土木工程結構試驗與檢測技術3試驗設計理論與方法3.1試驗設計理論、要求與原則試驗設計理論、是自然科學研究方法論領域中一個分支學科，是國內外許多重點大學化學、化工、電子、土木、機械、材料、管理等專業的專業技術基礎課程，是當代工程技術人員必須掌握的技術方法。試驗設計的目的，是用科學的方法去安排試驗，懂得如何處理得到的試驗數據，以最少的人力和物力消耗，在最短的時間內取得更多、更好的生產和科研成果的技術方法。目前常用的試驗設計方法，有區組設計、正交設計、均勻設計、飽和設計與超飽和設計、參數設計、回歸設計、混料設計等。3.1.1試驗研究的基本要求試驗研究的目的，是為了揭示紛繁復雜的各種事物和現象對研究對象在一定條件下產生影響的深度與廣度，找出其發展變化的規律性。試驗研究必須符合下列基本要求：（1）試驗條件的代表性試驗條件，應能代表試驗地區的實際情況，以便將來的推廣應用。同時還應兼顧未來發展的可能，使試驗結果既能符合當前需要，又能適應未來發展。（2）試驗結果的可靠性試驗結果的可靠性，包括試驗的準確性與精確性兩個方面。準確性是指試驗中某一性狀的觀測值與其真實值的接近程度，越接近準確性越好；精確性是指試驗中同一性狀的重復觀測值的彼此接近程度。（3）試驗結果的重演性是指在相似或相同條件下重復試驗能得到相同趨勢的試驗結果。首先必須嚴格要求試驗的正確實施和試驗條件的代表性；其次，必須注意試驗的各個環節，有詳細、完整、及時和準確的試驗記載。3.1.2與試驗有關的術語（1）試驗指標。指度量試驗結果的標志。試驗指標與試驗目的相對應。土木工程的結構試驗中，許多參數可以作為試驗指標，如結構或構件的剛度、位移、應力、應變、轉角等。（2）試驗因素。指試驗中由人為控制的影響試驗指標的變量。只研究一個因素效應的試驗，稱為單因素試驗；研究兩個或兩個以上因素的效應及其交互效應的試驗，稱為多因素試驗。（3）因素水平。對試驗因素所設定的不同量或質的級別，稱為因素的水平。水平相當于試驗因素這一自變量的各種取值。（4）試驗方案。指一個試驗的全部處理或處理組合的總和。試驗方案是進行科學試驗的準備工作，詳細的試驗方案是試驗研究成果的保證。（5）重復。指同一試驗處理所設置的試驗單元數。當一個試驗的每個處理，只設置一個試驗單元時，稱為無重復試驗；當一個試驗中，部分處理設置兩個或兩個以上試驗單元時，稱為部分處理設重復的試驗；當一個試驗的每個處理中，都設置兩個試驗單元時，稱為試驗有兩次重復，其余類推。3.1.3結構試驗設計的基本原則（1）真實模擬環境和結構荷載工程結構在其使用壽命的全過程中，要受到以荷載為主的各種作用。結構試驗除少數試驗是實際荷載外，絕大多數模擬荷載下進行的。因此，要根據不同的結構試驗目的設計試驗環境和試驗荷載，目的是要“真實再現”結構或構件在實際環境和荷載作用下的結構的反應。（2）消除次要因素影響影響結構受力性能的因素有很多，一次試驗很難同時確定各因素的影響程度。通常，試驗中一般都會明確給出了需要研究或需要驗證的主要因素，這就需要在試驗設計時進行仔細分析，盡可能消除次要因素的影響。從結構設計的可靠度理論我們知道，結構抗力和作用效應都是隨機變量。對于結構工程科學的研究性實驗，雖然人們也期望實驗結果能證實自己的猜想和假設，但卻必須將結構的反應視為隨機變量。（3）隨機變量原則3.1.3結構試驗設計的基本原則（4）合理選擇試驗參數試驗結構的參數，應在實際工程結構的可能取值范圍內。有時，出于試驗目的的需要，將某些參數取到極限值，以考察結構性能的變化。（5）統一測試方法和評價標準在驗證性結構試驗中，試驗對象和試驗方法大多已事先規定。所有的科學研究都必須利用已有的成果，結構試驗獲取信息必須經過交流、比較、評價，才能形成新的成果。因此，結構試驗要遵循學科領域中認可的標準或約定。（6）低成本高效率原則在結構試驗中，試驗成本由試件加工制作、預埋傳感器、試驗裝置加工、試驗用消耗材料、設備儀器折舊、試驗人工費用和有關管理費等組成。在試驗方案設計時，應根據試驗目的選擇有關試驗參數和試驗用儀器儀表，以達到降低試驗成本的目的。3.2結構試驗的試件設計和模型設計3.2.1試驗構件方案設計試件設計，應包括試件形狀、試件尺寸與數量以及構造措施。同時，還必須滿足結構與受力的邊界條件、試驗的破壞特征、試驗加載條件的要求。要能夠反映研究的規律，能夠滿足研究任務的需要，以最少的試件數量得到最多的試驗數據。（1）試件形狀試件設計之所以要注意它的形狀，主要是要在試驗時形成和實際工作相一致的應力狀態。在從整體結構中取出部分構件單獨進行試驗時，必須要注意其邊界條件的模擬，使其能如實反映該部分結構構件的實際工作狀態，同時要注意有利于試驗合理加載。任意試件的設計，其邊界條件的實現與試件安裝、加載裝置與約束條件等均有密切的關系。3.2結構試驗的試件設計和模型設計3.2.1試驗構件方案設計（2）試件的尺寸結構試驗所用試件的尺寸和大小，總體上分為真型（實物或足尺結構）和模型兩類。不同情況下選擇不同的試件尺寸，采用縮尺或真型試件。驗證性試驗中一般使用原型構件，探索性實試驗的研究一般采用縮小比例尺的試件。對于結構動力試驗，試驗尺寸常受試驗加載條件等因素的限制。動力特性試驗，可在現場原型結構上進行。至于地震模擬振動臺加載試驗，因受臺面尺寸、激振力大小等參數的限制，一般只能做縮尺的模型試驗。3.2結構試驗的試件設計和模型設計3.2.1試驗構件方案設計（3）試件數量在試件設計中，除試件的形狀尺寸應進行仔細研究外，試件數目即試驗量的設計也是一個不可忽視的重要問題。因為試驗量的多少，直接關系到能否滿足試驗的目的、任務以及整個試驗工作量要求等問題，同時也影響到試驗的經費、時間與進度。試件數量設計，是一個多因素問題。在實踐中我們應該使整個試驗的數目少而精、以質取勝，切忌盲目追求數量,要使所設計的試件盡可能做到一件多用，以最少的試件，最小的人力、經費，得到最多的數據,使其數量經試驗得到的結果，能客觀反映規律性，滿足研究目的和要求。3.2結構試驗的試件設計和模型設計3.2.1試驗構件方案設計試驗模型數量的設計方法，有4種。即優選法、因子法、正交法和均勻法。下面簡要介紹四種方法的特點。（1）優選設計法針對不同的試驗內容，利用數學原理合理地安排試驗點，用步步逼近、層層選優的方式以求迅速找到最佳試驗點的試驗方法叫做優選法。優選法對單因素問題試驗數量設計的優勢最為顯著，單因素問題設計方法中的0.618法是優選法的典型代表。（2）因子設計法因子，是對試驗研究內容有影響的發生著變化的因素，因子數則為可變化因素的個數，水平即為因子可改變的試驗檔次，水平數則為檔次數。因子設計法，又叫全面試驗法或全因子設計法。試驗數量，等于以水平數為底、以因子數為次方的冪函數。即，試驗數=水平數因子數3.2結構試驗的試件設計和模型設計3.2.1試驗構件方案設計3.正交設計法為解決因子設計法的不足之處，在試驗設計中經常采用一種解決多因素問題的試驗設計方法：正交試驗設計法。它主要是應用均衡分散、整齊可比的正交理論編制的正交表，來進行整體設計和綜合比較。它科學地解決了各因子和水平數相對結合可能參與的影響，也妥善解決了試驗所需要的試件數與實際可行的試驗試件數之間的矛盾，即解決了實際所作小量試驗與要求全面掌握內在規律之間的矛盾。4.均勻設計法均勻設計法，是我國著名數學家方開泰、王元于20世紀90年代合作創建的以數理學和統計學為理論基礎，以“分散均勻”為設計原則的原創性的全新設計方法。其最大的優勢是能以最少的試件數量，獲得最理想的試驗結果。利用均勻法進行設計時，一般不論設計因子數有多少，試驗數與設計因子的最大水平數相等。即試驗數=因子數。3.2結構試驗的試件設計和模型設計3.2.2結構試驗模型設計結構模型試驗所采用的模型，是仿照實際結構按一定相似關系制作而成的代表物，具有實際結構的全部或部分特征。只要設計的模型滿足相似的條件，則通過模型試驗所獲得的結果，可以直接推算到相似的原型結構上去。3.3結構試驗的荷載設計3.3.1結構試驗加載制度試驗加載制度，是指結構試驗進行期間控制荷載與加載時間的關系。它包括：加載速度的快慢、加載時間間歇的長短、分級荷載的大小以及加載、卸載循環的次數等。結構構件的承載能力和變形性質，與其所受荷載作用的時間特征有關。對于不同性質的試驗，必須根據試驗的要求制定不同的加載制度。3.3結構試驗的荷載設計3.3.1.1荷載的加載圖式結構試驗時的荷載作用，應使結構處于某一種實際可能的最不利工作狀態。試驗時荷載的加載圖式要與結構設計計算的荷載圖式一樣，這時結構的工作和其實際情況最為接近。但是有時，也由于下列原因而采用不同于設計計算所規定的荷載圖式。（1）對設計計算時采用的荷載圖式的合理性有所懷疑或實際情況有所改變，因而在試驗時采用某種更接近于結構實際受力情況的荷載布置方式。（2）由于試驗條件的限制或為了加載的方便和減少荷載量的需要，在不影響結構的工作和試驗結果分析的前提下，可以采用等效荷載的方式改變原來的加載圖式。這時，結構構件控制截面或控制部位上的主要內力值保持與設計值相等。也就是說，等效荷載的數值大小和分布形式要根據相應的等效條件換算得到。3.3結構試驗的荷載設計3.3.1.2加載程序加載程序可以有多種，據試驗目的要求的不同而選擇，一般結構靜載試驗的加載程序，均分為預載、標準荷載（正常使用荷載）、破壞荷載三個階段。有的試驗只加載至標準荷載試驗后試件還可使用，現場結構或構件試驗常用此法進行。有的試驗在加載到標準荷載恒載后，不進行卸載就直接進入破壞階段試驗。其間，加載的每個階段都要進行荷載分級。分級加（卸）載的目的，主要是為了方便控制加（卸）載速度和觀測變形與荷載的關系，也為了統一各點加載的步調和為讀取各種數據提供所必需的時間。分級方法，要考慮到能夠得到比較準確的承載力試驗荷載值、開裂荷載值和正常使用狀態的試驗荷載值及其相應的變形。因此，荷載分級時，應分別在這些荷載值的上、下，將原荷載等級減小1/2或更小些。3.3結構試驗的荷載設計3.3.2試驗加載裝置的設計加載裝置的強度首先要滿足試驗最大荷載量的要求，保證有足夠的安全儲備。同時要考慮結構受載后有可能產生的局部構件負荷增大的情況。試件的最大強度常比預計的要大，在做試驗設計時，將要求加載裝置的承載能力提高70%左右。試驗加載裝置在滿足上述強度要求的同時，還必須考慮剛度的要求。試驗加載裝置設計要符合結構構件的受力條件，能模擬結構構件的邊界條件和變形條件，否則就失去了受力的真實性。3.3結構試驗的荷載設計3.3.2試驗加載裝置的設計按照結構試驗時構件在空間就位形式的不同，可以有正位、異位和原位試驗等幾種加載裝置方案。（1）結構正位試驗正位試驗加載裝置是結構試驗中最常見的形式。由于它的試驗結構構件是在與實際工作狀態相一致的情況下進行的，是加載裝置優先考慮的方案。對于梁、板和屋架等簡支的靜定構件，正位試驗時結構構件的受壓區在上、受拉區在下，結構自重和它所承受的外荷載作用在同一垂直平面內。（2）結構異位試驗按照構件在空間位置的不同，可分為反位試驗和臥位試驗。①結構反位試驗反位試驗正好與正位試驗在空間位置上相差180°，構件的受拉區在上部，受壓區在下部。3.3結構試驗的荷載設計3.3.2試驗加載裝置的設計②結構臥位試驗臥位試驗與正位試驗在空間位置上相差90°。試驗時構件平臥，平行地面。這特別適合大跨度、大矢高的屋架和高大的柱子試驗。現場臥位試驗較多采用成對構件試驗的方法（如圖所示），即利用局部加強后的另一同類試件作為平衡機構。在采用臥位試驗時，為減少構件變形及支承面間的摩擦阻力和自重彎矩，應將試件平臥在滾軸上或平臺車上，使其保持水平狀態。1-試件；2-千斤頂；3-支承反力架；4-滑動平車吊車梁成對臥位試驗加載示意圖3.4結構試驗的觀測設計觀測方案一般是根據受力結構的變形特征和控制截面上的變形參數來制定的，因此要在試驗前預先估算出結構在試驗荷載作用下的受力性能和可能發生的破壞形狀。觀測方案的內容主要包括：確定觀察和測量的項目；選定觀測區域及布置測點；按量測項目選擇合適的儀表和確定試驗觀測方法。3.4結構試驗的觀測設計3.4.1觀測項目的確定在確定試驗的觀測項目時，試驗者首先應該考慮整體變形。因為整體變形最能夠概括結構工作的全貌，結構任何部位的異常變形或局部破壞都能在整體變形中得到反映。比如，對梁來說首先就是撓度，通過對撓度曲線的測量，不僅能知道結構的剛度、彈性和非彈性工作性質，而且通過撓度的不正常發展還能反映出結構中某些特殊的局部現象。其次是局部變形的量測。如鋼筋混凝土結構裂縫的出現，能直接說明其抗裂性能，而控制截面上的應力大小和方向則可推斷截面應力狀態，并驗證設計與計算方法是否合理正確；再如，在做非破壞性試驗應力分析時，實測應變又是推斷結構應力狀態和極限強度的主要指標。3.4結構試驗的觀測設計3.4.2測點的選擇與布置用儀器對結構或構件進行內力和變形等參數的量測時，測點的選擇與布置有以下幾條原則：（1）測點宜少不宜多。從結構試驗目的出發，量測的點位愈多愈能了解結構物的應力和變形情況，但從節約的觀點出發，在滿足試驗目的的前提下，測點還是宜少不宜多。在測量之前應利用已知的力學和結構理論對結構進行初步估算，并據此合理的布置測量點位，力求較少的試驗工作量而盡可能獲得必要的數據資料。3.4結構試驗的觀測設計3.4.2測點的選擇與布置（2）測點的位置必須要有代表性，以便于分析和計算。結構物的最大撓度和最大應力數據，可直接了解結構的工作性能和強度儲備。因此在這些最大值出現的部位上必須布置測量點位。最大應力的位置一般出現在最大彎矩截面及最大剪力截面上，或者彎矩、剪力都不是最大而是二者同時出現較大數值的截面上，以及產生應力集中的孔穴邊緣處或者截面劇烈改變的區域上。如果目的不是要說明局部缺陷的影響，那么就不應該在有顯著缺陷的截面上布置測點，這樣才能便于計算分析。3.4結構試驗的觀測設計3.4.2測點的選擇與布置（3）為了保證測量數據的可靠性，還應該布置一定數量的校核性測點。這是因為在試驗量測過程中，部分量測儀器的工作不正常或故障，以及其他偶然因素等，會影響量測數據的可靠性。因此不僅在需要知道應力和變形的位置上布置測點，也要求在已知應力和變形的位置上布點。這樣就可以獲得兩組測量數據，前者稱為測量數據，后者稱為控制數據或校核數據。3.4結構試驗的觀測設計3.4.2測點的選擇與布置（4）測點的布置應有利于試驗時的操作和測讀，不便于觀測讀數的測點，往往不能提供可靠的結果。為了測讀方便，減少觀測人員，測點的布置宜適當集中，以便于一人管理若干個儀器。不便于測讀和不便于安裝儀器的部位最好不設或少設測點，否則也要妥善考慮安全措施，或者選擇特殊的儀器或測定方法來滿足測量的要求。3.4結構試驗的觀測設計3.4.3量測儀表選用和測讀的原則3.4.3.1儀器的選擇試驗用的量測儀表，應符合現行規范中精度等級的規定，并應有主管計量部門定期檢驗的合格證書，在選用量測儀表時，應考慮下列要求：（1）符合量測所需的量程及精度要求。在選用儀表前，應先對被測值進行估算，目的是防止被測物超儀表量程，從而造成儀表損壞。一般應使最大被測值控制在儀表的2/3量程范圍附近。同時，為保證量測精度，應使儀表的最小刻度值不大于最大被測值的5％。（2）動態試驗量測儀表，其線性范圍、頻響特性以及相移特性等都應滿足試驗要求。3.4結構試驗的觀測設計3.4.3量測儀表選用和測讀的原則3.4.3.1儀器的選擇（3）對于安裝在結構上的儀表或傳感器，要求自重輕、體積小、穩定性好，不影響結構的工作。（4）選用儀表時應考慮試驗的環境條件。例如在野外試驗時儀器常受到風吹日曬，周圍的溫、濕度變化較大，宜選用機械式儀表（5）同一試驗中選用的儀表種類應盡可能少，目的是便于統一數據的精度，簡化量測數據的整理工作以及避免差錯。3.4結構試驗的觀測設計3.4.3量測儀表選用和測讀的原則3.4.3.2儀器的測讀儀器儀表的測讀，應按一定的程序進行，具體的測定方法與試驗方案、加載程序有密切的關系，應當注意如下事項：（1）在進行測讀時，基本的原則是全部儀器的讀數必須同時進行，至少也要基本上同時。結構的變形與時間有關，只有同時得到的讀數聯合起來才能說明結構在當時的實際狀況。因此，如果儀器數量較多，應分區同時由幾個人測讀，每個觀測人員測讀的儀器數量不能太多。如用靜態電阻應變儀作多點測量，當測點數量較多時，就應該考慮用多臺預調平衡箱并分組用幾臺應變儀來控制測讀。3.4結構試驗的觀測設計3.4.3量測儀表選用和測讀的原則3.4.3.2儀器的測讀（2）觀測時間一般是選在載荷過程中的加載間歇時間內。最好在每次加載完畢后的某一時間（如5min）開始按程序測讀一次，到加下一級荷載前，再觀測一次讀數。根據試驗的需要，也可以在加載后立即記取個別重要測點儀器的數據。對一些因荷載分級很細、某些儀器的讀數變化過小，或對于一些次要的測點等情況，可以每隔二級或更多級的荷載才測讀一次。如每級荷載作用下結構徐變變形不大時，或者為了縮短試驗時間，往往只在每一級荷載下測讀一次數據。3.4結構試驗的觀測設計3.4.3量測儀表選用和測讀的原則3.4.3.2儀器的測讀（3）當荷載維持較長時間不變時（如在標準荷載下恒載12h或更多），應該按規定時間（如加載后的5min、10min、30min、1h，以后每隔3~6h）記錄讀數一次，同樣當結構卸載完畢空載時，也應按規定時間記錄變形的恢復情況。（4）每次記錄儀器讀數時，應該同時記錄周圍環境的溫度、濕度等。（5）對重要的數據應邊做記錄、邊作初步整理，同時算出每級荷載下的讀數差，與預計的理論值進行比較，以便發現問題及時糾正。3.5結構試驗的誤差控制從某種意義上看，結構試驗是一種特殊的計量工作。在試件制作、材料選用、安裝就位、加載測量和數據采集等各個階段，都可能存在或產生各種誤差。為此在試驗設計工作中，必須對各個環節可能產生的誤差加以控制，以提高測試精度，保證試驗質量。3.5結構試驗的誤差控制3.5.1試件制作誤差結構試驗大量的對象是混凝土結構構件。在試件制作過程中，由于材料膨脹收縮與模板變形等因素，經常使混凝土構件外形尺寸產生誤差。另外，由于鋼筋骨架綁扎的初始誤差和施工振搗移動等原因，會使鋼筋骨架變形、主筋錯位和保護層厚度改變，對試件的強度和承載力都會產生較大的影響。為減少混凝土試件制作誤差產生的影響，試驗前必須測量試件主要受力區的實際外形尺寸；試驗后，需打開混凝土實測主筋位置和保護層厚度。采用試件的實測尺寸進行理論計算，可以大幅度減少誤差。3.5結構試驗的誤差控制3.5.1試件制作誤差砌體結構主要是由塊材（磚、砌塊）和砂漿兩種材料復合而成，砌體結構具有取材便利、耐火和耐久性好以及良好的保溫性和隔熱性等特點，但是對于砌體構件本身材料強度低、抗震能力較差，材質的離散以及施工砌筑技術的影響，致使試件的平整度、垂直度與實際尺寸誤差更大。因此除在砌體結構試件制作過程中應采取有效措施減小制作誤差，試驗前也必須測量試件實際外形尺寸，以此來減少試件制作誤差對試驗結果的影響。3.5結構試驗的誤差控制3.5.1試件制作誤差鋼結構試驗構件制作過程中也會產生很多誤差，構件連接處螺栓孔加工誤差、焊接鋼構件制作過程產生的誤差，如H型鋼板腹板中心偏移、翼緣板垂直度（如右圖所示）等。其次，鋼結構外形尺寸本身存在的誤差，因此，在試驗過程中對試件進行多次檢查測量，采用試件的實測尺寸進行理論計算，從而減小試驗誤差。3.5結構試驗的誤差控制3.5.2材料性能誤差在結構試驗中，結構構件的受力和變形特點除受荷載作用等外界因素影響外，還取決于組成構件的材料抵抗外力的性能。為了減少材料強度的誤差，對混凝土構件而言，即要求有相同強度等級的混凝土、相同的模板成型、相同的振搗和養護條件、相同的時間拆模同時進行試驗。此外，對于縮尺比例較大的鋼筋混凝土強度模型，還應仔細選擇模型用鋼筋。對于鋼材而言，由于材料的勻質性較好，一般可以同級、同批、同直徑取樣作為代表，如果能按構件主筋逐根取樣，則減小誤差的效果更為顯著。3.5結構試驗的誤差控制3.5.2材料性能誤差在結構試驗中，結構構件的受力和變形特點除受荷載作用等外界因素影響外，還取決于組成構件的材料抵抗外力的性能。為了減少材料強度的誤差，對混凝土構件而言，即要求有相同強度等級的混凝土、相同的模板成型、相同的振搗和養護條件、相同的時間拆模同時進行試驗。此外，對于縮尺比例較大的鋼筋混