第3篇 建筑结构静载试验.pdf

第三篇建筑结构静载试验 第一章建筑结构荷载试验设备 第一节荷载试验分类与加载要求 一、 荷载试验分类 作用于建筑结构上的荷载种类繁多。就直接作用来说， 有结构的自重； 建筑物楼 （屋） 面的活荷载、 雪荷载、 灰载、 施工荷载； 作用于工业厂房上的吊车荷载、 机械设备的振动荷 载； 作用于桥梁上的车辆振动荷载； 作用于海洋平台上的海浪冲击荷载等； 在特殊情况下， 还有地震、 爆炸等荷载。除了直接作用， 一般情况下， 尚有温度、 收缩、 支座沉降等间接作 用。 以上荷载按其作用的范围分， 有分布荷载、 集中荷载； 按作用的时间长短分， 有短期荷 载、 长期荷载； 按荷载对结构的动力效应分， 有静力荷载、 动力荷载等； 振动荷载尚有简谐 振动与随机振动之分。 结构试验除极少数是在实际荷载下实测外， 绝大多数是在模拟荷载条件下进行的。 结构试验的荷载模拟即是通过一定的设备与仪器， 以最接近真实的模拟荷载再现各种荷 载对结构的作用。荷载模拟技术是结构试验最基本的技术之一。 结构试验中荷载模拟的方法有很多种。就静载试验而有， 有重物、 液压、 气压、 机械和 电液伺服加载系统以及和它们相配合的各种试验装置。其中同步异荷液压加载及与计算 机连接的电液伺加载则代表了加载技术方面的最新发展。在具体结构试验中应根据试件 结构特点， 试验目的， 场地条件以及经费开支等因素综合选择。 二、 加载要求 正确地选择加载试验所用的荷载设备和加载方法， 对顺利地完成试验工作和保证试 验的质量， 有非常大的影响。所以， 在选择试验荷载和加载方法时， 应满足下列几点要求 “ 选用试验荷载的图式应与结构设计计算的荷载图式所产生的内力值相一致或基 本接近； “ 荷载传力方式和作用点明确， 产生的荷载数值要稳定， 特别是静力荷载要不随加 载时间、 外界环境和结构的变形而变化； “ 荷载分级的分度值要满足试验量测的精度要求， 加载设备要有足够的强度储备； “ 加载装置本身要安全可靠， 不仅要满足强度要求， 还必须按变形条件来控制加载 装置的设计， 即尚必须满足刚度要求。防止对试件产生卸荷作用而减轻了结构实际承担 “ 第三篇建筑结构静载试验 的荷载； “ 加载设备必须操作方便， 便于加载和卸载， 并能控制加载速度， 又能适应同步加载 或先后加载的不同要求； “ 结构试验加载方法要力求采用现代化先进技术， 减轻体力劳动， 提高试验质量。 第二节重力模拟荷载设备 一、 重力直接加载设备 重物荷载可直接堆放于结构表面 （如板的试验） 形成均布荷载 （图 “ （。上述各项指标完全可以满足结构工 程实验中的动态、 静态加载控制和数据采集的要求。“ 、 “ 转换器的驱动程序可以采 用汇编语言、 语言或 2 A 语言编写； 对于结构工程研究人员来说， 整个实验过 程采用高级语言编写软件进行控制比较方便， 这里应用的实验控制软件是采用 2 A 语言编写的。 （二） 变幅位移控制加载规则 在位移变幅加载情况下， 首先考虑变幅位移控制加载规则； 需要特别强调的是， 加载 规则中的位移控制和力控制与电液伺服加载系统中的位移控制模式和力控制模式是两个 不同的慨念， 电液伺服加载系统的控制模式是指整个闭环控制系统的控制方式， 位移控制 模式是指加载系统的命令信号是位移指令， 而且反馈信号也是位移量测值； 力控制模式是 指加载系统的命令信号是力指令， 而且反馈信号也是力的量测值， 整个系统是一个力控制 闭环。加载规则是针对试件的控制参量而言， 系统控制模式是针对实验设备而言的。 由于采用的是变幅位移控制加载规则， 所以实验系统采用位移控制模式进行加载； 控 制软件除满足加载规则外， 还要考虑如下几点 47 中断功能， 在实验进程的任何时刻可以中断， 以便观察试件和破坏情况， 以及特殊 情况和处理， 然后继续实验。 ,7 在实验过程中可以随时改变或调整有关的实验过程参数， 如加载速率、 加载位移 幅值、 循环次数等。 07 实验过程的有关量值的计算和实时处理， 例如累积滞回耗能可以采用累加的形式 计算 “， “B 4 , （ ,B 4） （ ,C 4） （0 C 0 C 4） 其中 4和 ,是相邻两点的恢复力， 4 和 ,是对应的位移。 87 实时监测和显示功能， 在控制软件中应设有可靠的安全保证措施， 避免力或位移 的超载造成设备、 设施的损坏， 同时在微机上可以实时地监测力、 位移的大小、 滞回曲线的 形状、 应变值等量测值。 根据上述几方面的考虑， 控制软件的基本流程图 0 C 0 C 40 所示。 “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 “ 置初始数据 设定位移步长 设定初始幅值 “ 及各循环幅值之间的增量“ 设定每一循环幅值下的循环次数 “ 设 ， 由 向 加载 （ ） 试件的数据采集 恢复力、 位移、 应变等 数据实时处理及计算； 如 ’“ （’ ’）（ ） *“ 判断正向恢复力 ’是否小于前面循环中最大力的 ’“ 倍 （用于判断是否下降到极限 载荷的 ,） 即 ’“’ ’-./（“） 如果是， 则 0121， 实验结束 3“ 如果4 5 46， 则 01217 “ 设 ， ’ ’ ， ， ’ ’ 7“ 判断， 如果 ， 则 “ “ “， 0121 8“ 设 ， 0121 “ 结束 图 * * *实验控制过程流程图 （三） 等幅位移控制加载分析 对于等幅位移控制加载， 只要将输入的参数“ 设为 ’ 即可。一般情况下， 实验加 载规则是先用力控制加载到试件屈服后改用位移控制加载规则。这可以通过修改前述变 幅位移控制的实验控制软件来实现， 即在初始加载阶段用量测的恢复力作为判断指标， 当 达到屈服力时则转入用位移作为控制指标。另一种方法是电液伺服实验系统的控制模式 与加载规则完全一致， 即作动器先是力环控制模式， 然后再改成位移环控制模式。有些电 液伺服设备具有进行力 位移控制环的平滑实时转换的功能， 而有一些是没有这种功能 的， 需要先关闭力控制模式然后再启动位移控制模式； 对于前者其软件控制方法与前述位 移加载控制时的情形类似， 由计算机自动实施力控制环到位移控制环的转换。对于没有 这种实时转换功能的设备， 可以采用如下的方式进行 控制软件按两部分处理， 第一部分 是力控制加载， 第二部分是位移控制加载， 先启动力控制模式， 当加载达到屈服点时， 力控 制环完成任务， 将作用力返回零位后关闭力控制环并启动位移控制环， 然后用位移控制环 进行控制。 （四） 混合控制加载研究 在力 位移混合控制加载规则的实际实验中， 一个非常棘手的问题是如何判断 “屈服 点” ； 事实上很多情况下 “屈服点” 的定义本身就是模糊的。曾经有文献提出采用屈服点前 后的刚度比 大于 的某个系数进行判别的方法， 但是的取值仍然是根据经验 给出， 不同的试件的取值也不一样， 所以问题并没有解决。为了解决这个问题， 我们采 用了如下的方法 在整个实验过程中均采用位移环控模式制进行加载， 同时选择较小的加 “ 第三篇建筑结构静载试验 载位移步长， 因为 “ 转换器的分辨率是 位的， 在 ’ 和 ’ 输出范围内其最小输出 电压可分别达到 ’ 和 ’， 对于所使用的电液伺服作动器， 根据 * ’ 满量程 对应的最小整定位移行程 * （ , ） ， 则可供实验选择的最小位移分辩率是 -。根据我们的实际应用， 在 的位移步长下进行实验控制是有足够精 度的， 实验系统也能够很稳定地运行。 （五） 实例分析 月牙螺纹钢筋今后将逐步推广， 为此， 进行了数批月牙钢筋搭接长度取值的试验研 究。有一批受弯试件采用了如图 . / . / 0 所示的试件形状。用平衡重消去自重影响。 试验采用 12 / 型位移传感器， 藉助 3 / 1 函数记录仪直接绘制 /曲线。在梁 支座截面高度的中点， 施工时， 预埋“ 钢筋， 安装位移传感器的木梁就简支在此预埋钢 筋上， 从而消除了支座变形对梁跨中挠度的影响。 图 . / . / 0月牙钢筋搭接长度试验受弯试件 （单位 ） 试件共 根， 按混凝土标号分为两组。中间纯弯区段截面尺寸均为4 5 4。 上、 下各为两根“- 对称配筋。钢箍均为“-， 间距为纵向钢筋的 倍。在同一截面钢筋 的搭接接头， 上、 下均为 6， 见图 . / . / 0。 第一组试件共 - 根， 钢筋搭接长度取 . “， 0“， 0“ （“ 为受力钢筋的直径） 三种。 同一种搭接长度的试件有两根， 一根作骨架曲线试验， 另一根作强度退化试验。 第二组试件共 . 根， 钢筋搭接长度亦为 .“， 0“， 0“ 三种。每种一根作强度退化 试验。 以上两组试件的材料强度见表 . / . / 此外， 为了对比， 又同时制作了两根无搭接的 “标准梁” 。 “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 钢筋搭接试件尺寸及材料强度表 “ “ 试件编号 （）“ （）“（）钢筋 钢筋强度 （’） 混凝土强度 （’） *, “ - “ ./.010230- 2 -4.02110 *, “ - “ ./1.0110304 2 -4.02.04 *, “ - “ -/.0110530- 2 -4.0205 *, “ - “ -/1.010430- 2 -4.02.04 *, “ - “ -./.01030 2 -4.0205 *, “ - “ -./1.0210230 2 -4.0210. *, “ . “ ./.010.205 2 -4.0250 *, “ . “ -/.011030 2 -4.02-05 *, “ . “ -./.01103303 2 -4.020 这批试探性试验结果表明 0 图 “ “ . 及图 “ “ 2 分别为 . 倍及 -. 倍直径搭接长度的滞回环， 而图 “ 1 “ 3 为无搭接试件的滞回环。显然， 钢筋搭接试件的滞回环呈反 6 形， 无搭接钢筋的 滞回环呈梭形。从抗震性能来看， 钢筋搭接试件比不上无搭接的试件。 图 “ “ .*, “ - “ ./1试件的滞回曲线 10 对比图 “ “ . 及图 “ “ 2， 搭接长度愈短， 下降段愈陡。搭接长度加大后， 下降段较为平缓。故从抗震性能来看， 搭接长度不能太短。 “ 第三篇建筑结构静载试验 图 “ “ ’ “ “ *试件的滞回曲线 图 “ “ ,无搭接 （’ “ ） 试件的滞回曲线 - 如图 “ “ . 所示 （’ “ 为钢筋无搭接试件） ， 显然， 在骨架曲线中， 钢筋搭接 长度愈大， 则其愈接近钢筋无搭接的试件。 三、 钢筋混凝土梁柱节点试验 （一） 钢筋混凝土梁柱节点试验研究意义 国内外建筑抗震经验证明， 钢筋混凝土多层框架具有较好的抗震性能。但是在强烈 地震影响下， 也有不少框架结构受到严重的破坏， 乃至倒塌， 经震害调查发现多层钢筋混 凝土框架破坏的部位大多在柱子和节点区。节点的破坏往往是导致整个框架倒塌毁坏的 “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 图 “ “ 试件骨架曲线比较 主要原因之一， 主要是节点部分受轴力、 弯矩和剪力的作用， 这样的复合应力使节点部分 发生复杂的变形， 其中主要是剪切变形， 这不仅使梁柱的连接不能保持直角， 而且框架的 应力和变形状态都会发生变化， 节点在剪力作用下剪切开裂、 剪断破坏。节点破坏后修复 也比较困难。因此对结构抗震来说， 节点抗震性能的研究比一般结构具有更重要的意义。 为了研究钢筋混凝土框架结构抗震性能， 对于钢筋混凝土框架结构梁柱节点即梁端、 柱端与核心区的组合体施加低周反复静力荷载的试验， 是目前国内外常用的一种试验方 法。 （二） 试件和边界条件的模拟 钢筋混凝土框架梁柱节点的试件， 可取框架在侧向荷载作用下节点相邻梁柱反弯点 之间的组合体， 经常采用十字形试件。根据试验研究的要求一般取上下柱反弯点比为 （图 “ “ （） ） ， 对于某些柱铰型的组合体试件， 上下柱的反弯点比也可取为 ’ （图 “ “ （） ） 。在柱上施加轴力 ， 并按地震时框架的应力情况施加 “和 “’， 这样轴力 图 “ “ 梁柱节点组合体的试件形式 可随意变化， 与 的比值变化容易。图 ’ （） ，（） 为 * 形试件， 图 ’ （） 是将加载方向相对框架中心线转动角， 使轴力 与弯矩 成比例， 弯矩小， 轴力也小， 不可能得到定轴力的应力状态。按图 “ “ （*） 的 形试件加载时， 试件中不产生轴 力， 在节点部分的应力仅由弯矩和剪力产生， 这时试件中不可能反映出节点部分真实的应 “ 第三篇建筑结构静载试验 力状态。 为了反映钢筋混凝土的材料特性， 试件尺寸比例一般不小于实际构件的 “。对于 主要研究节点构造时， 试验结果表明， 即使 “ 比例的试件也难以完全模拟足尺构件的 构造效果， 因此对于系统的试验研究， 必须在小尺寸试件试验基础上， 做一定数量的足尺 试件试验加以验证及补充。对于检验性试验或预制装配节点， 宜采用足尺试件， 并保证配 筋构造符合或接近实际。 对于十字形试件为了避免因梁首先发生剪切破坏而影响预期成果的取得， 建议梁的 高跨比一般不小于 “。 当试验采用图 （’） 的 形试件时， 为了使试验能再现实际结构的应力状态， 对 于试件尺寸与各种应力的关系， 以及随着变形引起支座横向位移等有关问题， 都必须认真 考虑并进行专门设计。 由于框架是超静定结构， 因此梁柱节点组合体的试件和试验加载装置设计时， 对于边 界条件的模拟尤需注意。在实际框架结构中， 当侧向荷载作用时， 节点上柱反弯点可视为 水平可移动的铰， 相对于上柱反弯点， 下柱反弯点可视为固定铰， 而节点两侧梁的反弯点 均为水平可移动的铰。这样的边界条件比较符合节点在实际结构中的受力状态。模拟这 种边界条件， 需要采用柱端施加侧向荷载或位移的方案， 其加载及支座装置较为复杂。在 实际试验中为了使加载装置简便， 往往采用梁端施加反对称荷载的方案， 这时节点边界条 件是上下柱反弯点均为不动铰， 梁两侧反弯点为自由端。以上两种方案的主要差别在于 后者忽略了柱子的荷载位移效应。因此对于必须考虑荷载位移效应的试验， 如主要以柱 端塑性铰为研究对象时， 应该采用柱端加载的方案。对于以梁端塑性铰或核心区为主要 研究对象时， 可采用梁端反对称加载方案。 当采用 形试件时要如实模拟边界条件比较困难。但当试验目的是为了了解节点 初始设计应力状态或极限应力状态下的性能， 或者是纯粹的研究试验， 探讨节点在某种复 合应力状态下的性能， 并同理论计算作对比时， 采用较为简单的 形试件方案也可充分 达到试验的目的。这时试件形状和尺寸要按为再现实际应力状态而作专门设计。 （三） 试验装置和加载设计 钢筋混凝土梁柱节点组合体梁端加载试验装置 梁柱节点组合体试件安装在荷载支承架内， 在柱的上下端都安装有铰支座， 在柱顶自 由端通过液压加载器施加固定的轴向荷载。 在梁的两端用四个液压加载器施加反对称低周反复荷载， 反对称荷载通过油泵系统 控制同步加载。 为了得到由于梁端反对称加载在柱顶产生的水平推力。在上柱自由端与反力架之间 设有球铰装置， 并由测力传感器进行测量。 钢筋混凝土梁柱节点组合体有侧移柱端加载试验装置 为了能反映钢筋混凝土框架梁柱节点组合体受地震荷载作用时的实际受力性质， 可 以采用专门设置的几何可变框式试验架来满足试验要求。 试验架周边的框梁和立柱由槽钢焊接而成， 梁柱间用轴承连接成为几何可变的框架 体系 （图 *） 。框架周边相隔一定距离布置有预留孔洞， 这样框梁和立柱分别可以在 “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 上下左右相对调整连接间距， 以适应不同高度 （包括上下柱反弯点不同） 宽度的试件试验 需要。 试件可以通过在柱端和梁端的预留孔用钢梢分别与框架横梁与立柱上相应位置的圆 孔连接， 形成相应的铰接支承进行安装固定。整个试验装置用地脚螺丝固定在试验台座 上。 试件上部柱顶安装施加竖向荷载的液压加载器， 用反力横梁和拉杆连接在框架上部 横梁， 并形成自平衡体系。 试验时固定于反力架上的水平双作用液压加载器对框架顶部施加低周反复水平荷 载， 则几何可变的框架体系即带动安装在框架内的试件一起变形， 使之形成柱顶受载有侧 移的边界条件， 以实现模拟试件实际受力图式的要求。 “ 形钢筋混凝土梁柱节点组合体试验装置 形试件一般直接应用大型结构试验机进行加载， 将试件通过铰接支承安置在结构 试验机内， 在试件上安放加载横梁， 按设计计算所确定的加载点位置， 由试验机通过 ， 支点直接进行加载。 为了实现反复加载， 在第一次加载后需要将试件在平面内转动角， 然后由加载横梁 上的另两个支点 对柱端的另一侧和另一梁端施加荷载。 这种试验方法在试验装置上由于直接使用结构试验机进行加载， 可能相对看来略为 简便。但每次荷载后须将试件反复转动角来实现和满足反复加载的要求， 将会对试验 带来很大的不便。这时所有量测仪表必须通过特殊设计的支架直接固定于试件上进行量 测。 试件受 ’ 、 作用后应保证 形试件下部两支座 ， * 能顺利产生横向位移， 不然 由于支座的约束将会在试件中产生次应力， 以致使试件的实际受力状况与原设计产生很 大的差异。 钢筋混凝土梁柱节点组合体的试验加载程序可按图 , 所示的程序进行。 试验加载采用控制作用力和控制位移的混合加载法。当采用梁端加载方法时， 图中 第一循环先是以控制作用力加载， 加载数值为计算屈服荷载的 -.、 即为 -./， 第二循 环加载到梁的屈服荷载 /， 以后控制位移加载， 即以梁端屈服位移值的倍数 （即梁端位移 延性系数） 逐级加载。 对于柱端加载的试验， 则按梁端屈服时柱端水平位移的倍数来分级。在控制位移加 载时， 每级荷载下可以仅仅反复一次， 也可反复 0 次， 视研究需要而定， 直至破坏。 当需要研究试件的强度或刚度退化率时， 则可以在同一位移下反复循环 0 1 次。 四、 实例分析 研究框架梁柱节点组合体在低周反复荷载作用下的滞回特性。 （一） 试件设计 框架梁柱组合体是包括节点在内的以两个反弯点为梁柱试件长度的组合体。可作为 研究框架变形和节点工作的基本单元。 试件混凝土强度为 ,234， ’5 和’ 钢筋的屈服强度分别为 6,234 和 1,,234。 “ 第三篇建筑结构静载试验 图 “ “ 梁柱节点组合体试验加载程序 梁的截面为 ’ ’， 按 * 或 * 分别配筋设计成弱梁或强梁； 柱的截面均为 ’ ’， 按 * 或 * 分别配筋设计成强柱或弱柱。并按强梁弱柱或强柱弱梁 共组成 , 个试件按外形分为两组， 如图 “ “ 所示。垂直荷载产生的轴压比为 - 和 - （相当于 **./ 和 ,,./） 。 图 “ “ 梁柱节点组合体试件 （二） 试验装置和量测内容 试验采用节点有侧移柱端加载的试验装置如图 “ “ 所示， 十字形节点试件安装 于专门制作的四角铰接钢框架内， 试验先施加恒定的垂直荷载 ， 然后在钢架上端施加 水平反复荷载 “， 采用控制位移的变幅变位移的加载制度。 试验量测内容 柱端位移、 节点核心区剪切变形、 梁柱曲率、 钢筋应变和荷载 “ 变形曲 线。 “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 图 “ “ 节点柱端有侧移的加载装置 （三） 试验结果分析 在梁或柱进入屈服形成塑性铰前， 节点核心区发生斜裂缝。在对称的梁柱节点组合 体试件中， 强柱弱梁型试件的滞回曲线如图 “ “ （） 所示； 强梁弱柱型试件的滞回曲 线如图 “ “ （） 所示。 图 “ “ 节点试验滞回曲线 两种形式 （强柱或强梁） 的滞回曲线都是反 形， 所不同的是 强柱型的铰出现在弱梁 上， 而强梁型的铰出现在弱柱上。前者延性系数比后者大， 后者受轴向力引起的二阶效应 比前者要大。 “ 第三篇建筑结构静载试验