1、2023-3-31School of Urban Construction and Management 2023-3-32土木工程包含了几乎所有建筑工程，我们俗称“大土木”土木工程结构指最广泛层面上的建筑结构工程，包括：u桥梁u水坝u土方u基础u石油平台u管道运输u发电站u铁路u挡土墙u道路u隧道u水路疏浚u给排水系统结构的功能是承受荷载作用并产生作用效应，产生的作用效应须满足各级规范要求土木工程结构(Civil engineering structures)2023-3-33确保实现结构的功能，常采用以下三种途径：u理论分析利用现有成熟的理论，计算分析结构在各种作用下的作用效应使其满足规范
2、、规程、标准要求u试验对结构施加作用，通过测试得到结构在作用下的作用效应判断结构是否满足要求u计算机程序模拟分析利用计算机程序模拟分析结构在各种作用下的作用效应分析参数，寻找其中规律，解决结构功能问题2023-3-34此三种途径互为指导和验证关系u新的结构理论不够成熟，结构试验必不可少u试验不能完全模拟真实状态，受条件限制u借助计算机模拟，分析寻找规律，发展新的理论本课程讲重点讲述土木工程结构试验2023-3-35土木工程试验是解决土木工程结构领域科研和设计问题的必不可少的手段u结构试验是人们认识自然的重要手段u结构试验是验证结构理论的有效方法u结构试验是土木工程结构质量鉴定的直接方式u结构试
3、验是制定各类技术规范和技术标准的基础u结构试验是建筑工程自身发展的需要土木工程结构试验主要内容包括u工程结构静力试验和动力试验的加载模拟技术u工程结构变形参数的测量技术u试验数据的采集u信号分析及助理技术以及对试验对象作出评价或理论分析2023-3-36本课程目的通过理论和试验环节教学u掌握结构试验方面基本知识和基本技能u根据设计、施工和科学研究任务，完成一般土木工程结构的实验设计与规划为今后从事土木工程结构科研、设计或施工等工作积累解决问题的手段和方法2023-3-37土木工程结构试验的任务是以土木工程结构为研究对象，通过加载技术对研究对象施加各种作用，借助测试技术对结构物受作用后的性能进行
4、观测。通过对测量数据的分析，如变形、应变、温度、振幅、频率、裂缝宽度等，从强度（稳定）、刚度、抗裂性以及结构实际破坏形态来判明结构的实际工作性能，评估结构的承载能力，确定结构对使用要求的符合程度。动过结构实验检验并发展结构计算理论。1.1 结构试验的任务2023-3-38结构试验分类按试验目的分类按试验对象分类按荷载性质分类按试验时间分类按试验场合分类*按试验目的分类1.2 结构试验的分类(1)生产鉴定性试验 具有直接的生产目的。以实际建筑物或结构构件为试验鉴定对象，经过试验对具体结构构件作出正确的技术结论这类试验常用来解决一下有关问题：a.综合鉴定重要工程和建筑的设计与施工质量。b.对已建结
5、构进行可靠性检验，以推断和估计结构剩余寿命。c.工程改建和加固，通过试验来判断具体结构的实际承载能力。d.处理受灾结构和工程质量事故，通过试验鉴定提供技术依据。e.鉴定预制构件的产品质量。*按试验目的分类2023-3-391.2 结构试验的分类结构试验分类按试验目的分类按试验对象分类按荷载性质分类按试验时间分类按试验场合分类(2)科学研究性试验 科学研究性试验具有研究、探索和开发的性质。其目的在于验证结构设计的某一理论，或验证各种科学的判断、推理、假设及概念的正确性，或者是为了创造某种新型结构体系及其计算理论，而有系统地进行的试验研究。这类试验通常解决以下几个方面的问题:a.验证结构计算理论或
6、通过结构试验创立新的结构理论。b.制订结构设计规范和标准。2023-3-310结构试验分类按试验目的分类按试验对象分类按荷载性质分类按试验时间分类按试验场合分类*按试验对象分类1.2 结构试验的分类(1)原型试验原型试验的试验对象是实际结构或是按实物结构足尺复制的结构或构件。对于实际结构试验一般均用于生产鉴定性试验。例如核电站安全壳加压整体性的试验，工业厂房结构的刚度试验、楼盖承载能力试验以及桥梁在移动荷载下的动力特性试验等均在实际结构上加载量测2023-3-311结构试验分类按试验目的分类按试验对象分类按荷载性质分类按试验时间分类按试验场合分类*按试验对象分类(2)模型试验由于进行原型结构试
7、验投资大、周期长、测量精度受环境因素等影响，在经济上或技术上存在一定困难。因此，人们在结构设计的方案阶段进行初步探索比较或对设计理论和计算方法进行科学研究时，可以采用按原型结构缩小的模型进行试验。模型是仿照原型（真实结构）并按照一定比例关系复制而成的试验代表物，它具有实际结构的全部或部分特征。设计制作及试验是根据相似理论，用适当的比例和相似材料制成与原型几何相似的试验对象，在模型上施加相似力系（或称比例荷载），使模型受力后重演原型结构的实际工作，最后按照相似理论由模型试验结果推算实际结构的工作。目前在试验室内进行的大量结构试验均属于这一类。1.2 结构试验的分类2023-3-312结构试验分类
8、按试验目的分类按试验对象分类按荷载性质分类按试验时间分类按试验场合分类*按荷载性质分类(1)静力试验静力试验是结构试验中最大量最常见的基本试验，因为大部分建筑结构在工作时所承受的是静力荷载，一般可以通过重力或各种类型的加载设备来实现和满足加载要求。静力试验的加载过程是从零开始逐步递增一直到结构破坏为止，也就是在一个不长的时间段内完成试验加载的全过程，我们称它为结构静力单调加载试验。静力试验的最大优点是加载设备相对来说比较简单，荷载可以逐步施加，还可以停下来仔细观测结构变形的发展，给人们以最明确和清晰的破坏概念。1.2 结构试验的分类2023-3-313结构试验分类按试验目的分类按试验对象分类按
9、荷载性质分类按试验时间分类按试验场合分类*按荷载性质分类(2)动力试验对于那些在实际工作中主要承受动力作用的结构或构件，为了了解结构在动力荷载作用下的工作性能，一般要进行结构动力试验，通过动力加载设备直接对结构构件施加动力荷载。特别是结构抗震性能的研究中除了用上述静力加载模拟以外，更为理想的是直接施加动力荷载进行试验，目前抗震动力试验一般用电液伺服加载设备或地震模拟振动台等设备来进行。由于荷载特性的不同，动力试验的加载设备和测试手段也与静力有很大的差别，并且要比静力试验复杂得多。1.2 结构试验的分类2023-3-314结构试验分类按试验目的分类按试验对象分类按荷载性质分类按试验时间分类按试验
10、场合分类*按荷载性质分类(1)短期荷载试验限于试验条件、时间和基于解决问题的步骤，我们不得不大量采用短期荷载试验，即荷载从零开始施加到最后结构破坏或到某阶段进行卸荷的时间总和只有几十分钟，几小时或者几天。结构的疲劳试验，则整个加载过程也仅在几天内完成，与实际工作有一定差别。爆炸，地震等特殊荷载作用时，整个试验加载过程只有几秒甚至是微秒或毫秒，这种试验实际上是一种瞬态的冲击试验。这种由于具体客观因素或技术的限制所产生的影响，我们在分析试验结果时必须加以考虑。1.2 结构试验的分类2023-3-315结构试验分类按试验目的分类按试验对象分类按荷载性质分类按试验时间分类按试验场合分类*按荷载性质分类
11、(2)长期荷载试验对于研究结构在长期荷载作用下的性能，如混凝土结构的徐变，预应力结构中钢筋的松弛，钢筋混凝土受弯构件裂缝的开展与刚度退化等就必须要进行静力荷载的长期试验。这种长期荷载试验也可称为持久试验，它将连续进行几个月或甚至于数年，通过试验以获得结构的变形随时间变化的规律在现场对实际工作中的结构物进行系统长期的观测，则这样积累和获得的数据资料对于研究结构的实际工作，进一步完善和发展工程结构的理论都具有极为重要的意义。1.2 结构试验的分类2023-3-316结构试验分类按试验目的分类按试验对象分类按荷载性质分类按试验时间分类按试验场合分类*按荷载性质分类(1)试验室试验由于可以获得良好的工
12、作条件，可以应用精密和灵敏的仪器设备进行试验，具有较高的准确度。甚至可以人为的创造一个适宜的工作环境，以减少或消除各种不利因素对试验的影响，所以适宜于进行研究性试验。这样有可能突出研究的主要方面，而消除一些对试验结构实际工作有影响的次要因素。这种试验可以在原型结构上进行，也可以采用模型试验，并可以将结构一直试验到破坏。尤其近年来发展足尺结构的整体试验，大型试验室为之提供了比较理想的条件。1.2 结构试验的分类2023-3-317结构试验分类按试验目的分类按试验对象分类按荷载性质分类按试验时间分类按试验场合分类*按荷载性质分类(2)现场试验与室内试验相比由于客观环境条件的影响，使用高精度的仪器设
13、备来进行观测受到了一定的限制，相对来看，进行试验的方法也比较简单，所以试验精度和准确度较差。现场试验多数用以解决生产鉴定性的问题，所以试验是在生产和施工现场进行的，有时研究或检验的对象就是已经使用或将要使用的结构物，它可以获得近乎完全实际工作状态下的数据资料。1.2 结构试验的分类2023-3-318结构试验发展先进的大型和超大型设备基于网络的远程协同结构试验现代测试技术计算机与结构试验1.3 结构试验的发展大型疲劳试验机加载能力：静力试验1000kN 动力试验500kNu电液伺服压力试验机最大加载能力50,000kNu大型风动结构试验系统u大型离心机u大型火灾模拟结构试验系统2023-3-3
14、19结构试验发展先进的大型和超大型设备基于网络的远程协同结构试验现代测试技术计算机与结构试验u电液伺服压力试验机最大加载能力50,000kNu大型风动结构试验系统u大型离心机u大型火灾模拟结构试验系统1.3 结构试验的发展万用试验机加载能力：静力试验200kN2023-3-320结构试验发展先进的大型和超大型设备基于网络的远程协同结构试验现代测试技术计算机与结构试验大型有限元分析软件试验前:通过计算机分析预测结构性能制订试验方案试验后:结合实验数据对结构性能做出完整描述1.3 结构试验的发展2023-3-321具体应用事例a).实桥，检测到疲劳裂缝产生b).补修方法的提案碳素纤维板和止裂孔并用
15、2023-3-322具体应用事例c).用有限元分析软件，将全桥模型化，进行分析，确定研究方案计算机模拟理论计算的结合全桥钢构件部分的FEM模型图全桥的FEM模型图66(b)側面図(a)正面図445140445925010303002-PL 1009140(JIS SM400A)1-PL 300 x9x1030(JIS SM400A)415.6具体应用事例d).结合实桥裂缝产生部位的实际情况，制作试验体，进行试验原型试验难以实现模型试验2023-3-323疲劳实验2023-3-324具体应用事例FEM解析模型具体应用事例e).基于实验体的有限元解析计算机模拟试验的结合2023-3-325具体应用
16、事例e).基于实验体的有限元解析计算机模拟试验的结合2023-3-326具体应用事例f).模拟实桥补修时的有限元解析理论计算机试验的结合从试验、计算机模拟到实际应用疲劳裂缝产生部位P1側側P2側側疲劳裂缝产生部位的放大图P1側側P2側側疲劳裂缝疲劳裂缝附近的放大图2023-3-3272023-3-3281.以土木工程结构专业知识为基础2.了解这些设备和仪器的基本原理和使用方法3.计算机的运用结构试验是一门综合性很强的课程，必须综合运用各方面知识，全面掌握结构试验技术，才能准确的理解结构受力的本质，通过试验结果提高结构理论水平。结构试验强调动手能力的训练和培养，是一门时间性很强的课程。很多知识是在具体试验中掌握的，要在试验操作中注意体会。1.4 结构试验课程特点
