺利进行。
预载一般分三级进行，每级取标准荷载的20％，然后 分2—3级卸载。对于混凝土试件，预载值不宜超过开裂荷 载值的70％。
2、荷载分级 荷载分级的目的：一方面是控制加荷度，另一方面是便
于观察结构变形，为读取各类试验数据提供必要的时间。
一般的结构试验，荷载分级为：
（1）标准荷载前，每级加载值不应大于标准荷载（包含自重） 的20％，分五级加至标准荷载。
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等效荷载示意图
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等效荷载示意图
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2.3结构试验荷载设计
（三）试验加载装置 （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。 如图所示的结构。
因此，在试验设计时，加载装置的承载能力 必须比试验最大荷载值要大，一般要求提高70％ 左右。
尺寸效应反映结构构件和材料强度随试件尺 寸的改变而变化的性质。试件尺寸越小，表现出 相对强度提高越大强度的离散性也越大的特征。
同时小尺寸试件难以满足试件构造上的要求。
（1）框架结构整体试验，框架截面尺寸大约为真 型的1/4—1/2，也有做足尺框架试验的。
（2）框架节点试验，节点的尺寸都比较大，一般 为真型比例的1/2—1。
钢筋混凝土剪力墙
例4：水平荷载作用下框架结构应力分析。（图a）
框架结构中的梁柱和节点试件
（1）对图示A-A部位的柱脚部分试验采用试件的形 状如图b所示。
（2）对图示B-B部位的试验采用试件的形状如图c 所示。
（3）对于梁，C-C部位和D-D部位进行试验，试件 设计成如图d、e的形状。
（4）梁柱节点 承受轴力、弯矩和剪力的作用，主要发生剪
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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。
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①因子设计法
因子数
试验数=水平数
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，所以因子设计法在结构试验中不常采用。
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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。
具体指导的作用； 是整个结构试验中极为重要的全局性的一项
工作。 （2）试验设计的主要内容
（以简支梁试件为例说明）
①结合试验经费与时间，进行试件设计
有时还要考虑其他因素？
②加载设计 支承条件、加载方式、加载设备、加
载制度（荷载与位移混合控制）。
③观测设计 荷载、挠度、裂缝、应变，等； 观测点的位置； 采用的仪器设备。 尽可能多地测量内容。
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）
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正交表的 特点
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钢筋混凝土柱剪切强度的基本性能试验研究 中，主要影响因素有5个：混凝土强度、配筋率、 配箍率、轴向应力和剪跨比；混凝土强度等级取 为C20，那么实际的影响因素（因子数）有4个， 每个因子有3个水平数。见下表。
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2.3结构试验荷载设计 （四）试验加载程序设计
荷载种类和荷载图式确定后，还要按一定的程序加载。 加载程序可以有多种，根据试验的目的和要求不同而选择， 一般结构试验的加载程序分预加载、标准荷载、破坏荷载三 个阶段。图为一种典型的静载试验加载程序。
对非破坏性试验只加至标准荷载即正常使用荷载，试验 后的试件还可以使用。
第2章 建筑结构试验设计
2.1 概述 2.2 结构试件设计 2.3 结构试验荷载设计 2.4 试验观测方案设计 2.5 材料力学性能试验 2.6 建筑结构试验大纲及其他文件 2.7 本章小结
2.1 概述
建筑结构试验全过程包括：试验设计、试验 准备、试验实施和试验分析等几部分。
◆结构试验设计
（1）定义 对结构试验进行全面的设计与规划 ； 试验计划和试验大纲对试验起着统管全局和
（2）标准荷载后，每级加载值不宜大于标准荷载的10％。 （3）当荷载加至计算破坏荷载的90％后，每级应取不大于标准
荷载的5％，直至试件破坏。 （4）对于混凝土试件，加载至计算开裂荷载的90％后．每级取
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图a所示的简支梁，要测定内力Mmax与Vmax。因 受加载条件限制，无法用均布荷载施加至破坏， 必须采用集中荷载。 （1）采用图b二分点一集中荷载加载形式，则Vmax虽 相同，但Mmax不相等； （2）采用图c、d的四分点两集中荷载、八分点四集 中荷载加载方法，效果则更趋近理论要求。集中 荷载点越多，结果越接近理论计算简图。
按一定比例缩小的模型，真型的尺寸与实际结构 物一样大小，而模型的尺寸应按一定的相似条件 确定。
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小尺寸试件难以满足构造上的要求。 比如钢筋混凝土构件的钢筋搭接长度，节点 部位箍筋加密将影响混凝土的浇捣，砌体结构的 灰缝，等。
试验设备条件指的是试验室的净空尺寸、吊 车的起重能力、试验加载设备的加载能力，等。
2.2 结构试件设计 （一）模型试验
缩尺模型必须满足严格的相似条件。 （二）试件设计的内容及要求
内容：试件形状的选择、试件尺寸与数 量的确定、构造措施等；
要求：满足结构受力的边界条件、试验 的破坏特征、试验的加载条件。
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1、试件形状 基本原则：受力条件和边界条件的模拟。 例1：在进行板柱节点试验时，试件可取如图所示
切变形，将发生剪切破坏。
避免在试验过程中梁柱部分先于节点而破坏。
试件可以选取图f所示得十字形试件，两侧 梁柱的长度一般均取1/2梁跨和1/2柱高。边柱节 点可采用T字形试件。
可以采用图g所示的X形试件。
2、试件尺寸 试件尺寸将受到构造要求、试验设备条件、
经费条件和尺寸效应等因素的影响。 工程结构试验的试件可以是真型，也可以是
（5）砖石砌体结构试验，砌体试件尺寸一般取为真 型的1/4—1/2，也有进行足尺试验的。
因此，对于静力试验局部性的试件尺寸可取 为真型的1/4—1，整体结构试验试件可取真型的 1/10—1/4。
（6）地震模拟振动台试验，模型比例一般为1/50— 1/4。
举例
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3、试件数量 （1）生产鉴定性试验：
对破坏性试验，当加载到标准荷载后，不卸载即直接进 入破坏阶段试验。
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1、预加载
在试验前对试件进行预加载，其目的是：
（1）使试件各部分接触良好，进入正常工作状态。经过若 干次预加载，使荷载与变形关系趋于稳定。
（2）检查全部试验装置是否可靠。 （3）检查全部测试仪器仪表是否正常工作。 （4）检查全体试验人员的工作情况，使他们熟悉自己的任
根据正交表L9(34)，试件主要因子组合如下表 所示。这一问题通过正交设计法进行设计，试件 为9个，试验数正好等于水平数的平方。
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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。