土木工程结构试验(1)

1.土木工程结构试验的任务：是基于结构基本原理，使用各种仪器仪表和试验设备，通过有计划地对结构物受载后的性能进

行观测，对测量参数（位移，应力，振幅，频率等）进行分析，达到对结构物的工作性能作出评价，对其承载能力作出正确估计，并为验证和发展结构的计算理论提供依据的目的。

2.土木工程结构试验的作用：是结构发展理论的重要途径，是发现结构设计问题的主要手段，是验证结构理论的主要方法，是结构质量鉴定的直接方式，是制定各类技术规范和标准的基础。

3.结构试验的分类：（1）按试验目的分类：科学研究性试验、生产鉴定性试验（2）按试验对象分类：真型试验、模型试验、小构件试验（3）按荷载性质分类：静力

试验，动力试验（4）按试验时间长短分类：短期荷载试验、长期荷载试验（5）

按试件破坏与否分类：（6）按试验场地

分类：实验室试验、现场试验

4.科学研究性试验：验证结构设计计算理论的各种假定、为制定设计规范提供依据、发展新的设计理论改进设计计算方法、为发展和推广新结构、新材料、新工艺提供理论和实践的依据。

5.生产鉴定性试验：鉴定结构设计和施工质量的可靠程度、为工程改建或加固判断结构的实际承载能力、为处理工程事故提供技术依据、检验结构可靠性、估算结构剩余寿命、鉴定预制构件的产品质量。

5.1发展简史：解放前，科学技术极端落后，根本没有土木工程结构试验这门学科，解放后，迅速发展，建立一大批各种规模的结构实验室，拥有一支实力雄厚的专业技术队伍，具有一定数量的现代化仪器设备，并积累了丰富的试验技术经验。目前随着智能仪器的出现、计算机和终端设备的广泛使用，各种试验设备自动化水平的提高，越来越先进的试验技术手段会不断涌现。

5.2试验准备阶段主要工作：试件的制作、试件的尺寸与质量检查、试件的安装与就位、安装加载设备、设备仪器的率定、做辅助试验、仪表的安装和连线调试、记录表格的设计准备、通过计算结构内力进行判断和控制加载

5.3试验实施阶段：（1）确定基本加载方案，如破坏与否、试验周期的长短等（2）荷载图式的选择，如集中荷载还是均布荷载。（3）加载顺序的确定，如直接加载

还是分级加载，按几个循环进行。（4）

观测注意点和测点布置。观测时应注意：首先观测试件的整体工作状态、整体工作变形能反映出整体工作的面貌，而后观测局部的变化。测点布置：要满足试验要求，便于操作和测读，数据准确等。

6.模型是仿照原型并按照一定比例关系

复制而成的试验代表物，相似模型试验要求比较严格的相似条件，即要求满足几何相似、力学相似和材料相似，破坏试验一般以模型结构为对象。

7.结构试验的一般过程：结构试验规划设计、结构试验准备、结构试验实施和结构试验资料整理分析并提出试验理论。其中制定试验规划设计阶段最为重要，试验实施阶段（试验加载测试阶段）是中心环节。

8.路标实验1767年法国科学家荣格密里在没有量测的情况下，首次用简单的试验，验证了受弯梁断面上应力的存在，这位就是著名的路标试验。

8.1.静力荷载加载顺序：预加载阶段、标准荷载阶段、破坏荷载阶段。

8.2动力荷载：动荷载是指使结构或构件产生不可忽略的加速度反应的作用。对结构施加动荷载，主要用于研究结构动力性能的试验，如结构的疲劳试验，采用匀速脉动荷载，一般应使试件在试验时不产生共振，远离共振区，加载顺序应根据实际情况而定。

9.分级加载的优点：对静荷载的加载通常采用分级加载方式，可以控制加载速度、便于观察结构变形与荷载之间的相互关系，了解各阶段的承载情况、有利于各点加载统一步调。

10.预加载的目的：使结构内、外部接触

良好，进入正常的工作状态；检验全部试验装置的可靠性，检查全部观测仪表的工作是否正常；起到演习的作用；总之通过预加载可以发现一些潜在的问题并将之

解决在正式试验之前，这对保证试验顺利进行具有重要意义。

11.加载方法：1）预加载一般分三级进行，每级取标准荷载值得20%，加载一级停歇10min，混凝土构件预加载荷载值小于开

裂荷载值的70%；2）正式加载：小于标准值时，每级不大于标准值的20%，一般分五级加至标准荷载值，超过标准值时，每级不大于标准值的10%，当所加荷载到达破坏荷载的90%时，采用标准值的5%加载

至破坏。

12.间歇时间：钢结构一般不小于10min，

混凝土或木结构不少于15min。满载时间：

标准长期宜持续30min~24h，对于标准短

期，钢试件和钢筋混凝土时间不小于

30min，木试件不小于60min，拱和砌体构

件为180min，预应力混凝土满载30min，

开裂持续30min。空载时间：一般钢筋混

凝土构件45min，重要的跨度大于12m的

构件去满载时间的1.5倍，钢结构时间不

大于30min。

13.试验加载图式：试验荷载在结构构件

上的布置形式。一般要求与理论计算图式

一致，在实际结构试验中因条件限制无法

实现，应根据试验目的与要求，采用与计

算简图等效的加载图式，等效荷载。

14.等效荷载：指加在试件上，使试件产

生的内力图形与计算简图相近、控制截面

的内力值相等的荷载。

15.等效荷载加载图式应满足的条件：等

效荷载产生的控制截面的主要内力应与

计算内力相等，等效荷载产生的主要内力

图形与计算内力图形相似，对等效荷载引

起的变形差别应予以修正，控制截面内力

等效时，次要截面上的内力应与设计值相

近。

15.1采用等效荷载应注意：除了控制截面

的某个效应与理论荷载相同外，该截面的

其他效应和非控制截面的效应，则可能有

差别，所以必须全面验算因荷载图式改变

对试验结构构件的各种影响。必须特别注

意结构构件是否因最大内力区域的某些

变化而影响承载能力，尤其对不等强的结

构，一定要细加分析和验算，采取有效的

等效荷载形式。比如增加集中荷载个数，

从而减少或消除影响。

16.加载方法与设备的要求：（1）选用的

试验荷载图式必须是等效荷载图式（2）

荷载传力方式和作用点明确，产生的荷载

数值准确稳定，静荷载不随加载时间、外

界环境和结构物变形而变化，保证荷载量

的相对误差不超过+-5%（3）静载试验便

于分级加载和卸载，能控制加、卸载速度，

荷载分级的分度值要满足试验量测的精

度要求（4）加载设备不参与结构工作，

不影响结构的自由变形，不影响结构受力

（5）加载装置本身要安全可靠，不仅满

足强度要求，还需严格控制变形量（6）

力求采用先进技术，减轻劳动强度，尽量

提高试验效率和质量

17.静力荷载试验中常用的加载方法：重

物加载、气压加载、机械加载、液压加载、

电液伺服加载系统

惯性力加载、电磁加载、人工激振加载。

18.液压加载器（千斤顶）的工作原理：

当油泵将具有压力的液压油压入千斤顶

的工作油缸时，活塞在压力油的作用下向

前移动，与时试件接触后，活塞便向结构

物施加荷载，荷载值的大小由油压表示值

和加载器活塞受底面积求得，也可以由液

压加载器与荷载承力架之间所置的测力

计直接测读，或用传感器将信号输给电子

秤显示或记录器直接记录。

19.液压加载系统主要由高压油泵、管路

系统、操作台、液压加载器、加载架、试

验台座等部分组成。

19.1液压加载：是目前结构试验中应用普

遍和理想的加载方法。优点：是利用油压

使液压器产生较大荷载，试验操作方便，

安全，特别是对于大型结构构件试验，当

要求荷载点数较多、吨位较大时更合适，

尤其是电液伺服加载系统的广泛应用，为

工程结构动力试验模拟地震荷载等不同

特性的动力荷载创造了有利条件。

20.目前国内结构试验常用的台座主要有：

板式试验台座（槽式试验台座和地脚螺丝

式试验台座）、箱式试验台座、抗弯大梁

式台座、空间桁架式台座。

24.电液伺服加载系统有电液伺服液压加

载器、控制系统、液压源三部分组成。

25.结构试验测量技术包括：量测方法、

量测工具、量测误差分析；量测方法主要

有直接测量法和间接测量法，偏位测定法

和零位测定法；量测误差包括系统误差、

过失误差、偶然误差；主要量测的内容包

括外部条件（外荷载、支座反力）、结构

变形（位移、应变、曲率等）、内力（应

力）、裂缝以及自振频率、振型、阻尼等

一系列动力特征。

26、量测仪表主要由感受部分、放大部分、

纪录显示部分；主要性能指标有：刻度值、

量程、灵敏度、分辨率，滞后、精确度、

可靠性、零位温飘和满量程热漂移、线性

范围、线性度等等。

消除系统误差方法：量测仪表的定期率定。

27.仪表率定的概念：为了确定仪表的精

确度和换算系数，定出其误差，需将仪表

示值与标准量相比较，求出被率定仪器的

刻度值。

方法：在专门率定设备上率定，这种设备

能产生一个已知标准量的变化，把它和被

率定仪器的示值做比较，求出被率定仪器

的刻度值；采用和被率定仪器同一等级的

标准仪器进行比较来率定；利用标准试件

率定仪器。

28.索力测量的方法：电阻应变片测定法、

拉索伸长量测定法、索拉力垂度关系测定

法、压力表测定法、压力传感器测定法、

频率法、磁通量法。

29.应变测量的主要方法有：应变机测法、

应变电测法、应变光测法。

30.应变电测法：在结构试验中，因结构

受到外荷载或温度及约束等原因而产生

应变，应变为机械梁，用量电器量测非电

量，首先必须把非电量转化为电量的变化，

然后才能用量电器量测，量测由应变引起

的电量的变化称为应变电测法。

31.电阻应变片的工作原理及构造：电阻

丝感受的应变和它的电阻相对变化成线

性关系，当构件受力变形时，敏感元件的

截面、长度等尺寸将随构件的变形而变形，

因而其电阻值也将发生相应的变化。只要

用精密仪器测出电阻应变片电阻的变化

率，即可得出构件应变的大小，从而求出

其承受的应力。组成：敏感栅、引出线、

覆盖层、基底、粘接剂。

32.量测仪表选用原则或试验对仪表的基

本要求：（1）仪表性能应满足试验具体

要求，如合适灵敏度，精度和量程。精度：

最小刻度值小于等于被测值的5%；量程以

选用最大被测值的1.25～2.0倍为好，或

使最大被测值在仪表的2/3量程范围附近。

（2）动态量测仪表其线性范围、频响特

性、相对特性等均应满足试验要求（3）

对于安装在结构上的仪表或感受器，要求

体积小、自重轻，不影响结构的工作性能

和受力（4）同一试验中选用的仪表种类、

规格尽可能少，以便统一数据的精度，简

化量测数据的整理工作和避免出错（5）

仪表对环境的适应性要强且使用方便，工

作可靠和经济耐用

33.振动测量仪器主要由：拾振器、测振

放大器、显示记录仪。

37.电桥原理：相邻两臂的应变输出符号

相反，相对桥臂的应变输出符号相同。

38.温度效应：用电阻应变片测量应变时，

应变片除了感受试件应变外，由于环境温

度变化的影响，同样也能通过应变片的感

受而引起电阻应变仪指示部分的示值变

动，此种变动即成作温度效应。

39.温度效应产生原因：电阻丝温度改变

Rt ，即Rt ；材料与应变片电阻思想膨

胀系数不相等，但二者又粘在一起，当温

度该改变t 时，引起附加电阻的变化。

40.消除温度效应方法：应变片自补偿法

和桥路补偿法（温度片补偿和工作片补

偿），常用为桥路补偿法。

41.常用的电桥连接有半桥连接和全桥连

接：应变片的粘结步骤：计划准备、试件

测点表面处理、应变片粘结、固化处理、

应变片粘结质量检查、导线连接、防护处

理。

43.读数显微镜是如何测定裂缝宽度的？

试件表面的裂缝经过物镜在刻度分划板

上成像，然后经过目镜进入肉眼，由于微

调螺丝的螺距和上分划板的分化值均为

0.5mm，所以读数鼓轮每转动一圈，下分

划板上划线相对上分划板边移动一刻度

值。

44.裂缝观测的主要内容：裂缝的出现时

间和位置，裂缝出现的最大宽度，裂缝的

基本走向描绘。

46.电阻应变片的优缺点：优点是灵敏度

高、尺寸小、重量轻、粘结牢固、适用于

各种温度场和外部环境；缺点是不能重复

使用，黏贴工作量大、估计参数不精确、

具有近似性。

47.按基底材料应变片分为：纸基应变片、

胶基应变片、金属基应变片、临时基底应

变片。

48.钻心检测混凝土强度原则：钻去芯样

的位置应尽量避免在结构主要受力部位

避免在结构边缘，接缝处取样；混凝土强

度质量有代表性的部位；便于钻芯机安防

和操作的部位，避免主筋等钢筋；每个芯

样应清楚的标注几号，并记录芯样在混凝

土结构中的钻去位置。

49.芯样要求：芯样数量、芯样直径、芯

样高度、芯样外

观检查、芯样测量、芯样端面补平方法。

50.回弹法检测混凝土的基本原理及检测

原则：检测原则前提是混凝土结构内外质

量一致。检测原理：采用回弹仪的弹簧驱

动一起内的重锤，通过弹击杆弹击混凝土

表面，并检测处重锤反弹回来的距离，以

反弹距离与弹簧初始长度之比，回弹值R，

由R与混凝土强度的相关关系来推算混凝

土的抗压强度。

51.回弹法检测混凝土强度测强曲线及用

途：专用测量曲线：影响因素的干扰较少，

推算强度的误差也较小；地区测量曲线：

适用于某一地区情况，设计影响因素比专

用曲线广泛，误差较大；通用测量曲线：

覆盖面广。

52.钻心取样法检验混凝土强度方法：从

施工已完成的混凝土结构中，用钻机或冲

击钻钻处芯样，将芯样进行处理，通过芯

样测定混凝土的劈裂抗拉强度或抗拉强

度。

53.后张预应力结构的工作原理：由于预

加应力和外荷载引起的应力叠加后，可能

是结构中出现拉应力，或裂缝出现延缓，

或将裂缝控制在一定范围内，这即是后张

预应力的基本原理。

55.穿心式千斤顶的工作原理：张拉预应

力筋时，张拉缸油嘴进油，顶压缸油嘴出

油，顶压油缸，连接套件和成套连成一体

顶住锚环，张拉油缸、端盖螺母及堵头和

穿心套连成一体带动工具锚移动张拉预

应力筋，顶压锚固时，在保持张拉力稳定

的条件下，顶压油缸嘴进油，顶压活塞、

保护套和顶压头连成一体移动将夹片强

力顶入锚固环内，此时张拉油缸嘴回油、

顶压缸油嘴进油张拉缸解压回程。最后，

张拉缸、顶压缸油嘴同时回油，顶压活塞

在弹簧力作用下回程复位。

56.千斤顶标定的原因：油压千斤顶的作

用力一般有油压表测定和控制，油压表上

的指针读数为油缸内单位油压，在理论上

将其乘以活塞面即为千斤顶的作用力。但

是由于油缸与活塞之间有一定的摩阻力，

此项摩阻力抵消一部分作用力，因此实际

作用只要比理论值偏小。为正确的控制张

拉力，一般均用校验标定的方法测定油压

千斤顶的实际作用力与油表读数的关系。

由于每台千斤顶的配合面积及尺寸和表

面的粗糙程度不同，密封圈和防尘圈的松

紧程度不同，造成千斤顶内摩阻力不同，

而且摩阻力虽有压高和使用时间的变化

而变化，所以，千斤顶要进行定期标定，

且要进行配套校验，以减少累积误差，提

高预应力控制张拉力的测力精度。

57.对张拉千斤顶进行校验情况：新千斤

顶初次使用前；油压表指针不能退回原点；

千斤顶、油压表和油压管进行过更换或者

维修后；张拉二百次或连续张拉两月后；

张拉应力终于仅出现多跟断裂事故或者

张拉伸长值有较大误差；停放三个月不用

后重新使用之前；油压表受到碰撞等大的

冲击。

张拉设备的检验方法：1用长柱压力试验

机检验2用标准测力计检验3用电测传感

器检验。

58.后张孔道摩阻的测试原因及方法：原

因：一是可以检验设计索取检算参数是否

正确，防止计算预应力损失偏小。给结构

带来安全隐患。二是为施工提供可靠依据，

以便更准确的确定张拉控制应力和预应

力筋的伸长量；三是可检验管道及张拉工

艺的施工质量；四是通过大量现场测试，

在同级的基础上，为规范的修改提供科学

依据。方法：孔道摩阻常规测试法是以主

被动千斤顶法为主，测试时采用一端张拉

另一端固定的形式进行，为保证测试数据

的准确，在张拉端和固定端分别安装经过

标定的穿心式压力传感器，利用张拉千斤

顶逐级张拉至设计张拉力的位置。使用压

力传感器测取张拉端和被张拉端的压力，

不再使用千斤顶油表读取数据的方法，为

保证所测数据准确反映孔道内的摩阻情

况，在传感器外采用约束垫板的测试工艺，

在张拉过程中分别读取两端里传感器的

示值，分别代表各级张拉力时未受损失的

张拉力zN和受损失的张拉力bN，两端力

值的差值即为孔道摩阻损失。测试过程中，

完成一端的张拉后进行另一端的张拉测

试，重复进行三次，每束力筋共进行六次

张拉测试，取其平均结果即可，传感器以

及千斤顶安装时因确保其中心轴线与预

应力筋的中轴线重合。

59.结构试验测点布置要求：满足试验条

件的前提下，宜少不宜多；测点位置要具

有代表性，以便分析和计算；为保证数据

的可靠性，应布置一定数量的校核性测点；

测点的布置应有利于试验时操作和测度，

安全和方便、

荷载反力设备：支座和支墩、反力装置

量测仪表组成：感受部分、放大部分和记

录显示部分。

仪器误差：偶然误差，系统误差（定值误

差、变值误差）

电阻应变片的技术性能指标：灵敏系数、

标距、使用面积、电阻值、应变极限、绝

缘电阻、零飘、蠕变、机械滞后、疲劳寿

命、温度适应范围

标距：电阻应变片在纵轴方向的有效长度

温度效应原因：（1）电阻丝温度改变，

其电阻将随之改变（2）因为材料与应变

片电阻丝的线膨胀系数不相等，但二者又

黏在一起，当温度改变时，引起附加电阻

的变化。