1、第二章 结构试验的加载设备和试验装置Zhengzhou University结构试验的加载设备和试验装置1 1、概述、概述 正确地选择试验所用的正确地选择试验所用的加载设备加载设备和和试验装置试验装置，对顺，对顺利完成试验工作和保证试验质量有重要作用。在选择加利完成试验工作和保证试验质量有重要作用。在选择加载设备和试验装置时，应满足以下要求：载设备和试验装置时，应满足以下要求： （1）选用的试验加载设备和试验装置应满足结构设）选用的试验加载设备和试验装置应满足结构设计计算荷载图式的要求；计计算荷载图式的要求； （2）荷载传递方式和作用点要明确，产生的荷载数）荷载传递方式和作用点要明确，产生的荷
2、载数值要稳定，特别是静力荷载应不随加载时间、外界环境值要稳定，特别是静力荷载应不随加载时间、外界环境和结构变形而变化；和结构变形而变化； （3）荷载分级的分度值要满足试验量测的精度要求）荷载分级的分度值要满足试验量测的精度要求，加载设备要有足够的强度储备；，加载设备要有足够的强度储备；School of Civil Engineering （4）加载装置安全可靠，要同时满足强度和刚度要）加载装置安全可靠，要同时满足强度和刚度要求，但不能影响结构的自由变形；求，但不能影响结构的自由变形； （5）加载设备要操作方便，便于加载和卸载，并能）加载设备要操作方便，便于加载和卸载，并能控制加载速度，同时还
3、能适应同步加载、先后加载、恒控制加载速度，同时还能适应同步加载、先后加载、恒载等不同要求；载等不同要求； （6）试验加载方法要力求采用现代化先进技术，减）试验加载方法要力求采用现代化先进技术，减轻体力劳动，提高试验质量，保证试验安全。轻体力劳动，提高试验质量，保证试验安全。结构试验的加载设备和试验装置School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置2 2、重力加载法、重力加载法 （1）重力直接加载）重力直接加载 将重物直接堆放在结构表面，形成均布荷载将重物直接堆放在结构表面，形成均布荷载（板试验（板试验）；）；将重物置于荷载盘上通过吊杆挂于结构上形成集中将重物
4、置于荷载盘上通过吊杆挂于结构上形成集中荷载荷载（屋架试验）。（屋架试验）。 要求重物宽度要求重物宽度l/6（l为构件跨度），间隔为构件跨度），间隔50100mm，单块质量，单块质量20kg；若用散粒材料，应将其置于箱内；若；若用散粒材料，应将其置于箱内；若用荷载盘施加集中荷载，应将其分开或通过静定梁作用用荷载盘施加集中荷载，应将其分开或通过静定梁作用于试验对象上。于试验对象上。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 现场试验水塔、水池、油库等特种结构时，可采用现场试验水
5、塔、水池、油库等特种结构时，可采用水来施加荷载（均布荷载、集中荷载），同时还可检验水来施加荷载（均布荷载、集中荷载），同时还可检验结构抗渗性。结构抗渗性。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （2）杠杆加载）杠杆加载 利用利用杠杆原理杠杆原理可将重量放大作用可将重量放大作用于结构之上，具有于结构之上，具有制作简便、荷载值制作简便、荷载值稳定的特点，适于稳定的特点，适于持久荷载试验。持久荷载试验。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （1）液压加载器加载液压加载器加载 原理：利用高压油泵将具有一定压力的液
6、压油压入加原理：利用高压油泵将具有一定压力的液压油压入加载器的油缸，使之推动活塞，对结构施加荷载。载器的油缸，使之推动活塞，对结构施加荷载。 类型：类型：普通工业用手动液压加载器普通工业用手动液压加载器、单向作用液压加单向作用液压加载器载器、双向作用液压加载器双向作用液压加载器。3 3、液压加载法、液压加载法School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 加载装置：加载器配合加载装置：加载器配合荷载承力架荷载承力架和和静力试验台座静力试验台座是是常用的加载方式。常用的加载方式。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置
7、 荷载值测定荷载值测定：由安装：由安装在加载器和荷载支承装置在加载器和荷载支承装置间的间的测力计测力计直接测读。优直接测读。优先采用电子仪表显示或记先采用电子仪表显示或记录，条件有限时采用油压录，条件有限时采用油压表显示。表显示。 标定标定：将加载器安置：将加载器安置在荷载支承装置内，用测在荷载支承装置内，用测力计（环箍式压力测力计力计（环箍式压力测力计）测定加载器的作用力。）测定加载器的作用力。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （2）液压加载系统加载液压加载系统加载 液压加载系统由储油箱、高压油泵、测力装置和各类阀门组成操液压加载系统由储油箱
8、、高压油泵、测力装置和各类阀门组成操作台，通过高压油管同时并联连接若干个液压加载器组成，可满足作台，通过高压油管同时并联连接若干个液压加载器组成，可满足多点同步施加荷载的要求。多点同步施加荷载的要求。 液压加载系统加载适用于大吨位、大跨度、大挠度结构的静力试液压加载系统加载适用于大吨位、大跨度、大挠度结构的静力试验，能施加多点均布、非均布、对称、非对称荷载。验，能施加多点均布、非均布、对称、非对称荷载。 School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （3）结构试验机加载结构试验机加载 大型结构试验机大型结构试验机 大型结构试验机是一种较为大型结构试验机是一
9、种较为完善的液压加载系统，由完善的液压加载系统，由液压操液压操作台作台、大吨位液压加载器大吨位液压加载器和和试验试验机架机架三部分组成。其吨位不小于三部分组成。其吨位不小于2000kN，高度不小于，高度不小于3m，可用于，可用于柱、墙板、砌体、节点、梁等构柱、墙板、砌体、节点、梁等构件的受压、受弯和受拉试验。大件的受压、受弯和受拉试验。大型结构试验机的精度应不低于型结构试验机的精度应不低于2级级。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 结构疲劳试验机结构疲劳试验机 结构疲劳试验机由结构疲劳试验机由液压脉动液压脉动器器、控制系统控制系统和和液压脉动加载
10、器液压脉动加载器三部分组成。通过在一定范围内三部分组成。通过在一定范围内产生周期性单向脉动荷载，实现产生周期性单向脉动荷载，实现正弦波的动态疲劳荷载。主要用正弦波的动态疲劳荷载。主要用于结构构件的单向负荷的压力及于结构构件的单向负荷的压力及弯曲疲劳试验。结构疲劳试验机弯曲疲劳试验。结构疲劳试验机的精度应满足的精度应满足2级，测量值相对误级，测量值相对误差为差为2.0%。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （4）电液伺服液压系统加载电液伺服液压系统加载 该系统由该系统由电液伺服液压加载器电液伺服液压加载器、控制系统控制系统、液压液压源源三部分组成。
11、利用自动控制和液压技术相结合的电三部分组成。利用自动控制和液压技术相结合的电液伺服闭环系统控制试验加载。可精确模拟构件实际液伺服闭环系统控制试验加载。可精确模拟构件实际受力状态，用于进行抗震结构的静力或动力试验。受力状态，用于进行抗震结构的静力或动力试验。 电液伺服液压试验系统大多与计算机联机使用，可电液伺服液压试验系统大多与计算机联机使用，可进行程序控制，以此控制试验参数并对试验情况做快进行程序控制，以此控制试验参数并对试验情况做快速判断。速判断。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （5）地震模拟振动台地震模拟振动台加载加载 该系统由该系统由振
12、动台台体振动台台体结构结构、液压驱动和动力系液压驱动和动力系统统、控制系统控制系统和和测试分析测试分析系统系统四部分组成。四部分组成。 可在室内进行结构地可在室内进行结构地震模拟试验，以求得地震震模拟试验，以求得地震反应对结构的影响。反应对结构的影响。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 机械力加载的常用机具包括：机械力加载的常用机具包括：吊链吊链、卷扬机卷扬机、绞车绞车、花篮螺丝花篮螺丝、螺旋千斤顶螺旋千斤顶、弹簧弹簧等。等。4 4、机械力加载法、机械力加载法School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 该方
13、法主要该方法主要利用空气压力对构件施加荷载，所产生的荷载为垂直利用空气压力对构件施加荷载，所产生的荷载为垂直于结构构件表面的均布荷载于结构构件表面的均布荷载。其优点是加载卸载方便、荷载稳定，。其优点是加载卸载方便、荷载稳定，缺点是构件受力面无法观测、试验存在一定误差。缺点是构件受力面无法观测、试验存在一定误差。5 5、气压加载法、气压加载法School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （1）冲击力加载冲击力加载 冲击力加载的特点是荷载作用时间极短，试验对象冲击力加载的特点是荷载作用时间极短，试验对象在其作用下产生自由振动，适用于结构动力特性试验。在其作用下
14、产生自由振动，适用于结构动力特性试验。 冲击力加载分为冲击力加载分为初位移加载法初位移加载法和和初速度加载法初速度加载法。 （2）离心力加载离心力加载 离心力加载是根据旋转质量产生的离心力对结构施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。其特点是具有周期性，作用力的大小加简谐振动荷载。其特点是具有周期性，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。和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。6 6、惯性力加载法、惯性力加载法School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （1）电磁激振器电磁激振器 电磁激振器由电磁激振器由磁系统磁系
15、统（磁线圈、铁芯、磁极板）、（磁线圈、铁芯、磁极板）、动圈动圈（工作线圈）、（工作线圈）、弹簧弹簧、顶杆顶杆等部件组成。等部件组成。 （2）电磁振动台电磁振动台 电磁振动台的基本原理与电磁激振器相同，通常由电磁振动台的基本原理与电磁激振器相同，通常由信号发射器信号发射器、振动自动控制仪振动自动控制仪、功率放大器功率放大器、电磁激振电磁激振器器和和台面台面组成。组成。7 7、电磁加载法、电磁加载法School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （1）反冲激振器加载反冲激振器加载 反冲激振器也称为火箭激振，由燃烧室壳体、底座反冲激振器也称为火箭激振，由燃烧室壳体
16、、底座、喷管、主装火药及点火装置五部分组成。适用于现场、喷管、主装火药及点火装置五部分组成。适用于现场结构试验，小冲量的也可用于室内构件或模型试验。结构试验，小冲量的也可用于室内构件或模型试验。 （2）人工爆炸加载人工爆炸加载 人工爆炸可产生与天然地震相似的地面运动加速度人工爆炸可产生与天然地震相似的地面运动加速度，可用于结构物的模拟地震试验。，可用于结构物的模拟地震试验。8 8、其他加载法、其他加载法School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （3）人激振动加载人激振动加载 利用人体自身在结构物上的规律性运动，使人体作利用人体自身在结构物上的规律性运动
17、，使人体作与结构自振周期同步的运动，使其产生足够大的惯性力与结构自振周期同步的运动，使其产生足够大的惯性力，以此获得适合于共振试验的振幅。，以此获得适合于共振试验的振幅。 （4）环境随机激振加载环境随机激振加载 由由自然因素自然因素（海潮、风浪、气压等）或（海潮、风浪、气压等）或人为因素人为因素（交通运输、工业生产等）产生的交通运输、工业生产等）产生的环境随机振动环境随机振动，该法可，该法可在无任何激振设备的情况下测量结构物的动力特性。在无任何激振设备的情况下测量结构物的动力特性。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （1）支承装置支承装置 支座支
18、座 支座类型包括支座类型包括滚动铰支座滚动铰支座、固定铰支座固定铰支座、固定端支固定端支座座、受压构件刀铰支座受压构件刀铰支座、梁式受扭构件转动支座梁式受扭构件转动支座。 支墩支墩 现场结构试验支墩常用砖砌体或混凝土浇注制成，现场结构试验支墩常用砖砌体或混凝土浇注制成，实验室常用钢材或钢筋混凝土制作支墩。要求支墩具有实验室常用钢材或钢筋混凝土制作支墩。要求支墩具有足够的强度、刚度、面积及平整度。足够的强度、刚度、面积及平整度。9 9、结构试验荷载装置和试验台座、结构试验荷载装置和试验台座School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置School of Civ
19、il Engineering结构试验的加载设备和试验装置School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （2）荷载传递装置荷载传递装置 杠杆杠杆 杠杆的主要作用是在施加少量荷载的情况下，经杠杠杆的主要作用是在施加少量荷载的情况下，经杠杆传递获得放大几倍的作用力。杆传递获得放大几倍的作用力。 杠杆比例不宜大于杠杆比例不宜大于1:6。采用型钢单梁式杠杆时，其。采用型钢单梁式杠杆时，其支点、力点、重点必须明确，须设有加肋，防止杠杆翘支点、力点、重点必须明确，须设有加肋，防止杠杆翘屈和失稳。屈和失稳。 School of Civil Engineering结构试验的
20、加载设备和试验装置 分配梁分配梁 分配梁的作用是将单一杠杆或液压加载器产生的荷载分配成两个分配梁的作用是将单一杠杆或液压加载器产生的荷载分配成两个或几个多点集中荷载或几个多点集中荷载。可用于竖向或水平荷载。可用于竖向或水平荷载。 分配梁一般为单跨分配梁一般为单跨简支梁，本身应具有足够的强度和刚度；层数不宜大于三层，均为等简支梁，本身应具有足够的强度和刚度；层数不宜大于三层，均为等比例分配，如需不等比例分配，则比例不宜大于比例分配，如需不等比例分配，则比例不宜大于1:4，且比例大的一，且比例大的一端应靠近固定铰支座。端应靠近固定铰支座。 卧梁卧梁 卧梁的作用是将若干个加载点的集中荷载转换成均布荷
21、载施加于卧梁的作用是将若干个加载点的集中荷载转换成均布荷载施加于试件端面，使其获得均匀分布的应力试件端面，使其获得均匀分布的应力。卧梁必须具有足够的强度和刚。卧梁必须具有足够的强度和刚度，卧梁与试件之间应铺设砂浆垫层，且砂浆强度不应低于试件混凝度，卧梁与试件之间应铺设砂浆垫层，且砂浆强度不应低于试件混凝土强度等级的土强度等级的50%。School of Civil Engineering结构试验的加载设备和试验装置 （3）荷载支承装置）荷载支承装置 竖向荷载支承装置竖向荷载支承装置 竖向荷载支承装置一般由竖向荷载支承装置一般由反力架反力架（立柱和横梁组成（立柱和横梁组成）与）与试验台座试验台座（抗弯大梁、空间桁架式）组成。（抗弯大梁、空间桁架式）组成。 水平荷载支承装置水平荷载支承装置 水平荷载支承装置包括水平荷载支承装置包括反力架反力架（钢结构桁架）、（钢结构桁架）、反反力墙力墙（钢筋混凝土或预应力混凝土实体墙或空腹式箱型（钢筋混凝土或预应力混凝土实体墙或空腹式箱型结构）、结构）、移动式反力墙移动式反力墙（钢结构壁式或箱型结构）。（钢结构壁式或箱型结构）。School of C