结构试验(加载方法及设备)第一页，共95页。第二章结构试验的加载设备本章提要加载方法：重力加载法、液压加载法、惯性力加载法、机械力加载法、气压加载法、电磁加载法、人工激振加载法、环境随机振动激振法。荷载支撑装置和试验台座。教学目标掌握建筑结构试验的各种加载方式，以及加载装置、试验设备和支承装置的使用，为建筑结构试验顺利进行创造条件。学习重点：重力加载，液压加载，荷载支承装置和试验台座。第二页，共95页。结构试验模拟结构在实际受力工作状态下的反应对试验对象施加荷载荷载的选择是否正确合理，影响到试验工作的顺利进行。因此2.1概述第三页，共95页。
如何选择正确、合理的荷载？必须对常用的加载方法和设备有充分的认识和了解第四页，共95页。静载加载装置动载加载装置试验设备主要包括：重力加载、机械力加载、气压加载、液压加载等主要包括：惯性力加载、电磁加载法、人激振动加载法、环境随机振动激振法等主要包括：荷载支承装置、荷载传递装置、试件支承装置等第五页，共95页。选择荷载和加载方式的几点要求：1、试验荷载的图式2、试验荷载的传力方式3、精度和强度4、加载装置安全可靠5、加载设备操作方便6、加载方法力求采用现代化先进技术第六页，共95页。原理：结构试验中最早采用的静力加载方法，其原理是利用物体的重力，作用在试验对象上，通过重物数量控制加载值的大小。具有加载方便、就地取材、试验荷载稳定等特点，适合于建筑结构的现场试验。常用的加载重物：凡是便于运输、重量可以测定的物体均可用于重力加载，常用的有标准铸铁砝码、水、砂、石、砖、钢锭、混凝土块、载有重物的汽车等。加载方式：重力直接加载法、间接加载法
2.2重力加载第七页，共95页。一、重力加载的荷载作用方式重力直接加载将物体的重力直接作用于结构上的一种加载方法，即在结构表面堆放重物模拟构件表面的均布荷载。试验时可将重物按分级重量逐级施放；或在结构表面围设水箱，利用防水膜止水，再向水箱内灌水。水加载优点：水的重力作用最接近于结构的重力状态，易于施加和排放，加卸载便捷，适用于大面积的平板试件，如楼面、屋面、桥面。第八页，共95页。重力加载法第九页，共95页。重力间接作用——杠杆加载法
为了减少重力加载时的工作量或将荷载转变为集中荷载，常利用杠杆原理把荷载放大作用在结构试件上。杠杆加载时，需要注意的问题：1、保证杠杆水平2、杠杆调平第十页，共95页。二、重力加载的特点和要求特点：1、重力加载的材料可以就地取材，重复使用，根据现场情况采用符合要求的石、砖或水等重物。2、加载值稳定，波动小。适用于长期性的结构试验，砼徐变试验、耐久性试验，结构现场长期观测试验。3、能较好的模拟均布线荷载或均布面荷载，使试件的受力更接近于结构实际的受力状态。4、当采用汽车载重加载时，可实现对结构的动力加载，如桥梁结构的动力加载试验。5、重力加载的工作量很大，加卸载速度缓慢，耗费时间长。6、重物占据空间大，安全性较差，组织难度大，有些重力加载试验由于重物体积过大无法堆放而难以实现。第十一页，共95页。重力加载注意事项：1、轻拿轻放，减少对结构物的冲击2、重物的体积不宜过大，要便于分级加载，质量一般≤25kg，（人工搬运方便）3、荷载的作用点要明确4、荷载的堆放要留有间隙5、要有可靠的安全防护措施第十二页，共95页。均布荷载：用加载块作为重物均匀堆放重物注意：1、分区域加载2、区域间留间隙第十三页，共95页。用水作为重物优点：1、加载卸载方便2、符合实际使用条件，还能检验抗裂抗渗性能第十四页，共95页。桩基、地基堆载试验第十五页，共95页。桥梁荷载试验第十六页，共95页。綦江新虹桥荷载试验第十七页，共95页。桥的试验：最好选择晚上。晚上温差小，白天温差大，温度影响较大。车流量小，周围的振动干挠影响小第十八页，共95页。集中荷载：利用荷重盘进行集中荷载的加载置于荷载盘上挂于结构上第十九页，共95页。利用杠杆，加大荷载值注意：杠杆臂之比在1：5之内，荷载比太大就难以保证加载的准确性。第二十页，共95页。2.3机械力加载法利用简单的机械原理对结构试件加载，试验中采用的有卷扬机加载法、倒链加载法、机械千斤顶加载法及弹簧加载法等。第二十一页，共95页。机械力加载的作用方式：1、卷扬机加载法、倒链加载法加载装置由卷扬机、钢丝绳、链条测力计（或测力传感器）、滑轮组及锚固装置等组成，通过钢丝绳或链条对试验结构施加拉力荷载，或使结构产生初位移。荷载大小由测力计或测力传感器进行测量。2、机械式千斤顶加载是利用螺旋千斤顶对结构施加压力荷载，荷载大小有压力传感器测量。螺旋千斤顶加载值可达600kN。3、弹簧加载法是利用弹簧压缩变形的恢复力对结构施加压力荷载，荷载值的大小通过弹簧刚度与弹簧的压缩变形决定。常用于长期加载试验。第二十二页，共95页。弹簧加载主要用于长期加载测定长期刚度、观察裂缝注意：随时调整弹簧来保证荷载值第二十三页，共95页。机械力加载的特点：1、加载设备简单，实现加载容易，采用钢丝绳等索具时，便于改变荷载的作用方向，适用于对结构施加水平集中荷载。2、加载能力有限，荷载值不宜太大。第二十四页，共95页。机械力加载的要求：采用卷扬机、倒链等机具加载时，力值量测仪表应串联在绳索中，直接测定加载值，当绳索通过导向轮或滑轮组对结构加载时，力值量测仪表宜串联在靠近试验结构端的绳索中。采用卷扬机等机械设备加载时，应保证钢丝绳和滑轮组的质量，并具有足够的安全储备。利用钢丝或绳索施加拉力时，可以和滑轮组联合使用，通过滑轮组来改变力的大小和方向。第二十五页，共95页。利用压缩气体或真空负压对结构施加荷载，这种加载方式对试验对象施加的是均布荷载。一、气压加载的作用方式1、气压正压加载通过橡胶气囊给试验对象施加荷载。气囊安置在结构试件表面和反力支撑板之间，压缩空气通过管道阀门进入气囊，气囊充气膨胀对物体施加荷载，荷载大小通过连接于气囊管道上的气压表或阀门进行测量。2、真空负压加载是气压加载的另一种形式，适用于试验对象为面积大、形状复杂的密封结构，如壳体结构。试件应制成中空的密封结构，试验时从试件空腔向外抽出气体，使结构内外形成大气压差，实现由内向外的均布加载，能较真实的模拟结构实际受力状态。利用真空泵阀门或连接管上的真空表进行测量施加荷载大小。2.4气压加载法第二十六页，共95页。气压加载装置示意图第二十七页，共95页。真空加载试验第二十八页，共95页。第二十九页，共95页。二、气压加载的特点和要求1、气压加载的特点（1）能真实地模拟面积大、外形复杂结构的均布受力状态；（2）加卸载方便可靠；（3）荷载值稳定易控；（4）需要采用气囊或将试件制成密封结构，试件制作工作量大；（5）施加荷载值不能太大；（6）构件内表面无法直接观测；（7）气温变化易引起荷载波动。第三十页，共95页。二、气压加载的特点和要求2、气压加载的要求（1）气囊或真空内腔需采用适当方法进行密封处理，接缝以及构件与基础之间需采用聚乙烯薄膜、凡士林、黄油等密封；（2）有时需在真空室或气囊壁上开设调节孔，以便控制荷载大小；（3）基础、反力架等要有足够的刚度；（4）为防气温变化引起荷载波动，应增加恒压控制装置，使气体压力保持在允许的控制范围内；（5）充气囊不宜伸出试验结构构件的外边缘，确定加载量时，应考虑充气囊与结构表面接触的实际作用面积，按气囊中的气压值计算确定。第三十一页，共95页。2.5液压加载法利用油泵将液体压力升高，并将此压力施加于结构的加载方法，是目前结构试验中最常用、最理想、最普遍的加载方法。优点：利用油压能产生较大的荷载（国外30000kN、国内20000kN），可以直接对大承载力的结构进行原型试验，液压加载装置体积小，便于搬运和安装。组成：液压加载系统、电液伺服阀和计算机构成先进的闭环控制加载系统。可用于振动台的动力系统、制作成多通道协同工作的加载系统第三十二页，共95页。液压加载装置♦液压千斤顶；♦静力试验液压加载装置；♦结构试验机；♦电液伺服液压加载系统；♦电液伺服振动台。
单向作用加载器
双向作用加载器
电液伺服作动器第三十三页，共95页。一、液压千斤顶组成：活塞、油缸和密封装置等构成。工作原理：油泵—液压油—工作油缸—活塞—试件。
第三十四页，共95页。第三十五页，共95页。液压千斤顶分类1、单作用式：油缸只有一个供油口，只能对试件施加单向作用力（压力），可用于结构静力试验。
2、双作用式：前后两个工作油腔及两个供油口，可以对结构产生拉力或压力的双向作用，施加反复荷载，适用于低周反复荷载试验。
第三十六页，共95页。液压千斤顶分类
3、电液伺服作动器：是专门用于电液伺服系统的加载器，分为单作用和双作用，双作用作动器又分为单出杆式（推、拉力可能不同）和双出杆式（最大推力和拉力相同）。
第三十七页，共95页。电液伺服加载器的制作工艺与双作用千斤顶不同，电液伺服加载器的活塞与油缸之间的摩擦力小，工作频率高，频响范围宽，可施加动力荷载。为满足控制要求，油缸上装有位移传感器、荷载传感器及电液伺服阀等。电液伺服作动器是电液伺服振动台的起振器，多个电液伺服加载器可构成多通道加载系统，可以完成静力试验、拟动力试验、疲劳试验及动力试验等。
第三十八页，共95页。液压千斤顶分类4、液压张拉千斤顶：专门用于预应力施工和试验的液压加载设备，工作过程和普通的液压千斤顶相同。分为单孔张拉千斤顶和多孔张拉千斤顶。单孔张拉千斤顶：张拉单根钢绞线，也可用于退出已张拉的具夹（退锚），最大吨位260kN；多孔张拉千斤顶：张拉多根钢绞线，加载能力1000-6500kN，可同时张拉3-21根钢绞线。预应力张拉施工是严格的生产项目，张拉千斤顶必须有法定计量部门标定并出具鉴定证书，施工操作时严格按照操作规程进行。第三十九页，共95页。二、静力试验液压加载装置：
组成部分♦液压加载器：手动液压千斤顶、电动液压千斤顶♦液压控制台♦反力架♦台座适用于各类结构的静载试验（包括拟静力试验）第四十页，共95页。第四十一页，共95页。1、手动液压千斤顶工作系统由手动油泵、液压千斤顶、油路及压力表等组成，可制成一体式或分体式。一体式将液压千斤顶、手动油泵和油路连接在一起，制作成一个整体设备；分体式千斤顶手动油泵和油路是分开的，工作时通过油管连接，工作完成后可以拆卸。工作过程：手动液压千斤顶工作时，先关闭回油阀，摇动手动油泵的手柄，驱使储油箱中的液压油通过单向阀进入工作油缸，推动活塞外伸对结构施加作用力。卸载时，打开回油阀，在外力作用下使工作油缸中的油溜回储油箱，活塞回缩卸载。特点：加载装置轻便，适合人工搬运，便于现场或高空作业，适用于单点加载或通过分配梁进行多点加载，但手动液压加载装置需要人力驱动油源，加载能力不能太大，一般不超过1000kN。第四十二页，共95页。第四十三页，共95页。2、电动液压加载装置的构成与手动分体式加载装置类似，手动油泵被电动油泵取代，由电动机提供能源，组成电动液压加载装置，千斤顶可采用单作用式或双作用式。特点：操作简便，加载能力强，普通液压千斤顶加载力可达10000kN以上。一台油泵通过油路分配装置可与多个千斤顶连接，实现多点同步加载。第四十四页，共95页。三、大型结构试验机
为在实验室里进行大型结构构件的试验，将大吨位的液压千斤顶制成专门的液压加载系统。该系统由液压操作台、液压千斤顶、试验机架和管路系统组成，是集液压加载、反力机构、控制与测量于一体的比较完善的专用加载系统。长柱结构试验机：
第四十五页，共95页。第四十六页，共95页。60t微机控制电子万能试验机第四十七页，共95页。液压加载部分油泵部分第四十八页，共95页。压弯试验机：第四十九页，共95页。由于科研生产的需要，大型结构试验机作为结构试验室专门的试验设备应用越来越广泛，这种试验机可以进行柱、墙板、砌体、节点、梁等大型构件的受压与受弯试验。
第五十页，共95页。四、电液伺服试验加载系统
是一种闭环控制加载系统，最先应用于材料试验，后引入结构试验领域。能精确地模拟结构的实际受力过程，多通道电液伺服加载系统最早是为专门进行结构构件的拟动力试验而设计的，后被应用于结构的各种试验。可以进行动力试验、精确地静力试验、低周反复荷载试验、疲劳试验、力控与位移之间方式转换的试验和拟动力试验等。试验精度高，自动化程度高。
多通道电液伺服加载系统是一种多功能的加载系统，是结构实验室最理想的试验设备，特别是能真实的模拟地震、海浪等动荷载波谱的作用，适合于地震模拟震动台的激振系统。第五十一页，共95页。多通道电液伺服加载系统：液压源、液压管路、电液伺服作动器、电液伺服阀、模拟控制器、测量传感器及计算机等组成。电液伺服加载系统工作原理第五十二页，共95页。液压源及管路系统：为整个电液伺服系统提供液压动力能源；
电液伺服作动器：系统的执行者；
电液伺服阀：将电信号转换为液压信号的高精密元件；
模拟控制器：将位移、力等控制信号—电信号—电液伺服阀（根据电信号控制作动器产生运动，完成对试件的推拉等加载过程）；
测量传感器及计算机。第五十三页，共95页。电液伺服加载器第五十四页，共95页。电液伺服阀第五十五页，共95页。电液伺服液压系统的基本闭环回路第五十六页，共95页。五、电液伺服振动台第五十七页，共95页。能很好的模拟地震过程或进行人工地震波试验，是实验室内研究结构地震反应和破坏机理的最直接的方法。这种设备可用于研究工业与民用建筑、桥梁、水工结构、海洋结构、原子能反应堆等结构的抗震性能及动力特性等，是目前结构抗震研究中的重要试验手段之一。系统主要由台面和基础、高压油源、管路系统、电液伺服作动器、模拟控制系统、计算机控制系统和数据采集处理系统等组成。1、振动台基本性能指标：承载能力和台面尺寸：大型、中型、小型激振力：使用频率范围：0-50Hz，特殊情况可达100Hz以上
第五十八页，共95页。2、台面和基础台面：足够的刚度和承载力，自振频率远离振动台的使用频率，台面重量应尽量轻，以获得更大的激振加速度，目前大多数振动台是由钢板焊接而成的格栅结构。基础：最大加速度应小于0.005g，最小重量应大于最大激振力的20倍，通常基础重量约为最大台面重量（包括构件）的20-50倍。3、油压和管路系统：是驱动振动台的液压动力源。
4、控制系统：纯模拟量控制、模拟+数字控制第五十九页，共95页。地震模拟振动台美国MTS公司三向六自由度维模拟地震振动台，台面尺寸4m×4m，最大试件质量25t。第六十页，共95页。2.6惯性力加载对结构施加动力荷载，激发结构产生动力反应，采集其动力反应时程，分析结构自振频率、阻尼等动力特性参数。初始位移加载法初始速度加载法反冲击法离心力法加载方法第六十一页，共95页。初始位移加载：优点：结构产生振动时，重物质量不会对结构产生附加质量。利用钢丝绳等使结构沿振动方向张拉产生一初始位移，然后突然释放使结构产生自由振动。第六十二页，共95页。作用方式：试验时在钢丝绳中设一钢拉杆，当拉力达到拉杆极限拉力时，拉杆被拉断而形成突然卸载，选择不同的拉杆截面可获得不同的拉力和初位移。注意事项：（1）初位移法应根据自由振动测试的目的布置拉线点，拉线与被测试结构的连接部分应具有整体向被测试结构传递力的能力。（2）每次测试时应记录拉力值以及拉力与结构轴线间的夹角。（3）测量振动波时，应取记录波形中的中间数个波形，测试过程中不应使被测试结构出现裂缝。第六十三页，共95页。初始速度加载：两种形式：
1、用摆锤施加冲击力荷载
2、落重法施加冲击力荷载又称突然加载法，是利用运动重物对结构施加瞬间的水平或垂直冲击，如摆锤法或落重法，使结构产生初速度而获得所需的冲击荷载。第六十四页，共95页。注意事项第六十五页，共95页。反冲击激振法利用反冲击激振器对结构施加动力荷载，也称火箭激振。适用于现场结构试验，小型反冲击激振器也可用于试验室内构件试验。反冲击激振法就是爆炸加载。利用火药或炸药使之燃烧或引起爆炸，产生冲击荷载作用于试验结构或建筑物。炸药爆炸后以应力波或冲击波的形式作用于试验结构或建筑物，而火药燃烧是通过火箭激振加载器以激振力的形式作用于结构或建筑物。采用单个反冲击激振器激振时，一般将激振器布置在建筑物顶部，尽量靠近建筑物质心的轴线。
第六十六页，共95页。离心力加载法利用旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。其运动具有周期性，作用力的大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。♦优点：结构简单，容易产生较大振幅和激振力；♦缺点：频率低，振幅调节难，只能产生简谐荷载。第六十七页，共95页。直线位移惯性力加载系统
该加载系统的主要动力部分是电液伺服加载系统，由闭环伺服控制器通过电液伺服阀控制固定在结构上的双作用液压加载器，带动质量块作水平直线往复运动。♦激振力大，但频率较小（<1HZ），且设备笨重。惯性力加载的要求：1、正确选择激振器的安装位置；2、合理选择激振器，防止引起测试结构的阵型畸变；3、当激振器安装在楼板上时，应避免受楼板竖向自振频率和刚度的影响；4、激振力应具有传递途径；5、激振测试中宜采用扫频方式寻找共振频率，在其附近测试时，应保证半功率带宽内有不少于5个频率的测点。第六十八页，共95页。2.7电磁加载法
原理：磁场中的通电导体受与磁场方向垂直的作用力。在磁场（永久磁场或直流励磁磁场）中放入动圈，线圈中通入交变电流，固定于动圈上的杆件在电磁力作用下产生往复运动，向试验对象施加荷载。加载设备：电磁式激振器、电磁振动台
电磁式激振器由励磁系统（励磁线圈、铁芯、磁极）、动圈（工作线圈）、弹簧、顶杆。第六十九页，共95页。电磁式激振器：优点：频率范围宽，重量轻，控制方便，可按给定信号产生多种波形的激振力缺点：激振力不大，适用于小型结构及模型试验工作过程：第七十页，共95页。由电磁式激振器构成的加载系统电磁振动台广泛适用于国防、航空、航天、通讯、电子、汽车、家电、等行业。该类型设备用于发现早期故障，模拟实际工况考核和结构强度试验，产品应用范围广泛、适用面宽、试验效果显著、可靠。正弦波、调频、扫频、可程式、倍频、对数、最大加速度,调幅,时间控制,全功能电脑控制,简易定加速度/定振幅。设备通过连续无故障运转3个月测试，性能稳定，质量可靠第七十一页，共95页。电液伺服振动台：大型振动台试验第七十二页，共95页。2.8人激振动加载法：人身体有规律的运动，在共振情况下，可产生较大的激振力（有阻尼自由振动）。自振频率比较低的大型结构利用这种方法曾在一座15层钢筋混凝土建筑上获取了振动记录，并在开始的几个周期运动就达到了最大值，操作人员停止运动让结构做有阻尼的自由振动，获得了结构的自振周期和阻尼系数。第七十三页，共95页。2.9环境随机振动激振法：
由于环境引起的振动是随机的，因而把这种激振方法称为环境随机激励法。又称脉动法，由地面脉动产生结构脉动，再对其进行模态参数识别。特别适合于大型建筑物的振动试验。地面脉动——高灵敏度传感器——信号放大器——观测和记录振动信号注意事项：避免环境及系统中的冲击信号干扰，试验时需要较长的观测时间，观测期间须保持环境激励信号的稳定性。第七十四页，共95页。2.10荷载支承设备和试验台座支撑设备：支墩、支座；荷载支承机构；结构试验台座；现场试验荷载装置。第七十五页，共95页。2.10荷载支承设备和试验台座2.10.1支座：支撑装置，正确传递作用力、模拟实际工作荷载形式的设备支墩：简易支座，钢或钢筋砼制作，现场试验多为砖砌体；第七十六页，共95页。支座作用形式：活动铰支座、固定铰支座。第七十七页，共95页。2.10荷载支承设备和试验台座2.10.1支座对铰支座的基本要求♦必须保证结构在支座处能自由转动；♦必须保证结构在支座处力的传递；♦构件支座处铰的上下垫板要有一定刚度；♦滚轴长度，一般取为试件支承处截面宽度；♦滚轴直径，可按表2.1选用，并进行强度验算。第七十八页，共95页。支座的选择：梁、桁架等平面结构：一种活动铰支