結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是研究和發(fā)展結(jié)構(gòu)理論的重要手段。文中從沿革、任務(wù)、分類、加載設(shè)備與測量方法、一般過程等方面了解工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)仍然是發(fā)展結(jié)構(gòu)理論和解決工程設(shè)計(jì)方法的主要手段之一。在結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的發(fā)展演變過程中結(jié)構(gòu)試驗(yàn)本身成為一門真正的試驗(yàn)科學(xué)。
引言
工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是一項(xiàng)科學(xué)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，是研究和發(fā)展工程結(jié)構(gòu)新材料、新體系、新工藝以及探索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新理論的重要手段，在工程結(jié)構(gòu)科學(xué)研究和技術(shù)革新等方面起著重要的作用。
1 沿革
最早的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是意大利科學(xué)家伽利略在17世紀(jì)完成的懸臂梁試驗(yàn)，其梁強(qiáng)度理論經(jīng)由其后的胡克的材料彈性說明，貝努利、歐拉等的構(gòu)件變形問題，庫倫的中性軸假想，打下了今天彈性理論材料力學(xué)的基礎(chǔ)。我國十分重視工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)學(xué)科的建設(shè)及其發(fā)展。1956年起在高等院校中設(shè)置“建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”課程。在直接為生產(chǎn)服務(wù)方面和工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)科學(xué)研究方面，對結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)，基本構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體工作性能等，進(jìn)行了大量的實(shí)物或模型的靜、動力試驗(yàn)，獲得了許多試驗(yàn)成果，提出了符合中國實(shí)際情況的設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算公式、設(shè)計(jì)理論、施工工藝，為制訂各種規(guī)范、規(guī)程提供了基本依據(jù)。
2 工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及其一般過程
2.1 工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的任務(wù) 工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的任務(wù)是在結(jié)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)對象上，以儀器設(shè)備為工具，利用各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)為手段，在荷載（重力、機(jī)械擾動力、地震力、風(fēng)力等）或其他因素（溫度、變形沉降等）作用下，通過測試與結(jié)構(gòu)工作性能有關(guān)的各種參數(shù)（變形、撓度、位移、應(yīng)變、振幅、頻率等）后進(jìn)行分析，從而對結(jié)構(gòu)的工作性能作出評價，對結(jié)構(gòu)的承載能力作出正確的估計(jì)，并為驗(yàn)證和發(fā)展結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論提供可靠的依據(jù)。
2.2 工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的分類 根據(jù)試驗(yàn)研究目的，主要分為生產(chǎn)鑒定性試驗(yàn)和科學(xué)研究性試驗(yàn)。
2.2.1 生產(chǎn)鑒定性試驗(yàn) 生產(chǎn)鑒定性試驗(yàn)以直接服務(wù)于生產(chǎn)為目的。以工程中實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件為對象，通過試驗(yàn)或檢測對結(jié)構(gòu)作出技術(shù)結(jié)論，通常解決以下問題：①檢驗(yàn)或鑒定結(jié)構(gòu)質(zhì)量。對一些比較重要的結(jié)構(gòu)，建成后通過試驗(yàn)，綜合性地鑒定其質(zhì)量的可靠度。對于預(yù)制構(gòu)件或現(xiàn)場施工的其他構(gòu)件，在出廠或安裝之前，要求按照相應(yīng)規(guī)范或規(guī)程抽樣檢驗(yàn)，以推斷其質(zhì)量。②判斷結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載力。當(dāng)舊建筑進(jìn)行擴(kuò)建、加層或改變結(jié)構(gòu)用途時，往往要求通過試驗(yàn)確定舊結(jié)構(gòu)的承載能力，為加固、改建、擴(kuò)建工程提供數(shù)據(jù)。③處理工程事故、提供技術(shù)依據(jù)。對于遭受火災(zāi)、爆炸、地震等原因而損傷的結(jié)構(gòu)，或在建造使用中有嚴(yán)重缺陷的結(jié)構(gòu)，往往要求通過試驗(yàn)和檢測，判斷結(jié)構(gòu)在受災(zāi)破壞后的實(shí)際承載能力，為結(jié)構(gòu)的再利用和處理提供技術(shù)依據(jù)。
2.2.2 科學(xué)研究性試驗(yàn) 科學(xué)研究性試驗(yàn)的目的是為結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算和研究服務(wù)。它按照事先周密考慮的計(jì)劃來進(jìn)行。試驗(yàn)的對象是專為試驗(yàn)而設(shè)計(jì)制造的。突出研究的主要問題，消除一些對結(jié)構(gòu)上實(shí)際影響的次要因素，使試驗(yàn)工作合理，觀測數(shù)據(jù)易于分析和總結(jié)，達(dá)到理論研究的目的。①驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的假定。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，人們常對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算圖式和本構(gòu)關(guān)系作某些簡化假定，通過試驗(yàn)來加以驗(yàn)證，滿足要求后用于實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)計(jì)算。在結(jié)構(gòu)靜力和動力分析中，本構(gòu)關(guān)系的模型化則完全是通過試驗(yàn)加以確定的。②提供設(shè)計(jì)依據(jù)。我國現(xiàn)行的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范除了總結(jié)已有的大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成果和經(jīng)驗(yàn)外，為了理論和設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，還進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)以及實(shí)體建筑物的試驗(yàn)，為編制和修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對于特種結(jié)構(gòu)，應(yīng)用理論分析的方法達(dá)不到理想的結(jié)果時，用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的方法確定結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式和公式的系數(shù)，解決工程中的實(shí)際問題。③提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。一種新材料的應(yīng)用，一個新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
或一項(xiàng)新工藝的施工，往往要經(jīng)過多次的工程實(shí)踐和科學(xué)試驗(yàn)，從而積累資料，使設(shè)計(jì)計(jì)算理論不斷改進(jìn)和完善。
2.3 工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載設(shè)備與測量方法
2.3.1 加載設(shè)備 一般供試驗(yàn)用的加載裝置除實(shí)物加載外，可用千斤頂、液壓試驗(yàn)裝置、計(jì)算機(jī)與加振器聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、模擬地震振動臺、人工爆炸等，以模擬對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實(shí)際的各種作用。在全部試驗(yàn)承力裝置中有支座、支墩、反力架、反力墻及試驗(yàn)臺座等。
2.3.2 測量方法
①機(jī)測法。利用機(jī)械儀表測量所需的數(shù)據(jù)或參數(shù)，機(jī)測法適應(yīng)性強(qiáng)、簡便、可靠、經(jīng)濟(jì)，是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中最常用的測量手段。
②電測法。通過傳感元件把試驗(yàn)需要測量的數(shù)據(jù)或參數(shù)，轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感、電壓或電流等電量參數(shù)，經(jīng)放大器放大，然后進(jìn)行測量，由指示記錄設(shè)備記錄和顯示，這種轉(zhuǎn)換和測量技術(shù)稱為非電量電測技術(shù)，具有準(zhǔn)確、快速測量、自動控制、連續(xù)記錄和遠(yuǎn)距離操縱等優(yōu)點(diǎn)。與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，還可根據(jù)測量結(jié)果自行判斷和運(yùn)算。
③光測法。利用光的準(zhǔn)直性對測量參數(shù)放大、轉(zhuǎn)換、實(shí)現(xiàn)連續(xù)記錄，阻尼小、響應(yīng)快（如光線示波記錄儀）。也可利用光敏材料的物理化學(xué)原理和力學(xué)特性在偏振光作用下產(chǎn)生的光學(xué)效應(yīng)，測定應(yīng)力場（如光彈儀），簡便、可靠、直觀性好；及激光測量位移和激光全息的應(yīng)用。④其他方法。利用光、電、磁、聲等間接物理量與材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)件某一性能間的關(guān)系為基礎(chǔ)進(jìn)行測量。如超聲波探測儀利用超聲波在混凝土中傳播速度測定混凝土強(qiáng)度。分析處理結(jié)果，再還原成某種模擬量并顯示出來，使數(shù)據(jù)的采集、測量和分析處理自動化。
2.4 工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的一般過程 工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大致可分為試驗(yàn)規(guī)劃、試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)加載測試和實(shí)驗(yàn)資料整理分析四個階段。
2.4.1 試驗(yàn)規(guī)劃階段 試驗(yàn)規(guī)劃是指導(dǎo)整個試驗(yàn)工作的綱領(lǐng)性技術(shù)文件，因而試驗(yàn)規(guī)劃的內(nèi)容應(yīng)盡可能地細(xì)致和全面，規(guī)劃的任何一點(diǎn)疏忽可能導(dǎo)致試驗(yàn)的失敗。
科學(xué)研究性試驗(yàn)的規(guī)劃，首先應(yīng)根據(jù)研究課題，了解其發(fā)展現(xiàn)狀和前景，并通過收集和查詢有關(guān)文獻(xiàn)資料，確定實(shí)驗(yàn)研究的目的和任務(wù)，確定試驗(yàn)的規(guī)模和性質(zhì)；在此基礎(chǔ)上決定試件設(shè)計(jì)的主要組合參數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備的能力確定試件的外形和尺寸；進(jìn)行試件設(shè)計(jì)及制作；確定加載方法和設(shè)計(jì)支承系統(tǒng)；選定量測方法；進(jìn)行設(shè)備和儀表的率定；作好材料性能試驗(yàn)或其他輔助試件的試驗(yàn)；制定試驗(yàn)安全防護(hù)措施；提出試驗(yàn)進(jìn)度和技術(shù)人員分工；編寫材料需用計(jì)劃，經(jīng)費(fèi)開支及預(yù)算，試驗(yàn)設(shè)備、儀表及附件清算等。
2.4.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備階段 試驗(yàn)準(zhǔn)備階段是將規(guī)劃階段確定的試件按要求制作安裝與就位，將加載設(shè)備和測試儀表安裝就位，并完成輔助試驗(yàn)工作。試件制作完畢后，要進(jìn)行實(shí)際幾何尺寸的測量和外觀質(zhì)量檢查，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的才能安裝就位。加載設(shè)備和測試儀表安裝就位前，應(yīng)完成相應(yīng)的設(shè)備調(diào)試與儀表標(biāo)定工作，性能正常的才可正式安裝。輔助試驗(yàn)完成后，要及時整理試驗(yàn)結(jié)果并作為結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)規(guī)劃階段確定的加載制度控制指標(biāo)進(jìn)行必要的修正。
2.4.3 試驗(yàn)加載測試階段 對試件施加外荷載是整個試驗(yàn)工作的中心環(huán)節(jié)，參加試驗(yàn)的每個工作人員應(yīng)各就各位，各盡其職，做好本崗工作，試驗(yàn)期間，一切工作都要按照試驗(yàn)的程序進(jìn)行。對試驗(yàn)起控制作用的重要數(shù)據(jù)應(yīng)隨時整理和分析，必要時還應(yīng)跟蹤觀察其變化情況，并與事先計(jì)算的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如有反常現(xiàn)象應(yīng)立即查明原因，排除故障，否則不得繼續(xù)加載試驗(yàn)。
試驗(yàn)工程中除認(rèn)真讀數(shù)和記錄外，必須仔細(xì)觀察結(jié)構(gòu)的變形，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫出現(xiàn)、走向及寬度，構(gòu)件的破壞特征等。試件破壞后要繪制破壞特征圖，有條件的可拍成錄像，作為原始資料保存，以便研究分析時使用。
2.4.4 試驗(yàn)資料整理分析階段 通過試驗(yàn)準(zhǔn)備和加載試驗(yàn)階段，獲得了大量數(shù)據(jù)和有關(guān)資料后，一般不能直接回答試驗(yàn)研究所提出的各類問題，必須將數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的整理、分析和計(jì)算，做到去粗取精，去偽存真，最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和資料編寫試驗(yàn)報告。
以上各個階段的工作性質(zhì)雖有差別，但它們都是相互制約的，各階段的工作沒有明顯的界限，制定計(jì)劃時不能只孤立地考慮某一階段的工作，必須兼顧各個階段的特點(diǎn)和要求，做出綜合性的決策。
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