土木工程结构试验与检测 TESTING AND INSPECTION FOR CIVIL ENGINEERING STRUCTURE

1. 土木工程结构试验与检测TESTING AND INSPECTION FOR CIVIL ENGINEERING STRUCTURE 刘明 教授 上课了！！！

2. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 进行结构试验时，应在试验结构上再现要求的荷载，即试验荷载。试验荷载绝大多数是模拟荷载，而产生这些模拟荷载的方法很多，一般都通过加载设备和试验装置产生，可用于结构试验的加载设备有重物、气压、机械机具、液压、动力激振以及与它们相匹配的各种试验装置等。下面将介绍一些最常用的加载设备和试验装置。

3. 图3.1.1 重物堆放作均布荷载试验图 图3.1.2 重物堆放作集中荷载试验 l－重物；2－试验板；3－支座；3－支墩 1－试件；2－重物；3－支座； 3－支墩；5－吊篮 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.1 重物加载（dead loading） 3.1.1 重物直接加载（dead loading applied on the surface of specimens）

4. 图3.1.4 杠杆加载方法 1－试件；2－重物；3－支座；4－支墩；5－荷载盘；6－分配梁支座；7－分配梁；8－加载支点；9－杠杆；10－荷载支架；11－杠杆平衡重 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.1.2 杠杆加载方法 (levered deadweights loading)

5. （a） （b） 图3.1.5 现场试验杠杆加载的支承方法 （a）墙洞支承；（b）桩支承 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup

6. (a)正压加载 （b）负压加载 图3.2.1 气压加载示意图 1－板试件；2－气囊；3－压力表（或用U形管量测）；4－管道；5－泄气针阀；6－进气针阀；7－减压阀；8－气瓶（高压）；9－试验壳体；10－支承板；11－接真空泵 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.2 气压加载（air loading）

7. 图3.3.1 机械机具加载示意图 1－绞车或卷扬机；2－测力计；3－滑轮；4－弹簧；5－螺杆；6－试件；7－台座或反弯架 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.3 机械机具加载（mechanical loading）

8. 图3.4.1 液压系统加载系统 1－油泵; 2－油管; 3－横梁; 4－立柱; 5－台座;6－千斤顶; 7-－试件; 8－支墩; 9－测力计 图3.4.2 液压加载千斤顶 1－回程油管接头; 2－活塞; 3－油缸4－高压油管接头; 5－丝杆 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.4 液压加载（hydraulic loading）如图3.3.1所示

9. 图3.4.3 结构长柱试验试验机 l－试验机架；2－液压加载器；3－操纵台 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.4.1 液压千斤顶（hydraulic jack）如图3.3.2 所示 3.4.2 大型结构试验机（large structural testing machine）

10. 图3.4.3电液伺服液压系统工作原理 1－冷却器；2－电动机；3－高压油泵；4－电液伺服阀；5－液压作动器；6－试验结构； 7－荷载传感器；8－位移传感器；9－应变传感器；10－荷载调节器；11－位移调节器； 12－应变调节器；13－记录及显示装置；l4－指令发生器；l5－伺服控制器；16－台座 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.4.3 电液伺服加载系统（electro-hydraulic servo loading system）

11. 1 2 3 3 5 6 7 图3.4.5 液压加载器构造示意图 1－铰支基座; 2－位移传感器; 3－电液伺服阀; 4－活塞杆; 5－ 荷载传感器; 6－螺旋垫圈; 7－铰支接头 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 1．电液伺服作动器（electro-hydraulic servo actuator）电液伺服作动器是电液伺服实验系统的动作执行者，其构造如图3.3.5所示。

12. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 2．控制系统（control system） 控制系统由液压控制器、电参量信号控制器、绘图仪和计算机四部分组成。其中液压控制器控制液压源的启动和关闭；电参量信号控制器主要控制荷载、位移、应变等参量的转换，还有极限保护以免开环失控等功能；绘图仪主要对试件的各阶段力－变形的变化规律进行实时直观显示；计算机主要对电信号控制器和绘图仪进行实时自动控制 。

13. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3．液压源（hydraulic power supply） 液压源为整个实验系统提供液压动力。对于电液伺服作动器这种高精度加载设备，相应的液压源也有很高的技术要求，例如要保持液压油的压力和流量工作稳定，同时对供电也有一定的要求，还要有安全保护环节及其监测仪表，以保证液压源的安全运行。另外，电液伺服加载系统所用液压油的洁净程度比一般液压设备的高许多，在供油管路和回油管路都装有过滤器，这主要是为了保证作动器上的电液伺服阀能够安全可靠地工作。

14. 2 1 6 3 3 5 图3.4.6 地震模拟振动台 1－试验结构模型；2－控制室；3－振动台台面；4－电液伺服助动器；5－振动台基础；6－液压动力系统 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.4.4 地震模拟振动台（shaking table）见图3.3.6

15. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup l.振动台台面与基础（shaking table and foundation） 振动台台面是有一定尺寸的平板结构，需要有足够的刚度和承载力，通常采用钢结构。振动台应安装在质量很大的基础上，基础的重量一般为可动部分重量或激振力的10～20倍以上，这样可以改善系统的高频特性，并减小对周围建筑和其他设备的影响。

16. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 2.液压驱动和动力系统（hydraulic and power system） 液压驱动系统是向振动台施加巨大推力的设备。目前世界上已经建成的大中型地震模拟振动台，基本是采用电液伺服系统来驱动，它在低频时能产生巨大的推力。根据输入信号（周期波或地震波），由电液伺服阀控制进入作动器的液压油流量的大小和方向，从而由作动器推动台面能在垂直轴或水平轴方向上产生相位受控的正弦运动或随机运动。

17. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3 .控制系统（control system） 地震模拟振动台的控制系统主要由模拟控制和数字控制两部分组成。 模拟控制方法又分为两种。一种是采用位移反馈控制的PID控制方法，同时利用压差反馈作为提高系统稳定的补偿，德国SCHENCK公司就是采用这种控制方法；另一种方法是将位移、速度和加速度共同进行反馈的三参量反馈控制方法，美国MTS公司就是采用这种控制方法。

18. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 4.测试和分析系统（measurement and data-processing system） 测试系统一般是测量位移、加速度和应变等参数，总通道数可达百余点。位移测量多数采用差动变压器式和电位计式的位移计，可测量模型相对于台面的位移或相对于基础的位移；加速度测量采用应变式加速度计、压电式加速度计，近年来也采用差容式或伺服式加速度计。

19. a b 图3.5.1 用张拉突卸法对结构施加冲击力荷载 1-结构物；2-钢丝绳；3-铰车；4-钢拉杆；5-保护索；6-模型；7-钢丝；8-滑轮；9-支架；10-重物；11-减振垫层 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.5 动力激振加载法（dynamic loading） 1.冲击力加载（impact loading）（1）初位移加载法

20. （a） （b） 图3.5.2 用摆锤或落重法施加冲击力荷载 1－摆锤；2－结构；3－落重；4－砂垫层；5－试件 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup （2）初速度加载法

21. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 2．离心力加载（centrifugal force loading） 离心力加载是根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。其特点是运动具有周期性，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。离心力加载一般采用机械式激振器。激振器由机械和电控两部分组成：机械部分主要是由两个或多个偏心质量组成，一般的机械式激振器工作频率范围较窄，大致在50～

22. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 60Hz以下，由于激振力与转速的平方成正比，所以当工作频率很低时，激振力就较小；电气控制部分采用单相可控硅，速度电流双闭环电路系统，对直流电机实行无级调速控制。通过测速发电机作速度反馈，通过自整角机产生角差信号，送往速度调节器与给定信号综合，以保证两台或多台激振器不但速度相同且角度亦按一定关系运行。

23. 图3.5.3 直线位移惯性力加载系统 1－固定螺栓；2－加载器；3－伺服阀；4－荷重；5－平台；6－钢轨；7－低摩擦直线滚轮；8－楼板 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3．直线位移惯性力加载（liner displacement inertia force loading）

24. （a）激振器 （b）振动台 1－外壳；2－支撑弹簧；3－动圈；4－铁心； 1－机架；2－激振头；3－驱动线圈；4－支撑弹簧； 5－励磁线圈；6－顶杆 5－磁屏蔽；6－励磁线圈；7－传感器 图3.5.4 电磁加载设备 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.5.2 电磁加载（electromagnetic loading）

25. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.5.3 现场动力试验的激振方法（field dynamic testing） 1.人体激振动加载法（vibration loading by human） 在试验中发现，人们可以利用自身在结构物上的有规律的活动，即使人的身体作与结构自振同步的前后运动，产生足够大的惯性力，就有可能形成适合作共振试验的振幅，这种方法称为人体激振动加载法。

26. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 2 .人工爆炸激振法（vibration loading by artificial explosion） 人工爆炸激振法是指在试验结构附近场地采用炸药进行人工爆炸，利用爆炸产生的冲击波对结构进行瞬时激振，使结构产生强迫振动。可按经验公式估算出人工爆炸产生场地地震的加速度A和速度V：

27. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3．环境随机振动激振法（stochastic vibration） 建筑物经常处于微小而不规则的脉动中，这种微小而不规则的振动来源于微小的地震活动、机器运作、车辆行驶等，使地面存在着连续不断的运动，其运动的幅值极为微小，而它所包含的频谱是相当丰富的，故称为建筑脉动。

28. 图3.6.1 槽式试验台座横向剖面图 1－槽轨；2－型钢骨架；3－高强度混凝土；3－混凝土 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.6 加载装置（loading devices） 3.6.1 试验台座 （test floor） 1．槽式试验台座 （channel type）

29. 1－1 图3.6.2 地锚式试验台座 1－地脚螺丝；2－台座地槽 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 2．地锚式试验台座（ground anchor type）

30. 图3.6.3 箱式试验台座 1－箱形台座；2－顶板上的孔洞；3－试件； 4－加荷架；5－液压加载器；6－液压操纵台 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3．箱式试验台座（box anchor type）

31. 图3.6.3槽锚式试验台座 1－滑槽；2－高强度混凝土；3－槽钢；4－锚栓 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 4．槽锚式试验台座（channel anchor type）

32. 图3.6.5 抗弯大梁台座的荷载试验装置 1一试件；2一抗弯大梁；3一支墩；4一分配梁； 5一液压加载器；6一荷载加载架 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 5．抗弯大梁式台座（beam type）

33. 6 1 N N 3 5 F1 3 3 F2 2 （a） （b） 图3.6.7 水平反力装置 1－反力墙；2－试验台座；3－推拉加载器；4－试件；5－反力架；6－千斤顶滚轴连接 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.6.2 水平反力墙或反力架（horizontal reaction setup）

34. 图3.6.8组合式垂直荷载架 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.6.3 竖向荷载架（vertical reaction setup）

35. 图3.6.9 分配梁加载示例 1－分配梁；2－试件 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.6.4 分配梁（transformation beams）

36. （a） （b） （c） 图3.6.10 常见铰支座的形式 （a）活动铰支座；（b）固定铰支座；（c）球铰支座 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 3.6.5 支座与支墩 （supports and buttress） 1．支座 （supports）

37. 图3.6.11 嵌固端支座构造 1－试件；2－上支座刀口；3－下支座刀口；4－支墩；5－拉杆 图3.6.12 板壳结构的支座布置方式 1－滚轴；2－钢球；3－试件；4－固定球铰 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 对于不同的结构形式，要求有不同的支座形式，具体如下： （1）简支梁和连续梁支座

38. 图3.6.13 受扭试验转动支座构造 1－受扭试件；2－垫板；3－转动支座盖板；4－滚轴；5－转动支座 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup （2）四角支承板和四边支承板的支座 （3）受扭试件两端的支座

39. （a） （b） 图3.6.13 柱与压杆试验的铰支座（a）单向铰支座；（b）双向铰支座 1－试件；2－铰支座；3－调整螺丝；4－刀口 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup （3）受压试件两端的支座

40. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 2．支墩（buttress） 支墩本身的强度必须进行计算，以保证试验时不致发生过度变形。支墩在现场多用砖块临时砌成，支墩上部应有足够大的平整支承面，最好在顶部铺钢板，支承面积要按地耐力复核。在试验室内一般用钢或混凝土制成的专用支墩。 为了使用灵敏度高的位移量测仪表量测试验结构的挠度，提高试验精度，要求支座和地基有足够的刚度与强度，在试验荷载下的总压缩变形不宜超过试验构件挠度的1/10。

41. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 本章小结（summary） 本章系统地介绍了土木工程结构试验中的加载设备及相关试验装置，包括重力加载、气压加载、机械机具加载、液压加载、动力激振加载、荷载支承装置和试验台座等内容，介绍了液压加载法，并详细阐述了各种加载方法的作用方式、加载设备、基本原理和一般要求，重点阐述了电液伺服助动器和地震模拟振动台的组成及其工作原理。这些方法是土木工程结构试验长期以来从

42. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 科研和生产实践总结出来的行之有效的方法，各有特点，有的较适合于现场试验，如重力加载法、人工激振加载法、环境随机振动激振法等；有的技术先进、复杂，体现了现代结构试验的发展水平，如电液伺服加载系统、地震模拟振动台等。学习本章后，要求学生能够在进行结构试验设计时，选取合理的加载方法，设置可靠的支座和反力设施，确保试验得以顺利进行。

43. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 思考题（problems） 1 ．重物加载方法的作用方式及其特点、要求是什么？ 2 ．液压加载系统有哪几部分组成？电液伺服加载的关键技术及优点是什么？ 3 ．气压加载有哪两种？哪些结构适合采用气压加载？ 4 ．简述惯性力加载方法及其原理。 5 ．现场动力试验的动力激振方法有哪几种？

44. 第3章 加载设备与试验装置Chapter 3 Loading Equipment and Test Setup 6 ．电液伺服加载系统的工作原理是什么？与普通液压加载有何区别？ 7 ．什么是环境随机振动激振法？其有何特点。 8 ．简述常用的试验台座及其特点。 9 ．试验支座和支墩各有什么作用？对其有何要求？