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探析结构试验在结构理论发展中的作用

 
      摘   要:结构试验是研究和发展结构理论的重要手段。文中从沿革、任务、分类、加载设备与测量方法、一般过程等方面了解工程结构试验。随着计算机技术的发展应用,结构试验仍然是发展结构理论和解决工程设计方法的主要手段之一。在结构工程学科的发展演变过程中结构试验本身成为一门真正的试验科学。
     关键词:结构试验 结构理论
    
     0 引言
     工程结构试验是一项科学实践性很强的学科,是研究和发展工程结构新材料、新体系、新工艺以及探索结构设计新理论的重要手段,在工程结构科学研究和技术革新等方面起着重要的作用。
     1 沿革
     最早的结构试验是意大利科学家伽利略在17世纪完成的悬臂梁试验,其梁强度理论经由其后的胡克的材料弹性说明,贝努利、欧拉等的构件变形问题,库伦的中性轴假想,打下了近日弹性理论材料力学的基础。我国十分重视工程结构试验学科的建设及其发展。1956年起在高等院校中设置“建筑结构试验”课程。在直接为生产服务方面和工程结构系统科学研究方面,对结构的材料性质,基本构件和结构整体工作性能等,进行了大量的实物或模型的静、动力试验,获得了许多试验成果,提出了符合中国实际情况的设计参数、工艺标准、计算公式、设计理论、施工工艺,为制订各种规范、规程提供了基本依据。
     2 工程结构试验及其一般过程
     2.1 工程结构试验的任务工程结构试验的任务是在结构或实验对象上,以仪器设备为工具,利用各种实验技术为手段,在荷载(重力、机械扰动力、地震力、风力等)或其他因素(温度、变形沉降等)作用下,通过测试与结构工作性能有关的各种参数(变形、挠度、位移、应变、振幅、频率等)后进行分析,从而对结构的工作性能作出评价,对结构的承载能力作出正确的估计,并为验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。
     2.2 工程结构试验的分类 根据试验研究目的,主要分为生产鉴定性试验和科学研究性试验。
     2.2.1 生产鉴定性试验生产鉴定性试验以直接服务于生产为目的。以工程中实际结构构件为对象,通过试验或检测对结构作出技术结论,通常解决以下问题:①检验或鉴定结构质量。对一些比较重要的结构,建成后通过试验,综合性地鉴定其质量的可靠度。对于预制构件或现场施工的其他构件,在出厂或安装之前,要求按照相应规范或规程抽样检验,以推断其质量。②判断结构的实际承载力。当旧建筑进行扩建、加层或改变结构用途时,往往要求通过试验确定旧结构的承载能力,为加固、改建、扩建工程提供数据。③处理工程事故、提供技术依据。对于遭受火灾、爆炸、地震等原因而损伤的结构,或在建造使用中有严重缺陷的结构,往往要求通过试验和检测,判断结构在受灾破坏后的实际承载能力,为结构的再利用和处理提供技术依据。
     2.2.2 科学研究性试验
     科学研究性试验的目的是为结构的理论计算和研究服务。它按照事先周密考虑的计划来进行。试验的对象是专为试验而设计制造的。突出研究的主要问题,消除一些对结构上实际影响的次要因素,使试验工作合理,观测数据易于分析和总结,达到理论研究的目的。
     ①验证结构设计理论的假定。在结构设计中,人们常对结构构件的计算图式和本构关系作某些简化假定,通过试验来加以验证,满足要求后用于实际工程中的结构计算。在结构静力和动力分析中,本构关系的模型化则完全是通过试验加以确定的。
     ②提供设计依据。我国现行的各种结构设计规范除了总结已有的大量科学实验的成果和经验外,为了理论和设计方法的发展,还进行了大量的结构试验以及实体建筑物的试验,为编制和修改结构设计规范提供试验数据。对于特种结构,应用理论分析的方法达不到理想的结果时,用结构试验的方法确定结构的计算模式和公式的系数,解决工程中的实际问题。
     ③提供实践经验。一种新材料的应用,一个新结构的设计或一项新工艺的施工,往往要经过多次的工程实践和科学试验,从而积累资料,使设计计算理论不断改进和完善。
     2.3 工程结构试验加载设备与测量方法
     2.3.1 加载设备
     一般供试验用的加载装置除实物加载外,可用千斤顶、液压试验装置、计算机与加振器联机系统、模拟地震振动台、人工爆炸等,以模拟对结构或构件的实际的各种作用。在全部试验承力装置中有支座、支墩、反力架、反力墙及试验台座等。
     2.3.2 测量方法
     ①机测法。利用机械仪表测量所需的数据或参数,机测法适应性强、简便、可靠、经济,是结构试验中最常用的测量手段。
     ②电测法。通过传感元件把试验需要测量的数据或参数,转换为电阻、电容、电感、电压或电流等电量参数,经放大器放大,然后进行测量,由指示记录设备记录和显示,这种转换和测量技术称为非电量电测技术,具有准确、快速测量、自动控制、连续记录和远距离操纵等优点。与计算机联机,还可根据测量结果自行判断和运算。
     ③光测法。利用光的准直性对测量参数放大、转换、实现连续记录,阻尼小、响应快(如光线示波记录仪)。也可利用光敏材料的物理化学原理和力学特性在偏振光作用下产生的光学效应,测定应力场(如光弹仪),简便、可靠、直观性好;及激光测量位移和激光全息的应用。④其他方法。利用光、电、磁、声等间接物理量与材料或结构构件某一性能间的关系为基础进行测量。如超声波探测仪利用超声波在混凝土中传播速度测定混凝土强度。分析处理结果,再还原成某种模拟量并显示出来,使数据的采集、测量和分析处理自动化。
     2.4 工程结构试验的一般过程
     工程结构试验大致可分为试验规划、试验准备、试验加载测试和实验资料整理分析四个阶段。
     2.4.1 试验规划阶段
     试验规划是指导整个试验工作的纲领性技术文件,因而试验规划的内容应尽可能地细致和全面,规划的任何一点疏忽可能导致试验的失败。
     科学研究性试验的规划,首先应根据研究课题,了解其发展现状和前景,并通过收集和查询有关文献资料,确定实验研究的目的和任务,确定试验的规模和性质;在此基础上决定试件设计的主要组合参数,并根据试验设备的能力确定试件的外形和尺寸;进行试件设计及制作;确定加载方法和设计支承系统;选定量测方法;进行设备和仪表的率定;作好材料性能试验或其他辅助试件的试验;制定试验安全防护措施;提出试验进度和技术人员分工;编写材料需用计划,经费开支及预算,试验设备、仪表及附件清算等。
     2.4.2 试验准备阶段
     试验准备阶段是将规划阶段确定的试件按要求制作安装与就位,将加载设备和测试仪表安装就位,并完成辅助试验工作。试件制作完毕后,要进行实际几何尺寸的测量和外观质量检查,达到设计要求的才能安装就位。加载设备和测试仪表安装就位前,应完成相应的设备调试与仪表标定工作,性能正常的才可正式安装。辅助试验完成后,要及时整理试验结果并作为结构试验的原始数据,对试验规划阶段确定的加载制度控制指标进行必要的修正。
     2.4.3 试验加载测试阶段
     对试件施加外荷载是整个试验工作的中心环节,参加试验的每个工作人员应各就各位,各尽其职,做好本岗工作,试验期间,一切工作都要按照试验的程序进行。对试验起控制作用的重要数据应随时整理和分析,必要时还应跟踪观察其变化情况,并与事先计算的理论数据进行比较,如有反常现象应立即查明原因,排除故障,否则不得继续加载试验。
     试验工程中除认真读数和记录外,必须仔细观察结构的变形,混凝土结构的裂缝出现、走向及宽度,构件的破坏特征等。试件破坏后要绘制破坏特征图,有条件的可拍成录像,作为原始资料保存,以便研究分析时使用。
     2.4.4 试验资料整理分析阶段
     通过试验准备和加载试验阶段,获得了大量数据和有关资料后,一般不能直接回答试验研究所提出的各类问题,必须将数据进行科学的整理、分析和计算,做到去粗取精,去伪存真,最后根据试验数据和资料编写试验报告。
     以上各个阶段的工作性质虽有差别,但它们都是相互制约的,各阶段的工作没有明显的界限,制定计划时不能只孤立地考虑某一阶段的工作,必须兼顾各个阶段的特点和要求,做出综合性的决策。
     3 工程结构试验在工程结构理论发展中的作用
     现代科学研究包括理论研究和试验研究,理论的发展需要试验来验证。受弯梁断面的应力分布的研究,经历了由假设—简单试验—理论分析—试验检验的阶段,前后二百多年的时间,说明了试验在理论发展中的作用和地位。
     科学的发展都是以技术的突破为转机的。试验验证理论,而理论的发展又将试验推向更高的阶段。结构试验与结构理论的发展是联系紧密,相互促进发展。理论分析的方法虽然给出了结构应力分析的基本方程式,在解决实际问题时,采用解析方法常会遇到计算方面的困难,只能对有限的一些简单问题得出精确解。如几何形状、边界条件、承受荷载复杂的结构,常需要进行一些假设,而假设与实际影响的大小,要通过试验验证。因此,所得结果为近似的,还要用试验证实能否用于实际工程。对于一些三维问题、应力集中和非匀质材料结构,仅靠理论解析方法求解十分困难,有时得不出结果,需要用试验的方法得出计算的公式。
     结构试验是研究和发展结构理论的重要手段。从确定结构材料的力学性能到验证梁、板、柱等单个构件的计算方法及至建立复杂结构体系的计算理论,都离不开试验研究。钢筋混凝土结构和砖石结构的计算理论大都是以试验研究的直接结果作为基础的。工程结构都是以各种工程材料为主体构成的不同类型的承重构件相互连接而成的组合体。为满足结构在功能及使用上的要求,必须使得这些结构在规定的使用期内能安全有效地承受外部及内部形成的各种作用。为了进行合理的设计,工程技术人员必须掌握在各种作用下结构的实际工作状态,了解结构构件的承载力、刚度、受力性能以及实际所具有的安全储备。在应力分析工作中,也可以采用实验应力分析方法来解决。特别是计算机技术的发展,它不仅为用数学模型方法进行计算分析创造了条件,同样为结构试验实现自动化提供了有利条件如:实现荷载模拟、数据采集和数据处理,使结构试验技术的发展,产生了根本性的变化。计算机也加强了人们进行结构试验的能力。因此,结构试验仍然是发展结构理论和解决工程设计方法的主要手段之一。在结构工程学科的发展演变过程中结构试验本身成为一门真正的试验科学。
     实践是检验真理的唯一标准。科学实践是人们正确认识事物本质的一个源泉,可以帮助人们认识事物的内在规律。在工程结构学科中,人们为了正确认识结构的性能和不断深化这种认识,结构试验也是一种已被实践所证明的行之有效的方法。
    
     参考文献:
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     (来源:建设工程教育网)

入库时间:2012/10/31