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1、结构试验设计原理本讲稿第一页，共二十五页上一章的目的与学习重点上一章的目的与学习重点上一章的目的：上一章的目的：把建筑结构试验的大致轮把建筑结构试验的大致轮廓交代给学生，通过结构试验的任务、作廓交代给学生，通过结构试验的任务、作用、分类和发展过程的学习，使学生了解用、分类和发展过程的学习，使学生了解什么是建筑结构试验。什么是建筑结构试验。学习重点：学习重点：掌握建筑结构试验的分类及其掌握建筑结构试验的分类及其相关概念的区别。相关概念的区别。本讲稿第二页，共二十五页1 1、结构试验在结构工程学科中的位置、结构试验在结构工程学科中的位置2 2、结构试验的任务、结构试验的任务3 3、结构试验的目的、
2、结构试验的目的4 4、结构试验的分类、结构试验的分类5 5、结构试验技术的发展、结构试验技术的发展6 6、结构试验课程的内容、特点、结构试验课程的内容、特点7 7、学习资料、学习资料本讲稿第三页，共二十五页结构试验的任务结构试验的任务结构试验的任务是基于结构基本原理，在结构物或试验对结构试验的任务是基于结构基本原理，在结构物或试验对象（实物或模型）上，使用各种仪器仪表和试验设备为工象（实物或模型）上，使用各种仪器仪表和试验设备为工具，利用各种实验技术为手段，在荷载（重力、机械扰动具，利用各种实验技术为手段，在荷载（重力、机械扰动力、地震力、风力力、地震力、风力）或其他因素（温度、变形）作用下，
3、）或其他因素（温度、变形）作用下，通过量测与结构工作性能有关的各种参数（变形、挠度、通过量测与结构工作性能有关的各种参数（变形、挠度、应变、温度、振幅、频率、裂缝宽度等），从强度（稳定）应变、温度、振幅、频率、裂缝宽度等），从强度（稳定）刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判明结构的实际工刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判明结构的实际工作性能，了解并掌握结构的力学性能，评估结构或构件的作性能，了解并掌握结构的力学性能，评估结构或构件的承载能力和使用性能，为验证和发展结构理论提供试验依承载能力和使用性能，为验证和发展结构理论提供试验依据。据。本讲稿第四页，共二十五页结构试验的分类结构试验的分类1
4、.1.根据不同的试验目的，结构试验一般分为：根据不同的试验目的，结构试验一般分为：科学研究性试验与生产性试验（鉴定性试验）科学研究性试验与生产性试验（鉴定性试验）2.2.按照试验对象分为：按照试验对象分为：原型（真型）试验与模型试验原型（真型）试验与模型试验3.3.按照荷载性质分为：按照荷载性质分为：静载试验与动载试验静载试验与动载试验4.4.按照试验场合分为：按照试验场合分为：试验室试验与现场试验试验室试验与现场试验5.5.按照试验时间分为：按照试验时间分为：短期荷载试验和长期荷载试验短期荷载试验和长期荷载试验还有一类相对独立的试验：还有一类相对独立的试验：结构非破损检测（无损检测）结构非破
5、损检测（无损检测）本讲稿第五页，共二十五页第二章第二章 结构试验设计原理结构试验设计原理本讲稿第六页，共二十五页一、结构试验设计概述一、结构试验设计概述二、结构试验设计的基本原则二、结构试验设计的基本原则三、测试技术基本原理三、测试技术基本原理本讲稿第七页，共二十五页一、一、结构试验设计概述结构试验设计概述结构试验一般可分如下几个阶段：结构试验一般可分如下几个阶段：（一）试验规划与设计（一）试验规划与设计（计划阶段计划阶段P P）（二）试验技术准备（二）试验技术准备(准备阶段准备阶段P P)（三）试验实施过程（三）试验实施过程（实施阶段实施阶段I I）（四）试验数据分析与总结（四）试验数据分析
6、与总结（总结阶段总结阶段S S）本讲稿第八页，共二十五页(一一)、试验规划与设计、试验规划与设计 结构试验规划与设计是整个结构试验中结构试验规划与设计是整个结构试验中极为重要的并且带有全局性的一项工作。它极为重要的并且带有全局性的一项工作。它的主要内容是对所要进行的结构试验工作进的主要内容是对所要进行的结构试验工作进行全面的设计与规划，从而使设计的计划与行全面的设计与规划，从而使设计的计划与试验大纲能对整个试验起着统管全局和具体试验大纲能对整个试验起着统管全局和具体指导的作用。指导的作用。进行结构试验的总体设计时，首先应该进行结构试验的总体设计时，首先应该反复研究试验的目的，充分了解本项试验研
7、反复研究试验的目的，充分了解本项试验研究或生产鉴定的任务要求。究或生产鉴定的任务要求。本讲稿第九页，共二十五页(一一)结构试验规划与设计结构试验规划与设计:试验大纲的内容：试验任务分析试验大纲的内容：试验任务分析,试件设计试件设计,试验装置与加载方案设计试验装置与加载方案设计,观测方案设计观测方案设计,试试验中止条件和安全措施验中止条件和安全措施1.1.建筑结构试验组织计划是组织工作的需要建筑结构试验组织计划是组织工作的需要2.2.建筑结构试验组织计划是结构试验特点的要求建筑结构试验组织计划是结构试验特点的要求 （1 1）建筑结构试验没有固定的模式。）建筑结构试验没有固定的模式。（2 2）建筑
8、结构试验耗资较大。）建筑结构试验耗资较大。（3 3）建筑结构试验周期长。）建筑结构试验周期长。3.3.建筑结构试验组织计划关系到试验的成败建筑结构试验组织计划关系到试验的成败4.4.建筑结构试验组织计划是体现技术水平和管理水平的窗口建筑结构试验组织计划是体现技术水平和管理水平的窗口本讲稿第十页，共二十五页(二二)试验技术装备试验技术装备:试件制作试件制作,预埋传感器元件预埋传感器元件,安装试验装安装试验装置及试件置及试件,安装测量元件安装测量元件,调试标定仪器设备调试标定仪器设备,相关材料性能测试等相关材料性能测试等(三三)试验实施过程试验实施过程:记录试件初始状态记录试件初始状态,采集并纪录
9、试验数据采集并纪录试验数据,观测并纪录试件特征反应观测并纪录试件特征反应(裂缝裂缝,破坏形态破坏形态,声音声音,热特征热特征,环境特征和其他信息环境特征和其他信息)(四四)试验数据分析与总结试验数据分析与总结:整理试验结果整理试验结果,判断异常数据判断异常数据,绘制试验曲绘制试验曲线图表线图表,分析试验误差分析试验误差,分析并总结试验现象分析并总结试验现象.本讲稿第十一页，共二十五页 结构试验结构试验PPISPPIS循环四阶段的内容及关系示意图循环四阶段的内容及关系示意图本讲稿第十二页，共二十五页PPIS循环就是：计划（Plan）、准备（Prepare）、实施（Implement）、和总结（S
10、ummarize）四个阶段，周而复始，循环一回，发善一次，提高一步，螺旋上升的工作方法。PPIS循环的特点是：（1）连续性。（2）有序性。（3）层次性。（4）嵌套性。（5）广泛性。（6）关键性。（7）重复性。（8）进步性。本讲稿第十三页，共二十五页PPISPPIS循环内容及其关系循环内容及其关系 PPISPPIS循环特点示意图循环特点示意图（1 1）连续性。（）连续性。（2 2）有序性。（）有序性。（3 3）层次性。（）层次性。（4 4）嵌套性。）嵌套性。（5 5）广泛性。（）广泛性。（6 6）关键性。（）关键性。（7 7）重复性。（）重复性。（8 8）进步性。）进步性。本讲稿第十四页，共二十
11、五页二、二、结构试验设计的基本原则结构试验设计的基本原则 1 1、真实模拟结构所处的环境和结构所受到的荷载、真实模拟结构所处的环境和结构所受到的荷载 2 2、消除次要因素影响、消除次要因素影响 3 3、将结构反应视为随机变量、将结构反应视为随机变量 4 4、合理选择试验参数、合理选择试验参数 5 5、统一测试方法和评价标准、统一测试方法和评价标准 6 6、降低试验成本和提高试验效率、降低试验成本和提高试验效率 忠实而灵活；抓主要矛盾；未知世界；量力而行、符合忠实而灵活；抓主要矛盾；未知世界；量力而行、符合实际；注重交流；少花钱多办事实际；注重交流；少花钱多办事本讲稿第十五页，共二十五页1、真实
12、模拟结构所处的环境和结构所受到的荷载、真实模拟结构所处的环境和结构所受到的荷载 建筑结构在其使用寿命的全过程中，受到各种作用，建筑结构在其使用寿命的全过程中，受到各种作用，并以荷载（作用）为主。要根据不同的试验目的设计并以荷载（作用）为主。要根据不同的试验目的设计试验环境和试验荷载。试验环境和试验荷载。如：地震模拟振动台试验再现地震时地面的强烈运动；如：地震模拟振动台试验再现地震时地面的强烈运动；风洞试验则再现结构所处的风环境；为考察结构遭遇火灾风洞试验则再现结构所处的风环境；为考察结构遭遇火灾时的性能，试验则要在火灾模拟系统的高温装置中进行；时的性能，试验则要在火灾模拟系统的高温装置中进行；
13、地下结构试验则必须要模拟结构周围（岩体）土体对结构地下结构试验则必须要模拟结构周围（岩体）土体对结构产生的各种作用（土压力、水压力等）和二者之间的相互产生的各种作用（土压力、水压力等）和二者之间的相互作用。作用。在鉴定性试验中，可按照有关技术标准或试验目的确在鉴定性试验中，可按照有关技术标准或试验目的确定试验荷载的基本特征。而在研究性试验中，试验荷载完定试验荷载的基本特征。而在研究性试验中，试验荷载完全由研究目的所决定。全由研究目的所决定。本讲稿第十六页，共二十五页注意区分结构试验荷载的类型注意区分结构试验荷载的类型注意结构试验荷载的加载位置（作用位置）注意结构试验荷载的加载位置（作用位置）在
14、实验室进行结构或构件试验时，试验装在实验室进行结构或构件试验时，试验装置的设计要注意置的设计要注意边界条件边界条件的模拟。的模拟。如：简支梁的边界条件在静载和动载试验中的影响是不同的如：简支梁的边界条件在静载和动载试验中的影响是不同的 简支板的板角向上位移是否受到约束取决于试验目的。简支板的板角向上位移是否受到约束取决于试验目的。简支梁顶面直接加载与梁侧面加载的区别简支梁顶面直接加载与梁侧面加载的区别 排架柱和框架柱的低周反复荷载试验排架柱和框架柱的低周反复荷载试验边界条件边界条件:力边界条件和位移边界条件力边界条件和位移边界条件经常需要注意的几个问题经常需要注意的几个问题本讲稿第十七页，共二
15、十五页2、消除次要因素的影响、消除次要因素的影响影响结构受力性能的因素有很多，一次试影响结构受力性能的因素有很多，一次试验很难同时确定各因素的影响程度。此外验很难同时确定各因素的影响程度。此外各种因素中，有的是主要因素，有的是次各种因素中，有的是主要因素，有的是次要因素。通常，试验目的中应明确包含的要因素。通常，试验目的中应明确包含的需要研究或需要验证的主要因素。试验设需要研究或需要验证的主要因素。试验设计时，应进行仔细分析，消除次要因素的计时，应进行仔细分析，消除次要因素的影响。影响。本讲稿第十八页，共二十五页混凝土受弯构件的徐变试验。混凝土受弯构件的徐变试验。（在恒温恒湿环境，消除收缩影响
16、）（在恒温恒湿环境，消除收缩影响）控制钢筋混凝土梁的破坏类型，是剪切破坏控制钢筋混凝土梁的破坏类型，是剪切破坏还是弯曲破坏。还是弯曲破坏。（在试验中为了保证试件在预定的部位破（在试验中为了保证试件在预定的部位破坏，以期得到需要的测试数据，往往对试件的其他部位事先进行局坏，以期得到需要的测试数据，往往对试件的其他部位事先进行局部加固）部加固）在结构模型试验中，模型的材料，各部分尺在结构模型试验中，模型的材料，各部分尺寸以及细部构造，都可能和原型结构不尽相寸以及细部构造，都可能和原型结构不尽相同，同，但主要因素要在模型中体现。但主要因素要在模型中体现。在大型结构试验中，更要注意把握结构试验在大型结
17、构试验中，更要注意把握结构试验的重点。的重点。“大系统测不准大系统测不准”定理定理最简单的方案是最好的方案。最简单的方案是最好的方案。本讲稿第十九页，共二十五页3、将结构反应视为随机变量、将结构反应视为随机变量结构抗力和作用效应都是随机变量，导致结构试验具有结构抗力和作用效应都是随机变量，导致结构试验具有很多不可预知的不确定因素。很多不可预知的不确定因素。对于科研性试验，在试验完成前，就已知道了试验结果，那对于科研性试验，在试验完成前，就已知道了试验结果，那试验也就没有什么意义了。试验也就没有什么意义了。常规的试验研究方法是根据试验结果建立结构的力学模型常规的试验研究方法是根据试验结果建立结构
18、的力学模型（具有不确定性具有不确定性），再通过试验数据分析确定模型的参数。），再通过试验数据分析确定模型的参数。将结构反应视为随机变量的观点使我们在结构试验设计将结构反应视为随机变量的观点使我们在结构试验设计时，必须运用统计学的方法设计试件的数量，排列影响时，必须运用统计学的方法设计试件的数量，排列影响因素，如正交试验法。因素，如正交试验法。进行预备性试验。进行预备性试验。本讲稿第二十页，共二十五页4 4、合理选择试验参数、合理选择试验参数在结构试验中，试验方案涉及到的参数很多。这些参数决定了试验结构在结构试验中，试验方案涉及到的参数很多。这些参数决定了试验结构的性能。试验参数可分为两类，一类
19、是与试验加载系统有关，另一类与的性能。试验参数可分为两类，一类是与试验加载系统有关，另一类与试验结构的具体性能有关。试验结构的具体性能有关。试验结构的参数应在实际工程结构的可能取值范围内取值。即应试验结构的参数应在实际工程结构的可能取值范围内取值。即应有实际意义。有实际意义。在设计、制作试件时，对试验参数应进行必要的控制。在设计、制作试件时，对试验参数应进行必要的控制。钢筋混凝土结构：强度等级，配筋率、配筋方式、截面形式、荷钢筋混凝土结构：强度等级，配筋率、配筋方式、截面形式、荷载形式及位置参数载形式及位置参数砌体结构：块体与砂浆强度，试件尺寸砌体结构：块体与砂浆强度，试件尺寸钢结构：构件长细
20、比、截面形式、节点构造方式等。钢结构：构件长细比、截面形式、节点构造方式等。本讲稿第二十一页，共二十五页5 5、统一测试方法和评价标准、统一测试方法和评价标准在鉴定性试验中，试验对象和试验方法大多数已事先在鉴定性试验中，试验对象和试验方法大多数已事先规定。规定。而在研究性试验中，情况有所不同。结构试验作为科而在研究性试验中，情况有所不同。结构试验作为科学创新的源泉，我们不可能用技术标准的形式来规定学创新的源泉，我们不可能用技术标准的形式来规定科学创新的方法。但我们有需要对基本的试验方法进科学创新的方法。但我们有需要对基本的试验方法进行规定。主要是为了便于信息交换，建立共同的评价行规定。主要是为
21、了便于信息交换，建立共同的评价标准。标准。所有的科学研究都必须利用已有的成果，结构试验获所有的科学研究都必须利用已有的成果，结构试验获得的新的信息必须经过交流、比较、评价，才能形成得的新的信息必须经过交流、比较、评价，才能形成新的成果。新的成果。本讲稿第二十二页，共二十五页6 6、降低试验成本和提高试验效率、降低试验成本和提高试验效率在结构试验中，试验成本由试件加工制作，在结构试验中，试验成本由试件加工制作，预埋传感器，试验装置加工，试验用耗材，预埋传感器，试验装置加工，试验用耗材，试验仪器折旧，试验人工费用和有关管理试验仪器折旧，试验人工费用和有关管理费等组成。费等组成。量力而行，优化试验方
22、案量力而行，优化试验方案不要盲目追求高精度不要盲目追求高精度尽量重复利用材料尽量重复利用材料本讲稿第二十三页，共二十五页安全因素安全因素试验人员安全试验人员安全试验设备安全试验设备安全应急预案应急预案建立安全制度建立安全制度安全第一、预防为主安全第一、预防为主本讲稿第二十四页，共二十五页三、测试技术基本原理三、测试技术基本原理.传感器传感器:一种转换器件一种转换器件,把物理量或化学量转换为可以观测把物理量或化学量转换为可以观测并记录并加以利用的信号并记录并加以利用的信号.测量测量:确定试验结构的反应量值而进行的过程确定试验结构的反应量值而进行的过程.方式是比较方式是比较 .直接测量直接测量:无须经过函数关系的计算无须经过函数关系的计算,直接通过测量仪器直接通过测量仪器得到被测量值得到被测量值(直尺直尺,百分表百分表).间接测量间接测量:在直接测量的基础上在直接测量的基础上,根据已知的函数关系根据已知的函数关系,通通过计算被测量值过计算被测量值.标定标定:采用已知的标准物理量校正仪器或测量系统的过程采用已知的标准物理量校正仪器或测量系统的过程.测量单位计量标准测量单位计量标准:国际单位国际单位M,kg,s,A,K,cd,molM,kg,s,A,K,cd,mol.现代测量的特点：现代测量的特点：电测法，计算机的应用电测法，计算机的应用本讲稿第二十五页，共二十五页