第三章

加載設備與試驗裝置土木工程結構試驗與檢測

利用加載設備和試驗裝置產生模擬荷載.

用于結構試驗的加載設備：重物、氣壓、機械機具、液壓、動力激振及與它們相匹配的各種試驗裝置等。

產生模擬荷載的方法3.1重物加載及實現方式實驗室：采用的重物有專門制作的標準鑄鐵磚碼、混凝土試塊和水箱等。現場：磚、砂、石和袋裝水泥等建筑材料。加載方式：1、直接加在試驗對象上,2、通過杠桿系統間接加在試驗對象上。3.1.1重物直接加載重物荷載直接堆放于結構表面作為均布荷載(圖3.1.1)

重物直接加載應注意的問題重物直接加載應注意的問題:1、當采用鑄鐵砝碼、磚塊、袋裝水泥等作為均布荷載時,應注意重物尺寸和堆放距離(圖3.1.1);2、當采用砂、石等松散顆粒材料作為均布荷載時,切勿連續松散堆放,宜采用袋裝堆放,以防止砂石材料摩擦角引起的拱作用;3、當環境濕度不同時,可能引起砂石重量隨含水率而變化,造成荷載值的不穩定。3.1.1重物直接加載作集中荷載置于荷載盤上通過吊桿掛在結構上形成集中荷載(圖3.1.2),計入吊桿與荷載盤的自重3.1.1重物直接加載用水作均布荷載

利用水作均布荷載試驗（圖3.1.3）,直接用自來水管放水,水的相對密度為1,從標尺上的水深就可知道荷載值的大小。3.1.1重物直接加載用水作均布荷載

卸載時,可采用虹吸管原理放水卸載。比較方便,特別適用于網架結構和平板結構加載試驗。其缺點是全部承載面被水掩蓋,不利于布置儀表和觀測。當結構產生較大變形時,要注意水荷載的不均勻性所產生的影響。3.1.2杠桿加載方法3.1.2杠桿加載方法

重物作集中荷載試驗時,常采用杠桿原理將荷載值放大,如圖3.1.4所示。杠桿應有足夠的剛度,杠桿比≤5。三個支點在同一直線上,保持荷載穩定、準確。避免因結構變形、杠桿傾斜而導致杠桿放大,比例失真。3.1.2杠桿加載方法現場試驗時,杠桿反力支點可用重物、樁、墻洞或反彎梁等作支承（圖3.1.5)杠桿加載注意事項用重物加載進行破壞試驗時,應特別注意安全。在加載試驗結構的底部均應有保護措施,防止倒塌造成事故3.2氣壓加載：正壓加載氣壓加載分為正壓加載和負壓加載兩種。圖3.2.1a為正壓加載示意圖,正壓加載是利用壓縮空氣的壓力對結構施加荷載。正壓加載對加均布荷載特別有利,直接通過壓力表就可反映加載值,加卸載方便,并可產生較大的荷載,可達到50~100KN/m2,一般應用于模型結構試驗較多。3.2氣壓加載：負壓加載

用真空泵將空氣抽走形成真空，結構外表面受到大氣壓的作用形成均布荷載，由真空度可得出荷載值。負壓加載適用于殼體結構試驗,缺點是安裝量測儀表受到限制,觀測裂縫不方便等

.3.3機械機具加載機械機具加載設備：由絞車、卷揚機、倒鏈葫蘆、螺旋千斤頂和彈簧等組成。

機具加載的適用情況

絞車、卷揚機、倒鏈葫蘆等主要用于對遠距離或高聳結構物施加拉力。連接定滑輪可以改變力的方向,連接滑輪組可以提高加載能力,連接測力計或拉力傳感器可以測量其加載值。

機具加載的適用情況螺旋千斤頂和彈簧均適用于長期荷載試驗,產生的荷載相對比較穩定。螺旋千斤頂是利用渦輪渦桿機構傳動的原理加力,使用時需要用力傳感器測定其加載值,設備簡單,使用方便。

機具加載的適用情況彈簧加載采用千分表量測彈簧的壓縮長度的變化量確定彈簧的加載值,彈簧變形與力值的關系一般通過壓力試驗機標定來確定。加載時,承載力較小的彈簧可直接擰緊螺帽施加壓力,承載力很大的彈簧則需借助于液壓加載設備加壓后再擰緊螺帽。當結構產生變形時會自動卸載,應及時擰緊螺帽調整壓力,保持荷載不變。3.4液壓加載

目前最常用的試驗加載方法。利用油壓使液壓千斤頂產生較大荷載。由油泵、油管系統、千斤頂、加載控制臺、加載架和試驗臺座等組成,如圖3.4.1所示。3.4.1液壓加載千斤頂

液壓千斤頂通常為加載而專門設計制造,具有較高的精度,分為手動油泵供油和電動油泵供油兩種,如圖3.4.2所示。

液壓千斤頂的工作壓力在40~100MPa，配置油路穩壓器以使結構產生較大變形時能夠保持所需荷載值。高壓油經三通可同時給多個千斤頂供油可施加同步荷載。拉壓雙作用千斤頂配置換向閥可施加低周反復荷載。3.4.2結構試驗機大型結構試驗機本身就是一種比較完善的液壓加載系統。是在實驗室內進行大型結構試驗的一種專門設備,比較典型的是結構長柱試驗機,如圖3.4.3所示。用于混凝土梁、板、柱和砌體結構構件的受壓和受彎試驗。結構試驗機的特點:1結構長柱試驗機構造和加載原理與一般的村料試驗機相同。2、機架高度最大可達10m以上;可滿足大型結構試驗的需要.3、最大加載值可達1000t以上。4、與計算機連接，實施程序控制操作和數據采集，試驗機操作和數據處理同時進行。3.4.3電液伺服加載系統電液伺服加載系統主要是由電液伺服作動器(伺服千斤頂)、控制系統和液壓源三大部分組成,如圖3.4.4所示。它可以將荷載、應變和位移等不同力學參量直接作為控制參量,實行自動控制,并在試驗過程中進行控制參量的轉換。電液伺服加載系統工作原理電液伺服加載系統采用電液伺服閥進行閉環控制。

電液伺服閉環控制是以電參量(通常是指控制器發出的電壓信號,其波形、頻率和幅度的設定值由要求的荷載值和位移量來確定)通過伺服閥去控制高壓油的流量,推動液壓作動器執行元件(千斤頂的活塞)對試件施加荷載。

電液伺服加載系統工作原理另一方面,傳感器檢測出的加載試件的某一力學參量(位移、荷載、應變),經傳感器轉換后以電參量的方式作為反饋信號在比較器中隨時與設定的控制電參量進行比較,得出的差值信號經調整放大后控制電液伺服閥再推動液壓作動器執行元件,使其向消除差值的方向動作。

將執行元件動作的效果由傳感器檢測,并作為反饋信號送入比較器,從而形成閉環回路。

電液伺服加載系統構成1、電液伺服作動器：是電液伺服實驗系統的動作執行者,電液伺服閥是電液伺服作動器的核心元件,電、液信號的轉換和控制主要由它實現。伺服閥輸出的高壓油流量和控制電流成正比其構造如圖：電液伺服加載系統構成

2.控制系統：控制系統由液壓控制器、電參量信號控制器、繪圖儀和計算機四部分組成。其中,液壓控制器控制液壓源的啟動和關閉;電參量信號控制器主要控制荷載、位移和應變等參量的轉換,還有極限保護以免開環失控等功能;繪圖儀主要對試件的各階段受力與變形的變化規律進行實時直觀顯示；計算機主要對電信號控制器和繪圖儀進行實時控制。電液伺服加載系統構成

3.液壓源：為整個試驗系統提供液壓動力。電液伺服作動器為高精度加載設備,對液壓源有很高的技術要求。1、要保持液壓油的壓力和流量工作穩定,2、對供電有一定的要求,要有安全保護環節及其監測儀表以保證液壓源的安全運行。3、電液伺服加載系統所用液壓油的潔凈程度要高,在供油管路和回油管路都裝有過濾器,這主要是為了保證作動器上的電液伺服閥能夠安全可靠地工作。4、液壓源上都配有冷卻器：液壓源在運行過程中需要不斷地進行冷卻,以保持油溫在額定溫度范圍之內,否則液壓油的溫度升高,會造成設備的損壞和液壓油的失效,尤其是動態加載試驗時液壓油的溫度上升情形更為嚴重。5、液壓源配有冷卻水供給系統，因為液壓油的冷卻是通過熱交換器來完成的。3.4.4模擬地震振動臺模擬地震振動臺是進行結構抗震試驗的一種先進試驗設備,是由振動臺臺體結構、液壓驅動和動力系統、控制系統及測試和分析系統組成,如圖3.4.6所示.

模擬地震振動臺的構成

1.振動臺臺面與基礎：振動臺臺面是有一定尺寸的平板結構,需要有足夠的剛度和承載力,通常采用鋼結構。振動臺應安裝在質量很大的基礎上,基礎的重量一般為可動部分重量或激振力的10~20倍以上,這樣可以改善系統的高頻特性,并減小對周圍建筑和其他設備的影響。模擬地震振動臺的構成

2.液壓驅動和動力系統：液壓驅動系統是向振動臺施加巨大推力的設備。目前,世界上已經建成的大中型模擬地震振動臺,基本是采用電液伺服系統來驅動,它在低頻時能產生巨大的推力。根據輸入信號(周期波或地震波),由電液伺服閥控制進入作動器的液壓油流量的大小和方向,從而由作動器推動臺面能在垂直軸或水平軸方向上產生正弦運動或隨機運動。

模擬地震振動臺

液壓動力系統是一個巨大的液壓功率源,能供給作動器所需要的高壓油,滿足巨大推力和臺身運動速度的要求。目前建成的振動臺中都配有大型蓄能器組,根據蓄能器容量的大小使瞬時流量可為平均流量的1~8倍,它能產生具有極大能量的短暫突發力,更好的模擬地震作用。模擬地震振動臺的構成

3.控制系統：模擬地震振動臺的控制系統主要由模擬控制和數字控制兩部分組成。模擬控制方法又分為兩種。一種是采用位移反饋控制的PID控制方法,同時利用壓差反饋作為提高系統穩定的補償,德國SCHENCK公司就是采用這種控制方法;另一種方法是將位移、速度和加速度共同進行反饋的三參量反饋控制方法,美國MTS公司就是采用這種控制方法。數字控制目前采用計算機進行數字迭代的補償技術進行控制,實現臺面地震波的再現。試驗時,振動臺臺面輸出的波形是期望再現的某個地震記錄或是模擬設計的人工地震波。由于包括臺面、試件在內的系統的非線性影響,在計算機給臺面的輸入信號激勵下所得到的反應與輸出的期望之間必然存在誤差。這時,計算機由臺面輸出信號與系統本身的傳遞函數(頻率響應)求得下一次驅動臺面所需的補償量和修正后的輸入信號。經過多次迭代,直至臺面輸出反應信號與原始輸入信號之間的誤差小于預先給定的值,完成迭代補償并得到滿意的地震波形。

模擬地震振動臺的構成4.測試和分析系統：測試系統一般是測量位移、加速度和應變等參數,總通道數可達百余點。位移測量多數采用差動變壓器式和電位計式的位移計,可測量模型相對于臺面的位移；加速度測量采用應變式加速計，壓電式加速度計，近年來也采用差容式或伺服式加速度計

數據的采集在直觀式示波器或磁帶記錄器上將反映的時間歷程記錄下來,或經過模數轉換送到數字計算機儲存,并進行分析處理。模型的破壞過程可采用攝像機進行記錄

.3.5動力加載法—3.5.1慣性力加載法慣性力加載法是在結構動力試驗中,利用物體質量在運動時產生的慣性力對結構施加動荷載。因此,按產生慣性力的方法通常將其分為沖擊力加載法、離心力加載法和直線位移慣性力加載法。3.5.1慣性力加載法1、沖擊力加載：特點是荷載作用時間極為短促,在它的作用下被加載結構產生自由振動,適用于進行結構動力特性的試驗。沖擊力加載方法有初位移法和初速度法兩種：1、沖擊力加載

(1)初位移加載法：初位移加載法也稱為張拉突卸法。如圖3.5.1a所示在結構上拉一鋼絲繩,使結構產生一個人為的初始強迫位移,然后突然釋放,使結構在靜力平衡位置附近作自由振動。在加載過程中當,拉力達到足夠大時,事先連接在鋼絲繩上的鋼拉桿被拉斷而形成突然卸載,通過調整拉桿的截面即可獲得不同的初位移。圖3.5.1用張拉突卸法對結構施加沖擊力荷載1-結構物2-鋼絲繩3-鉸車4-鋼拉桿5-保護索（1）初位移加載法對于小模型則可采用圖3.5.1b所示的方法,使懸掛的重物通過鋼絲對模型施加水平拉力,剪斷鋼絲造成突然卸載。這種方法的優點是結構自振時荷載已不存在,對結構沒有附加質量的影響,但僅適用于剛度不大的結構。為防止結構產生過大的變形,加載的數量必須正確控制,經常是按所需的最大振幅計算求得。加載時應防止由于加載作用點的偏差而使結構在另一平面內同時振動產生干擾。

1、沖擊力加載(2)初速度加載法：初速度加載法也稱突加荷載法。如圖3.5.2所示,利用擺錘或落重的方法使結構在瞬時內受到水平或垂直的沖擊,產生一個初速度,同時使結構獲得所需的沖擊荷載。這時作用力的總持續時間比結構的有效振型的自振周期短些,所引起的振動是整個初速度的函數,而不是力的函數.

初速度加載法

如圖3.5.2a所示的擺錘進行激振時,如果擺錘和建筑物有相同的自振周期,擺錘的運動就會引起建筑物共振,產生自振振動。初速度加載法使用圖3.5.2b所示的方法時,荷載將附著于結構一起振動,并且落重的跳動又會影響結構自振阻尼振動,同時有可能使結構受到局部損傷。這時沖擊力的大小要按結構承載力計算,不致使結構產生過大的應力和變形

落重方法注意的問題用垂直落重沖擊時,落重取結構自重的0.1%(指試驗對象跨間),落重高度h《2.5m,為防止重物回彈再次撞擊和局部受損,擬在落點處鋪設15~2Ocm的砂墊層

3.6試驗臺座與支承裝置—3.6.1試驗臺座結構試驗臺座是實驗室內永久性的固定設備,用以平衡施加在試驗結構物上的荷載產生的反力。試驗臺座的臺面:1、與實驗室地坪標高一致,充分利用實驗室的地坪面積,使室內水平運輸搬運物件比較方便,但易干擾試驗活動。

2、高出地平面,使之成為獨立體系,試驗區劃分比較明確,不受周邊活動及水平交通運輸的影響。

3、臺座的承載能力一般為200~100OKN/m2。3.6.1試驗臺座設計臺座時,其縱向和橫向均應按各種試驗組合可能產生的最不利受力情況進行驗算與配筋,以保證具有足夠的強度和整體剛度。動力試驗的臺座：足夠的質量和耐疲勞強度,防止引起共振和疲勞破壞,尤其應注意局部預埋件和焊縫的疲勞破壞。靜力試驗臺座與動力試驗臺座分離設置,避免動力試驗對靜力試驗的干擾。常見的試驗臺座有以下幾種：

1.槽式試驗臺座

目前國內用得較多的比較典型的靜力試驗臺座。其構造特點是沿臺座縱向全長布置幾條槽軌。該槽軌是用型鋼制成的縱向框架式結構,埋置在臺座的混凝土內,如圖3.6.1所示。槽式試驗臺座槽軌的作用在于錨固加載支架,用以平衡結構物上的荷載產生的反力。如果荷載架立柱用圓鋼制成,直接可用兩個螺帽固定于槽內;如果荷載架立柱由型鋼制成,則在其底部設計成鋼結構柱腳的構造,用地腳螺栓固定在槽內。2、地錨式試驗臺座這種臺座在臺面上每隔一定間距設置一個地腳螺栓,螺栓下端錨固在混凝土內,頂端伸出到臺座表面特制的地槽內,并略低于臺座表面標高,如圖3.6..2所示。地錨式試驗臺座

使用時,通過套筒螺母與荷載架立柱連接。平時用蓋板將地槽蓋住,以保護螺栓端部,并防止雜物落入孔穴。這種臺座的缺點是螺栓受損后修理困難。此外,由于螺栓位置是固定的,所以安裝試件的位置受到限制,不如槽式臺座方便。

3.箱式試驗臺座

這種臺座本身就是一個剛度很大的箱形結構,臺座頂板沿縱、橫兩個方向按一定間距留有豎向貫穿的孔洞,以固定立柱或梁式槽軌,如圖3.6.3所示

箱式試驗臺座臺座配備有