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1、Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu1结构实验技术 田石柱 教授Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu2第四章 结构模型试验 在进行结构性能试验时，作为结构试验的试件可以是真实结构，也可以是其中的某一部分。若把真实结构称作真型（原型）或足尺，则不论是整体或它的一部分，由于都是足尺，势必导致试验的规模很大，所需加荷设备的容量和费用会很高，制作费和加工费也随之增加。所以除了少数在原型结构上进行的检验性试验以外，一般的研究性试验都是模型试验。Lab of Prof.Tian ShizhuLa
2、b of Prof.Tian Shizhu34-1 概 述 结构模型试验是工程结构设计和理论研究的主要手段之一。结构试验分析方法通过结构试验(其中主要是结构模型试验)，得到体形复杂或受力状况特殊的结构或结构的一部分的内力、变形、动力特性、破坏形态等，为结构设计或复核提供依据。基于计算机结构分析方法已经能够解决很多复杂的结构分析问题，但结构模型试验仍有不可替代的地位。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu44-1 概 述 模型试验的理论基础是相似理论。仿照原型结构，按相似理论的基本原则制成的结构模型，它具有原型结构的全部或部分特征。通过试验，
3、得到与模型的力学性能相关的测试数据，根据相似理论，可由模型试验结果推断原型结构的性能。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu5模型试验优点1经济性好 由于模型结构的几何尺寸小，因此试件的制作容易，拆装方便，节省材料、劳力和时间，并且同一个模型可进行多个不同目的的试验。在荷载方面尤为突出，在一般常用的相似条件下，集中荷载的减少与几何尺寸的缩小成平方关系。若原型结构上作用着100KN的集中荷载，一个缩尺比为1/20的模型仅需0.25KN的集中荷载。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu62针
4、对性强 结构模型试验可以根据试验的目的，突出主要设计因素，简略次要因素，并改变其某些主要因素进行多个模型的对比试验。这对于结构性能的研究，新型结构的设计，结构理论的验证和推动新的计算理论的发展都具有一定的意义。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu73.数据准确 由于试验模型小，一般可在试验技术条件和环境条件均较好的室内进行试验，因此可以严格控制其主要测试参数，避免外界因素的干扰，保证试验结果的准确度。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu8 在工程设计和科学研究中，常见的模型试验分为以
5、下几类：(1)按模型试验的目的可分为小结构试验和相似模型试验。小结构试验的目的是为了验证设计理论、材料或工艺性能或结构设计所需的参数。小结构试验的模型不与任何一个具体的原型结构对应，按照设计规范的要求设计并制作模型，但模型尺寸较小。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu9 例如，钢筋混凝土单层框架的试验，梁截面尺寸为 bh=100mm180mm，柱 截 面 尺 寸 为bh=140mml40mm，配直径l2mm的纵向受力钢筋。这种框架的试验就属于小结构试验。相似模型与某一原型结构相似，试验的目的是通过相似模型的试验结果直接推测原型结构的性能指
6、标。在线弹性范围内，当模型与原型严格相似时，上述试验目的是可以实现的。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu10(2)按模型试验研究的范围可分为弹性模型试验、强度模型试验和间接模型试验。弹性模型的研究范围限于结构的弹性工作阶段，模型材料可以与原型材料不同。例如：常用有机玻璃制作桥梁或建筑的弹性模型。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu11 强度模型研究原型结构受力全过程性能，重点是破坏形态和极限承载能力。强度模型的材料与原型结构相同，钢筋混凝土结构的模型试验常采用强度模型试验。间接模型
7、试验的研究范围仅限于结构的支座反力及内力，如轴力、弯矩、剪力影响线等，间接模型不要求与原型结构直接相似。目前已较少应用，大多为计算机分析所替代。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu12(3)按模型试验的分析方法可分为定性试验、半分析法试验和定量分析试验。定性试验的模型简单，模型试验的结果可以展现某种规律或现象是否存在，不要求精确的数量关系。例:通过定性试验展示钢结构构件的弯扭失稳现象。半分析法试验有时又称为子结构试验，模型试验的对象为整体结构的一部分，结构整体性能由模型试验和整体结构分析得到。Lab of Prof.Tian Shizhu
8、Lab of Prof.Tian Shizhu13定量分析试验，通过模型试验实现原型结构的定量分析，是结构模型试验的主要目的。工程师和研究人员总是希望将模型试验作为一种独立的研究工具，由模型试验的结果直接得到原型结构的性能指标。特别对计算机不能真实模拟和准确计算的复杂结构和新型结构，定量分析模型尤为重要。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu14(4)按试验模拟的程度可分为截面模型或节段模型、局部结构模型和整体模型。对于可作为平面问题分析的结构可采用截面模型或节段模型，例如：条形基础结构模型可以截取一段进行节段模型试验。局部结构模型的研究对
9、象为大型结构中受力较为复杂的某一局部，例如：桥梁结构中，钢箱梁和钢筋混凝土箱梁结合部的模型试验就是局部模型试验。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu15 整体模型也称为三维模型或空间模型，它反映了结构的空间受力特性。例如：钢筋混凝土框架结构常采用平面结构模型进行试验研究，但考虑框架角柱的双向偏心受压或受扭时，就必须采用空间模型。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu16(5)按试验加载的方法可分为静力模型试验、动力模型试验、伪静力模型试验、拟动力模型试验这与常规的结构试验的分类是相同的
10、。此外，对结构模型采用不同的测试方法，还可做出不同的分类。较为典型的是光弹性结构模型，这类模型采用透明、匀质、边缘效应小的环氧类材料制成，利用偏振光量测应力分布。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu174-2 相似理论 相似理论是模型试验的基础。进行结构模型试验的目的是试图从模型试验的结果分析预测原型结构的性能，相似性要求将模型结构和原型结构联系起来。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu184-2 相似理论 一个物理现象区别于另一个物理现象在于两个方面，即质的区别和量的区别。我们采用
11、基本物理量实现对物理现象的量的描述。常用的基本物理量为长度、力(或质量)、时间、温度和电荷。这些基本物理量称为量纲(英文为Dimension)。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu19 大多数结构模型试验只涉及机械量，因此最重要的基本物理量为长度、力和时间。量的特征由数量和比较的标准构成。这里的比较标准是指标准单位，例如，国际单位制就建立了一种比较标准。在结构模型设计和试验中，通过量纲分析确定模型结构和原型结构的相似关系。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu20 一、相似常数 结构模型试验中的“相似”是指原型结构和模型结构的主要物理量相同或成比例。在相似系统中，各相同物理量之比称为相似常数，相似系数或相似比。