土木工程結構試驗與檢測技術土木工程結構試驗與檢測技術

1緒論1.1目的和任務本課程旨在使學生掌握結構試驗的基本知識與技能，完成土木工程結構的試驗設計并進行實踐。學生需重點學習檢測方法、原理和全過程認識，包括使用各種試驗裝置如重物加載和液壓加載裝置。課程強調物理量測試原理，如電阻應變和光學測量方法。通過學習，學生將獲得專業知識和能力，為土木工程設計、施工和檢測工作奠定基礎。結構試驗根據目的、對象、場所、是否破壞、荷載性質及加載時間分類，包括驗證性與探索性試驗、真型與模型試驗、試驗室與現場試驗、非破壞性與破壞性試驗、靜力與動力試驗、短期與長期荷載試驗。1.2土木工程結構試驗分類1.2.1驗證性試驗和探索性試驗定義：驗證性試驗，亦稱生產檢驗性試驗，主要針對工程中的實際結構（構件），直接服務于生產，通過試驗或檢測作出技術結論。質量檢驗與鑒定：對關鍵結構，建成后通過綜合試驗鑒定其質量可靠度。對預制構件或施工中的構件，在出廠或安裝前進行規范抽樣檢驗，以評估其質量。承載力判斷：在建筑擴建、加層或改用途時，通過試驗確定舊結構的承載能力，為改建或加固提供數據支持，并為在役結構的可靠性評估提供依據。工程事故處理：對遭受火災、爆炸、地震等損害的結構，或存在嚴重缺陷的結構，通過試驗和檢測評估受損后的實際承載能力，為結構的修復和加固提供技術依據。1.2.2真型試驗與模型試驗真型試驗定義：使用實際或足尺寸復制結構進行全面分析適用范圍：主要用于生產檢驗、結構整體性能研究及實際構件的承載力試驗。優缺點：精確反映結構特性，但成本高、周期長、加載難度大、測量精度易受環境影響。模型試驗定義：使用按一定比例縮小的結構模型，包含真實結構的全部或部分特征。適用范圍：廣泛應用于水利工程、鋼筋混凝土和磚石結構的教學與研究。優缺點：操作簡便、成本低、便于多參數測試，但面臨的挑戰是難以完全滿足相似條件，存在尺寸效應問題。1.2.3實驗室試驗和現場（原位）試驗①實驗室試驗實驗室試驗在設備齊全的專用實驗室內進行，近年中國多所大學和科研機構已建設大型結構實驗室，支持模型試驗和足尺試驗。這些試驗因優越的工作條件和精密設備，能高精度控制環境，確保研究焦點，降低外界干擾。1.2.3實驗室試驗和現場（原位）試驗②現場（原位）試驗現場試驗，又稱結構原位試驗，主要在生產和施工現場進行，用以驗證既有結構的效應或評估其實際承載力。原位加載試驗分為使用狀態試驗、承載力狀態試驗及針對特殊結構的其他試驗，可根據需求選擇適當的試驗類型。1.2.3實驗室試驗和現場（原位）試驗某采光頂現場吊掛試驗現場試驗多數用以解決生產性的問題，所以大量的試驗是在生產施工現場進行的，有時研究的對象是已經使用或將要使用的結構物，現場試驗也可獲得實際工作狀態下的數據資料。如圖所示，為了驗證某采光頂吊掛3噸LED屏是否滿足正常使用性和安全性而進行的現場試驗。1.2.4非破壞性試驗和破壞性試驗（1）非破壞性試驗非破壞性試驗有使用性能檢測和承載力檢測。檢測的對象可以是實際結構或構件，也可以是足尺的模型。

使用性能檢驗，以證實結構或構件在規定荷載的作用下不出現過大的變形和損傷。經過檢驗且滿足要求的結構或構件應能正常使用。

承載力檢驗，用于證實結構或構件的設計承載力。其試驗荷載，應采用永久荷載與可變荷載適當組合的、承載力極限狀態的設計荷載。（2）破壞性試驗破壞性試驗的目的是為了掌握試驗結構或構件由彈性階段進入塑性階段甚至破壞階段時的結構性能和破壞形態等試驗資料，常用于確定結構或模型的實際承載力。1.2.5靜力試驗與動力試驗①靜力試驗靜力試驗通過直接加載探究結構的力學性能，分為單調靜力荷載、擬靜力及擬動力試驗。單調試驗逐漸增加荷載至結構破壞，擬靜力模擬周期荷載，擬動力試驗模擬地震反應。1.2.5靜力試驗與動力試驗②動力試驗通過激振方法使結構震動，使用動測儀器測定固有頻率、阻尼比、振型等動力特性，及位移和加速度響應。此試驗用于宏觀評估結構的整體剛度和使用性能，為結構在動力環境中的安全性和可靠性提供理論基礎。動力試驗包括動荷載特性、結構動力特性和結構的動力反應測試，關鍵于解決抗震、共振問題和診斷結構累積損失，如廠房振動、橋梁移動荷載振動及地震反應觀測。1.2.6短期荷載試驗和長期荷載試驗在結構試驗中，常用短期荷載試驗，即從零開始至結構破壞或某階段卸載，時間短。長期性能研究如混凝土徐變、預應力結構鋼筋松弛需長期靜力試驗。試驗選擇應基于目的和周期，綜合考慮成本效益。如可能，模型試驗代替大尺度原型試驗，非破壞性試驗則用以替代破壞性試驗，以檢驗土木結構的設計施工質量或性能。1.3結構檢測分類《建筑結構檢測技術標準》（GBT50344-2019）結構檢測旨在評估結構工程的質量或鑒定既有結構的性能。檢測工作不僅包括儀器量測，也涉及目視檢查與測試。檢查主要是通過目視了解結構外觀，如裂縫、沉降或構件表面缺陷等，進行定性判斷。測試則通過工具或儀器測量結構的力學性能和幾何特征。工程質量的檢測遇有下列情況時，應進行結構工程質量的檢測：①國家現行有關標準規定的檢測；②結構工程送樣檢驗的數量不足或有關檢驗資料缺失；③施工質量送樣檢驗或有關方自檢的結果未達到設計要求；④對施工質量有懷疑或爭議；⑤發生質量或安全事故；⑥工程質量保險要求實施的檢測；⑦對既有建筑結構的工程質量有懷疑或爭議；⑧未按規定進行施工質量驗收的結構。1.3結構檢測分類既有結構性能的檢測既有建筑需要進行下列評定或鑒定時，應進行既有結構性能的檢測：①建筑結構可靠性評定；②建筑的安全性和抗震鑒定；③建筑大修前的評定；④建筑改變用途、改造、加層或擴建前的評定；⑤建筑結構達到設計使用年限要繼續使用的評定；⑥受到自然災害、環境侵蝕等影響建筑的評定；⑦發現緊急情況或有特殊問題的評定。1.3結構檢測分類1.4土木工程結構試驗與檢測的發展伴隨著科學技術不斷進步，新技術、新材料的不斷涌現，帶動了土木工程結構試驗與檢測技術和理論迅速發展，未來發展趨勢主要有大型化、數字化、自動化、智能化、精密化，與無損檢測技術、無人機技術和物聯網技術相結合也是土木工程結構試驗與檢測重要的發展方向。1.4.1先進的土木工程試驗與測試設施①先進的大型和超大型試驗裝備隨現代工業技術進步，我國大型結構試驗裝備快速發展，如電液伺服壓力試驗機最大加載能力達50000kN，全球領先。天津的國家大型地震工程模擬試驗設施是全球最大之一，可進行足尺建筑或大比例模型的抗震測試。此外，大型風洞、離心機、火災模擬系統等也被廣泛使用，增強結構防災抗災能力，推動結構設計理論發展。1.4.1先進的土木工程試驗與測試設施②先進的儀器及測試技術現代測試技術迅速發展，特別是在高性能傳感器和數據采集技術領域。新型“智能傳感器”利用微電子技術，提高了信號處理能力，如光纖傳感器能在千米范圍內精確檢測結構裂縫。分布式光纖傳感系統可檢測沿光纖的溫度和應變變化，具有高精度和抗電磁干擾特性。此外，基于無線通信的智能傳感器網絡被用于大型結構的健康監測。高速數據采集器的應用使結構的瞬態響應特征記錄更為精確，大容量數據采集也更加便捷。1.4.2計算機與網絡通信技術計算機在試驗中的應用：虛擬儀器技術：通過軟件模擬傳統儀器，用戶可以自定義儀器系統和參數，提高了靈活性和可定制性。模擬與分析軟件：計算機軟件能模擬結構應力、位移以及其他工程問題，如熱傳導和巖土力學分析。計算機-試驗機聯機系統：提高結構抗震試驗的精度與效率，能夠更真實地模擬和分析地震期間的結構性能。虛擬實驗室：便利性高，減少資金投入，特別適合在職學生和遠程教育，提供隨時隨地的實驗能力。1.4.2計算機與網絡通信技術2.網絡通信技術在現代土木工程試驗與檢測中的應用：信息共享與資源聯合：通過互聯網快速共享實驗室資源，實現結構試驗的自動化和信息化。遠程試驗系統：利用網絡聯機進行大型結構試驗，使不同地點的實驗室能共享設備和數據，優勢互補。遠程結構檢測技術：結合5G等高速網絡技術，實現遠距離檢測和實時數據傳輸，提高檢測工作的效率和準確性。智能運維與實時監控：基于網絡的傳感器網絡應用于結構健康監測，提高數據分析的速度和精確性。1.4.3無損檢測技術無損檢測技術在不破壞被測物質原始狀態的前提下，利用物質內固有缺陷或結構差異，通過各種檢測手段來評估材料、產品或設備的性質和狀態。這些技術包括超聲波、電磁、滲透、射線探傷及回彈檢測技術，它們在建筑、公路、鐵路等領域得到廣泛應用。超聲波技術因其廣泛的適用范圍和強大的穿透力被頻繁使用；電磁檢測技術高效且可在線監測；滲透檢測技術靈敏度高、操作簡便；射線探傷技術能精確顯示缺陷；回彈檢測則因成本低而常用于現場測試。隨著技術進步，未來無損檢測將結合云計算技術，推向更高發展層次。1.4.4無人機檢測技術的應用近年來，無人機技術在結構檢測領域的應用日益廣泛。無人機通過四大子系統——飛行平臺、航測相機云臺、信息采集傳輸和地面遠程控制，實現高效、安全的檢測。與傳統檢測方法相比，無人機能夠進入難以到達的區域，克服檢測盲區、提高靈活性，并降低人身安全風險。無人機的低成本、高機動性和優異的自然環境適應性，使其在復雜工程和日常巡查中特別有價值，如橋梁和超高層建筑檢測，提高了操作的安全性和效率。化學工業出版社THANKS！數字出版中心土木工程結構試驗與檢測技術2組織實施與管理2.1試驗組織計劃凡事預則立不預則廢，做好試驗組織計劃是試驗成功的極大保障。土木工程試驗可分為四個階段，即試驗的設計階段、準備階段、實施階段和總結階段。2.1試驗組織計劃大綱試驗結果分析與評價：評價驗證試驗數據的有效性和合理性，分析數據，得出結論。探索性試驗總結：處理試驗數據，分析試驗結果，對比理論與實際數據，撰寫試驗報告。2.1.4總結階段目標明確：確立試驗目的，收集和分析相關資料（試驗假設、邊界條件、驗證方法等）。試驗方案制定：結合試驗性質和規模，制定詳細的試驗方案。安全與誤差控制：設計包括試件設計、加載設計、觀測設計及安全措施。記錄與監控：確保所有設計步驟和結果都有詳盡記錄。2.1.1設計階段試件制作與編號：確保試件尺寸精確，留取材性試樣，進行詳細記錄。試件質量檢查與安裝：檢查試件尺寸和缺陷，安裝并確認試件支承條件與計算一致。加載設備與儀器率定：安裝加載設備，進行儀器儀表的率定。輔助試驗與儀表安裝：進行輔助試驗，安裝并調試儀器儀表。記錄表格設計與日志記錄：設計記錄表格，記錄各階段的詳細情況。2.1.2準備階段加載試驗：按照既定方案進行加載，記錄試驗數據和試件的外觀變化。數據和觀察記錄：詳細記錄和描述試驗過程中的每一個變化和現象。試驗資料整理：整理所有原始數據，確保數據完整性和準確性。2.1.3實施階段2.2試驗前期方案試驗研究首先需廣泛調查相關項目的研究成果和方法，目的是精準定向研究。調查方式包括實地、信函、電話和網上調查，各具優缺點。實地調查直觀、信息量大，但耗時且成本高；信函調查適用于簡單問題；電話調查快速；網上調查便于獲取文獻資料。試驗方案調研研究路線，或技術路線，定義了試驗研究的起始點、中轉點和結束點，以及這些點所涉及的技術環節和方法順序。它不僅展示研究組織者的技術和業務能力，還反映研究方法的實用性，是團隊分工和研究項目申請的基礎。研究路線的制定包括調查基礎資料、擴展信息來源、規劃技術路徑和預計解決方案，是確保研究有序進行的關鍵。研究路線設計其他工作方案設計主要有人員分工方案設計、技術準備方案設計、時間進度方案設計、經費預算方案設計和試驗安全方案設計等。其他工作方案設計2.3試驗技術性文件結構試驗的技術性文件一般包括試驗大綱、試驗記錄和試驗報告三個部分。①試驗大綱試驗大綱是結構試驗的核心指導文件，詳盡規定試驗的組織與執行細節。內容包括試驗項目來源、研究目的、試件設計要求、輔助試驗內容、試件安裝、加載方法、量測方法、試驗觀察、安全措施、進度計劃和經費使用等。這一文檔不僅明確了試驗的具體目標和步驟，還涵蓋了安全規范和資源分配，確保試驗按計劃順利進行。2.3.2試驗記錄②試驗記錄結構試驗除試驗大綱外，還需配備一系列詳細的技術文件，包括試件施工圖、制作要求說明書、試件制作過程記錄、自制設備設計資料、加載裝置布置圖、儀表讀數記錄、量測過程記錄（包括照片和視頻）、材料性能測試結果、試驗數據分析及結果總結，以及試驗工作日志。這些原始文件在試驗結束后應整理歸檔，以便未來參考。2.3.3試驗報告③實驗報告試驗報告是書面反映試驗工作及結果的綜合資料，關鍵于學生科學表達和實踐能力訓練。報告應包括試驗名稱、日期、人員，目的、原理、裝置簡圖，儀器設備詳情，數據記錄與處理，結果表達（表格或曲線），以及明確簡潔的結論。報告需基于理論分析，不僅羅列數據和現象，而是通過整理和計算，清晰展示試驗成果，為理論研究提供數據支持。2.4試驗安全措施試驗安全措施人員安全儀器設備安全其他安全問題試件安全為確保試驗安全，采取多項措施：在試驗結構下設置安全保護設施，如托架或墊板；在使用千斤頂等設備時，確保其牢固固定；使用杠桿時加設墊板和托架防跌落；嚴防電源使用中的觸電；預應力結構試驗中禁止站人防止傷害；及時預測塑性或脆性破壞；設置圍柵限制現場人員；指揮者須確保安全后方可進行試驗，嚴格遵守指揮。2.4.1人員安全2.4.2儀器設備安全為確保試驗安全與設備完整性，采取以下措施：確保加荷設備與支墩有足夠安全儲備，禁止超載；綁牢接觸式儀器防跌落；避免使用可能因材料斷裂而損壞的儀器；保護電子儀器免受潮氣侵害；破壞性試驗中監控接觸式儀器并及時拆卸；使用非接觸式儀器測量極限值；使用前徹底檢查儀器，確保無誤后接通電源。2.4.3試件安全在運輸、吊裝、安裝及試驗過程中，必須確保支座正確放置、吊點符合設計、試件與設備嚴格對中，并對結構進行強度驗算。此外，運輸與安裝時應設置臨時支撐防傾覆，現場試驗時地基要夯實，拆除試件時需合理順序操作并穩定保護，以防結構過早破壞或意外傷害。2.4.4其他安全問題試驗室安全措施包括消防安全意識、危險品防范和人員安全防護。重點是劃分防火區域，明顯放置消防器材并定期檢查，避免易燃易爆物品接近火源，并定期維護電線路。確保良好通風，特別是在可能產生有害氣體的試驗中。參與試驗人員需了解安全指南，佩戴適當的安全裝備如試驗服、頭盔、手套、護目鏡和口罩，以防止傷害。化學工業出版社THANKS！數字出版中心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3.5.3試件安裝誤差（1）試件安裝就位前，要正確仔細地定出支座反力作用線的位置，注意試件安裝就位的正確性。支座約束條件要嚴格與計算假定一致，防止因支座變形而增大摩擦力、產生次彎矩或局部應力集中。（2）要正確定出荷載作用點的位置，確定壓桿截面中心線或偏心荷載作用的偏心距，避免引起構件截面內力的差異。（3）模型安裝和加載部位的連接應滿足試驗要求。為防止模型結構試驗過程中發生局部破壞，通常對模型制作以及加載部位進行局部加強處理，這些加強部位的幾何關系也應考慮相似要求。3.5結構試驗的誤差控制3.5.4荷載量測設備誤差結構試驗需要在荷載作用下量測結構的反應。在試驗設計時，應嚴格按《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T50152-2012)和《建筑抗震試驗規程》（JGJ/T101-2015）等規定的精度等級和誤差范圍，選用加載設備和測量儀表進行試驗。為控制試驗的誤差，必要時需進行系統的計量標定。儀器儀表在試驗過程中，最好由固定人員測讀，以降低讀數誤差。此外，由于結構構件受荷載作用后，需要一定時間反應，此時儀表的數據仍然隨時間在小幅變化，因此，測讀時間一般應選取在加載間隔階段的末期，采集的數據會更為準確。3.5結構試驗的誤差控制3.5.5結構試驗方法非標準誤差通常情況下，結構試驗應嚴格按照《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T50152-2012)等相關規范的規定進行試驗，但是有些試驗沒有試驗標準或規程，所以應在充分論證的基礎上選擇合適的試驗方法。其中較為重要的方面就是尺寸效應和加載速率對試件強度產生的影響，控制其對試驗產生的非標準性誤差。在材料力學性能試驗時，混凝土和砌體試塊的尺寸形狀和加載速率等，按試驗設計與試驗準備階段確定的加載制度進行正式加載試驗。對試驗對象施加外荷載是整個試驗工作的中心環節，應按規定的加載順序和量測順序進行。其次在進行混凝土和砌體等構件試驗時，尺寸效應對強度同樣會產生影響，所以試件尺寸同樣不能太小。化學工業出版社THANKS！數字出版中心第4章試驗量測技術與儀器1概述1.1土木工程試驗量測技術土木工程測試技術是一門綜合性很強的技術，它是通過以材料力學、土力學、混凝土結構設計原理、土木工程設計理論和方法等學科作為理論基礎，并結合傳感器、信號處理器、計算機等學科技術研發出的各種量測儀表，從而測得各種材料性能和力學性能。（1）結構試件的微觀量測即使是同造型和用途的構件，在不同材料、不同制作和養護的條件下，其內部微觀結構的差別是極大的。而構件的穩定性、耐久性等性能表現，除去達到臨界荷載或是受外部自然條件侵蝕等宏觀層面條件，還和自身內部微觀結構構成息息相關。1.1土木工程試驗量測技術（2）結構試件的應變量測結構在外力作用下會產生應力，如果能具體了解構件的應力分布情況，尤其是結構構件的危險截面處的應力分布及最大應力值，對于建立強度計算理論是否合理、計算方法是否正確具有十分重要意義。但直接量測應力是比較困難的，所以目前大多是借助于量測應變值，然后通過材料的σ-ε關系曲線或方程換算為應力值。1.1土木工程試驗量測技術（3）結構試件的位移量測結構的位移反映了結構的整體變形，是工程結構承受荷載作用后最直觀的反應。通過位移量測，不僅可以了解結構的剛度及其變化，還能區分結構的彈性和非彈性性質。同時結構任何部位的異常變化或局部損壞都能在位移上得到反映。1.1土木工程試驗量測技術（4）結構試件的力值量測量測荷載和超靜定結構的支座反力是結構試驗中經常需要測定的外力。因為只有知道外力作用大小才能判斷試件是否達到臨界使用荷載，同時在對外力作用有清楚了解的基礎上，方可進一步對整體結構進行詳細的內力分析。對于較為脆性的結構試件，力值量測尤為重要。1.1土木工程試驗量測技術（5）結構試件的裂縫量測對于混凝土結構和砌體結構，裂縫的發生和發展是結構受力的重要特征。對于鋼結構，常見的斷裂發生在應力集中的部位和焊縫部位。準確的量測裂縫尺寸和描繪形狀，是后續確定開裂荷載、研究結構破壞過程的重要指標。1.1土木工程試驗量測技術（6）結構試件的溫度量測溫度是一個基本的物理量。溫度是建筑結構實際使用時所面臨的一個重要外界影響因素。因為實際結構的應力分布、變形性能和承載能力都可能與溫度存在密切關系。在常溫作用下，溫度應力常常使混凝土結構出現裂縫。因此在結構試驗中，有時也有溫度測量的要求，通常通過實測方法確定。1.1土木工程試驗量測技術（7）結構熱工性能的量測建筑材料的熱工性能是指與熱有關的性質，是研究結構高溫（抗火）性能的基礎。通常我們用熱工參數來表達和描述熱工性能。1.1土木工程試驗量測技術（8）結構抗爆沖擊的量測受全球政治形式影響和國家戰略發展的要求，爆炸荷載作用下建筑結構抗爆性能亟需提升。進行怎樣減輕爆炸對建筑物造成損害的詳細研究量測和分析是必要的。尤其是對于存放重要設備、人流量復雜等重要建筑，其結構的抗爆沖擊量測研究顯得尤為重要。1.1土木工程試驗量測技術（9）結構抗爆沖擊的量測在火災的作用下，火災高溫使得結構材料的性能發生嚴重劣化，結構構件將要發生劇烈的內力重分布，結構變形顯著加劇，從而造成結構的承載性能受到極大的削弱，危及建筑結構的安全，甚至會導致結構發生局部或整體倒塌和破壞。1.1土木工程試驗量測技術（10）結構振動參數的量測建筑結構在實際使用中將有可能受到地震、風、爆炸等各種偶然荷載下所導致的振動，從而對結構的穩定、構件的損壞造成不利影響。故時常需要在必要時刻進行相應的動力試驗，從而獲取振型、自振頻率、位移、速度和加速度等振動參量。而振幅、頻率、相位及阻尼是為獲得振動參量所量測的基本參數。1.1土木工程試驗量測技術不管是一個簡單的量具，或是一套高度自動化的量測系統，可能在外形、內部結構、量測原理及量測精度等方面有很大差別，但作為量測儀表，都應具備三個基本部分：

1.2量測儀表的基本組成一般來說，機械式儀器的感受、放大和顯示記錄三部分都在同一個儀器內。而電測儀器三部分常常是分開的，分別為傳感器、放大器和記錄儀器。（1）按量測儀表的工作原理分：機械式儀器、電測儀器、光學測量儀器、復合式儀器、伺服式儀器——帶有控制功能的儀器等。（2）按量測儀表的用途分：測力傳感器、位移傳感器、應變計、傾角傳感器、頻率計、測振傳感器等。（3）按量測儀表與結構的相對關系分：附著式與手持式、接觸式與非接觸式等。（4）按量測儀表的顯示記錄方式分：直讀式、自動記錄式、模擬式等。1.3量測儀表的分類這是化學工業出版社數字教育平臺素材建設模板。您可以使用這個模板快速編輯您的教學內容。（1）量程量程也稱測量范圍，即儀器所能測量的最大輸入量與最小輸入量之間的范圍。如50mm的百分表，其量程即為0mm~50mm。（2）刻度值即儀表指示裝置的每一最小刻度所指示的測量數值。如百分表的刻度值為0.01mm。1.4量測儀表的主要性能指標這是化學工業出版社數字教育平臺素材建設模板。您可以使用這個模板快速編輯您的教學內容。（3）分辨率儀表測量被測物理量最小變化值的能力。（4）靈敏度即被測參數（輸入量）的單位增加量所引起的儀表指示值（輸出量）的變化。反映儀表對被測參數變化的靈敏程度，是在穩態下，輸出變化增量對輸入變化增量的比值。對于不同用途的儀器，靈敏度的單位也各不相同，如百分表的靈敏度單位是mm/μm，電測位移計的靈敏度單位是電壓值與位移值的比值。不同儀器使用時應查對其說明書。1.4量測儀表的主要性能指標這是化學工業出版社數字教育平臺素材建設模板。您可以使用這個模板快速編輯您的教學內容。（5）精確度/精度即儀表指示值與被測值真值的符合程度。精確度高的儀表意味著隨機誤差和系統誤差都很小。結構試驗中，常以最大量程時的相對誤差來表示精度，并以此來確定儀器的精度等級。例如，一臺精度為0.2級的儀表，意思是測定值的誤差不超過最大量程的±0.2％。但也有不少儀器的測量精度和最小刻度值是用相同的數值來表示。例如，百分表的量測精度與最小刻度值均為0.01mm。1.4量測儀表的主要性能指標這是化學工業出版社數字教育平臺素材建設模板。您可以使用這個模板快速編輯您的教學內容。（6）滯后儀器的輸入量從起始值增至最大值的測量過程稱為正行程；輸入量由最大值減至起始值的測量過程稱為反行程。同一輸入量正反兩個行程輸出值間的偏差稱為滯后，通常以滿量程中的最大滯后值與滿量程輸出值之比表示。偏差的最大值稱為滯后量，滯后量越小越好。1.4量測儀表的主要性能指標這是化學工業出版社數字教育平臺素材建設模板。您可以使用這個模板快速編輯您的教學內容。（7）零點溫漂和量程熱漂移零點溫漂是指當儀表的工作環境溫度不為20℃時零點輸出隨溫度的變化率；滿量程熱漂移是指當儀表的工作環境溫度不為20℃時滿量程輸出隨溫度的變化率。它們都是溫度變化的函數，一般由儀表的高低溫試驗得出其溫漂曲線并在試驗值中加以修正。1.4量測儀表的主要性能指標這是化學工業出版社數字教育平臺素材建設模板。您可以使用這個模板快速編輯您的教學內容。（8）線性范圍指在保持儀器的輸入量和輸出信號為線性關系的基礎上，輸入量的所允許的變化范圍。在動態量測中，對儀器的線性范圍應有嚴格要求，否則將使量測結果引起較大的誤差。（9）頻率響應特性指儀器在不同頻率下靈敏度的變化特性。常以頻響曲線（一般以對數頻率值為橫坐標，以相對靈敏度為縱坐標）表示。1.4量測儀表的主要性能指標這是化學工業出版社數字教育平臺素材建設模板。您可以使用這個模板快速編輯您的教學內容。（10）相移特性振動參量經傳感器轉換成電信號或經放大、記錄后在時間上產生的延遲叫相移。如果相移特性隨頻率而變化，則對于具有不同頻率成份的復合振動將會引起輸出電量的相位失真。常以儀器的相頻特性曲線來表示其相移特性。在使用頻率范圍內，輸出信號相對于信號的相位差應不隨頻率改變而變化。此外，由傳感器、放大器、記錄器組成的整套量測系統，還需注意儀器相互之間的阻抗匹配及頻率范圍的配合等問題。1.4量測儀表的主要性能指標1.5量測儀表的基本量測方法土木工程結構試驗所用量測儀表，一般采用偏位測定法和零位測定法兩種量測方法。偏位測定法是根據量測儀表產生的偏轉或位移定出被測值，如百分表、雙杠桿應變儀及動態電阻應變儀等。通常來說，零位測定法比偏位測定法更精確，因為用偏位法測量時，指針式儀表內沒有標準量具，只有經過標準量具標定過的刻度尺，而刻度尺相對來說精確度不會很高，因此該方法相對不夠么精確。尤其當采用電子儀器將被測量和標準量的差值放大后，可達到很高的精度。1.6儀表的率定為了確定儀表的精確度或換算系數，確定其誤差，需將儀表指示值和標準量進行比較，這一工作稱為儀表的率定。率定后的儀表按國家規定的精確度劃分等級。用來率定儀表的標準量應是經國家計量機構確認，具有一定精確度等級的專用率定設備產生的。率定設備的精確度等級應比被率定的儀表高。為了保證量測的精確度，儀表的率定是一項十分重要的工作。所有新生產或出廠的儀表都必須經過率定，正在使用的儀表也必須定期進行率定。2微觀量測2微觀量測即使是同造型和用途的構件，在不同材料、不同制作和養護的條件下，其內部微觀結構是差別極大的。而構件的穩定性、耐久性等性能表現，除卻達到臨界荷載或是受外部自然條件侵蝕等此類宏觀層面條件，還和自身內部微觀結構息息相關。2.1掃描電鏡技術2.2X射線衍射分析X射線衍射儀是進行材料晶體結構分析的重要設備，用于物相定性、定量分析，晶胞參數測定，晶粒大小、結晶度、殘余應力分析、擇優取向分析、薄膜厚度的測定和物相縱向深度分析等，也是混凝土學科內運用非常廣泛的一個結構研究手段。X射線衍射儀主要由X射線發生器、測角儀、記錄儀和水冷卻系統組成，新型的衍射儀還帶有條件輸入和數據處理系統。2.2X射線衍射分析X射線衍射儀是利用衍射原理，精確測定物質的晶體結構、織構及應力，精確的進行物相分析、定性分析、定量分析。廣泛應用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學、材料生產等領域。2.3固體核磁共振（1）固體核磁共振發展歷史人們在發現核磁共振現象之后很快就產生了實際用途，化學家利用分子結構對氫原子周圍磁場產生的影響，發展出了核磁共振譜，用于解析分子結構，隨著時間的推移，核磁共振譜技術不斷發展。另一方面，醫學家們發現水分子中的氫原子可以產生核磁共振現象，利用這一現象可以獲取人體內水分子分布的信息，從而精確繪制人體內部結構，2.3固體核磁共振（2）固體核磁共振工作原理核磁共振現象來源于原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的運動。根據量子力學原理，原子核與電子一樣，也具有自旋角動量，其自旋角動量的具體數值由原子核的自旋量子數決定，實驗結果顯示核磁共振是指磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。

2.4多光束光切法（1）光切法測量表面三維微觀形貌的原理傳統的光切法三維形貌測量系統通過選取適當的一字線激光器作為投射光源，將線結構光投射到被測物表面，由于被測物表面的不規則導致光條發生形變，利用工業相機完成形變光條的采集，利用計算機圖像處理技術對采集到的發生形變的光條進行多個步驟的處理，得到微觀形貌的特征，最后進行三維還原完成測量。

2.4多光束光切法（2）光切法測量系統組成搭建的測量系統主要有三部分組成，分別為光源部分，圖像采集部分以及軟件處理部分。

2.5白光相移干涉法（1）白光相移干涉法工作原理白光干涉儀是以分振幅型雙光束干涉儀為基礎構建的。光源發出的光經分光鏡分成兩束光，即參考光和測量光。

2.5白光相移干涉法（2）白光相移干涉法測量系統組成測量系統是由干涉顯微鏡改造而成。采用白光為干涉光源，由Michelson干涉測量系統、相移微位移驅動系統、CCD攝像頭、圖像采集卡、計算機等組成。利用白光干涉技術進行表面三維形貌測量時，從參考鏡和被測工件表面反射回的光束在分光鏡上相互疊加產生干涉條紋。利用CCD攝像機接收干涉條紋圖像，送至計算機進行數據處理。

03應變量測手持式應變儀手持式應變儀主要由兩片彈簧鋼片連接兩個剛性骨架組成，兩個骨架可作無摩擦的相對運動。骨架兩端帶有錐形插腳，測量時將插腳插入結構表面上預置的腳座中，結構表面上的兩個預置腳座之間的距離為測量標距。千分表測應變裝置應變測量裝置，它有兩個粘貼在試件上的腳座，分別固定千分表和剛性桿，測量標距可通過調節剛性桿任意確定。構件伸長（縮短）量由千分表讀出，除以標距即算得應變。3.1機測引伸儀電阻應變計，又稱電阻應變片，是電阻應變量測系統的感受元件。電阻應變片的種類很多，按柵極分有絲式、箔式、半導體等；按基底材料分有紙基、膠基等；按使用極限溫度分有低溫、常溫、高溫等。3.2電阻應變計（1）電阻應變儀的組成電阻應變儀是把電阻應變量測系統中放大與指示（記錄、顯示）部分組合在一起的量測儀器，主要由振蕩器、量測電路、放大器、相敏檢波器和電源等部分組成，把應變計輸出的信號進行轉換、放大、檢波以及指示或記錄。3.3電阻應變儀（2）電阻應變儀的原理電阻應變片可以把試件的應變量轉換成電阻變化。但一般情況下試件的應變量較小，由此引起的電阻變化也非常微弱，難以進行直接測量。電阻應變儀的測量原理是通過惠斯登電橋（WheatstoneBridgeCircuit），將微小電阻變化轉變為電壓或電流變化，同時還可以解決測量值的溫度補償問題。3.3電阻應變儀PART

THREE01020304在量測橋的四個橋臂上全部接入工作應變片，其中相鄰臂上的工作片兼作溫度補償片，將處于拉、壓應變狀態的電阻應變計恰當地接入橋臂全橋電路半橋電路是由兩個工作片和兩個固定電阻組成，工作片接在AB和BC橋臂上，另一半橋上的固定電阻設在應變儀內部，不另設溫度補償片半橋電路為了消除因電阻應變計的溫度特性而引起的熱輸出，將測量試件應變的電阻應變計接入AB橋臂，將另一片性能相同的電阻應變計貼在和試件相同的材料上，1/4橋電路等臂橋路就是指四個橋臂電阻值相等的電橋橋路。等臂橋路3.3電阻應變儀（3）測量電路（4）多點測量線路進行實際測量時，大多數是多點測量情況，因而要求應變儀具有多個測量橋，這樣就可以進行多測點的測量工作。多點測量線路主要有工作肢轉換法和中線轉換法。工作肢轉換法每次只切換工作片，溫度補償片為公用片；中線轉換法每次同時切換工作片和補償片，通過轉換開關自動切換測點而形成測量橋。3.3電阻應變儀（5）溫度補償溫度效應由于環境溫度的變化，引起電阻應變儀指示部分的示值變動，這種變動稱為溫度效應。溫度導致的附加應變一般可分為兩類，一類是溫度變化引起電阻應變計敏感福電阻的變化，因而產生附加應變；另一類是試件材料和應變計敏感柵材料的線聯系數不同，使應變計產生附加應變。消除溫度效應的方法稱為溫度補償。溫度補償可采用溫度補償片法、工作片互補法和溫度自補償片法三種。3.3電阻應變儀04位移量測4位移量測結構的位移反映了結構的整體變形，是工程結構承受荷載作用后最直觀的反應。通過位移量測，不僅可以了解結構的剛度及其變化，還能區分結構的彈性和非彈性性質。同時結構任何部位的異常變化或局部損壞都能在位移上得到反映。4.1線位移傳感器（1）機械式百分表和千分表機械式百分表外觀如圖4-21所示。當滑動的測桿跟隨被測物體運動時，帶動百分表內部的精密齒輪轉動，精密齒輪機構將微小的直線運動放大為齒輪的轉動，從百分表的表盤就可讀出線位移量。4.1線位移傳感器（2）電阻應變式位移傳感器電阻應變式位移傳感器的測桿通過彈簧與一固定在傳感器內的懸臂梁相連（如圖4-22），在懸臂梁的根部粘貼電阻應變片。測桿移動時，帶動彈簧使懸臂梁受力產生變形，通過電阻應變儀測量電阻應變片的應變變化，再轉換為位移量。4.1線位移傳感器（3）滑動電阻式位移傳感器滑動電阻式位移傳感器見圖4-23，的基本原理是將線位移的變化轉換為傳感器輸出電阻的變化。與被測物體相連的彈簧片在滑動電阻上移動，使電阻R輸出電壓值發生變化，通過與R2的參考電壓值比較，即可得到R3輸出電壓的改變量。4.1線位移傳感器（4）線性差動電感式位移傳感器線性差動電感式位移傳感器，簡稱為LVDT，其構造如圖4-24所示。LVDT的工作原理是通過高頻振蕩器產生一參考電磁場，當與被測物體相連的鐵芯在兩組感應線圈之間移動時，由于鐵芯切割磁力線，改變了電磁場強度，感應線圈的輸出電壓隨即發生變化。通過標定，可確定感應電壓的變化與位移量變化的關系。4.2角位移傳感器（1）水準式傾角儀圖4-25為水準式傾角儀的構造。水準管1安置在彈簧片4上，一端鉸接于基座6上，另一端被微調螺絲3頂住。當儀器用夾具5安裝在測點上后，用微調螺絲使水準管的氣泡居中，結構變形后氣泡漂移，再扭動微調落實使氣泡重新居中，度盤前后兩次讀數的差即為測點的轉角。4.2角位移傳感器（2）電子傾角儀電子傾角儀實際上是一種傳感器。它通過電阻變化測定結構某部位的轉動角度。儀器的構造原理如圖4-26所示。其主要裝置是一個盛有高穩定性的導電液體的玻璃器皿，在導電液體中插入三根電極A、B、C并加以固定。4.2角位移傳感器（3）時柵角位移傳感器該傳感器結構分為激勵和感應兩部分，均采用了雙層互補式結構，實現對磁場的約束和拾取能力的相互補償。如圖4-27所示，圖4-27(a)為傳感器整體模型；圖4-27(b)為傳感器感應線圈，圖4-27(c)為傳感器感應線圈與激勵線圈的基體，線圈基體有利于對線圈對磁場的約束作用，圖4-27(d)為激勵線圈，4.3光纖位移傳感器光纖傳感器是20世紀70年代中期發展起來的一門新技術，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術的發展，光纖傳感器得到進一步發展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火；可根據需要做成各種形狀，可以彎曲；可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕等優點。4.3光纖位移傳感器（1）光纖的結構和傳輸原理①光纖結構光導纖維，簡稱光纖，目前基本采用石英玻璃，有不同摻雜，見圖4-28。②光纖的傳輸原理光在空間是直線傳播的，在光纖中光被限制在光纖中，并能隨光纖傳遞到很遠的距離。4.3光纖位移傳感器（2）光纖的性能的幾個重要參數①數值孔徑臨界入射角的正弦函數定義為光纖的數值孔徑。②光纖模式光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角度光線在界面上反射的次數不同，光波之間的干涉產生的強度分布也不同。③傳播損耗光纖在傳播時，由于材料的吸收、散射和彎曲處的輻射損耗影響，不可避免的要有損耗。4.3光纖位移傳感器（3）光纖傳感器類型①功能型（FunctionTypeFiberOpticSensor）FF又稱傳感型功能型光纖傳感是利用光纖本身對外界被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強、相位、偏振態等光學特性得到調制，調制后的信號攜帶了被測信息。②非功能型（Non-FunctionFiber-opticSensor）NFF又稱傳光型非功能型光纖傳感的光纖只當作傳播光的媒介，待測對象的調制功能是由其它光電轉換元件實現的，光纖的狀態是不連續的，光纖只起傳光作用。4.3光纖位移傳感器（4）反射式光纖位移傳感器光纖位移測量原理見圖4-29。光源經一束多股光纖將光信號傳送至端部，并照射到被測物體上。另一束光纖接受反射的光信號，并通過光纖傳送到光敏元件上，兩束光纖在被測物體附近匯合。被測物體與光纖間距離變化，反射到接受光纖上光通量發生變化。再通過光電傳感器檢測出距離的變化。05力值量測量測荷載和超靜定結構的支座反力是結構試驗中經常需要測定的外力。因為只有知道外力作用大小才能判斷試件是否將要達到臨界使用荷載，同時在對外力作用有一個清楚了解的基礎上，方可進一步對整體結構進行詳細的內力分析。對于較為脆性的結構試件，力值量測顯得尤為重要。5力值量測測定拉力和壓力的儀器一般采用機械式測力計，圖4-31為環箍式拉力計，它由兩片弓形鋼板組成一個環箍。圖4-32是另一種環箍式拉壓測力計。5.1拉力和壓力量測電阻應變式測力傳感器是目前應用最廣泛的一種測力儀器。它是利用安裝在力傳感器上的電阻應變片測量傳感器彈性變形體的應變，再將彈性體的應變值轉換電信號輸出，并用電子儀器顯示的測力計，稱為測力傳感器，也稱荷載傳感器。荷載傳感器可以測定荷載、反力和其他各種外力。5.2荷載和反力量測種荷載傳感器的外部形狀基本相同，其核心部件是一個厚壁筒，如圖4-33所示。壁筒的橫斷面取決于材料允許的最大應力。在筒壁上貼有電阻應變片以便將機械變形轉換為電量變化。如圖4-34所示，在筒壁的軸向和橫向布置應變片，并按全橋接入電阻應變儀工作電橋，5.2荷載和反力量測當需要測定結構成型后的鋼筋混凝土內部應力時，可采用埋入式測力裝置。埋入式測力裝置由混凝土或砂漿制成，其上粘貼電阻應變片，埋入試件后整體澆筑成型，如圖4-35所示。5.3結構內部應力量測測量預應力混凝土結構內部應力時常采用振弦式力傳感器。在振弦式力傳感器中、安裝了一根張的鋼弦，當傳感器受力產生微小變形時、鋼弦張緊程度發生變化、使得其自隨之發生變化、測量鋼弦的自振額率，就可以通過傳感器的變形得到傳感器所受到的力，如圖4-36所示。5.3結構內部應力量測06裂縫量測6.1量測裂縫的內容點擊此處添加標題對于混凝土結構和砌體結構，裂縫的發生和發展是結構受力的重要特征。對于鋼結構，常見的斷裂發生在應力集中的部位和焊縫部位。準確的量測裂縫尺寸和描繪形狀，是后續確定開裂荷載、研究結構破壞過程的重要指標。裂縫量測的主要內容有：裂縫的特征及分布（位置、形態、數量、走向等）、裂縫的量度（寬度、長度、深度）、裂縫的發展趨勢（裂縫發生及開展的時間過程、是否穩定等）。6.2量測裂縫的方法點擊此處添加標題（1）肉眼觀察（2）貼應變片（3）涂導電漆膜（4）超聲波檢測（5）鉆芯取樣法6.3裂縫的量測儀器裂縫的位置、數量、走向一般采用照片和繪制裂縫展開圖等形式記錄。長度用直尺、卷尺進行測量，寬度可用裂縫寬度比對卡、裂縫測寬儀、塞尺進行檢測。裂縫的深度一般采用超聲波法或局部鑿開法進行檢測，必要時可鉆取芯樣進行驗證。對于發展的裂縫還應進行持續的監測、記錄。以下將舉例常見量測儀器。6.3裂縫的量測儀器（1）讀數顯微鏡（2）裂縫讀數卡6.3裂縫的量測儀器（3）裂縫測寬儀采用了現代電子成像技術，將被測物體表面裂縫原貌實時顯示在屏幕上；可對裂縫寬度量測進行自動判讀、手動判讀，電子標尺人工判讀三種模式，最高分辨率達0.0025mm，從而確保微細裂縫的判讀準確。6.3裂縫的量測儀器（4）裂縫塞尺裂縫塞尺是把金屬材料制作成不同厚度的薄片，并標注其厚度，測量時先粗略估計裂縫的寬度，然后再選用相應厚度的薄片進行塞試，最后讀出裂縫寬度。6.3裂縫的量測儀器（5）裂縫深度測試儀利用振動能量在混凝土內傳播，在穿過裂縫時，由于振動能量在裂縫端點產生衍射，而衍射角與裂縫深度又具有幾何關系，從而推導出裂縫深度。07溫度量測溫度是一個基本的物理量。常溫作用下，溫度應力常常使混凝土結構出現裂縫。溫度是建筑結構實際使用時所面臨的一個重要外界影響因素。因為實際結構的應力分布、變形性能和承載能力都可能與溫度發生十分密切的關系。在常溫作用下，溫度應力常常使混凝土結構出現裂縫。測溫的方法很多，從測試元件與被測材料是否接觸來分，可以分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。7.1熱電偶溫度計熱電偶溫度計是以熱電效應為基礎的測溫儀表。熱電偶溫度計由三部分組成：熱電偶（感溫元件）、測量儀表（動圈儀表或電位差計）、連接熱電偶和測量儀表的導線（補償導線）。熱電偶原理A、B－導體1、2－節點7.2熱敏電阻溫度計當溫度較低時，可采用金屬絲熱電阻或熱敏電阻溫度計。常用的金屬測溫電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻，其電阻值將隨溫度的變化而變化，因此溫度的測量將轉化為電阻的測量。類似于應變的測量轉化為電阻應變片的電阻測量，可以采用電阻應變儀測量熱電阻的微小電阻變化。熱敏電阻的熱敏材料一般可分為半導體類、金屬類和合金類三類，與金屬絲熱電阻相同，其電阻值也隨溫度而變化。7.3光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器的工作原理如圖所示，利用的是半導體材料的能量隙隨溫度幾乎成線性變化的原理，其主要材料有光纖、光譜分析儀、透明晶體等，可分為分布式、光纖熒光溫度傳感器。08熱工性能量測建筑材料的熱工性能是指與熱有關的性質，是研究結構高溫（抗火）性能的基礎。通常我們用熱工參數來表達和描述熱工性能。而熱工參數主要包括：λ—導熱系數，即材料傳導熱量的能力；α—熱擴散系數，即物體中某一點的溫度的擾動傳遞到另一點的速率的量度；K—傳熱系數，即墻體在穩定傳熱條件下單位時間通過單位面積傳遞的熱量；c—比熱容，即單位質量物體改變單位溫度時吸收或放出的熱量；R—熱阻，即墻體本身或其中某層材料阻抗傳熱能力的物理量。8.1建筑的兩個重要熱工參數（1）材料的