第3章土木工程試驗荷載

進行結構試驗時，應在試驗結構上再現要求的荷載，即試驗荷載。試驗荷載絕大多數是模擬荷載，而產生這些模擬荷載的方法很多，一般都通過加載設備和試驗裝置產生，可用于結構試驗的加載設備有重物氣壓、機械機具、液壓、動力激振以及與它們相匹配的各種試驗裝置等。把試驗荷載分成了靜力荷載、動力荷載以及荷載反力設備3部分內容，主要對荷載的原理、方法、特點等方面進行介紹。

一、荷載試驗是結構試驗的基本方法。

二、荷載的選用原則：1.試驗用的荷載形式、大小、加載方式等都是根據試驗的目的要求，以如何能更好地模擬原有荷載等因素來選擇。2.在決定試驗荷載時，還應該根據試驗室的設備條件和現場所具備的試驗條件的具體情況進行。3.1概述三、荷載的分類：直接作用：自重、活、雪、灰、施工、風等；間接作用：溫度、收縮、偏差、沉降、地震等；分布；集中；短期；長期；靜；動；由模擬荷載實現3.1概述四、產生荷載的方法與加載設備有很多種類：

靜力試驗1.重物直接加載或通過杠桿作用間接加載的重力加載方法；2.液壓加載器和液壓試驗機、電液伺服加載系統的液壓加載；3.絞車、差動滑輪組、彈簧和螺旋千斤頂等機械加載方法；4.利用壓縮空氣或真空作用的特殊方法等等。3.1概述動力試驗

1.慣性力或電磁系統激振;

2.比較先進的設備是由自動控制、液壓裝置與計算機相結合而組成的電液伺服加載系統和由此作為振源的地震模擬振動臺加載設備等；

3.人工爆炸和利用環(huán)境隨機激振（脈動法）的方法。3.1概述五、選擇試驗荷載和加載方法時，應滿足下列幾點要求：⑴試驗荷載的圖式所產生的內力值完全一致或極為接近；⑵荷載值準確；荷載傳力方式和作用點明確，產生的荷載數值要穩(wěn)定；⑶荷載分級符合要求，同時必須滿足試驗量測的精度要求；⑷加載裝置要有足夠的安全性和可靠性，強度！滿足剛度要求；⑸加載設備的操作要方便，便于加載和卸載，能控制加載速度；⑹采用現代化先進技術。3.1概述六、試驗荷載和加載方法1．荷載圖式的選擇與設計荷載在試驗結構構件上的布置形式（荷載的類型、分布方式等）稱為荷載圖式。2．試驗荷載制度試驗荷載制度指的是試驗進行期間荷載與時間的關系。⑴荷載程序。一般結構靜力試驗的加載分為預載、標準荷載（正常使用荷載）、破壞荷載三個階段。加載分級；卸荷分級和一次性卸荷兩種。⑵荷載大小。在試驗的不同階段有不同的試驗荷載值。

3.1概述七、荷載系統荷載控制裝置荷載系統配重荷載架、反力墻分配梁、支座承臺產生荷載的設備3.1概述

重力荷載就是利用物體本身的重量將物體施加于試驗結構上作為荷載的加載方式。重物可以直接加在試驗結構或構件上，也可以通過杠桿間接加在結構或構件上。（1）重力直接加載方法圖3.1.1重物堆放作均布荷載試驗圖圖3.1.2重物堆放作集中荷載試驗l－重物；2－試驗板；3－支座；3－支墩1－試件；2－重物；3－支座；

3－支墩；5－吊籃3.2靜力荷載3.2.1一般重物荷載

（1）試驗荷載可就地取材，可重復使用，針對試驗結構或試件的變形而言，可保持恒載，可分級加載，容易控制；（2）但加載過程中需要花費較大的勞動力，占據較大的空間，安全性差，試驗組織難度大；（3）散裝或塊體材料要注意起拱；（4）注意材料的吸濕性。3.2靜力荷載（2）杠桿加載方法優(yōu)點：杠桿原理，將荷載放大作用于結構上。荷載可以保持恒定，對于持久荷載試驗尤為適合，尤其是集中力。分類：承壓式圖3.3利用杠桿加載圖示拉桿式3.2靜力荷載（a）（b）圖3.1.5現場試驗杠桿加載的支承方法（a）墻洞支承；（b）樁支承3.2靜力荷載（1）卷揚機、絞車加載----可改變作用力的方向和拉力大小

圖3.4利用卷揚機加載圖示（2）螺旋千斤頂加載---加載值的大小可用測力計測定。3.2靜力荷載3.2.2機械力荷載

（3）螺旋、彈簧加載

----彈簧加載法常用于構件的持久荷載試驗。1.設備簡單，容易實現；2.通過索具加載時，很容易改變荷載作用方向；3.應工作在線形范圍內；4.缺點是荷載值不大，荷載作用點產生變形時，會引起荷載值的改變。3.2靜力荷載一、液壓加載器（液壓千斤頂）油箱（泵）、閥門、液壓加載裝置、測力計；圖3.5單、雙向加載器圖示特點：荷載大，操作簡單，可實現低周反復荷載。需反力設備，多點同步加載卸載比較困難。單向、雙向作用的液壓加載器.3.2靜力荷載3.2.3液壓荷載

液壓加載系統主要是由儲油箱、高壓油泵、液壓加載器、測力裝置和各類閥門通過高壓油管連接組成的操縱臺。二、液壓加載系統圖3.5液壓加載系統圖示特點：對大噸位、大撓度、大跨度的結構更為適用，它不受加荷點數的多少、加荷點的距離和高度的限制，并能適應均布和非均布、對稱和非對稱加荷的需要。3.2靜力荷載三、大型結構試驗機大噸位、高行程30000kN（壓）10000kN（拉）3.2靜力荷載四、電液伺服液壓系統圖3.6電液伺服加載系統圖示電液伺服加載系統采用閉環(huán)控制電液伺服加載器控制系統液壓源3.2靜力荷載圖3.7液壓加載器構造示意圖1－鉸支基座;2－位移傳感器;3－電液伺服閥;4－活塞桿;5－荷載傳感器;6－螺旋墊圈;7－鉸支接頭1234567電液伺服作動器(加載器)3.2靜力荷載液壓源（油源）控制系統3.2靜力荷載五、地震模擬振動臺（shakingtable）1－試驗結構模型；2－控制室；3－振動臺臺面；4－電液伺服助動器；5－振動臺基礎；6－液壓動力系統123365振動臺臺面與基礎液壓驅動和動力系統控制系統測試和分析系統3.2靜力荷載3.2靜力荷載3.2.4車輛靜態(tài)荷載

圖3.7車道荷載3.2靜力荷載圖3.8中-活載圖式3.2靜力荷載3.2.5氣壓荷載

利用氣體壓力對結構加載有兩種方式：一種是利用壓縮空氣加載；另一種是利用抽真空產生負壓對結構構件施加荷載。由于氣壓加載所產生的是均布荷載，對于平板或殼體試驗尤為適合。

在磁場中通電的導體要受到與磁場方向相垂直的作用力，電磁加載就是根據這個原理，在強磁場(永久磁鐵或直流勵磁線圈)中放入動圈，通入交變電流，則可使固定于動圈上的頂桿等部件作反復運動，對試驗對象施加荷載。目前常見的電磁加載設備有電磁式激振器和電磁振動臺。

一、電磁激振器（略）。二、電磁式振動臺（略）。

3.3動力荷載3.3.1電磁荷載

1．初位移加載法（張拉突卸法）使結構變形而產生一個人為的初始強迫位移，然后突然釋放，使結構在靜力平衡位置附近作自由振動。

沖擊力加載的特點是荷載作用時間極為短促，在它的作用下使被加載結構產生自由振動，適用于進行結構動力特性的試驗。張拉突卸法圖示（1）3.3動力荷載3.3.2沖擊加載

張拉突卸法圖示（2）張拉突卸法特點：結構自振時荷載已經不再依附適用于剛度不大的結構，用較小的力使結構產生振動。注意：加載時在一個平面內，避免在另一個面內產生振動。2．初速度加載法（突加荷載法）

利用擺錘或落重的方法使結構在瞬時內沖擊，產生一個初速度。

突加荷載法圖示3．反沖激振法也稱火箭激振。

特點：不依附于結構，力比較小。3.3動力荷載離心力加載圖示直線位移慣性力加載圖示3.3動力荷載3.3.3離心力加載

3.3.4直線位移慣性力加載

人們可以利用自身在結構物上有規(guī)律的活動，產生足夠大的人力慣性力，就有可能形成適合作共振試驗的振幅。這對于自振頻率比較低的大型結構來說，完全有可能被激振到足可進行量測的程度。

舉例：一個體重約70kg的人使其質量中心作頻率為1Hz、雙振幅為15cm的前后運動時，將產生大約0.2kN的慣性力。由于在1％臨界阻尼的情況下共振時的動力放大系數高達50，這意味著作用于建筑物上的有效激振力大約為10kN。

3.3動力荷載3.3.5人力激振加載

建筑結構由于受外界的干擾而經常處于不規(guī)則的振動中，其振幅在10μm以下，稱之為脈動。

建筑物的隨機荷載與地面脈動、風或氣壓變化有關，特別是受城市車輛、機器設備等產生的擾動和附近地殼內部小的裂縫以及遠處地震傳來的影響尤為重要，其脈動周期一般為0.1--2.0s，并且任何時候都存在著環(huán)境隨即振動，從而引起建筑物的響應。這種能夠引起建筑物脈動的作用或外界的干擾叫做隨機荷載。

3.3動力荷載3.3.6隨機荷載3.3.7爆炸荷載

車輛以較高速度行駛過橋梁時，由于橋面或軌面的不平整、車輪不圓，以及發(fā)動機的抖動或機車的偏心作用等原因，會引起橋梁結構的振動，這種動力效應通常稱為沖擊作用。

3.3動力荷載3.3.7車輛動態(tài)荷載（1）跳車荷載；（2）剎車荷載；（3）跑車荷載。

結構試驗中的支座是支承結構，正確傳力和模擬實際荷載圖式的設備，通常由支墩和鉸支座組成。

1.支墩多用磚塊臨時砌成，支墩上部應有足夠大的、平整的支承面，最好在砌筑時要鋪設鋼板。支墩本身的強度必須要進行驗算，支承底面積要按地基耐力來復核，保證試驗時不致發(fā)生沉陷或過度變形。3.4荷載反力設備3.4.1支墩與支座滾動鉸支座固定鉸支座滾動鉸支座固定鉸支座3.4荷載反力設備3.4.1支墩與支座

支座的基本要求：

1.必須保證結構在支座處能自由轉動和結構能正確地傳遞力；

2.鉸支座處的上下墊板要有一定剛度；

3.滾軸強度的要求；

4.滾軸的長度；滾軸的長度一般取試件支承處截面寬度。

圖3.6.13受扭試驗轉動支座構造3.4荷載反力設備（a）（b）柱與壓桿試驗的鉸支座（a）單向鉸支座；（b）雙向鉸支座固定鉸支座3.4荷載反力設備

分配梁是將一個集中力分解成若干個小的集中力的裝置。分配梁不用多跨連續(xù)梁形式，均為單跨簡支形式。一般不宜大于3層。分配梁設置示意圖3.4荷載反力設備3.4.2分配梁1.豎向荷載架2.水平荷載架3.反力墻豎向、水平荷載架、反力墻圖3.6.8組合式垂直荷載架3.4荷載反力設備3.4.3荷載架L形反力墻

主墻：高12.5m寬18m厚2.5m

基底總剪力4000kN

總承彎矩37000kN.m

副墻：高6.5m寬8.6m厚1.5m

基底總剪力2500kN

總承彎矩12000kN.m5641234NNF1F23.4荷載