1、建筑结构试验建筑结构试验 冀德学冀德学 石晶石晶 长安大学建筑工程学院长安大学建筑工程学院 课程主要内容课程主要内容 第一章第一章 结构试验概论结构试验概论 第二章第二章 结构试验设计结构试验设计 第三章第三章 结构静载试验（单调加载实验）结构静载试验（单调加载实验） 第四章第四章 结构动力特性试验结构动力特性试验 第五章第五章 结构抗震试验结构抗震试验 第六章第六章 结构试验现场检测技术结构试验现场检测技术 实验项目实验项目 实验一实验一 常用机械式量测仪表使用技术常用机械式量测仪表使用技术 实验二实验二 电阻应变片粘贴与检测技术电阻应变片粘贴与检测技术 实验三实验三 静态电阻应变测量技术静
2、态电阻应变测量技术 实验四实验四 钢桁架非破坏试验钢桁架非破坏试验 实验五实验五 结构动力特性的测定试验结构动力特性的测定试验 实验六实验六 混凝土结构非破损检测技术应用混凝土结构非破损检测技术应用 建筑结构试验建筑结构试验是土木专业的一门是土木专业的一门 专业技术课专业技术课, ,主要介绍结构试验的方法、主要介绍结构试验的方法、 程序和基本原理。通过这门课的学习，程序和基本原理。通过这门课的学习， 使学生获得结构试验方面的基础知识和使学生获得结构试验方面的基础知识和 基本技能，并能够进行一般结构试验的基本技能，并能够进行一般结构试验的 设计与实施设计与实施。 第一章第一章 结构试验概论结构试
3、验概论 1-1 1-1 结构试验任务结构试验任务 结构试验的任务是结构试验的任务是：以试验构件或模型以试验构件或模型 为对象，为对象，通过使用测试仪器和试验设备，对结通过使用测试仪器和试验设备，对结 构物受作用后的性能进行观测，通过对量测数构物受作用后的性能进行观测，通过对量测数 据的分析据的分析（如荷载、应力、变形、应变、温度、（如荷载、应力、变形、应变、温度、 振幅、频率、裂缝宽度等），振幅、频率、裂缝宽度等），了解并掌握结构了解并掌握结构 的力学性能，并对试验对象的结构性能做出评的力学性能，并对试验对象的结构性能做出评 价，为验证和发展结构计算理论提供试验依据。价，为验证和发展结构计算理
4、论提供试验依据。 结构试验是研究和发展结构试验是研究和发展 结构计算理论的重要手段结构计算理论的重要手段 特别是特别是混凝土结构、钢结构、砌体混凝土结构、钢结构、砌体 结构结构等设计规范所采用的计算理论，几乎等设计规范所采用的计算理论，几乎 全部是以试验研究的直接结果作为基础的。全部是以试验研究的直接结果作为基础的。 结构试验是一门综合性很强的课程结构试验是一门综合性很强的课程 应该应该具备结构工程专业知识（结构、材料、施工）。具备结构工程专业知识（结构、材料、施工）。 应该应该掌握材料力学、结构力学、弹性力学、混凝掌握材料力学、结构力学、弹性力学、混凝 土结构、钢结构等相关知识。土结构、钢结
5、构等相关知识。 应该了解应该了解 机械、液压、电工、电子及计算机方面的机械、液压、电工、电子及计算机方面的 相关内容。相关内容。 结构试验方法标准与规程：结构试验方法标准与规程： 混凝土结构试验方法标准（混凝土结构试验方法标准（GB/T50152-2012GB/T50152-2012） 建筑抗震试验方法规程（建筑抗震试验方法规程（JGJ 101-1996JGJ 101-1996） 民用建筑可靠性鉴定标准（民用建筑可靠性鉴定标准（GB 50292-1999GB 50292-1999） 工业厂房可靠性鉴定标准（工业厂房可靠性鉴定标准（GBJ 144-90GBJ 144-90） 实验室具有实验室具有
6、 大型水平及大型水平及 竖向反力架，竖向反力架， 可进行结构可进行结构 构件、梁柱构件、梁柱 节点、墙体、节点、墙体、 结构模型的结构模型的 静载试验及静载试验及 抗震试验。抗震试验。 T型梁竖向加载试验 学生正在做实验 混凝土偏压柱试验 学生正在做钢桁架载荷实验 学生正在做实验 学生试验方案设计书 周绪红教周绪红教 授主持的授主持的 高层建高层建 筑钢结构筑钢结构 交错桁架交错桁架 体系模型体系模型 试验研究试验研究 课题课题 钢框架填充砼深梁抗震性能试验 研究生正在做框架柱轴压比限值抗震试验 博士生正在做碳纤维博士生正在做碳纤维 布增强砼框架节点布增强砼框架节点 抗震性能试验抗震性能试验
7、大尺寸砼管柱抗震性能试验 钢结构节点模型抗震性能试验研究 钢框架结构模型抗震性能试验 钢 筋 砼 剪 力 墙 抗 震 性 能 试 验 桥梁疲劳试验及桥墩抗震试验 1-2 1-2 结构试验目的结构试验目的 根据不同的试验目的，结构试验根据不同的试验目的，结构试验 一般分为：一般分为： 科学研究性试验科学研究性试验 生产鉴定性试验生产鉴定性试验 1-3 1-3 结构试验分类结构试验分类 按试验对象尺寸大小分为：按试验对象尺寸大小分为： 真型试验真型试验 模型试验模型试验 按试验对象是否破坏分为：按试验对象是否破坏分为： 破坏性试验破坏性试验 非破坏性试验非破坏性试验 按试验场地分为：按试验场地分为
8、： 实验室试验实验室试验 现场试验现场试验 第二章第二章 结构试验设计结构试验设计 2-1 2-1 结构试验设计概述结构试验设计概述 一、结构试验的四个阶段一、结构试验的四个阶段 1 1试验规划与设计试验规划与设计 2 2试验准备阶段试验准备阶段 3 3试验实施阶段试验实施阶段 . .试验数据分析与总结试验数据分析与总结 二、试验大纲内容二、试验大纲内容 1 1试验的目的与意义试验的目的与意义 2 2试验构件设计试验构件设计 3 3试验装置与加载装置设计试验装置与加载装置设计 4 4试验观测方案设计试验观测方案设计 5 5试验经费预算试验经费预算 6 6试验进度计划试验进度计划 7. 7. 试
9、验安全措施试验安全措施 三结构试验运行程序三结构试验运行程序 选择实验项目选择实验项目 进行实验设计进行实验设计 实验仪器选用实验仪器选用 实验实施实验实施 实验结果分析实验结果分析 实验结论实验结论 实验构件设计实验构件设计 实验加载方案设计实验加载方案设计 实验测试方案设计实验测试方案设计 选用构件材料选用构件材料 进行材性实验进行材性实验 制做实验构件制做实验构件 仪器型号及数量仪器型号及数量 仪器的连接与标定仪器的连接与标定 实验加载实验加载 实验数据采集实验数据采集 试件变形、裂缝观测与记录试件变形、裂缝观测与记录 实验数据整理实验数据整理 实验数据处理实验数据处理 实验参数识别实验
10、参数识别 试件破坏机理分析试件破坏机理分析 试件结构性能与承载力分析试件结构性能与承载力分析 完成实验报告完成实验报告 提出实验中存在问题提出实验中存在问题 实验构件准备实验构件准备 一、试验构件设计一、试验构件设计 （一）试件形状设计（一）试件形状设计 1. 单个构件：梁、板、柱 2. 节点试件：平面节点、空间节点 3. 空间结构模型：缩尺模型、相似模型 a. 对单一构件设计时，一般构件（如梁、板、柱、桁架等） 实际形状都能满足试验要求。 b. 对节点形状设计，特别是对于从整体结构中取出部分构件 单独进行试验时，必须注意其边界条件的模拟，使其能如 实反映该部分结构构件的实际工作状态。 空间模
11、型空间模型 平平 面面 节节 点点 空空 间间 节节 点点 （二）试件尺寸设计（二）试件尺寸设计 1. 1. 静力试验：静力试验： 单梁、柱或节点试件比例为真型的单梁、柱或节点试件比例为真型的1/41/41 1， 整体性试件可取整体性试件可取1/101/101/21/2， 砼构件截面边长应在砼构件截面边长应在12cm12cm以上。以上。 2. 2. 动力试验：动力试验： 振动台试验模型比例为振动台试验模型比例为1/501/501/41/4。 （三）、试件数量设计（三）、试件数量设计 生产性试验：按照预制混凝土构件质量检验评定 标准中结构性能检验规定，确定试件数量。 科研性试验：根据试验对象各参
12、数构成的因子数和 水平数来决定试件数目正交试验法。 如混凝土试件因子有：配筋率、配箍率、剪跨比、混 凝土强度等级共4个因子数。 其中混凝土强度等级有3个水平数： C20； C30； C40。由试件参数的因子数和水平数用正交试验法确定 试验构件个数。 若4个因子各有3个水平数则选L9(34)正交表。 （四）试验模型设计（四）试验模型设计 真型试验：规模大、难度大、经费多 模型试验：尺寸小、难度小、易实现、经费少 模型设计依据：相似理论 几何相似常数 材料相似常数 质量相似常数 荷载相似常数 下标m与p分别代表模型和真型 p m l l l S p m E E E S p m m m m S p
13、m S p m p p p S 静力试验模型设计的相似条件静力试验模型设计的相似条件 模型与真型应满足的相似条件是：模型与真型应满足的相似条件是： 模型与真型应满足的相似条件是：模型与真型应满足的相似条件是： 按相似条件推算真型结构的数据按相似条件推算真型结构的数据 由模型试验获得的数据由模型试验获得的数据 可推算得到真型结构的数据可推算得到真型结构的数据 P lE m f m p P l m m P lP m M m P S SS f S f f S S S SS M S M M 2 二、试验加载方案设计二、试验加载方案设计 1 1试验加载图式设计试验加载图式设计 2 2试验加载方案设计试验
14、加载方案设计 试验加载制度设计试验加载制度设计 1 1试验加载图式设计试验加载图式设计 简支梁均布荷载加载图式简支梁均布荷载加载图式 2 2试验加载装置设计试验加载装置设计 3 3试验加载制度设计试验加载制度设计 三、试验测试方案设计三、试验测试方案设计 1 1观测项目的确定观测项目的确定 2 2测点的选择与布置测点的选择与布置 仪器的选择与测试方法仪器的选择与测试方法 短柱偏压试验测点布置图 第三章第三章 结构静载试验（单调加载试验）结构静载试验（单调加载试验） 3-1 3-1 概述概述 结构静载试验是结构试验中最基本最常用结构静载试验是结构试验中最基本最常用 的一种试验。静载试验又称的一种
15、试验。静载试验又称单调加载静力试验单调加载静力试验。 所谓所谓“静力静力”是指试验过程中试验结构的反应是指试验过程中试验结构的反应 不包含任何惯性作用和加速度的影响。不包含任何惯性作用和加速度的影响。 结构静载试验主要研究结构在静荷载作用结构静载试验主要研究结构在静荷载作用 下结构及构件的下结构及构件的强度、刚度、抗裂性、稳定性强度、刚度、抗裂性、稳定性 等基本性能和破坏机制。等基本性能和破坏机制。 3-2 3-2 静载试验加载设备及加载方法静载试验加载设备及加载方法 一、对试验荷载及加载设备的基本要求一、对试验荷载及加载设备的基本要求 1 1试验荷载的作用方式必须使被试验结构或构件试验荷载的
16、作用方式必须使被试验结构或构件 产生预期的内力和变形方式。产生预期的内力和变形方式。 2 2试验荷载传力方式和作用点明确，设备产生的试验荷载传力方式和作用点明确，设备产生的 荷载数值要稳定，且便于进行控制和测量。荷载数值要稳定，且便于进行控制和测量。 3 3加载设备或装置不应参与结构的工作，不改变加载设备或装置不应参与结构的工作，不改变 结构或构件的受力状态。结构或构件的受力状态。 加载设备本身应有足够的强度和刚度。加载设备本身应有足够的强度和刚度。 二、静载试验加载方法二、静载试验加载方法 （一）重力加载法（一）重力加载法 1 1直接重力加载法直接重力加载法 把符合试验要求的重物按试验加载程
17、序直接把符合试验要求的重物按试验加载程序直接 放置在结构上。放置在结构上。 2杠杆重力加载法杠杆重力加载法 利用杠杆加载装置把重力荷载放大后施加在结构上。利用杠杆加载装置把重力荷载放大后施加在结构上。 （二）液压加载法（二）液压加载法 液压加载设备是结构实验室最常见的液压加载设备是结构实验室最常见的 加载设备。加载设备。 液压加载系统液压加载系统由液压泵源、液压管由液压泵源、液压管 路路、控制装置和加载器控制装置和加载器组成。组成。 1 1液压加载装置液压加载装置 液压加载装置是由液压加载装置是由 加载反力架、加载反力架、 试验台座和试验台座和 液压系统组成。液压系统组成。 液压加载器（千斤顶
18、）液压加载器（千斤顶） 种类：种类： 手动千斤顶、手动千斤顶、 电动千斤顶、电动千斤顶、 单向作用千斤顶、单向作用千斤顶、 双向作用千斤顶。双向作用千斤顶。 液压试验机液压试验机 种类：种类： 万能材料试验机、万能材料试验机、 压力试验机、压力试验机、 长柱试验机。长柱试验机。 长长 柱柱 试试 验验 机机 4 4电液伺服液压试验系统电液伺服液压试验系统 （1 1）组成：）组成：液压泵源、液压管路、控制系统、液压泵源、液压管路、控制系统、 电液伺服加载器。电液伺服加载器。 液压泵源、电液伺服加载器、液压管路液压泵源、电液伺服加载器、液压管路 加载器加载器 油源油源 试件试件 控控 制制 系系
19、统统 （2 2）电液伺服加载工作原理：）电液伺服加载工作原理： 1 1、系统工作时，电液伺服阀根据指令（电流）信号调、系统工作时，电液伺服阀根据指令（电流）信号调 节压力油的流量，驱动作动器产生荷载。节压力油的流量，驱动作动器产生荷载。 2 2、安装在作动器上的力传感器和位移传感器，可检测、安装在作动器上的力传感器和位移传感器，可检测 加载器所产生的压力和位移，并将检测结果（反馈信号）加载器所产生的压力和位移，并将检测结果（反馈信号） 传送至控制系统。传送至控制系统。 3 3、控制系统将指令信号和反馈信号进行比较，根据两、控制系统将指令信号和反馈信号进行比较，根据两 者之差产生调节指令信号，再
20、送到电液伺服阀者之差产生调节指令信号，再送到电液伺服阀 ，调节作动，调节作动 器的位移和荷载。器的位移和荷载。 4 4、如此循环，直到指令信号和反馈信号之差满足控、如此循环，直到指令信号和反馈信号之差满足控 制精度要求。制精度要求。 （3 3）电液伺服加载系统主要特点：）电液伺服加载系统主要特点： a. 电液伺服阀根据控制器发出的指令，可控制高电液伺服阀根据控制器发出的指令，可控制高 压油流速和流量的大小，以便使加载器产生不压油流速和流量的大小，以便使加载器产生不 同的试验荷载。同的试验荷载。 b.b. 试验系统的伺服机构可利用反馈信号实现闭试验系统的伺服机构可利用反馈信号实现闭 环控制。环控
21、制。 （三）机械加载法（三）机械加载法 机械加载机具和设备：螺旋式千斤顶、弹簧、机械加载机具和设备：螺旋式千斤顶、弹簧、 手动葫芦、绞盘、卷扬机等。手动葫芦、绞盘、卷扬机等。 用弹簧装置施加荷载用弹簧装置施加荷载 （四）气压加载法（四）气压加载法 气压加载适合于板壳结构施加均布荷载气压加载适合于板壳结构施加均布荷载 正压加载试验正压加载试验 负压加载试验负压加载试验 3-3 3-3 荷载支承设备和试验台座荷载支承设备和试验台座 一、试验支座一、试验支座 1 1活动铰支座活动铰支座 活动铰支座容许架设在支座上的构件自由转活动铰支座容许架设在支座上的构件自由转 动和在一个方向上移动。它提供一个竖向
22、的支座动和在一个方向上移动。它提供一个竖向的支座 反力，不能传递弯矩，也不能传递水平力。反力，不能传递弯矩，也不能传递水平力。 2 2固定铰支座固定铰支座 固定铰支座容许架设在支座上的构件自由转固定铰支座容许架设在支座上的构件自由转 动但不能移动。动但不能移动。 铰支座在实验中的应用铰支座在实验中的应用 铰支座铰支座 支支 墩墩 3 3刀口铰支座刀口铰支座 刀口铰支座主要用于柱受压试验中。由于在柱受压试刀口铰支座主要用于柱受压试验中。由于在柱受压试 验中对压力作用点定位有较高要求，刀口铰支座能够保证验中对压力作用点定位有较高要求，刀口铰支座能够保证 压力作用点准确定位。压力作用点准确定位。 4
23、 4球铰支座球铰支座 球铰支座可保证试件承压面均匀受压球铰支座可保证试件承压面均匀受压。 二、试验台座及反力刚架二、试验台座及反力刚架 1 1、试验台座、试验台座 （1 1）地槽式台座）地槽式台座 台座平面图台座平面图 台座剖面图台座剖面图 （2 2）箱式台座）箱式台座 2 2、反力刚架、反力刚架 （1 1）竖向反力刚架）竖向反力刚架 由立柱和横梁组成由立柱和横梁组成, ,对结构可施加竖向荷载。对结构可施加竖向荷载。 立柱立柱 横梁横梁 荷载通过多层分配梁竖向加载荷载通过多层分配梁竖向加载 （2 2）水平反力刚架（反力墙）水平反力刚架（反力墙） 对结构可施加水平荷载。对结构可施加水平荷载。 水
24、平反力墙水平反力墙 3-4 3-4 静载试验测量仪器静载试验测量仪器 一、测量系统的基本组成及作用一、测量系统的基本组成及作用 1 1、组成：、组成：传感部分传感部分 放大部分放大部分 显示部分显示部分 2 2作用：作用： （1 1） 传感部分：传感部分：由传感元件或传感器组成，它从试验由传感元件或传感器组成，它从试验 对象的测点感受信号并传送给放大部分。对象的测点感受信号并传送给放大部分。 （2 2） 放大部分：放大部分：也称放大器，它通过各种方式将传感也称放大器，它通过各种方式将传感 器传来的信号放大并传送至显示部分。器传来的信号放大并传送至显示部分。 （3 3）显示部分：显示部分： 将经
25、过放大的机械信号或电信号通过将经过放大的机械信号或电信号通过 指针、电子数码管、显示屏等显示。指针、电子数码管、显示屏等显示。 3 3机械式仪表与电测仪器仪表的特点机械式仪表与电测仪器仪表的特点 （1 1） 机械式仪表机械式仪表 其测量系统的三部分组成一体。其测量系统的三部分组成一体。 （2 2）电测仪器仪表）电测仪器仪表 其测量系统一般由三个独立部分组成。其测量系统一般由三个独立部分组成。 二、量测仪器的主要性能指标二、量测仪器的主要性能指标 三、对量测仪器的基本要求三、对量测仪器的基本要求 1 1测量仪器不应该影响结构的工作，要求仪器测量仪器不应该影响结构的工作，要求仪器 自重轻、尺寸小。
26、自重轻、尺寸小。 2 2测量仪器具有合适的测量仪器具有合适的灵敏度灵敏度和量程。和量程。 3 3安装使用方便，稳定性和重复性好。安装使用方便，稳定性和重复性好。 4.4.价廉耐用，可重复使用，安全可靠，维修容易。价廉耐用，可重复使用，安全可靠，维修容易。 四、位移测试仪表四、位移测试仪表 （一）机械式百分表和千分表（一）机械式百分表和千分表 1 1仪表构成：仪表构成： 感受部分感受部分仪表测杆仪表测杆 放大部分放大部分齿轮机构齿轮机构 显示部分显示部分指针表盘指针表盘 2 2主要性能：主要性能： 分辨率分辨率百分表：百分表：0.010.01mm mm 千分表：千分表：0.0010.001mmm
27、m 量量 程程百分表：百分表：1010mm mm 、30mm30mm、50mm50mm 千分表：千分表：1 1mmmm、3mm3mm、5mm5mm （二）张线式位移传感器（二）张线式位移传感器 原理：原理： 张线式位移传感器通过钢丝与被测物体相连，张线式位移传感器通过钢丝与被测物体相连， 钢丝缠绕在张线式位移传感器的转轴上，钢丝的钢丝缠绕在张线式位移传感器的转轴上，钢丝的 另一端则悬挂一重锤。当被测物体发生位移时，另一端则悬挂一重锤。当被测物体发生位移时， 重锤牵引缠绕钢丝推动传感器指针旋转，然后从重锤牵引缠绕钢丝推动传感器指针旋转，然后从 传感器的表盘读数。传感器的表盘读数。 张张 线线 式
28、式 位位 移移 传传 感感 器器 （三）电阻应变式位移传感器（三）电阻应变式位移传感器 原理：原理： 电阻应变式位移传感器的测杆通过弹簧与一电阻应变式位移传感器的测杆通过弹簧与一 固定在传感器内的悬臂梁相连，在悬臂梁的根部固定在传感器内的悬臂梁相连，在悬臂梁的根部 粘贴电阻应变片。测杆移动时，带动弹簧使悬臂粘贴电阻应变片。测杆移动时，带动弹簧使悬臂 梁受力产生变形，通过电阻应变仪测量电阻应变梁受力产生变形，通过电阻应变仪测量电阻应变 片的应变变化，再转换为位移量。片的应变变化，再转换为位移量。 电电 阻阻 应应 变变 式式 位位 移移 传传 感感 器器 （四）滑动电阻式位移传感器（四）滑动电阻
29、式位移传感器 原理：原理： 滑动电阻式位移滑动电阻式位移 传感器的基本原理传感器的基本原理 是将线位移的变化是将线位移的变化 转换为传感器输出转换为传感器输出 电阻的变化。电阻的变化。 （五）线性差动电感式位移传感器（五）线性差动电感式位移传感器 原理：原理： 线性差动电感式位线性差动电感式位 移传感器是通过高移传感器是通过高 频振荡器产生一参频振荡器产生一参 考电磁场，改变了考电磁场，改变了 电磁场强度，感应电磁场强度，感应 线圈的输出电压随线圈的输出电压随 即发生变化。即发生变化。 （六）磁致伸缩式位移传感器（六）磁致伸缩式位移传感器 磁致伸缩式位移传感器是由测杆、电子仓磁致伸缩式位移传感
30、器是由测杆、电子仓 和套在测杆上的非接触式磁环组成和套在测杆上的非接触式磁环组成。 原理：原理： 传感器工作时，由电子仓内的电子电路产生一初传感器工作时，由电子仓内的电子电路产生一初 始脉冲，该脉冲在磁致伸缩丝中传输时，同时产生了始脉冲，该脉冲在磁致伸缩丝中传输时，同时产生了 一个沿磁致伸缩丝方向前进的螺旋磁场，当这个磁场一个沿磁致伸缩丝方向前进的螺旋磁场，当这个磁场 与磁环中的永久磁铁相遇时，产生磁致伸缩效应，使与磁环中的永久磁铁相遇时，产生磁致伸缩效应，使 磁致伸缩丝发生偏转。这一偏转被安装在电子仓内的磁致伸缩丝发生偏转。这一偏转被安装在电子仓内的 电子电路所感应并转换成相应的电子脉冲，计
31、算初始电子电路所感应并转换成相应的电子脉冲，计算初始 脉冲和偏转脉冲的时间差，即可得到被测物体的位移。脉冲和偏转脉冲的时间差，即可得到被测物体的位移。 五、转角测量仪表五、转角测量仪表 （一）水准管式倾角测量仪（一）水准管式倾角测量仪 水准管式倾角测量仪水准管式倾角测量仪 是在试验时，先将倾角仪是在试验时，先将倾角仪 上水准管内的水泡调平，上水准管内的水泡调平， 试件受荷变形后，产生倾试件受荷变形后，产生倾 角，水泡偏离平衡位置，角，水泡偏离平衡位置， 这时再将水泡调平，调整这时再将水泡调平，调整 量就是测点处的转角。量就是测点处的转角。 （二）电阻应变式倾角传感器（二）电阻应变式倾角传感器
32、将电阻应变式倾角将电阻应变式倾角 传感器安装在试验结构传感器安装在试验结构 需要测量转角的部位，需要测量转角的部位， 结构转动时，倾角传感结构转动时，倾角传感 器内的重锤使悬挂重锤器内的重锤使悬挂重锤 的悬臂梁产生挠曲应变，的悬臂梁产生挠曲应变， 利用粘贴在悬臂梁上的利用粘贴在悬臂梁上的 应变片即可测量其变化。应变片即可测量其变化。 （三）间接测量角位移装置（三）间接测量角位移装置 间接测量角位移装置就是利用机械装置测间接测量角位移装置就是利用机械装置测 量线位移，再将线位移转换为角位移。量线位移，再将线位移转换为角位移。 六、力的测量仪器六、力的测量仪器 1 1原理原理 ： 利用机械式仪表测
33、量弹性元件的变形利用机械式仪表测量弹性元件的变形 ， 再将变形转换为弹性元件所受的力。再将变形转换为弹性元件所受的力。 （一）机械式力传感器（一）机械式力传感器 2 2种类种类 a. a.钢环式测力计：钢环式测力计：当钢环受力时产生变形，由百分表测量当钢环受力时产生变形，由百分表测量 钢环的变形。钢环的变形。 b. b.环箍式压力计：环箍式压力计：通过一该感杠杆机械装置来测量钢环的变形。通过一该感杠杆机械装置来测量钢环的变形。 c.c.钢丝测力计：钢丝测力计： 利用测量张紧钢丝的微小挠曲变形，得到利用测量张紧钢丝的微小挠曲变形，得到 钢丝的张力。钢丝的张力。 （二）电阻应变式力传感器（二）电阻
34、应变式力传感器 1 1原理原理 ：利用安装在力传感器上利用安装在力传感器上 的电阻应变片测量传感器弹性变形体的的电阻应变片测量传感器弹性变形体的 应变，再将弹性体的应变值转换为弹性应变，再将弹性体的应变值转换为弹性 体所受的力。体所受的力。 2 2种类种类 a.a.空心柱式结构：空心柱式结构：在柱体上加工了内老外螺纹，传感器既可以在柱体上加工了内老外螺纹，传感器既可以 用来测量压力，也可以利用内螺纹安装连接件测量拉力。用来测量压力，也可以利用内螺纹安装连接件测量拉力。 b.b.轮辐式结构：轮辐式结构：传感器受力时，安装在传感器受力时，安装在“辐条辐条”上的电阻应变上的电阻应变 片片 可以测量辐
35、条的剪应变。可以测量辐条的剪应变。 七、裂缝测量仪器七、裂缝测量仪器 （一）裂缝的观测方法（一）裂缝的观测方法 1 1借助放大镜用肉眼观测裂缝。借助放大镜用肉眼观测裂缝。 2 2用粘贴在混凝土受拉区的电阻应变片来判断用粘贴在混凝土受拉区的电阻应变片来判断 裂缝位置。裂缝位置。 3 3在试件表面涂刷脆性涂料或脆性油漆，当混在试件表面涂刷脆性涂料或脆性油漆，当混 凝土开裂时，裂缝处脆性涂层断裂，指示出凝土开裂时，裂缝处脆性涂层断裂，指示出 开裂位置。开裂位置。 （二）裂缝宽度的测量（二）裂缝宽度的测量 1 1读数显微镜：读数显微镜： 由光学放大部分和由光学放大部分和 机械读数部分组成。机械读数部分
36、组成。 2 2裂缝观测仪裂缝观测仪 显示屏显示屏 摄像头摄像头 3-5 3-5 应变测量技术应变测量技术 一、应变测量原理一、应变测量原理 应变的量测，就是在预定的标准长度范围应变的量测，就是在预定的标准长度范围 （标距）（标距）L L内，量测长度变化增量的平均内，量测长度变化增量的平均L L， 由由= =L/LL/L求得，这就是应变测量原理求得，这就是应变测量原理 。 二、应变测量方法二、应变测量方法 （一）机测法（一）机测法 1 1原理：利用机械式仪表，测量试验结构上两原理：利用机械式仪表，测量试验结构上两 点之间的相对线位移，点之间的相对线位移， 然后再转换为应变值。然后再转换为应变值。
37、 2 2常用仪表常用仪表 （1 1）双杠杆应变仪）双杠杆应变仪 （2 2）手持式应变仪）手持式应变仪 3 3特点特点 优点：优点：（1 1）试验操作简单试验操作简单 （2 2）数据可靠数据可靠 （3 3）不受电磁等因素干扰不受电磁等因素干扰 缺点：缺点：（1 1）由于要求测点之间有一定距离，只能测由于要求测点之间有一定距离，只能测 得两点之间的平均应变，因此不适合得两点之间的平均应变，因此不适合 应应 变变化较大区域内的应变测量。变变化较大区域内的应变测量。 （2 2）不能自动记录数据，当应变测点较多不能自动记录数据，当应变测点较多 时时 ，测点布置困难。，测点布置困难。 （3 3）受到温度影
38、响时，补偿方案不易实现。受到温度影响时，补偿方案不易实现。 （二）电测法（二）电测法 电测法基本原理是电阻应变测量方法：电测法基本原理是电阻应变测量方法： 电阻应变计电阻应变计 电阻应变仪电阻应变仪 传感元件传感元件放大部分放大部分显示、记录部分显示、记录部分 3-3-6 6 电阻应变测量方法电阻应变测量方法 一、一、应变计的构造、分类及主要性能指标应变计的构造、分类及主要性能指标 电阻应变计又称为电阻应变片，简称电阻应变计又称为电阻应变片，简称 为应变片。为应变片。 1 1应变计的构造应变计的构造 a a. .电阻丝敏感栅：电阻丝敏感栅： 它是应变计将应变转换成电阻变化的主要元件。它是应变计
39、将应变转换成电阻变化的主要元件。 b b基底：基底：起保护和绝缘作用。起保护和绝缘作用。 c c引线：引线：通过引出线与应变仪相连接通过引出线与应变仪相连接 d d覆盖层：覆盖层： 保护敏感栅。保护敏感栅。 2 2应变计的分类应变计的分类 按敏感栅材料分类：按敏感栅材料分类： 金属电阻应变计（金属丝、金属箔）金属电阻应变计（金属丝、金属箔） 半导体式应变计半导体式应变计 按基底材料分类：按基底材料分类： 纸基纸基 胶基胶基 按使用极限温度分类：按使用极限温度分类： 低温低温 常温常温 中高温中高温 高温高温 按敏感栅结构的形状分类：按敏感栅结构的形状分类： 单轴单轴 多轴多轴应变花应变花 3
40、3应变计的主要性能指标应变计的主要性能指标 a a电阻值电阻值R R：R=120R=120 b b标距标距L L：敏感栅的有效长度敏感栅的有效长度 c c灵敏系数灵敏系数K K：单位应变引起应单位应变引起应 变计的电阻变化。变计的电阻变化。 二、二、 电阻应变计的工作原理电阻应变计的工作原理 由物理学可知，金属丝的电阻由物理学可知，金属丝的电阻R R与长度与长度L L和和 截面积截面积A A有如下关系：有如下关系： A L R 对上式取对数微分，得：对上式取对数微分，得： A dA L dLd R dR 4 2 DA 22 2 L dL D dD A dA d R dR )21 ( V dV
41、c d 则： 其中： C与材料成分有关的常数 设：K=1+2+C（1-2） 2 A dA L dL V dV ）（）（212122cc R dR 故： K R dR 则： K K为金属丝的为金属丝的灵敏系数灵敏系数，表示单位应变引起表示单位应变引起 的相对电阻变化的相对电阻变化 。 K R dR / 三、电阻应变仪三、电阻应变仪 （一）电阻应变仪作用：（一）电阻应变仪作用： 把电阻应变片输出的阻值变化率把电阻应变片输出的阻值变化率（R/RR/R）转转 换成电压换成电压（UU）或电流或电流（II）的变化，然后进行的变化，然后进行 放大后再还原成应变值放大后再还原成应变值( () )显示出来。显示
42、出来。 电阻应变仪电阻应变仪 （二）电阻应变仪的组成：（二）电阻应变仪的组成： 1 1测量系统测量系统 2 2放大系统放大系统 3 3显示系统显示系统 （三）测量电路的基本原理（三）测量电路的基本原理 1 1测量电路的的作用测量电路的的作用 将将R/RR/R转换成转换成UU或或II，并根据测试要求实并根据测试要求实 现现 多种接桥方法。多种接桥方法。 2 2测量电路的形式测量电路的形式 惠斯登电桥惠斯登电桥 惠斯登电桥由四个电阻惠斯登电桥由四个电阻R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4组成，组成， 四个电阻构成电桥的四个桥臂。四个电阻构成电桥的四个桥臂。 根据电工学原理，在电桥
43、根据电工学原理，在电桥B B、D D端输出电压端输出电压U Uout out 与电桥与电桥A A、C C端输入电压端输入电压U Uin in关系为 关系为： 4321 4231 RRRR RRRR UU inout 当四个桥臂的电阻满足当四个桥臂的电阻满足： 电桥的输出电压电桥的输出电压U Uout out为零，这种状态称为 为零，这种状态称为平衡状态平衡状态。 假设初始状态为平衡状态，如果桥臂电阻产生变化假设初始状态为平衡状态，如果桥臂电阻产生变化 RR，输出电压也将相应变化输出电压也将相应变化UUout out： ： 3 4 2 1 R R R R 4 4 3 3 2 2 1 1 4321
44、 31 R R R R R R R R RRRR RR UU inout 对于等臂电桥，即对于等臂电桥，即R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4，因为因为 上式可化简为：上式可化简为： 4321 4 K U U in out K R dR 四、电阻应变测量技术四、电阻应变测量技术 （一）应变测量的组桥方法（一）应变测量的组桥方法 1 11/41/4电桥测量电桥测量 当只有一个桥臂连接的是测量应变计当只有一个桥臂连接的是测量应变计 （R R1 1） ，其它三个桥臂上的电阻不因试验对，其它三个桥臂上的电阻不因试验对 象的应变而变化，称为象的应变而变化，称为1/41/4电桥测量，此时
45、：电桥测量，此时： K U U in out 4 2 2半桥测量半桥测量 R R1 1、R R2 2为试件上的工作应变计，为试件上的工作应变计，R R3 3、R R4 4为应为应 变仪内的标准电阻，此时：变仪内的标准电阻，此时： 21 4 K U U in out 3 3全桥测量全桥测量 R R1 1、R R2 2 、R R3 3、R R4 4均为试件上的工作应变计，均为试件上的工作应变计， 此时：此时： 4321 4 K U U in out （二）温度补偿技术（二）温度补偿技术 在测量试件应变过程中，当环境温度发在测量试件应变过程中，当环境温度发 生变化时，试件上的工作应变计的电阻值也随生
46、变化时，试件上的工作应变计的电阻值也随 之变化，此外，由于应变计与试件材料的线膨之变化，此外，由于应变计与试件材料的线膨 胀系数不同，也造成应变计阻值发生变化。由胀系数不同，也造成应变计阻值发生变化。由 于于温度效应所引起以上两部分虚假应变温度效应所引起以上两部分虚假应变称为视称为视 应变。视应变非试件受力引起，必须设法消除，应变。视应变非试件受力引起，必须设法消除， 消除虚假应变的方法称为温度补偿技术消除虚假应变的方法称为温度补偿技术。常用。常用 以下两种方法消除视应变。以下两种方法消除视应变。 1专设温度补偿专设温度补偿应变计应变计方法方法 工作片工作片R R1 1： 1 1=p p+t
47、t 补偿片补偿片R R2 2： 2 2=t t 仪 仪= 1 1-2 2=p p+t t-t t=p p 对温度补偿应变计的要求：对温度补偿应变计的要求： a a补偿块材料与试件材料相同。补偿块材料与试件材料相同。 b b温度补偿应变计与工作应变计的型号、规格、温度补偿应变计与工作应变计的型号、规格、 阻值应完全相同。阻值应完全相同。 c c补偿块与试件应在同一温度场内。补偿块与试件应在同一温度场内。 d d与应变仪连接导线的规格、长度应相同。与应变仪连接导线的规格、长度应相同。 2 2工作应变计互补法工作应变计互补法 R R1 1、R R2 2同为工作应变计：同为工作应变计：1 1=p p+
48、t t 2 2= -p p+t t 仪 仪= 1 1-2 2= =（p p+t t）- -（-p p+t t ）=2=2p p 采用温度互补法的条件：采用温度互补法的条件： a a试件上试件上R R1 1与与R R2 2点的应变符号相反，点的应变符号相反， 且比例关系已知。且比例关系已知。 b. b. 试件材料应为匀质材料（混凝土试件试件材料应为匀质材料（混凝土试件 不可用）。不可用）。 （三）应变测量方法（三）应变测量方法 1 1拉、压应变的测量拉、压应变的测量 a.a.专设温度补偿计法专设温度补偿计法 工作片工作片R R1 1：1 1= =p p+t t 补偿片补偿片R R2 2：2 2=
49、 =t t 仪 仪= 1 1-2 2=p p+t t-t t=p p b. b. 温度互补法温度互补法 半桥：半桥： R1：1 1=p p+t t R2：2 2=-p p+t t 仪 仪= 1 1-2 2= =（1+1+）p p p p= = 仪 仪/ /（ （1+1+） 全桥：全桥： R1、R3： 1=p+t=3 R2、R4： 2=-p+t=4 仪 仪=1-2+3-4=2（ （1+）p 2 2弯曲应变的测量弯曲应变的测量 a. a. 专设温度补偿计法专设温度补偿计法 R1：1 1=M M+t t R2：2 2=t t 仪 仪= 1 1-2 2=M M+t t-t t=M M b b温度互补法
50、温度互补法 半桥：半桥： R1：1 1=M M+t t R2：2 2=-M M+t t 仪 仪= 1 1-2 2=2=2M M 全桥：全桥： R1、R3： 1 1=M M+t t=3 3 R2、R4： 2 2=-M M+t t=4 4 仪 仪= 1 1-2 2+3 3-4 4=4=4M M 半桥测量半桥测量 仪 仪= 1 1-2 2 21 4 K U U in out 4321 4 K U U in out 仪 仪= 1 1-2 2+3 3-4 4 全桥测量全桥测量 （四）平面应力状态下的主应力、主应力（四）平面应力状态下的主应力、主应力 方向和剪应力量测与计算方向和剪应力量测与计算 若结构在
