结 构 试 验 大连民族学院 土木建筑工程学院综合实验中心 2010.6.

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1 结 构 试 验 大连民族学院 土木建筑工程学院综合实验中心 2010.6

2 第一讲：结构试验概念及其发展史 一.结构试验的定义
《结构试验》是土木工程专业的一门专业技术基础课。它的任务是通过有计划地对结构物受载后的性能进行观测，对测量参数（位移、应力、振幅、频率等）进行分析，达到对结构物的工作性能做出评价，对其承载能力做出正确估计，并为验证和发展结构的计算理论提供依据。

3 例如1，钢筋砼简支梁静载试验。钢筋砼简支梁在静力集中荷载作用下，可以通过测得梁在不同受力阶段的挠度、角变位、截面应变和裂缝宽度等参数，来分析梁的整个受力过程以及结构的强度、挠度 和抗裂性能。
例如2，刚架承受水平荷载的动力试验。当一个框架承受水平的动力荷载时，同样可以测得结构的自振频率、阻尼系数、振幅和动应变等参数，来研究结构的动力特性和结构承受动力荷载的动力反应。 f θ P Pd

4 二.结构试验的重要性 事物的发展规律可以根据传统的经验或前人的书籍学习得到解答，但有些却是前所未有的新事物，必须通过亲身的实践，才能得到正确的判断，所以说理论的预言只有通过实践的检验才能得到证实。而试验就是最有效的实践，于是便有了我们现在的种种试验，诸如：物理试验、化学试验、工程力学试验、建筑材料试验、水利试验和建筑结构试验等等。

5 1713年,法国巴朗提出正确的应力分布形式,但没有验证; 1767年,法国容格察里提出了路标试验;
三.结构试验的作用 1.结构试验是发展结构理论的重要途径 17世纪初,伽利略提出截面应力均匀分布; 17世纪中,将其修正为三角分布; 1713年,法国巴朗提出正确的应力分布形式,但没有验证; 1767年,法国容格察里提出了路标试验; 1821年,法国拿维叶推导了受弯构件应力的计算公式. F 路标试验

6 四. 我国结构试验的发展简史 （1）1953年对长春市25.3m高的酒杯形输电铁塔的原型试验，是我国第一次规模较大的结构试验。
（2）1956年各有关大学开始设置结构试验课程，各建筑科学研究机构和高校也开始筹建结构试验室。同时开始生产一些测量仪器设备。 （3）1957年对武汉长江大桥进行了静载和动载试验，这是我国桥梁建设史上第一次进行的正规化验收工作。 （4）1959年北京站建造时，对中央大厅的35×35m双曲薄壳进行了静载试验。 （5）1973年对上海体育馆和南京五台山体育馆进行了网架模型试验。

7 1.按试验目的分类（生产鉴定性试验和科学研究性试验）
五.结构试验的分类 1.按试验目的分类（生产鉴定性试验和科学研究性试验）

8 2.按试验对象分类（模型试验、真型试验和小构件试验）
3. 按荷载性质分类（静力试验和动力试验） 4. 按试验时间长短分类（短期荷载试验和长期荷载试验） 5. 按试件破坏与否分类（破坏性试验和非破坏性试验）

9 (2).拟动力试验：通过计算机和电液伺服加载系统对足尺或大比例结构模型加载，使接近于实际动力反应真实情况的试验，就叫拟动力试验。
6.按试验场地分类（室内试验和野外试验） 几个名词解释 (1).伪静力试验：为了探索结构抗震性能，常采用结构抗震静力试验的方式来模拟地震作用的动力试验，它是一种控制荷载或控制变形的周期性的反复静力荷载，为了区别于一般单调加载试验，故称之为伪静力试验。 (2).拟动力试验：通过计算机和电液伺服加载系统对足尺或大比例结构模型加载，使接近于实际动力反应真实情况的试验，就叫拟动力试验。 (3).足尺试验：按1:1试件进行的试验。 (4).真型试验：对实际结构或是按实际结构足尺复制的结构或构件进行的试验。 真型试验和足尺试验多为鉴定性试验，一般不破坏，且多为短期加载试验。

10 第二讲：结构试验设计及试验荷载 结构试验的一般程序
结构试验包括：结构试验设计、结构试验准备、结构试验实施和结构试验分析等主要环节。它们之间的关系如图所示。

11 1.试验设计阶段 （1）研究试验目的、了解试验任务、搜集有关资料、确定试验方法等。 （2）确定试验的性质和规模。
（3）确定试验参数、决定试件的外形及尺寸。 （4）进行试件的设计与制作。 （5）确定加载方法和设计支承系统。 （6）选定量测项目及量测方法。 （7）根据具体情况写出试验大纲。 2.试验准备阶段 （1）试件的制作 （2）试件的尺寸与质量检查 （3）试件的安装与就位 （4）安装加载设备 （5）设备仪表的率定 （6）做辅助试验（常和正式试验穿插进行） （7）仪表的安装、连线调试 （8）记录表格的设计准备 （9）通过计算结构内力进行判断和控制加载（加载应力估计）

12 3.试验实施阶段 这是整个试验过程的中心环节，应按照规定的加载顺序和量测顺序进行。 （1）确定基本加载方案，如：破坏与否、试验周期的长短。 （2）荷载图式的选择，如：集中荷载还是均布荷载。 （3）加载顺序的确定，如：直接加载还是分级加载，按几个循环进行。 （4）观测注意点和测点布置 4.结构试验分析阶段 (1)数据整理阶段：整理原始测试资料，进行数据分析。 (2)数据处理总和试验结论：对试验现象和规律做出解释，试验结果和理论值比较，分析产生差异的原因，并做出结论，写出试验总结报告，提出新问题和进一步研究计划。 结构试验荷载 （一）静力荷载（静荷载） 1.静荷载加载顺序：预加载阶段 标准荷载阶段 破坏荷载阶段。 2.预加载的目的： ①使结构进入正常的工作状态，使结构变形与荷载关系稳定； ②检验全部试验装置的可靠性； ③检查全部观测仪表的工作是否正常； ④起到演习的作用，可实际检查试验人员的现场工作情况。

13 （二）动力荷载（动荷载） 动荷载作用则是指使结构或构件产生不可忽略的加速度反应的作用。 对结构施加动荷载，主要是用于研究结构动力性能的试验，如：结构的疲劳试验，采用匀速脉动荷载，一般应使试件在试验时不产生共振，远离共振区，加载顺序根据实际情况而定。 （三）结构试验对测点布置的要求 ①满足条件的前提下，宜少不宜多； ②测点位置要具有代表性，以便于分析和计算； ③为保证量测数据的可靠性，应该布置一定数量的校核性测点； ④测点的布置应有利于试验时操作和测读，安全和方便。安装在结构上的附着式仪表在达到正常使用荷载的1.2~1.5倍时应该拆除，以免结构突然破坏，而使仪表受损。 （四）荷载图式 等效加载图式应满足以下条件： 等效荷载产生的控制截面的主要内力应与计算内力相等； 等效荷载产生的主要内力图形与计算内力图形相似； 对等效荷载引起的变形差别应予以修正； 控制截面上的内力等效时次要截面上的内力应与设计值接近。

14 除了控制截面的某个效应与理论计算荷载相同外，该截面的其他效应和非控制截面的效应，则可能有差别，所以必须全面验算因荷载图式改变对试验结构构件的各种影响；必须特别注意结构构件是否因最大内力区域的某些变化而影响承载性能。尤其对不等强的结构，一定要细加分析和验算，采取有效的等效荷载形式。比如说：增加集中荷载个数，减小或消除影响。 等效荷载图

15 第三讲 结构试验的加载技术 目前采用的加载方法和加载设备种类很多，有重物加载、气压加载、机械加载、液压加载、电液伺服加载系统以及和它们相配合的各种试验装置等。 在选择加载方法与加载设备时应满足以下条件，即结构试验对加载方法与加载设备的要求： ①选用的试验荷载的图式必须是等效荷载图式； ②荷载传力方式和作用点明确，产生的荷载数值准确稳定，静荷载不随加载时间、外界环境和结构物变形而变化，保证荷载量的相对误差不超过±5%； ③静载试验便于分级加载和卸载，能控制加、卸载速度，荷载分级的分度值要满足试验量测的精度要求； ④加载设备不参与结构工作，不影响结构的自由变形，不影响结构受力； ⑤加载装置本身要安全可靠，不仅要满足强度要求，还需要严格控制其变形值。

16 一.重物荷载的加载设备 重物荷载加载就是利用物体的本身重量加于结构上作为荷载。试验室内常用铁块、砼块、砖、水、砂石甚至废构件等。重物可直接加于试验结构或构件上，也可以通过杠杆间接加在构件上。 重物加载的优缺点 （1）优点：设备简单，取材方便，荷载数值稳定，加载形式灵活，不因试验过程中结构的变形或徐变而减小，适用于长期均布荷载和静载试验，采用杠杆间接重力加载，对持久荷载试验及进行刚度和裂缝的研究尤为合适。因为荷载是否恒定，对裂缝的开展与闭合有直接影响。 （2）缺点：产生的荷载值小，操作笨重，占用面积大，用堆载法时，一旦结构物达到极限后，因荷载不随结构变形而自行卸载，容易发生安全事故。 重物直接加载 杠杆加载

17 二.气压加载 三.机械机具加载 气压加载就是利用气体压力对结构物施加荷载。多用于模型试验。
①空压机充气加载（正压加载）：利用空气压缩机对气包（囊）充气给试件加以均布荷载，压力可达180KN/m2。 ②真空泵抽真空加载（负压加载）：用真空泵抽出试件与台座围成的封闭空间的空气，形成大气压力差，对试件加以均布荷载，最大压力可达80～100KN/m2。 气压加载的优点：加、卸载方便，荷载稳定、安全构件破坏时能自动卸载构件外表面便于观察与安装仪表。 缺点:是内表面无法直接观察。 三.机械机具加载 ①索引起重机械（绞车、卷扬机，倒链葫芦），主要用于远距离或高耸结构施加荷载。 ②顶推机械（螺旋千斤顶、弹簧等）适用于施加长期试验荷载。产生的荷载相对比较稳定。

18 四.液压加载 液压加载是目前结构试验中应用比较普遍和理想的一种加载方法。其优点是利用油压使液压器（千斤顶）产生较大的荷载，试验操作方便、安全，特别是对于大型结构构件试验，当要求荷载点数较多、吨位较大时更为合适，尤其是电液伺服加载系统得到广泛应用后，为工程结构动力试验模拟地震荷载等不同特性的动力荷载创造了有利条件 。 液压加载器 液压加载系统 结构试验机 电液伺服加载系统 地震模拟震动台 静力液压加载系统

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20 优点：加卸载方便、产生的荷载值大，设备体积小、使用方便，便于往复循环加载，如试件变形极大或破坏时，会自动卸载。采用脉动油泵还可以做动载试验。
（二）电液伺服加载系统 电液伺服加载系统大多采用闭环控制，主要组成是电液伺服液压加载器、控制系统和液压源等三大部分组成。它可将荷载、应变、位移等物理量直接作为控制参数，实行自动控制。 液压加载系统的优缺点： 优点：加卸载方便、产生的荷载值大，设备体积小、使用方便，便于往复循环加载，如试件变形极大或破坏时，会自动卸载。采用脉动油泵还可以做动载试验。 缺点：对集中荷载较适用，当结构变形较大时，很难维持试验要求的荷载值。

21 电液伺服加载系统

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24 机械力加载法

25 电磁加载法

26 人激振加载法 环境随机激振法 人身体有规律的运动,在共振情况下可产生较大的激振力. 又称为脉动法
由于地面的脉动,对地上的建筑物产生脉动,再对建筑物的自振及模态进行分析.

27 荷载支承机构

28 荷载反力架

29 支座

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31 试验台座 1.板式试验台座 ①槽式试验台座 ②地脚螺丝式试验台座（地锚式） ③槽锚式试验台座 2.箱式试验台座

32 槽式试验台座

33 第四讲 结构试验量测技术及仪表 1．量测仪表的基本组成 2. 量测仪表的主要技术性能指标 感受部分 放大部分 记录显示部分
感受部分 放大部分 记录显示部分 其中：感受部分一般都直接与被测对象接触或直接附着在被测对象上，用来感受被测对象的参数变化。经转换后传给放大部分。 放大部分作用是将感受部分传来的被测参数，通过各种方式（如机械式齿轮、杠杆、电子放大线路或光学放大等）进行放大，然后传给记录显示部分。 记录显示部分将放大部分传来的量测结果，通过指针、电子数码管、屏幕进行显示，或通过各种记录设备将试验数据或曲线记录下来。 2. 量测仪表的主要技术性能指标 （1）刻度值A：设置有指示装置的仪表，一般都配有分度，刻度值是指分度表上每一最小刻度所代表的被测量的数值。即仪器的最小分度值。刻度值的倒数为该表的放大率，即V=1/A。

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35 量程S：是指测量上限和下限的代数差，即仪表刻度盘上的上限值减去下限值。也称为仪器仪表可量测的最大范围。S=Xmax-Xmin。通常下限Xmin=0，故S=Xmax。
灵敏度K：是指某实际物理量的单位输出增量Δy与输入增量Δx的比值，即K=Δy/Δx。或被测量的单位变化引起仪器示值的变化值。单位输入量所引起的仪表示值的变化。（如输入10个με，指针偏转11με，则灵敏系数为1.1） （4）分辨率：使仪器仪表示值发生变化饿最小输入量的变化值。是仪器仪表测量被测物理量最小变化值的能力。 （5）滞后：在恒定的环境下，某一输入量从起始量程增至最大量程，再由最大量程减至最小量程，正反两个行程输出值之间的偏差称为滞后。滞后常用全量程中的最大滞后值与满量程输出值之比来表示。

36 （6）精确度（精度）：它是精密度和准确度的综合反映。是指仪表指示值与被测值的符合程度。常用满量程的相对误差来表示，仪表精度高，说明随机误差和系统误差小，误差越小，精度越高，工程应用中，为简单表示仪表测量结果的可靠程度，可用仪表精确等级A表示：A=（Δgmax/S）×100%。Δgmax——最大绝对允许误差。 （7）可靠性：在规定的条件下，（满足规定的技术指标）满足给定的误差极限范围内连续工作的可能性，或者说构成仪表的元件或部件的功能随时间的增长仍能保持稳定的程度。 （8）零位温飘和满量程热漂移： 零位温飘：是指当仪表的工作环境不为20℃时，零位输出随温度的变化率。 满量程热漂移：是指当仪表的工作环境不为20℃时，满量程输出随温度的变化率。 它们都是温度变化的函数。

37 3.量测仪表的选用原则 （9）线性范围：保持仪器的输入量和输出信号为线性关系时，输入量的允许变化范围。
（10）线性度：仪表使用时的校准曲线与理论拟合直线的接近程度。用校准曲线和拟合直线的最大偏差与满量程输出的百分比表示。在动态量测中，对仪表的线性度应严格要求，否则对测量结果引起较大误差。 3.量测仪表的选用原则 （1）仪表性能满足试验的具体要求，如合适的灵敏度、足够的精度和量程。 （2）动态量测仪表其线性范围、频响特性、相移特性等均应满足试验要求。 （3）对于安装在结构上的仪表或传感器，要求体积小、自重轻，不影响结构的工作性能和受力。

38 4.仪表的率定 （4）同一试验中选用的仪器仪表种类、规格尽可能少，以便统一数据的精度，简化量测数据的整理工作和避免差错。
（5）仪器仪表对环境的适应性要强且使用方便，工作可靠和经济耐用。 4.仪表的率定 （1）仪表率定的概念：为了确定仪表的精确度或换算系数，定出其误差，需将仪表示值与标准量相比较，这种工作就称为仪表的率定。 （2）仪表率定的方法： ①在专门率定设备上率定，这种设备能产生一个已知标准量的变化，把它和被率定仪器的示值作比较，求出被率定仪器的刻度值。

39 ②采用和被率定仪器同一等级的“标准”仪器进行比较来率定。“标准”仪器精度并不高，但不常用，可认为该仪器的度量性能技术指标可保持不变，准确度已知。这种方法率定结果的准确性稍差，但不需要特殊的率定设备。比较常用。 ③利用标准试件率定仪器，将标准试件放在实验机上加载，使标准试件产生已知的变化量，根据变化量可求出安装在试件的被率定仪器的误差，此方法准确度不高，但简单，易实现，故广泛采用。

40 5.几种仪表 (1) 线位移变形测量

41 线位移变形测量

42 角位移量测 倾角仪 倾角传感器等 电子倾角仪 水准倾角仪

43 裂缝测量仪器 读数显微镜

44 测振传感器

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46 第五讲 应变（力）测量 应变测量的基本原理 一般是用应变计测出试件在一定长度范围L内的长度变化ΔL，再计算出应变值ε=ΔL/L。测出的应变值实际上是标距L内的平均应变，因此注意L的选择，特别是对结构应力梯度较大或应力集中的测点，L应尽量小。 应变测量的方法分类： （1）机械测法； （2）电测法； （3）光测法。

47 机械测法 机械应变仪 杠杆引伸仪是利用杠杆放大原理而制成的量测应变的仪器。其构造原理是由活动刀口组成第一支杠杆，指针为第二支杠杆，标距L内长度有变化时，第一支杠杆活动刀口旋转，推动第二支杠杆转动，经第二支杠杆放大后，读数指示在刻度盘上。 手持式应变仪

48 双杠杆引伸仪 双杠杆引伸仪 1-固定刀口；2-活动刀口；3-千分表；4-杠杆；5-刚性杆 单杠杆应变仪 ΔZ H3 Δx H2 H4 H1
L ΔZ H2 ΔL Δx 1-固定刀口；2-活动刀口；3-千分表；4-杠杆；5-刚性杆 单杠杆应变仪 双杠杆引伸仪

49 电测法 在量测过程中，常将某些物理量发生的变化，先变换为电量的变化，然后用量电器进行量测，这种方法称为电测法或非电量的量测技术。
电阻应变片工作原理:

50 电阻应变片的主要技术性能指标 （1）灵敏系数：将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，使其轴线与应力方向相同，应变片的电阻值的相对变化与轴向应变之比就称为应变片的灵敏系 数。即：。一般比单丝灵敏系数小，有的应变仪可在1.80~2.60之间调节， 有的只按设计，否则测试结果应加修正。 （2）标距：是指电阻应变片在纵轴方向的有效长度L。 （3）使用面积：标距与片宽的乘积。。 （4）电阻值：通常所说应变片的电阻值为120Ω或60Ω，是指应变片的名义电阻（也叫标称电阻）。它是一种平均值，也叫平均名义电阻。 （5）应变极限：是指应变片保持线性输出时，所能量测的最大应变值。它取决于电阻丝的材料性质。 （6）绝缘电阻：电阻丝与基底之间的电阻值。 （7）零飘：在恒定温度环境中，电阻应变片的电阻值随时间的变化量。 （8）蠕变：在恒定的荷载和温度环境中，应变片的电阻值随时间的变化。 （9）机械滞后：试件加载和卸载时，应变片-ε曲线的不重合程度。

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52 钢弦式传感器 1．钢弦式传感器的工作原理 钢弦式传感器是以被张紧的钢弦作为敏感元件，利用其固有频率与张拉力的函数关系，根据固有频率的变化来反映外界作用力的大小。 钢弦式传感器的结构和工作原理如图所示。振弦固定在上、下两夹块之间，用固紧螺钉固紧，给弦加一定的初始张力。在弦的中间固定着软铁块，永久磁铁和线圈构成弦的激励器，同时又兼作弦的拾振器。夹块和膜片相连而感受压力。

53 1-夹具；2-振弦；3-永久磁铁；4-线圈；5-螺钉；6-软磁铁；7-膜片。
钢弦式传感器结构原理图

54 与其他测试方法相比，钢弦式应变传感器测试技术具有以下较为突出的特点：
（1）分辨率高，测量结果精确、可靠。目前常用的钢弦应变传感器分辨率可达到0.1με。 （2）不易受温度和电磁场等的影响，特别是野外测量时抗干扰性能好。 （3）易于实现测试过程中的全自动化数据采集、多点同步测量、远距离测量和遥控检测。 （4）现场操作方便，测试方法易于掌握。

55 钢弦式应变传感器工作原理是：在微幅振动条件下，钢弦的自振频率与钢弦应力有如下关系:

56 第六讲 电阻应变仪及测量电路与应变片的粘贴
（一）应变片的选择与检查 选择：根据应变片的工作环境、试件类型、测试仪器的要求等来选择合适的应变片。 检查：外观，用目测或放大镜观看，应剔除应变片丝栅中有形状缺陷，片内有气泡、霉斑、锈点等缺陷的片；阻值，应剔除断路或短路的片，每片阻值相差不得超过仪器可调平衡的允许范围。

57 （二）贴片 1、测点表面的处理 钢筋：除锈、刨光并用砂纸打成与测量方向呈450交叉细纹，用丙酮清洗干净。 砼：先找平，再用砂布打平并用丙酮溶液清洗干净。 2、贴片 上胶：胶水均匀而薄地在基底面上涂一层，稍后，当胶水发粘时顺着受力方向对中放好。

58 挤压：在片上盖上玻璃纸，用手指沿一个方向滚压，挤出多余的胶水和气泡。
加压：用手指轻压片，直到粘住为止。 3、固化处理 分自然干燥或人工固化。 4、粘贴质量检查 分外观、阻值及绝缘度检查。 5、接线：分三步 ①固定点设置 ②引出线绝缘 ③导线焊接

59 （三）防潮防水处理 1、拌制防潮剂 常用的防潮剂有环氧树脂与聚酰胺按2：1或3：2搅拌均匀，配制而成，还可用石腊与凡士林按1：1配制，加热熔化成液体，冷却后使用。 2、涂抹：将防潮剂均匀地涂在应变片上，后用纱布一层层缠紧，使胶液从中渗出，胶层表面应光滑，固化后即能起到防潮防水的作用。

60 电阻应变片防护图

61 (四) 电阻应变仪测量应变

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64 温度片补偿法。 在测量时，选一块与被测材料相同的材料作为温度补偿块，在它上面粘贴于工作应变片同一类型、同一阻值、同一灵敏系数的应变片，并使它处于与工作片相同的温度梯度条件下，但不使其受力，然后将其接在与工作片相邻的桥臂上，即可达到温度补偿的目的。 工作片补偿法 测量时，如果在被测构件上能找到应变符号相反，比例关系已知、温度条件相同的两个测点，在这两个测点上各粘贴一个工作应变片，例如在悬臂梁同一截面上下各粘贴一片接在相邻桥臂上，在等臂条件下可实现温度补偿。

65 各种桥路连接方法 （1）半桥测量的接桥法 测量桥的桥臂由两个电阻应变片和仪器内部的两个固定电阻组成的联接方式，称为半桥接桥法。

66 测量弯曲应变 a b a： 则： b： 则：

67 测量弯曲与拉(压)复合作用的应变 c d c: 则: 则: d:

68 测量桥的桥臂由四个应变片组成的联接方式，称为全桥接桥法。
（2）全桥测量的接桥法 测量桥的桥臂由四个应变片组成的联接方式，称为全桥接桥法。 特点：可以提高量测精度，主要用于由应变片作为敏感元件的各种传感器上。

69 应变式位移传感器 构造 桥接法 梁端点挠度 与表面应变 ： 则：

70 应变式测力传感器 1 2‘ 3 2 4 3‘ 4‘ 1‘ 有横向变形时 关系： 设： 则：

71 当导线长度大于10m时，测得的应变将比真实值降低１%以上，要按下式进行修正。
注意：长导线电阻对应变测量的影响 当导线长度大于10m时，测得的应变将比真实值降低１%以上，要按下式进行修正。

72 第七讲、千斤顶标定及管道摩阻测试 一、千斤顶标定 二、管道摩阻测试原理与方法 1)引言 3)测试方法 4)摩阻参数识别 5)摩阻测试实例
2)测试原理 3)测试方法 4)摩阻参数识别 5)摩阻测试实例 6)测试经验与体会

73 一、张拉千斤顶的工作原理

74 桥梁工程中施加预应力所用的机具设备通常称为张拉设备。常用的张拉设备由油压千斤顶和配套的高压油泵、压力表及外接油管组成。液压千斤顶按其构造可分为台式（普通油压千斤顶）、穿心式、锥锚式和拉杆式。工地上比较常见的张拉千斤顶一般为穿心结构，其主要结构包括张拉外套、活塞、油室，纵剖面结构示意如图所示。 千斤顶在张拉时，将其抵住工作锚具，将工作锚具安装在活塞前端，并安装工作、工具夹片，通过张拉油泵向进油嘴进油，在高压油的推动作用下，使活塞向前运动，在工具锚作用下，带动钢束向前运动，实现钢束的张拉。 油室内油压的大小通过张拉油泵上的油表读出。

75 张拉千斤顶结构纵剖面 回油嘴 进油嘴 活塞 油室

76 （一）YC-60型穿心式千斤顶工作原理 穿心式千斤顶是利用双液压缸张拉预应力筋和顶压锚具的双作用千斤顶。穿心式千斤顶适用于张拉带JM型锚具、XM形锚具的钢筋，配上撑脚与拉杆后，也可作为拉杆式千斤顶张拉带螺母锚具和镦头锚具的预应力筋。下图为JM型锚具和YC-60型千斤顶的安装示意图。系列产品有YC20D，YC60与YC120型千斤顶。 YC60型千斤顶主要由张拉油缸、顶压油缸、顶压活塞、穿心套、保护套、端盖堵头、连接套、撑套、回弹弹簧和动、静密封圈等组成。该千斤顶具有双作用，即张拉与顶锚两个作用。

77 图4-29 YC-60型千斤顶具和JM型锚的安装 1—工作锚；2—YC-60型千斤顶；3—工具锚；4—预应力筋束

78 其工作原理是：张拉预应力筋时，张拉缸油嘴进油、顶压缸油嘴回油，顶压油缸、连接套和撑套连成一体右移顶住锚环；张拉油缸、端盖螺母及堵头和穿心套连成一体带动工具锚左移张拉预应力筋；顶压锚固时，在保持张拉力稳定的条件下，顶压缸油嘴进油，顶压活塞、保护套和顶压头连成一体右移将夹片强力顶入锚环内；此时张拉缸油嘴回油、顶压缸油嘴进油、张拉缸液压回程。最后，张拉缸、顶压缸油嘴同时回油，顶压活塞在弹簧力作用下回程复位。 大跨度结构、长钢丝束等引伸量大者，用穿心式千斤顶为宜。

79 a）构造与工作原理； b）加撑脚后的外貌 1一张拉油缸；2—顶压油缸（即张拉活塞）；3—顶压活塞；4—弹簧； 5—预应力筋；6—工具锚；7—螺帽；8—锚环；9—构件；10—撑脚； 11一张拉杆；12—连接器；13—张拉工作油室；14—顶压工作油室； 15—张拉回程油室；16—张拉缸油嘴；17一顶压缸油嘴；18—油孔

80 放置夹具 放置千斤顶 固定工具锚 顶住锚环、张拉缸进油 张拉预应力筋 顶压缸进油 强力固定夹片 放松工具锚 张拉缸回程 张拉缸、顶压缸回油 顶压活塞 千斤顶回收

81 （二）锥锚式千斤顶 锥锚式千斤顶是具有张拉、顶锚和退楔功能三作用的千斤顶，用于张拉带锥形锚具的钢丝束。系列产品有：YZ38，YZ60和YZ85型千斤顶。 锥锚式千斤顶由张拉油缸、顶压油缸、退楔装置、楔形卡环、退楔翼片等组成如图所示。 其工作原理是当张拉油缸进油时，张拉缸被压移，使固定在其上的钢筋被张拉。钢筋张拉后，改由顶压油缸进油，随即由副缸活塞将锚塞顶人锚圈中。张拉缸、顶压缸同时回油，则在弹簧力的作用下复位。

82 1-张拉油缸；2-顶压油缸（张拉活塞）；3-顶压活塞；4-弹簧； 5-预应力筋；6-楔块；7-对中套；8-锚塞；9-锚环；10-构件

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84 （三）拉杆式千斤顶 拉杆式千斤顶用于螺母锚具、锥形螺杆锚具、钢丝镦头锚具等。它由主油缸、主缸活塞、回油缸、回油活塞、连接器、传力架、活塞拉杆等组成。 目前常用的一种千斤顶是YL60型拉杆式千斤顶。另外,还生产YL400型和YL500型千斤顶，其张拉力分别为4 000 kN和5 000 kN，主要用于张拉力较大的钢筋张拉。 下图是用拉杆式千斤顶张拉时的工作示意图。

85 张拉前，先将连接器旋在预应力的螺丝端杆上，相互连接牢固。千斤顶由传力架支承在构件端部的钢板上。张拉时，高压油进入主油缸、推动主缸活塞及拉杆，通过连接器和螺丝端杆，预应力筋被拉伸。千斤顶拉力的大小可由油泵压力表的读数直接显示。当张拉力达到规定值时，拧紧螺丝端杆上的螺母，此时张拉完成的预应力筋被锚固在构件的端部。锚固后回油缸进油，推动回油活塞工作，千斤顶脱离构件，主缸活塞、拉杆和连接器回到原始位置。最后将连接器从螺丝端杆上卸掉，卸下千斤顶，张拉结束。

86 1一主油缸；2—主缸活塞；3一进油孔；4一回油缸；5一回油活塞； 6—回油孔；7—连接器；8—传力架；9—拉杆；10—螺母； 11一预应力筋；12一混凝土构件；13—预埋铁板；14—螺丝端杆

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88 二、张拉千斤顶的校验 1．千斤顶进行校验的原因
由于每台千斤顶液压配合面实际尺寸和表面粗糙度不同，密封圈和防尘圈松紧程度不同，造成千斤顶内摩阻力不同，而且要随油压高低和使用时间变化而改变。千斤顶能够张拉钢束的原因是千斤顶的活塞在高压油的作用下带动钢束伸长，高压油的油压大小通过张拉油泵的油表读数得到，活塞为受力简图见图所示。从图中发现，由于活塞和千斤顶钢套之间存在摩擦力，油室内油压大小和作用于钢束的力是不相等的。

89 如张拉油缸的面积为A，有活塞力的平衡： 可见，油表上的读数大于实际作用于钢束上的力，为准确控制作用于钢束上的力，按铁路桥规要求，在张拉钢束前，必须对千斤顶进行标定，即得到张拉油表读数和作用于钢束上张拉力间的线性回归方程。

90 摩擦力 千斤顶活塞受力简图 油压σ 作用于钢束的张拉力

91 2.什么情况下应该对张拉千斤顶进行校验 （1）新千斤顶初次使用前； （2）油压表指针不能退回零点时； （3）千斤顶、油压表和油管进行过更换或维修后； （4）当千斤顶使用超过6个月或张拉超过200次以上，客运专线规定千斤顶标定周期为一个月，油压表标定周期为一周； （5）在使用过程中出现其他不正常现象。。

92 3．千斤顶校验的方法 校验应在经主管部门授权的法定计量技术机构进行。 （1）校验用的标准仪器的精度不得低于1%，压力表的精度不宜低于1.5级，最大量程不宜小于设备额定张拉力的1.3倍，校验时，千斤顶活塞运行方向应与实际张拉工作状态一致。 （2）千斤顶的校验可以根据现场实际情况，采用压力机、已经标定的传感器进行标定； （3） 标定时应将油压表、千斤顶等配套标定； （4）在标定千斤顶时，应注意千斤顶的工作状态和实际相同，即让千斤顶顶压力机，不能让压力机压千斤顶的活塞；

93 （5）配套校正时，分级校正的吨位不得超过最大控制荷载的10%；
（6）千斤顶的校正系数不得大于1.05； 何为千斤顶校正系数？ 注意：1.05是平均值，有效活塞面积是求出的A值。 校正系数肯定大于1.0，如果结果小于1.0，说明标定结果有问题。

94 千斤顶构造原理图

95 1）用长柱压力试验机校验 校验时，应采取被动校验法，即在校验时用千斤顶顶试验机，这样活塞运行方向、摩阻力的方向与实际工作时相同，校验比较准确。 在进行被动校验时，压力机本身也有摩阻力，并且与正常使用时相反，所以，试验机表盘读书反映的也不是千斤顶的实际作用力。因此用被动法校验千斤顶时，必须事先用具有足够吨位的标准测力计对试验机进行被动标定，以确定试验机的表盘读数值。标定后在校验千斤顶时，就可以从试验机表盘上直接读出千斤顶的实际作用力以及油压表的准确读数。用压力试验机校验的步骤如下：　　

96 ①千斤顶就位 当校验穿心式千斤顶时，将千斤顶放在试验机台面上，千斤顶活塞面或撑套与试验机压板紧密接触，并使千斤顶与试验机的受力中心线重合。 ②校验千斤顶 开动油泵，千斤顶进油，使活塞上升，顶试验机压板。在千斤顶顶试验机且使荷载平缓增加的过程中，自零位到最大吨位，将试验机被动标定的结果逐点标记到千斤顶的油压表上，标定点应均匀分布在整个测量范围内，且不少于5点。当采用最小二乘法回归分析千斤顶的标定试验时需要10~20点。各标定点重复标定3次，取平均值，并且只测读进程，不测读回程。

97 ③对千斤顶校验数值采用下表记录，并可根据校验曲线供预应力筋张拉时使用，也可采用最小二乘法求出千斤顶的经验公式，供预应力筋张拉时使用。
2）用标准测力计校验 用水银压力计、测力环、弹簧拉力计等标准测力计检验千斤顶，是一种简便可靠的方法。校验穿心式千斤顶时装置如图。校验时，开动油泵，千斤顶进油，活塞杆推出，顶测力计。当测力计达到一定吨位T1时，立即读出千斤顶油压表相应的读数P1，同样可得T2、P2；T3、P3；……，此时T1、T2、T3、……,即为相应于压力表读数为P1、P2、P3……时的实际作用力。将测得的各值绘成曲线。实际使用时。即可由此曲线找出要求的T值和相应的P值。

98 三、检验结果的回归计算 千斤顶的作用力T和油缸的油压P的关系是线性关系，考虑活塞和油缸之间的摩阻力后，它们的关系可以表示为：

99 可以利用千斤顶检验测得的作用力和油压 、 、 、…… ， 对上式式进行线性回归，利用最小二乘法原理求上式的回归值：

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101 6．注意问题 （1）施加预应力所用的张拉设备及仪表应由专人使用和管理，并应定期维护和校验，以提高施加预应力时张拉力的控制精度。 （2）千斤顶与压力表应配套检验、配套使用，即在使用是严格按照标定报告上注明的油泵号、油表号和千斤顶号配套安装成张拉系统使用。

102 7.《铁路桥涵施工规范》中预应力设备选用及校正应符合下列规定：
（1）张拉千斤顶在整拉整放工艺和单拉整放工艺中，单束初调及张拉宜采用穿心式双作用千斤顶。整体张拉和整体放张宜采用自锁式千斤顶，张拉吨位宜为张拉力的1.5倍，且不得小于1.2倍，张拉千斤顶在张拉前必须经过校正，校正系数不得大于1.05。校正有效期为一个月且不超过200次张拉作业，拆修更换配件的张拉千斤顶必须重新校正。 （2）压力表应选用防振型，表面最大读数应为张拉力的1.5~2.0倍，精度不应低于1.0级，校正有效期为一周。当用0.4级时，校正有效期为一个月。压力表发生故障后必须重新校正。

103 （3）油泵的油箱容量宜为张拉千斤顶总输油量的1.5倍，额定油压数宜为使用油压数的1.4倍。
（4）油泵、压力表应与张拉千斤顶配套使用。预应力设备应建立台账及卡片并定期检查。

104 二.孔道摩阻测试原理及方法

105 1)、引言 管道摩阻测试原理与方法 预应力摩阻测试包括锚口摩阻、管道摩阻、喇叭口摩阻三部分。 摩阻测试的主要目的：
(1）可以检验设计所取计算参数是否正确，防止计算预应力损失偏小，给结构带来安全隐患； (2）为在施工提供可靠依据，以便更准确地确定张拉控制应力和力筋伸长量； (3）可检验管道及张拉工艺的施工质量； (4）通过大量现场测试，在统计的基础上，为规范的修改提供科学依据。

106 2)测试原理 管道摩阻损失包括因曲线管道产生的摩擦阻力和直线管道的管道偏差产生的摩阻，分别用管道摩阻系数μ和管道偏差系数k来表征。 曲线管道的摩阻力如图1所示，取一微弧段dx 进行分析，R1为微弧段的半径，作用于管道上的径向压力N1为： 设力筋与管道之间的摩擦系数为μ，则 （1）

107 管道偏差产生的摩阻力如图2所示，假设管道偏差产生一个平均半径为R2的起伏，同样取一微弧段dx 进行分析，有 ，同时令 得：
图1 曲线管道摩阻力图 （2） 综合式(1)和式(2)得管道的摩阻损失为： 图2 管道偏差摩阻力图

108 式中，c由边界条件确定，令θ=0， x=0，此时的P为未发生摩阻损失的张拉力，用P0表示，则
（3） 预应力筋曲线包角的计算表达式为： （4） 式中，α为力筋束在竖平面内的弯起角， θ为力筋束水平面内弯起角。

109 3)测试方法 A）主被动千斤顶法（常规测试方法） 该方法主要存在测试不够准确和测试工艺等问题。a）由于千斤顶内部存在摩擦阻力，虽然主被动端交替测试可消除大部分影响，但仍存在一定的影响； b）千斤顶主动和被动张拉的油表读数是不同的，需要在测试前进行现场标定被动张拉曲线； c）在测试工艺上，力筋从喇叭口到千斤顶张拉端的长度不足，使得力筋和喇叭口有接触，产生一定的摩擦阻力，也使得测试数据包含了该部分的影响。

110 B）压力传感器测试法 该方法使用压力传感器测取张拉端和被张拉端的压力，不再使用千斤顶油表读取数据的方法。为保证所测数据准确反映管道部分的摩阻影响，在传感器外采用约束垫板的测试工艺，其测试装置如图3所示。 图3 管道摩阻测试装置

111 该测试方法与常规测试方法比较主要特点如下：
(1)测试原理正确：图中约束垫板的圆孔直径与管道直径基本相等，如此可使力筋以直线形式穿过喇叭口和压力传感器，力筋与二者没有接触，所测数据仅包括管道摩阻力，保证了管道摩阻损失测试的正确性。而常规测试中所测摩阻力包括了喇叭口的摩阻力，测试原理上存在缺陷。 (2) 数据准确可靠：采用穿心式压力传感器提高了测试数据的可靠性和准确性，不受张拉千斤顶的影响。 (3) 安装简单，拆卸方便：实测中仅使用一个千斤顶，被动端不再安装千斤顶，使得测试安装工作量大为减小。实测时预先将千斤顶油缸略加顶出，以便拆卸张拉端夹片；被动端夹片的拆卸待张拉千斤顶回油后，摇晃力筋即可拆卸夹片。 (4) 力筋可正常使用：从喇叭口到压力传感器外端，力筋与二者没有接触，不会对这部分力筋造成损伤，即两个工作锚之间的力筋没有损伤，可以正常使用。

112 4)摩阻参数识别 （5） 最小 采用式(3)的模型来识别整孔梁的管道摩阻系数时，令 并改写式(3)为：
在已知θ 、x和ξ时，需要进行识别的管道摩阻参数为μ值和k值。理论上仅需要两组试验数据就可以确定，但是实际的测试试验中的误差是不可避免的，利用实测结果，上式中的右边应为一个误差量△i与之对应，即 为减小误差进行多次测试试验，对多组试验数据采用线性最小二乘法来进行摩阻系数的参数识别。根据最小二乘的极值原理，对于同一工地的同一成孔方法和同一材质的孔道，存在一组μ值和k值使得式(5)中的误差△ i 的平方和最小，即使得： （5） 最小

113 此时应有： （6） （7）

114 5)摩阻测试实例 合武客运专线后张法预应力混凝土组合箱梁梁长为32.6m，梁高2.8m。该梁采用在梁厂预制，梁体管道采用橡胶管抽芯成型。
将表1中数据代入式(7)，得到联立方程如下：

115 将表2中数据代入式(7)，得到联立方程如下：

116 两片梁的平均值 和 。 规范规定的 和 ，实测的k值比规范值大，其原因是管道定位稍有些偏差。

117 6)测试经验与体会 (1)测试试验过程中应均匀连续地张拉预应力筋，中途不宜停止，防止预应力筋回缩引起的误差。
(2)测试的张拉力应尽量达到设计张拉力。 (3)测试采用的力传感器需要经过标定，以减少测试误差。 (4)传感器以及千斤顶安装时应确保其中轴线与预应力筋的中轴线重合。 (5)如果千斤顶的行程不足时，为避免重复倒顶引起预应力钢筋回缩造成的误差，可以采取两种方法进行解决。一种是在固定端另外安设1台千斤顶，测试前利用该千斤顶将预应力筋张拉到一定的荷载后锁紧该千斤顶的油阀，从另一张拉端开始张拉测试。另一种方法是张拉端采用2台千斤顶串联后同时张拉。 (6)随着对同一管道的测试次数的增加，管道摩阻系数略有所降低，主要是预应力筋在管道中多次摩擦使得二者之间的接触面逐渐光滑引起的。 (7)实际施工中应避免力筋和管道的锈蚀等，避免增大其摩阻系数等。

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122 第八讲 桥梁静载试验 桥梁荷载试验的目的 1．检验桥梁设计与施工的质量，说明工程的可靠度
第八讲 桥梁静载试验 桥梁荷载试验的目的 1．检验桥梁设计与施工的质量，说明工程的可靠度 2．判断桥梁结构的实际承载力，为改建或者扩建桥梁工程提供数据和资料，从而有效地利用旧桥。 3．验证桥梁结构设计理论和设计方法，积累科学技术资料，充实与发展桥梁计算理论和施工技术。 4．为处理工程事故而进行试验鉴定，得到必要的技术数据。

123 试验结构的考察 1．搜集与试验对象有关的技术文件和资料。 2．试验对象的考察 荷载试验的准备工作 1．试验孔（或墩）的选择
2．搭设观测脚手架及设置测点附属设施 3．静载试验加载位置的放样和卸载位置的安排 4．试验人员组织与分工 5．其他准备工作

124 试验方案与实施 一、试验荷载工况的确定 为了满足鉴定桥梁承载力的要求，荷载工况选择应反映桥梁设计的最不利受力状态，简单结构可选1～2个工况，复杂结构可适当多选，加载项目安排应抓住重点，不宜过多。

125 1．简支梁桥 跨中最大正弯矩、支点最大剪力、桥墩最大竖向反力。 2．连续梁桥 主跨跨中最大正弯矩、主跨支点负弯矩、支点最大剪力、主跨桥墩最大竖向反力、边跨最大正弯矩。 3．悬臂梁桥（T型刚构桥） 支点最大负弯矩、锚固孔跨中最大正弯矩、支点最大剪力、挂梁跨中最大正弯矩。 4．无铰拱桥 跨中最大正弯矩工况、拱脚最大负弯矩工况、拱脚最大推力工况、L/4截面最大正弯矩和最大负弯矩。 5．斜拉桥 主梁跨中最大正弯矩、主梁最大负弯矩、主塔塔顶顺桥向最大水平位移、斜拉索最大索力、主梁最大挠度、塔柱最大弯矩。 6．悬索桥 主梁控制截面最大弯矩、主梁扭转变形、主梁控制截面位移或挠度、塔顶最大水平变位、塔柱底截面最大应力、主缆和吊索最大拉力。

126 二、试验荷载的确定 1．控制荷载的确定 为了保证荷载试验的效果，必须先确定试验的控制荷载，控制桥梁设计的荷载有：汽车和人群（标准设计荷载）、挂车和履带车（标准设计荷载）以及需通行的特殊重型车辆。 分别计算以上几种荷载对结构控制截面产生的内力（或变形）的最不利值，进行比较，取其中最不利者对应的荷载作为控制荷载。动载试验以汽车荷载为控制荷载（挂车和履带车不计冲击力）。

127 ηq值可采用0.8～1.05，当桥梁的调查、检算工作比较完善而又受加载设备能力所限，ηq值可采用低限；当桥梁的调查、检算工作不充分，尤其是缺乏桥梁计算资料时，ηq值应采用高限；总之应根据前期工作的具体情况来确定。一般情况下ηq值不宜小于0.95。

128 静载试验数据整理 1．试验资料的修正 （1）测值修正
根据各类仪表的标定结果进行测试数据的修正，如机械仪表的校正系数，电测仪表的率定系数、灵敏系数、电阻应变观测的导线电阻影响等等。当这类因素对观测的影响小于1%时可不予修正。 （2）温度影响修正 温度对测试的影响比较复杂。结构构件的各部位不同的温度变化，结构的受力特性，测试仪表或元件的温度变化，电测元件的温度敏感性，自补性等等均对测试精度造成一定的影响。逐项分析这些影响是困难的，一般可采用综合分析的方法来进行温度影响修正，即利用加载试验前的温度稳定观测数据，建立温度变化（测点处构件表面温度或空气温度）和测点测值（应变和挠度）变化的线性关系，然后按下式进行温度修正计算：

129 （3）支点沉降影响的修正 当支点沉降量较大时，应修正其对挠度的影响，修正量C可按下式计算：

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