5試驗加載方

法與設備5.1重物加載

5.1.1重物直接加載

5.1.2杠桿加載方法

5.1重物加載

5.1重物加載

重物加載是利用物體本身的重力作為模擬荷載作用在試驗結構或構件上，在實驗室內可以采用的重物有專門制作的標準鑄鐵法碼、混凝土試塊、水箱等；在現場試驗可以就地取材如磚、砂、石、袋裝水泥等建筑材料。由于重物可以通過直接或間接的將荷載加載到結構或構件上，所以重物加載又可以分為重物直接加載和杠桿加載兩種。重物直接加載是通過將重物直接均勻的擺放在試驗結構上形成均布荷載，如圖5-1所示或通過將重物放在荷載盤上利用吊索掛在結構上形成集中荷載如圖5-2所示，后者多用在現場做屋架試驗。同時吊索可以巧妙的通過滑輪結合來達到改變荷載方向方便試驗的效果。需要注意的是在利用到荷載盤和吊索等裝置的時候需將其重量計入。這類加載方法可以就地取材，可利用一塊一塊重物分級荷載，加載方便且荷載穩定，但是加載過程較為費力，占用空間，安全性差。

5.1.1重物直接加載當塊體材料時，需要注意每堆重物之間應該有5~15cm間隔，重物的寬度不能超過，且當使用鐵塊時，為了安全和操作方便鐵塊的重量不要超過25kg，如圖5-1所示。當采用松散材料時，為了避免因這些材料之間放在結構上時因材料本身摩擦而造成的卸載作用，須將其放在編織袋或木箱中。當采用水作為加載材料時，可以通過水的比重為1，測量虹吸其高度計算模擬荷載的大小，使用完畢，利用虹吸管原理放水卸載。這個方法可以節省勞動，但是需要注意當荷載過大時結構變形對荷載分布的影響。該方法既可以利用將水灌在桶中模擬集中荷載，也可以在樓頂等大面積地方砌上水池模擬均布荷載，如圖5-3所示。

5.1.1重物直接加載1-平板試件2-防水布3-水4-水池壁5-水位標尺杠桿加載法是當加載條件收到限制，荷載量過大時，可以利用杠桿原理將荷載擴大然后作用在結構或構件上，如圖5-4所示。杠桿需要有足夠的平直度和剛度，可以通過支撐點、加載點和重物懸掛點的位置三點的位置距離關系確定杠桿的放大比例，且這三點盡量在同一條直線上，以避免結構變形而使原本設計的放大率發生改變。杠桿制作方便且荷載穩定，當結構變形時荷載值仍不變，適合做持久荷載試驗。

5.1.2杠桿加載方法杠桿加載的裝置根據平衡力的性質，分為承壓平衡式和拉桿平衡式，如圖5-5所示。

5.1.2杠桿加載方法有一種利用到重物加載的試驗器具是杠桿式小型壓縮徐變儀。杠桿式小型壓縮徐變儀基本構造，如圖5-6所示。杠桿式小型壓縮徐變儀的基本原理是當施加模擬軸向荷載時，將儀器的橫梁端部加上砝碼，利用其自重并放大施加到試件上。

5.1.2杠桿加載方法5.2氣壓加載5.2氣壓加載

氣壓加載是利用空氣壓力對結構施加均布荷載的方法，常用于平板及殼體結構的荷載試驗氣壓加載包括正壓加載及負壓加載兩種：正壓加載，通過壓縮空氣對結構施加壓力，產生的均布荷載；

圖5-7（a）為正壓加載示意圖，加載過程中可直接通過壓力表就可反映加載值，加卸載方便，加載強度大，最高可達180kN/m2，多用于結構模型。圖5-7（b）為負壓加載示意圖，加載過程中需根據真空表量測真空值，以此推算加載值，由連接密閉空間與外界的短管與控制閥門保持恒壓。5.2氣壓加載5.3機械機具加載5.3機械機具加載

機械加載可以利用簡單的設備施加模擬荷載，且利用到索具時也可以改變荷載的方向，但是機械荷載也有一定的局限性，不能施加較大的荷載值，也會受到結構在荷載作用點變形的影響。機械器具的加載通常有吊鏈、絞車、倒鏈葫蘆、卷揚機、彈簧、螺旋千斤頂等，如圖5-8所示。5.3機械機具加載

彈簧加載法是利用加載器使彈簧變形，然后再用螺母擰緊，撤掉加載器后，彈簧仍是壓縮狀態，利用彈簧彈力施加荷載。彈簧變形值與壓力的關系要在試驗前確定清楚。彈簧加載通常用于構件的持久荷載試驗。彈簧式壓縮徐變儀就是利用彈簧加載。

彈簧式壓縮徐變儀有3根縱向承力絲桿，4個橫向承壓板。承力絲桿和承壓板，將徐變儀分為三個區段：荷載調節（千斤頂）區段、試件持荷徐變區段以及壓縮彈簧區段，如圖5-9所示。5.3機械機具加載5.4液壓加載5.4液壓加載

5.4.1手動液壓加載器

5.4.2大型結構試驗機

5.4.3地震模擬振動臺

5.4.4臺陣系統

液壓加載（油壓加載）為結構試驗中被使用最為廣泛、方便的一種加載方式。主要施加集中荷載，其優點為通過液壓加載器（千斤頂）產生較大荷載，操作簡便，安全系數高。適用于結構點數多，大噸位的大型結構試驗時。

液壓加載系統主要包括：高壓油泵、工作油缸、閥門、活塞、液壓加載器、試驗臺座等組成，構造原理為高壓油泵將液壓油壓入油缸，推動活塞運動，進而對結構產生集中荷載。

加載值可通過在液壓加載器與承力架中間布置壓力計獲得，也通過油壓表的顯示值除以加載器活塞受壓面積得到。在使用液壓加載器系統在試驗臺座或現場進行試驗時還須配備各種支承系統，以承受液壓加載器對結構加載時產生的平衡力系。液壓加載器主要分為手動液壓加載器（液壓千斤頂）、電動液壓加載器。5.4液壓加載5.4.1手動液壓加載器

手動液壓加載器（液壓千斤頂）由液壓加載器與手動油泵兩部分組成，圖5-11是液壓千斤頂的實物圖，圖5-12為手動液壓加載器組成原理圖。5.4.1手動液壓加載器

若在液壓加載器油泵處加裝分油器，由一個儲油箱供給多個加載器工作，以達到多點同步加載的目的（同步液壓加載系統）。在此基礎上，分油器接口處加裝減壓閥，即可滿足多點同步異荷加載的目的（同步異荷加載系統）。原理如圖5-13所示。5.4.1手動液壓加載器

目前，液壓同步系統的實現形式很多，依據其使用目的，執行元件的數量、類型。安裝形式、運行方向和控制元件的不同等可以分為很多類。液壓同步系統分類如表5-1所示。表5-1液壓同步系統分類 分類方式液壓同步系統類型按有無反饋量開環同步閉環同步按實現的控制任務速度同步位置同步按執行元件類型液壓缸同步液壓馬達同步按執行元件的安裝形式與運行方向臥式同步立式同步按液壓缸的形式雙作用液壓缸同步單作用液壓缸同步按執行元件的數量雙執行機構液壓同步多執行機構液壓同步按液壓控制元件流量控制容積控制伺服(比例)控制按液壓控制方式伺服閥控制比例閥控制數字閥控制電控變量泵控制5.4.1手動液壓加載器雙向液壓加載

在單向液壓加載器的油缸兩端各開一個進油孔，加裝油管接頭連接油泵，通過油泵與轉向閥交替供油即可產生拉，壓的雙向作用，可在試驗結構施加往復循環荷載也稱低周反復荷載。5.4.2大型結構試驗機大型結構試驗機本身為相對完善的液壓加載系統，屬于結構試驗中大型專業設備，主要包括結構疲勞試驗機，結構長柱試驗機，萬能材料試驗機等。主要由主機與測力系統兩部分組成，二者通過高壓軟管聯結。可用于金屬材料在靜力作用下作拉伸、壓縮、彎曲試驗，亦可做混凝土、磚、橡膠、石、塑料等材料的試驗及構建試驗。（1）萬能材料試驗機萬能材料試驗機同時也被稱為萬能拉力機，萬能材料試驗機是一個比較廣義的說法，目前階段，萬能試驗機的品種多達上百種，單純以某一種分類方式進行界定的話，無法做到對試驗機類型的有效覆蓋，也不能完全地對萬能試驗機的性能做出有效的分離。5.4.2大型結構試驗機液壓式萬能材料試驗機分為加載、測力、自動繪圖三個部分組成，其組成原理如圖5-13所示。5.4.2大型結構試驗機（2）結構長柱試驗機結構長柱試驗機可配備專門的數據處理設備，并通過接口與計算機鏈接，通過程序實現自動化操作。可令試驗機的操作與數據同時處理，提高試驗的效率。實物圖如圖5-14所示，結構原理圖如圖5-15所示。5.4.2大型結構試驗機（3）結構疲勞試驗機結構疲勞試驗機主要由脈沖發生系統、控制系統、千斤頂工作系統三部分組成，主要用于金屬材料、復合材料及零部件、彈性體的疲勞力學性能試驗。可實現拉伸、壓縮、彎曲、拉壓加載。實現高周疲勞、低周疲勞、斷裂力學等試驗借鑒Ansker公司和Instron疲勞試驗機的機械單元和控制單位，國內的科研人員不斷創新研制出一系列疲勞試驗機，如圖5-16所示。5.4.2大型結構試驗機（4）電液伺服加載系統

電液伺服液壓加載系統最早于上世紀四十年代開始應用于材料試驗機上，由控制系統、電液伺服作動器、液壓源等組成。電液伺服系統因可以較為真實，準確的模擬出真實的構件在使用過程中的受力狀態，因此被迅速利用到地震模擬振動臺以及結構試驗加載系統中，經過多年完善，改進目前已是一種完善，先進，理想的液壓加載設備。尤其適用于進行結構抗震研究的擬靜力試驗與擬動力試驗，且在結構試驗中使用扮演愈加重要的位置。5.4.2大型結構試驗機

電液伺服系統主要包含控制系統、液壓源、電液伺服動作器、液壓管路等組成，電液伺服閥接收到命令（電信號）后，通過電液伺服動作器將電信號轉換為活塞桿運動，從而完成對結構的加載。其示意圖如圖5-17所示。5.4.2大型結構試驗機

①控制系統由電液伺服閥和計算機聯機組成，由電液伺服閥來實現電-液信號的轉換和控制。按放大級數可分為單機閥、二級閥、三級閥。目前中，大型振動臺都多采用三級閥。電液伺服閥組成包括滑閥，噴嘴，電動機，擋板，反饋桿等組成，構造原理如圖5-18所示。5.4.2大型結構試驗機

當電信號傳輸至伺服線圈，電圈產生磁力使銜鐵發生偏轉，進而帶動擋板偏移，擋板兩邊噴油嘴的流量平衡被破壞，在兩個噴腔間產生壓力差，導致滑閥產生位移，高壓油被壓入加載器的油箱，活塞開始工作，同時滑閥的位移推動反饋桿發生偏轉，另一處擋板重復以上動作。如此反復運動，使加載器產生動荷載或者靜荷載。而高壓油的流量及方向因電信號的改變而改變，在閉環電路的控制下，共同組成了“電液伺服工作系統”，控制系統結構原理如圖5-18所示。5.4.2大型結構試驗機

②液壓源由油泵輸出的高壓油為整個電液伺服系統提供動力，因此也稱泵站，通過伺服閥來控制液壓油進出加載器的第二個油腔產生拉壓雙向荷載。點液伺服系統的液壓源需要有安全保障部分及檢測儀器以保證液壓源的安全使用，另外電液伺服系統在使用過程中需保證液壓油額壓力和流量的穩定，其所用的液壓油的潔凈程度要求更高，在供油，回油管路中均加裝過濾器，保證動作器上的電液伺服閥能夠可靠、安全的工作。且液壓源在使用過程中需不斷進行冷卻降溫以保證其工作溫度在額定范圍內，超過額定溫度，否則導致設備的損壞或液壓油的失效。因此，液壓源均配有冷卻器及相應的冷卻水供應系統。5.4.2大型結構試驗機

③電液伺服動作器電液伺服作動器是電液伺服實驗系統的動作執行者，其構造如圖5-19所示。5.4.3地震模擬振動臺地震模擬振動臺是用于再現各類地震波對結構進行動力試驗的重要大型設備，與靜力加載試驗、擬靜力試驗等方式相比，地震模擬振動臺能夠較完整地再現地震過程，具有慣性力加載、結構動力條件接近、可重復試驗、能夠研究結構的非線性動力行為等諸多優點，在模型結構甚至部分原型結構試驗中，得到了廣泛應用和普遍認可，大量應用于結構動力特性、設備抗震性能、結構抗震措施檢驗、結構地震反應和破壞機理等研究領域。5.4.3地震模擬振動臺地震模擬振動臺組成主要包括：振動臺臺體基礎、液壓驅動和動力系統、控制系統、測試和分析系統四部分組成，振動臺系統原理圖如圖5-20所示。5.4.3地震模擬振動臺（1）振動臺臺體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，臺面常用材質主要分為鋼筋混凝土結構、鋼結構、鋁合金鑄造結構三種類型。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，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。（2）液壓驅動和動力系統液壓驅動系統用于向振動臺施加大規模推力，目前世界上已建成的大中型地震模擬振動臺，基本均采用電液伺服系統來驅動。它在低頻時能產生大推力，故被廣泛使用。5.4.3地震模擬振動臺（3）控制系統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。（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或相對于基礎的位移；加速度測量采用應變式加速度計、壓電式加速度計，近年來也采用差容式或伺服式加速度計。在試驗過程中，數據可經過直視式示波器記錄或數字計算機存儲，軟件分析處理。5.4.4臺陣系統臺陣系統是由多個地震模擬振動臺控制系統共同組合而成。基于網絡的分布式臺陣控制，是一種布設靈活、造價較低、應用方便的結構動力試驗設備，優點是各個振動臺控制系統既可以同步運行，亦可分別作為獨立的振動臺使用，結構原理如圖5-21所示。5.4.4臺陣系統相對于單臺系統，地震模擬振動臺臺陣具有快速性(實時性)、強耦合性(多臺之間存在機械耦合和控制耦合)、同步性要求嚴格和非線性(試件非線性和控制系統非線性)影響明顯等特點，其建設難度較大。同時，由多個中型或者小型振動臺組成多振動臺共同工作的臺陣系統具有明顯的技術和經濟優勢:（1）臺陣布置靈活，可以實現多維多點的地震波輸入以考慮地震場效應;（2）臺陣的單臺規模相對較小，對能源的需求比較寬松;（3）臺陣的單臺設計容易實現標準化，性價比較好;（4）可靠性高、維護簡單、使用方便；（5）各振動臺之間通過網絡通信獨立工作、互不影響，同時傳送各種數據，可以滿足遠距離振動控制和遠程監控；（6）振動臺臺陣可以獨立進行小型結構振動試驗，也可以組成一個大型振動臺進行大尺寸結構抗震性能試驗。5.4.4臺陣系統臺陣系統研究現狀可追溯于1979年，日本建設省土木研究所建造了4臺3m×2m的單向水平振動臺臺陣，成為了世界上第一個擁有振動臺臺陣系統并基于此設備開始研究結構抗震性能的國家。隨后，美國Buffalo大學于2003年建成兩臺3.6m×3.6m的臺陣系統；美國NevadaReno大學于2003年建成3臺4.3m×4.6m的雙水平向三自由度振動臺臺陣系統；重慶交通科學研究院于2004年建成兩臺三向六自由度6m×3m振動臺臺陣系統，并可進行20m跨橋梁模型試驗；同濟大學在建4臺6m×4m雙水平向臺陣系統，可進行70rn跨橋梁模型試驗；福州大學已建成3子臺臺陣系統，其中一臺(4m×4m)位置固定，其余兩臺(2.5m×2.5m)可以根據試驗模型尺寸需要自由調節臺面的位置；中南大學于2021年建成4m×4m六自由度固定臺和三個4m×4m六自由度移動臺所組成，四個振動臺均建在同一直線上，可獨立使用，也可組成多種間距臺陣，單個振動臺具有三向六自由度、大行程、寬頻帶等特點。5.4.4臺陣系統北京建筑大學于2022年建成載重均為60T、臺面尺寸5m×5m三向六自由度多功能地震模擬振動臺四臺，每臺可單獨控制，也可雙臺、三臺或四臺組成臺陣系統聯動，其實物圖如圖5-22所示。5.5動力激振加載法5.5動力激振加載法

5.5.1慣性力加載法

5.5.2電磁加載

5.5.3現場動力試驗的激振方法

5.5.4反沖激振法

5.5.5直線振蕩電動機交變加載

5.5.1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。

（1）沖擊力加載：沖擊荷載就是使結構在瞬間的作用下自由振動。根據加載方法的不同可以分為初位移法和初速度法兩種。

①初位移加載法（張拉突卸法）初位移加載法是用鋼拉桿拉動結構，使結構有一定的初始變形，然后松開拉桿，結構在靜力平衡的位置做自由振動。可以通過調整拉桿的截面，來控制鋼拉桿在不同位置斷裂，獲得不同的初位移，具體情況如圖5-23（a）所示。5.5.1慣性力加載法對于小模型則可采用圖5-23（b）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荷。這種方法只能用在剛度不大的結構，雖然有了這個限制，但是可以減少結構的附加質量的影響。在釋放和牽引時，需要保證在同一個平面內振動，防止因為其他平面的振動而對試驗產生影響。②初速度加載法（突加荷載法：初速度加載法是利用擺錘或重物下落時的瞬間的力量，使結構產生一個初速度，這時引起的是速度的函數，而不是力的函數。5.5.1慣性力加載法

用如圖5-24（a）的擺錘進行激振時，如果擺錘和建筑物有相同的自振周期，擺錘的運動就會使建筑物引起共振，產生自振振動。使用圖5-24（b）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強度計算，不致使結構產生過大的應力和變形。

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≤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15cm～20cm的砂墊層。5.5.1慣性力加載法蓄能落錘式動靜組合加載試驗系統就是利用初速度加載法。蓄能落錘式動靜組合加載試驗系統可以進行不同動靜組合條件下變形破壞特征方面的研究，探究在不同動靜組合條件下的破壞機制。蓄能落錘式動靜組合加載試驗系統主要由5個部分構成：框架、沖擊力加載系統、靜載荷加載系統、載荷控制系統及高速數據信號采集系統。如圖5-25所示。5.5.1慣性力加載法a.沖擊力加載系統沖擊力加載系統由第三液壓油缸、活塞桿、落錘釋放裝置、拉桿、套筒、彈簧及落錘等組成。系統的構成如圖5-26所示。5.5.1慣性力加載法

第三液壓油缸固定在頂板梁中心，中心開有孔使液壓油缸的活塞桿可以穿過。落錘釋放裝置如圖5-27所示，由定位套、定位體、壓蓋、卡爪及復位彈簧組成，通過螺紋固定在第三液壓油缸活塞桿末端，拉桿上端卡入落錘釋放裝置中。5.5.1慣性力加載法c.高速數據信號采集系統

數據信號采集系統由沖擊力測試系統、沖力傳感器和DHDAS動態信號采集分析系統等組成。沖擊力測試系統由沖擊力傳感器、單通道高速數據采集儀及采集軟件組成。沖擊力傳感器量程0~200t，采樣頻率≤50kHz，單通道高速數據采集儀采樣頻率為128kHz。沖擊力傳感器通過采集儀連接電腦，通過采集軟件可以采集沖擊過程力值大小和沖擊時間，繪制沖擊力時程曲線。DHDAS動態信號采集分析系統由采集儀與采集分析軟件組成，該系統通過粘貼于試樣上的應變片采集沖擊過程中試件應變，通過DHDAS軟件進行顯示和儲存，實現連續、自動的數據采集，保證了數據的可靠性。5.5.1慣性力加載法（2）離心力加載

離心力加載是根據旋轉質量產生的離心力對結構施加簡諧振動荷載。其特點是運動具有周期性，作用力的大小和頻率按一定規律變化，使結構產生強迫振動。離心力加載一般采用機械式激振器。激振器由機械和電控兩部分組成：機械部分主要是由兩個或多個偏心質量組成，一般的機械式激振器工作頻率范圍較窄，大致在50～60Hz以下，由于激振力與轉速的平方成正比，所以當工作頻率很低時，激振力就較小；電氣控制部分采用單相可控硅，速度電流雙閉環電路系統，對直流電機實行無級調速控制。通過測速發電機作速度反饋，通過自整角機產生角差信號，送往速度調節器與給定信號綜合，以保證兩臺或多臺激振器不但速度相同且角度亦按一定關系運行。5.5.1慣性力加載法（3）直線位移慣性力加載直線位移慣性力加載是利用電液伺服系統來提供動力，通過電液伺服閥控制固定在結構上的液壓加載器使質量塊作水平直線往復運動。如圖5-28所示，就是利用質量塊的往返運動的慣性造成結構的震蕩。慣性的大小與質量塊的質量和平臺頻率有關，所以可以改變指令信號的頻率和質量塊的質量來改變激振力的大小。該加載方法適用于現場結構動力加載，在低頻條件下各項性能較好，可產生較大的激振力，但頻率較低，只適用于1Hz以下的激振。5.5.2電磁加載

電磁加載是利用在磁場（永久磁鐵或激磁線圈中）放入動圈，通入交變電流即可產生交變激振力，促使臺面（振動臺）或固定于動圈上的頂桿（激振器）作往復運動，推動試件做強迫振動。若在動圈上通一定方向的直流電，則可產生靜荷載。電磁加載設備由電磁式激振器和振動臺組成，構造見圖5-29。5.5.2電磁加載

電磁激振器的工作原理是利用磁鋼和外殼形成磁場，動圈與頂桿連在一起，在支撐彈簧的支撐下可以上下運動。動圈如果輸入的是交流電，則會產生方向上下改變的交變力F為：

(5.1)式中B－磁場強度；

L－動圈繞線有效其長度；

Im－通過動圈的電流幅值；

ω－激振器激振圓頻率；

t－時間。

通過頂桿將電磁力F傳到試驗物體上，施加的激振力與交流電的頻率一樣作簡諧運動。可以通過信號發生器調節頻率。其頻率一般在0~200Hz，推力可以施加到3kN~8kN，其優點是重量輕、操作方便、可以產生任意波形的振動力，但缺點是激振力小，可以用在小型結構。5.5.3現場動力試驗的激振方法

在結構動力試驗的加載方法中，一般都需要比較復雜的設備，這些在試驗室內尚可滿足，而在野外現場時，往往受到各方面條件的限制室內復雜的設備難以實現。因此人們設法尋求更簡單的試驗方法，既可以獲得有關結構動力特性的資料和數據，而又無需復雜的設備。

（1）人體激振動加載法在試驗中發現，人們可以利用自身在結構物上有規律的活動，即使人的身體作與結構自振同步的前后運動，亦可產生足夠大的慣性力，形成共振振幅，該種方法稱為人體激振動加載法。5.5.3現場動力試驗的激振方法

在建筑業，因為人體激振而發生過惡性橋梁倒塌事件。在1981年7月17日，美國堪薩斯城凱悅酒店天橋因婚慶擠滿人群，部分人們正在跳舞。建筑學家認為一個原因是跳舞的人們有節奏的振動引發共振使結構斷裂，另一個原因就是橋面人員過多，負荷過重，具體情況如圖5-30所示。此次事故造成114人死亡。因此，共振對荷載的放大作用不容小覷。5.5.3現場動力試驗的激振方法（2）人工爆炸激振法人工爆炸激振法是指在試驗結構附近場地采用炸藥進行人工爆炸，利用爆炸產生的沖擊波對結構進行瞬時激振，使結構產生強迫振動。可按經驗公式估算出人工爆炸產生場地地震的加速度a和速度v。

(5.2)

(5.3)式中Q－炸藥量，單位是t；R－試驗結構距離爆炸源的距離，單位是m；m、n、q－與試驗場地土質有關的系數。5.5.3現場動力試驗的激振方法（3）環境隨機振動激振法建筑物經常處于微小而不規則的脈動中，此種微小而不規則的振動來源于微小的地震活動、機器運作、車輛行駛等，使地面存在連續不斷的運動，其運動的幅值極為微小，而它所包含的頻譜是相當豐富的，故稱為建筑脈動。利用建筑物的脈動（環境激勵），采用高靈敏度的傳感器、放大記錄設備，量測建筑物的響應，借助于隨機信號數據處理的技術，分析確定建筑物的動力特性的方法，俗稱脈動法，也稱環境隨機振動激振法。利用該種脈動現象來分析測定結構的動力特性，它不需要任何激振設備，又不受結構形式和大小的限制，是一種有效而簡便的方法。5.5.4反沖激振法

近年來在結構動力試驗中研制成功了一種反沖激振器，也稱火箭激振。它適用于現場對結構實物進行試驗，小沖量反沖激振器也可用于室內試驗。反沖激振器的結構示意圖如圖5-31所示。激振器的殼體是用合金鋼制成，它的結構主要由：燃燒室殼體、底座、噴管、火藥、點火裝置五部分組成。

反沖激振器的基本工作原理是點火裝置使火藥燃燒，火藥產生的高溫高壓氣體便從噴管口以極高的速度噴出。如果氣流每秒噴出的重量為

W，則按動量守恒定律可得到反沖力P。5.5.4反沖激振法

反沖激振器的輸出特性曲線如圖

5-32

所示，主要分為升壓段、平衡壓力工作段及火藥燃盡后燃氣繼續外泄階段。根據火藥的性能、重量及激振器的結構，可設計出不同的特性曲線采用單個反沖激振器激發時，一般是將激振器布置在建筑物頂部，并盡量登于建筑物質心的軸線上，這樣效果較好。如果將單個激振器布置在離質心位置較遠的地方或在結構平面的對角線上以相反方向布置兩臺相同反沖力的激振器，可以進行建筑物的扭振試驗。若將多個反沖激振器沿高聳結構不同高度布置，還可以進行高階振型的測定。5.5.5直線振蕩電動機交變加載

反沖激振器的輸出特性曲線如圖

5-32

所示，主要分為升壓段、平衡壓力工作段及火藥燃盡后燃氣繼續外泄階段。根據火藥的性能、重量及激振器的結構，可設計出不同的特性曲線采用單個反沖激振器激發時，一般是將激振器布置在建筑物頂部，并盡量登于建筑物質心的軸線上，這樣效果較好。如果將單個激振器布置在離質心位置較遠的地方或在結構平面的對角線上以相反方向布置兩臺相同反沖力的激振器，可以進行建筑物的扭振試驗。若將多個反沖激振器沿高聳結構不同高度布置，還可以進行高階振型的測定。5.5.5直線振蕩電動機交變加載

電液伺服式試驗機具有荷載值大、位移行程較大，但是對能量的利用率較低，效率不到10%。電磁諧振式試驗機可以實現較高頻疲勞試驗，并且對能量的利用率高，但是其位移行程較短，容易受到使用限制，力值波形不好。吉林大學針對這兩者出現的問題，提出將直線振蕩電動機作為疲勞試驗機當中激振器的一種可行性的想法。直線振蕩電機具有頻率使用范圍廣、力值波形好、位移行程較大、可控性好等優點。動磁鐵式直線振蕩電動機由振蕩動子元件、諧振彈簧、電機外殼、勵磁繞組線圈組成，振蕩動子元件由永磁體、動子鐵芯、動子輸出軸組成，電機外殼內部設置放置勵磁繞組線圈的環形空間。5.5.5直線振蕩電動機交變加載

振動元件通過上下位置設置的諧振彈簧，在勵磁繞組線圈內不通電的時候靜止在定子殼體內，動子輸出軸可以兩端開口輸出力值和位移。電機結構示意圖如圖5-33所示。

直線振蕩電動機的工作原理磁場有兩部分疊加而成，一部分是永磁體發出的恒定磁場強度B1，另一部分是勵磁繞組線圈中由于通入了電流而產生的交變磁場B2。根據磁阻的相關理論可知，磁感線會在磁阻最小的路徑進行閉合。正是由于這兩個磁場B1和B2之間的相互作用，進而產生了一個軸向的驅動力，驅動振蕩動子元件做指定頻率的直線振蕩運動。5.6加載裝置

5.6.1試驗臺座

5.6.2水平反力墻或反力架

5.6.3豎向荷載架

5.6.4分配梁5.6.5支座與支墩5.6.6現場加載的試驗裝置5.6加載裝置在試驗室內，結構試驗臺座是永久性的固定設備，用以平衡施加在試驗結構物上的荷載產生的反力。試驗臺座的臺面一般與試驗室地坪標高一致，這樣可以充分利用試驗室的地坪面積，使室內水平運輸搬運物件比較方便，但易干擾試驗活動，也可以高出地平面，使之成為獨立體系，這樣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。合理選擇臺座很重要。臺座的承載能力一般在200kN/m2～1000kN/m2。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。用于動力試驗的臺座還應有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。如按結構的不同，目前國內外常見的試驗臺座有以下幾種，接下來將進行詳細介紹。

5.6.1試驗臺座（1）槽式試驗臺座這是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。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，用地腳螺絲固定在槽內。其橫向剖面圖如圖5-34所示。

5.6.1試驗臺座圖5-34槽式試驗臺座橫向剖面圖1－槽軌；2－型鋼骨架；3－高強度混凝土；4－混凝土（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絲，螺絲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5-35所示。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，以保護螺絲端部，并防止雜物落入孔穴。這種臺座的缺點是螺絲受損后修理困難。此外，由于螺絲位置是固定的，所以安裝試件的位置受到限制，不如槽式臺座方便。

5.6.1試驗臺座圖5-35地錨式試驗臺座1－地腳螺絲；2－臺座地槽（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5-36所示。這種臺座的加載點位置可沿臺座縱向任意變動。其缺點是型鋼用量大，槽軌施工精度要求較高。由于地腳螺絲容易松動，故不適用于動力試驗。更大型的箱形試驗臺座同時還可兼作為試驗室房屋的基礎。因而場地的空間利用率高，加載器設備管路易布置，臺面整潔不亂。它的主要缺點是安裝和移動設備較困難。

5.6.1試驗臺座圖5-36箱式試驗臺座1－箱型臺座；2－頂板上的孔洞；3－試件；4－加荷架；5－液壓加載器；6－液壓操縱臺（4）槽錨式試驗臺座這種臺座兼有槽式及地錨式臺座的特點，如圖5-37所示。同時由于抗震試驗的需要，利用錨栓一方面可固定試件，另一方面可承受水平剪力。

5.6.1試驗臺座圖5-37槽錨式試驗臺座1－滑槽；2－高強度混凝土；3－槽鋼；4－錨栓（5）抗彎大梁式臺座在預制構件廠和小型結構試驗室中，當缺少大型試驗臺座時，也可以采用抗彎大梁式或空間桁架式臺座，以滿足中小型構件試驗或混凝土制品檢驗的要求。抗彎大梁臺座本身是一根剛度極大的鋼梁或鋼筋混凝土大梁，其構造如圖5-38所示。

5.6.1試驗臺座圖5-38抗彎大梁臺座的荷載試驗裝置1－試件；2－抗彎大梁；3－支墩；4－分配梁；5－液壓加載器；6－荷載加載架（5）抗彎大梁式臺座當用液壓加載器和分配梁加載時，產生的反作用力通過門型荷載架傳至大梁，試驗結構的支座反力也由臺座大梁承受，使之保持平衡。抗彎大梁式臺座由于受大梁本身抗彎強度與剛度的限制，一般試驗跨度在7m以下、寬度在1.2m以下的板和梁。其實物圖如圖5-39所示。可以用圓鋼或型鋼制成的加荷架，作為臺座的荷載支撐及傳動機構。

5.6.1試驗臺座圖5-39抗彎大梁式臺座實物圖（6）空間桁架式臺座這種臺座是由型鋼制成的專門試驗架，一般用于進行中等跨度的橋架及屋面大梁的試驗，如圖5-40所示。它可施加為數不多的集中荷載，液壓加載器的反作用力由空間桁架自身平衡。

5.6.1試驗臺座圖5-40空間桁架式臺座1一試件（屋面大梁）；2一空間桁架式臺座；3一液壓加載器水平反力裝置主要由反力墻（或反力架）及千斤頂水平連接件等組成。反力墻一般為固定式，而反力架則有固定式和移動式兩種。對于固定式反力墻，國內外大多采用混凝土結構，并且和試驗臺座剛性連接以減少自身的變形。在混凝土反力墻上，按一定距離設有孔洞，以便用螺栓錨住加載器的底板，反力墻與千斤頂的連接方式大致分為三種，縱向滑軌式錨栓連接、螺孔式錨栓連接、橫向滑軌式錨栓連接。利用反力墻組成的水平反復加載試驗裝置，見5-41（a）。移動式反力架一般采用鋼結構，通過螺栓與試驗臺座的槽軌錨固。利用反力架和千斤頂滾軸裝置組成的水平反復加載試驗裝置，見圖5-41（b）。

5.6.2水平反力墻或反力架

(a)反力墻組成的試驗裝置

(b)反力架千斤頂組成的加載裝置

5.6.2水平反力墻或反力架圖5-41水平反力裝置1－反力墻；2－試驗臺座；3－推拉加載器；4－試件；5－反力架；6－千斤頂滾軸連接

5.6.2水平反力墻或反力架有的實驗室為了提高反力墻的承載能力，將試驗臺座建在低于地面一定深度的深坑內，利用坑壁作為抗側力墻體，這樣在坑壁四周的任意面上的任意部位均可對結構施加水平推力，如圖5-42所示所示。圖5-42在深坑中的抗側力試驗臺座1－試件；2－液壓加載器；3－坑壁；4－深坑臺座；5－錨孔（1）荷載架在試驗室內荷載架一般是由橫梁、立柱組成的反力架和試驗臺座等組成，也可利用適宜于試驗中小型構件的抗彎大梁或空間桁架式臺座。在現場試驗時則通過反力架用平衡重塊、錨固樁頭或專門為試驗澆筑的鋼筋混凝土地梁平衡試件的荷載。荷載架主要是由立柱和橫梁組成。它可以用型鋼制成，特點是制作簡單，取材方便，可按鋼結構的柱與橫梁設計，橫梁與柱的連接采用精制螺栓或圓銷。（2）加載器（千斤頂）與荷載架連接件在一般靜力試驗時，只要使千斤頂與試件保持穩定即可。但在抗震試驗時，由于水平地震反復作用，試件要發生側移。此時垂直千斤頂要求對試件的荷載點保持不變，即必須同試件一起移動。這時需要依靠千斤頂與橫梁之間的滾軸來實現。見圖5-43（a）中的千斤頂滾軸連接圖所示。

5.6.3豎向荷載架

（a）豎向荷載架

（b）水平荷載架

（c）鋼筋砼反力墻

圖5-43加載器與荷載架示意圖

1－橫梁；2－千斤頂；

1－三角架；2－千斤頂；

1－試件；2－伺服千斤頂；3-地腳螺栓

3－壓梁

3－地腳螺栓

5.6.3豎向荷載架分配梁的作用是將集中荷載轉變為多點荷載作用于試件上，制作分配梁的材料必須達到一定的剛度（多采用型鋼），且組合為靜定簡支梁，避免影響結構的變形。分配梁的配置一般不宜超過兩層。分配梁加載示意圖如圖5-44所示。

5.6.4分配梁（a）單層分配梁(b)雙層分配梁(c)雙層L型分配梁圖5-44分配梁加載示例1－分配梁；2－試件支座和支墩在結構試驗中是根據結構實際受力條件進行模擬設計，是支