土木小屋

Appearance

结构试验 ​

概论 ​

  • 试验目的
    • 生产性
    • 研究性
  • 试验分类
    • 原型/模型试验
    • 静力/动力试验
    • 短期荷载/长期荷载试验
    • 实验室/现场试验
    • 破坏性/非破坏性试验

试验设计 ​

相似条件、相似常数、Π\Pi 定理 ​

常用相似条件

  • 几何相似 SlS_l
  • 载荷相似 SpS_p
  • 弹模相似 SES_E
  • 惯性矩相似 SI=Sl4S_I = S_l^4
  • 面积距相似 Sw=Sl3S_w = S_l^3
  • 应力相似 SσS_{\sigma}
  • 挠度相似 SyS_{y}
  • 弯矩相似 SyS_y

量纲分析法中，虽然基本量纲有 33 个，但是独立的只有 22 个，常用 FF 和 LL 。

加载设备 ​

  • 静力加载
    • 重力加载
    • 液压加载
    • 压缩空气
  • 动力加载
    • 初位移加载
    • 冲击力锤、激振器
    • 风洞
    • 环境随机振动
    • 波浪水槽

要求 ​

  • 不参与结构受力
  • 稳定
  • 有足够的刚度与强度
  • 精度
  • 使构件产生预期的内力/变形

数据采集仪器 ​

电阻应变计 ​

电阻与应变的关系 ​

R=ρlAdR=lAdρ+ρAdl−ρlA2dAdRR=dρρ+dll−dAA\begin{aligned} R &= \rho\frac{l}{A} \\ dR &= \frac{l}{A}d\rho + \frac{\rho}{A}dl - \frac{\rho l}{A^2}dA \\ \frac{dR}{R} &= \frac{d\rho}{\rho} + \frac{dl}{l} - \frac{dA}{A} \end{aligned}

考虑泊松比，并假定 dρρε\displaystyle\frac{d\rho}{\rho\varepsilon} 几乎不变

∵dAA=(1−νdll)2−1=2νdll+ν2(dl)2=−2νdll∴dRR=(1+2ν)dll+dρρ=(1+2ν+dρρε)ε≜Kε\begin{aligned} \because \frac{dA}{A} &= (1-\nu \frac{dl}{l})^2 - 1 \\ &= 2\nu \frac{dl}{l} + \nu^2(dl)^2 \\ &= -2\nu\frac{dl}{l} \\ \therefore \frac{dR}{R} &= (1+2\nu)\frac{dl}{l} + \frac{d\rho}{\rho} \\ &= (1+2\nu+\frac{d\rho}{\rho\varepsilon})\varepsilon \\ &\triangleq K\varepsilon \end{aligned}

电桥 ​

由 Vo−ViV_o - V_i 关系与上述关系推导，可得

Vo=ViK4(ε1−ε2+ε3−ε4)V_o = \frac{V_iK}{4}(\varepsilon _1-\varepsilon _2+\varepsilon _3-\varepsilon _4)

相邻电阻反号。合理利用这一点可以消除温度影响。

平面应变问题 ​

使用应变花，对于 45°45\degree 角的应变花

ε45°=εx+εy−τxy2\varepsilon_{45\degree} = \frac{\varepsilon_x+\varepsilon_y-\tau_{xy}}{2}

求出 τxy\tau_{xy} 后可以用应力圆画出大小主应力。

振动问题 ​

传感器与被测物体共同振动，即做受迫振动。

md2ydt2+cdydt+ky=mx0ω2sin⁡ωtm\frac{d^2y}{dt^2} + c\frac{dy}{dt} + ky = mx_0\omega^2\sin\omega t

其解为

y=e−ξωnt(Acos⁡ωdt+Bsin⁡ωdt)+Y0sin⁡(ωt−φ)y = e^{\displaystyle-\xi\omega_n t}(A\cos \omega_d t + B\sin \omega_d t) + Y_0 \sin(\omega t-\varphi)

自由振动项由于阻尼的存在很快衰减，强迫振动项中：

Y0=x0(ωωn)2(1−ω2ωn2)2+4ξ2ω2ωn2Y_0 = \frac {x_0\left(\displaystyle \frac{\omega}{\omega_n}\right)^2} {\sqrt{\displaystyle\left(1-\frac{\omega^2}{\omega_n^2}\right)^2 + 4\xi^2\frac{\omega^2}{\omega_n^2}}}
  • ωn→ω\omega_n \rightarrow \omega 时，受迫振动的振幅被放大，振幅测量不准确；
  • ωn→∞\omega_n \rightarrow \infty 时， Y0→x0Y_0 \rightarrow x_0 ；
  • ωn→0\omega_n \rightarrow 0 时， am=ω2x0=Y0ωn2a_m = \omega^2 x_0 = Y_0\omega_n^2 。

其它传感器 ​

  1. 位移传感器
  • 电阻式（应变）
  • 差动式（衔铁、感应电动势）
  1. 力传感器
  • 机械式
  • 电阻式
  • 振弦式
  • 压电式
  • 磁电式

结构单调加载静力试验 ​

加载制度 ​

三个阶段：

  1. 预载
  2. 正常使用极限
  3. 承载能力极限

预载目的

  • 确认试件各部分正常工作
  • 确认现场试验装置的可靠性
  • 确认荷载设备与数据采集设备可靠性
  • 演习

时间间隔

  • 加载分级时间
  • 恒载时间
  • 空载时间

结构动力特性试验 ​

自由振动法 ​

突然增加/卸载初位移或初速度，引起结构自由振动，有阻尼自由振动解为

x=Ae−ξωtsin⁡(ω′t+φ)x = Ae^{\displaystyle -\xi\omega t}\sin(\omega't + \varphi)

根据其类周期性求 ω′\omega' ，根据其衰减求 ξ\xi ，然后可解出 ω\omega 。

ω′=ω1−ξ2,ξ=c2mω,ω=km\omega' = \omega\sqrt{1-\xi^2} \quad, \quad \xi = \frac{c}{2m\omega} \quad, \quad \omega = \sqrt{\frac{k}{m}}

缺点

一般只能获得第一频率

强迫振动法 ​

通过激振器改变振动频率，通过观察共振找出固有频率；通过半功率法测结构阻尼。

半功率法求阻尼比 ​

作出动力放大系数-频率曲线，找到 22\frac{\sqrt{2}}{2} 倍最大值，则

ξ=Δω2ω\xi = \frac{\Delta\omega}{2\omega}

随机振动法 ​

也叫脉动法，利用环境中存在的各种随机振动进行测量

优势

  • 不需要复杂的加载设备，比较方便

劣势

  • 需要大量的数据处理

现场检测技术 ​

  • 回弹法
  • 超声法
  • 综合法

TIP

前者基于混凝土表面硬度，所以会受到碳化等影响表面硬度因素的影响 后者基于声速，反应了内部结构 综合法中，不需要对碳化进行修正，是因为水分减少引起了声速的下降