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《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
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,有些物理量是无量纲的,用[1]表示,有些物理量是由量测与它有关的量后间接求出的,其量纲由与它有关的物理量的量纲导出,称为导出量纲。在一般的结构工程问题中,各物理量的量纲都可由长度、时间、力这三个量纲导出,故可将长度,时间,力三者组合取为基本量纲,称为力量系统。另一组常用的基本量纲组合是长度、时间、质量,称为质量系统。基本量纲组合必须是互相独立的和完整的,即在这组基本量纲中,任何一个量纲不可能由其它量纲组成而且所研究的物理过程中的全部有关物理量的量纲都可由这组基本量纲组成。两个物理量量纲相同,才能相加减。一个物理方程式中,等式两边各项的量纲必须相同。常把这一性质称为“量纲和谐”;量纲和谐的概念是量纲分析法的基础。
量纲分析法归纳如下:列出与所研究的物理过程有关的物理参数,根据第二相似定理和量纲和谐的概念找出π数,并使模型和原型的π数相等,从而得出模型设计的相似条件。
二、试验加载
加载图式的选择与设计
结构试验时的荷载作用应使结构处于某一种实际可能的最不利工作状态。试验时,荷载的图式要与结构设计计算的荷载图式一样,结构的工作和其实际情况才最为接近。有时,也常由于一些原因而采用不同于设计计算所规定的荷载图式,对这些情况应注意。如试验时采用某种更接近于结构实际受力情况的荷载布置方式。或采用等效荷载的方式来改变原来的加载图式。采用等效荷载试验时,必须全面验算由于荷载图式改变对结构产生的各种影响。必要时,应对结构构件作局部加强,或对某些参数进行修正。当构件满足强度等效而整体变形条件不等效时,则需对所测变形进行修正。当取弯矩等效时,尚需验算剪力对构件的影响。同时要求采用等效荷载的试验结果所产生的误差控制在试验允许的范围以内。
试验加载装置的设计
为保证试验工作的正常进行,对于试验加载用的设备装置,也必须进行专门的设计。在使用实验室内现有的设备装置时,也要按每项试验的要求对装置的强度刚度进行复核计算。
对于加载装置的强度,首先要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。试验加载装置在满足强度要求的同时,还必须考虑刚度的要求,在结构试验时,如果加载装置刚度不足时,将难以获得试件极限荷载下的性能。
试验加载装置设计还要求使它能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。在加载装置中还必须注意试件的支承方式。试验加载装置除了在设计上要满足一系列要求外,应尽可能使其构造简单,组装时花费时间少,特别是当要做同类型试件的连续试验时,还应考虑能
方便试件的安装,并缩短其安装同调整的时间。要掌握结构试验时构件空间就位形式的不同和特点。
结构试验的加载制度
试验加载制度是指结构试验进行期间控制荷载与加载时间的关系。它包括加载速度的快慢、加载时间间歇的长短、分级荷载的大小和加载、卸载循环的次数等。结构构件的承载能力和变形性质与其所受荷载作用的时间特征有关。对于不同性质的试验,必须根据试验的要求制订不同的加载制度。
对于预制混凝土构件,在进行质量检验评定时,可按《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204-2002)的规定进行。一般混凝土结构静力试验的加载程序可按《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-92)的规定进行。对于结构抗震试验,则可按《建筑抗震试验方法规程》(JGJl01—96)的有关规定进行设计,抗震的静力试验采用控制荷载和变形的低周反复加载,而结构拟动力试验则由计算机控制按结构受地震地面运动加速度作用后的位移反应时程曲线进行加载试验。
合理选择均布荷载或集中荷载的加载图式,数量及作用位置布置。也可以根据试验的目的要求,采用与计算简图等效的荷载图式。
荷载种类和加载图式确定以后,还应按一定程序加载。加载程序可以有多种,根据试验目的要求的不同而选择,一般结构静载试验的加载程序均分为预载、标准荷载(正常使用荷载)、破坏荷载三个阶段。理解分级加载的目的和方法。
三、试验的观测
在确定试验的观测项目时,首先应该考虑反映结构整体工作和全貌的整体变形,通过对某些指标的测量结果深入分析,掌握整个结构工作状态和物理性能变化。对于某些试验,反映结构局部工作状况的局部变形也是很重要的,可以用来推断结构强度等重要指标。
要注意测点的选择与布置的基本原则,保证测点的适合数量和可靠性,校核性。
注意仪器的选择与测读的原则,遵循仪器的精度要求,测试结果的范围限制,以及现场具体情况和方便操作,以及仪表本身的特性与试验要求的吻合等。
仪器仪表的测读应按一定的程序进行,具体的测定方法与试验方案、加载程序有密切的关系。在拟定加载方案时,要充分考虑观测工作的方便与可能,反之,确定测点布置和考虑测读程序时,也可根据试验方案所提供的客观条件,密切结合加载程序加以确定。
由于结构构件的变形、特别是混凝土构件的变形在一定程度上与荷载持续时间有关,因此,在结构静力试验中,量测变形在时间上应有一个统一的规定,这样,量测的结果才具有可比性。同样,在结构动力试验时,也必须严格控制仪表测读时间。
在试验中,对于重要的控制测点的读数,应边做记录,边做整理,与预计理论值进行比较,以利于发现问题并及时纠正。
四、试验大纲和报告及分析处理
结构试验设计必须拟制一个试验大纲并汇总所有有关的文件。试验大纲是进行整个试验的指导性文件。对其中包含的内容要全面细致的制定。
除试验大纲外,每一结构试验从规划到最终完成尚应包括其它一些文件作为原始资料,在试验工作结束后均应整理装订归档保存。
此外,试验报告是全部试验工作的集中反映,它概括了其他文件的主要内容。编写试验报告,应力求精简扼要。试验报告有时也不单独编写,而作为整个研究报告中的一部分。试验报告内容要全面条理,不能缺项。
结构试验必须在一定的理论基础上才能有效地进行。试验的成果将为理论计算提供宝贵的资料和依据。我们决不可凭借一些观察到的表面现象,为结构的工作妄下断语,一定要经过周详的考察和理论分析,才可能对结构的工作作出正确的符合实际情况的结论。不应该认为结构试验纯系经验式的实验分析,相反,它是根据丰富的试验资料对结构工作的内在规律进行更深入一步的理论研究。
在试件制作、材料选用(注意试块和构件材料的同一性)、安装就位、加载量测和数据采集等各个阶段,都可能存在或产生各种误差。为此,在试验设计工作中,必须对各个环节可能产生误差的原因进行分析,并选择控制误差的措施,以提高测试精度,保证试验质量。
五、试验安全性考虑
试验安全问题要全面细致地进行考虑。无论是试件的安全措施,还是试验仪器的安全措施,人身安全的保障措施都是试验成功的关键所在。针对试件在运输过程中,吊装过程中,安装过程中,在现场试验中,以及试件拆除时进行全过程的安全控制。对试验仪器要充分了解其性能,特点和使用范围进行考虑。人员的安全要从人在试验场所的每个环节进行考虑。