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1 桥 梁 结 构 实 验 指 导 书 ( 土 木 水 利 学 院 土 木 工 程 专 业 桥 梁 方 向 本 科 生 适 用 ) 大 连 理 工 大 学 土 木 水 利 实 验 教 学 中 心 桥 梁 工 程 实 验 室 010 年 9 月 1

2 桥 梁 实 验 1 桥 梁 结 构 静 态 机 械 式 仪 表 测 试 ( 一 ) 实 验 概 况 : 为 了 使 桥 梁 设 计 更 合 理 经 济 耐 用 在 设 计 中 进 行 模 型 实 验 是 非 常 必 要 的 在 桥 梁 结 构 实 验, 需 要 测 量 的 内 容 是 多 种 多 样 的, 如 外 力 变 形 挠 度 转 角 曲 率 几 何 变 形 等 等 目 前 采 用 静 力 实 验 仪 表 也 是 比 较 多 的 常 用 的 机 械 仪 表 : 有 百 分 表 千 分 表 双 杠 引 伸 仪 手 持 应 变 仪 刚 弦 计 倾 角 仪 等 ( 二 ) 实 验 目 的 : 1. 使 学 生 掌 握 机 械 仪 表 用 途 使 用 方 法 和 种 类 等. 使 学 生 掌 握 各 种 仪 表 使 用 范 围 及 精 度 等 3. 通 过 桥 梁 的 模 型 实 验 加 深 理 论 与 实 践 关 系, 加 强 桥 梁 实 验 重 要 性 和 必 要 性 4. 增 加 学 生 理 论 与 实 践 相 结 合 的 认 识 ( 三 ) 实 验 内 容 : 1. 等 强 度 梁 的 应 变 等 强 度 梁 : 为 了 使 各 个 截 面 的 弯 曲 应 力 相 同, 则 应 随 着 弯 矩 的 大 小 相 应 地 改 变 截 面 尺 寸, 以 保 持 相 同 强 度 的 梁, 这 种 梁 称 为 等 强 度 梁 等 强 度 梁 如 左 图 ( 等 强 度 梁 式 力 传 感 器 ) 所 示, 梁 厚 为 h, 梁 长 为 l, 固 定 端 宽 为 b 0, 自 由 端 宽 为 b 梁 的 截 面 成 等 腰 三 角 形, 集 中 力 F 作 用 在 三 角 形 顶 点 梁 内 各 横 截 面 产 生 的 应 力 是 相 等 的, 表 面 上 任 意 位 置 的 应 变 也 相 等, 因 此 称 为 等 强 度 梁, 其 应 变 为

3 . 等 强 度 梁 的 应 力 1-1 截 面 和 - 截 面 应 力 为 : M F L σ1 = = w w M F L σ = == w w 1-1 截 面 和 - 截 面 抗 弯 截 面 模 量 : 3 mt 1 mt = = = / / 6 I1 w1 t t w 3 nt I 1 nt t/ t/ 6 = = = 计 算 两 截 面 的 应 力 为 6F L σ = mt 1 1 6F L σ = nt σ = σ 所 以 等 强 度 梁 两 截 面 应 力 相 同 : 1 3. 等 强 度 梁 的 挠 度 对 下 图 所 示 的 等 强 度 梁, 有 如 下 关 系 b0 l = (1) b l a 3

4 z l b 0 A a b 1(x 1) P A B C x 1 B C b h x x x y 等 强 度 梁 的 挠 度 计 算 等 强 度 梁 段 AB 的 横 截 面 A 对 中 性 轴 z 的 惯 性 矩 I 0 和 等 截 面 梁 段 BC 的 横 截 面 对 中 性 轴 z 的 惯 性 矩 I 分 别 为 别 为 由 (1) 式 和 () 式 可 得 3 b0h I 0 =, 1 3 bh I = () 1 I 0 b0 l = = (3) I b l a 对 AB 段 (0 x 1 a), 梁 在 x 1 截 面 处 的 宽 度 对 中 性 轴 z 的 惯 性 矩 和 弯 矩 分 梁 的 挠 曲 线 近 似 微 分 方 程 为 积 分 两 次 得 到 I 1 b ( x ) M 1 1 ( x ) 1 b = 1 b = ( x ) h ( l x ) 3 l = I ( x ) P( l ) 1 1 x1 0 1 l x l 1 = (4) ( x1 ) Pl ( x1 ) EI 0 M y = 1 1 = (5) EI1 Pl y + 1 = x1 C 1 EI 0 Pl y 1 = x1 + C1x1 + D1 (6) EI 0 利 用 边 界 条 件 () = y () 0 0 方 程 和 转 角 方 程 分 别 为 y, 可 以 得 到 C = D 0, 故 梁 在 AB 段 的 挠 曲 线 = 1 1 = 4

5 Pl y 1 = EI 0 1 = y 1 = x1 EI 0 对 BC 段 (a x l), 梁 在 x 截 面 处 的 弯 矩 为 梁 的 挠 曲 线 近 似 微 分 方 程 为 积 分 两 次 得 到 x 1 Pl θ (7) M ( x ) P( l ) = (8) x ( x ) M P y (9) ( l ) = = x EI EI P y = + EI 利 用 边 界 条 件 ( a) = y ( a) ( a) y ( a) y 1 C ( l x ) C P 3 y = ( l x ) C ( l x ) + D (10) 6EI ( a ) y 1 P l =, EI 故 梁 在 BC 段 的 挠 曲 线 方 程 为 y = 以 及 (3) 式, 可 以 得 到 D [ ] ( a) 3l ( l a) P l = (11) 6EI 3 {( l x ) 3( l a )( l x ) + ( l a) l ( l a) } 6EI 3 [ ] P = (1) BC 段 的 挠 曲 线 方 程 也 可 用 叠 加 法 求 解 B 截 面 的 挠 度 和 转 角 分 别 为 根 据 叠 加 法, 有 y Pla y B = y1( a) = EI 0 0 Pla θ B =θ1( a) = (13) EI P = y B + θ B ( x a) + ( x a) [ ( l a) ( x a) ] (14) 6EI 3 将 (13) 式 代 入 上 式, 得 到 梁 在 BC 段 的 挠 曲 线 方 程 为 y P 6EI [( x a) ( 3l a x ) + 3a( l a)( x a) ] = (15) 4. 根 据 等 强 度 梁 的 基 本 尺 寸 和 加 荷 大 小 计 算 出 有 有 关 力 学 性 能 基 本 尺 寸 : 跨 度 l = 36cm 梁 高 h = 1. cm 梁 宽 度 b = 10. cm 梁 的 弹 性 模 量 kg / cm E = 荷 载 P = kg ( 注 基 本 尺 寸 要 求 同 学 自 己 量 出 ) 5

6 a. 计 算 出 应 力 σ =? 挠 度 f =? b. 进 行 加 荷 实 验 分 四 个 工 况 1 kg kg 3 kg 4 kg 相 应 测 出 : 千 分 表 读 数 和 百 分 表 挠 度 读 数 C 即 千 分 表 读 数 0 00 ε = 1 为 纯 弯 曲 部 位 应 变 标 距 ( mm) K 注 : 因 为 千 分 表 布 点 不 在 梁 的 一 个 平 面, 故 产 生 角 位 移 因 此 计 算 结 果 偏 大, 除 于 K 即 为 梁 的 应 变 5. 测 试 结 果 整 理 和 对 比 (1) 画 出 每 级 荷 载 应 变 曲 线 () 画 出 每 级 荷 载 挠 度 曲 线 6. 实 验 结 果 分 析 与 误 差 分 析 6

7 桥 梁 实 验 桥 梁 结 构 静 态 电 子 式 仪 表 测 试 ( 一 ) 电 测 技 术 : 1. 电 测 技 术 概 况 随 着 国 民 经 济 发 展 对 桥 梁 结 构 实 验 的 要 求, 越 来 越 被 有 关 技 术 工 作 者 关 注 因 此 桥 梁 现 场 实 验 也 越 来 越 多 用 电 测 仪 器. 电 测 原 理 是 把 非 电 量 测 试 变 成 电 量 测 量, 比 如 构 件 受 外 作 用 拉 或 压 不 存 在 电 量 问 题 它 可 以 通 过 传 感 器 ( 电 阻 片 ) 把 非 电 传 导 变 成 电 信 号 测 量 l 物 理 公 式 : R = ρ A R 为 电 阻 l 为 标 距 A 为 电 阻 丝 断 面 积 3. 电 测 技 术 优 点 与 缺 点 6 (1) 精 度 高 ( 比 机 械 而 言 ), 最 高 精 度 可 打 1 με 即 1 10 () 可 远 程 操 作, 同 时 速 度 快, 可 做 到 自 测 自 记 特 点 (3) 可 以 多 点 测 量, 省 人 力 方 便 等 可 连 续 记 录 减 少 时 间 (4) 缺 点 要 求 有 专 门 技 术 人 员, 对 场 地 要 求, 不 能 在 有 高 磁 场 和 电 感 的 地 方 测 试 4. 使 用 电 测 试 原 理 与 种 类 原 理 : 利 用 电 桥 原 理, 即 对 边 相 乘 相 等 种 类 :a. 纸 荃 b. 胶 荃 c. 大 标 距 与 小 标 距 d. 挠 丝 与 矩 接 e. 高 温 片 常 温 片 低 温 片 f. 断 裂 电 阻 片 5. 电 桥 与 桥 路 连 接 法 (1) 电 测 原 理 : 把 非 电 测 量 变 成 电 量 测 量 7

8 物 理 公 式 : l R = ρ F R 电 阻 值 F = πd 4 ρ 电 阻 系 数 d 电 阻 丝 标 距 F 电 阻 丝 断 面 积 本 来 电 阻 片 受 外 力 拉 没 有 点 的 信 号, 但 是 通 过 控 制 而 使 电 阻 丝 断 面 发 生 变 化 从 而 使 电 阻 发 生 变 化, 因 此 原 因 电 非 电 测 转 化 为 电 信 号 变 化 () 电 桥 原 理 : 对 边 相 乘 相 等 R测 R = R外 R1 (3) 桥 路 接 法 ( 半 桥 ) a. 半 桥 单 点 接 法 8

9 R测 R = R外 R1 ε 仪 = ε 实 b. 半 桥 多 点 接 法 R测 R = R外 R1 ε 仪 = ε 实 注 : 可 以 分 点 开 关 分 别 测 出 R1 R R3 R4 即 可 9

10 c. 半 桥 改 模 向 效 应 接 法 R测 R = R外 R1 ε 仪 = ( 1+ μ) ε 实 d. 双 片 半 桥 接 法 R测 1 R测 R = R外 1 R外 R1 ε 仪 = (1 + μ) ε 实 (4) 全 桥 接 法 10

11 e. 拉 压 片 接 法 R拉 R补 = R压 R补 1 ε仪 = ε 实 f. 拉 压 考 虑 横 向 效 应 接 法 R拉 R补 = R压 R补 1 ε 仪 = (1 + μ) ε 实 g. 双 片 全 桥 接 法 11

12 R拉 1 R拉 = R压 1 R压 ε仪 = 4ε 实 (5) 本 实 验 线 路 接 法 h. 多 点 单 片 接 法 ( 半 桥 ) R补 1 R1 = R补 R 分 别 测 R1 R R3 R4 电 阻 应 变 可 按 多 点 测 量 办 法 i. 多 点 片 接 全 桥 接 法 1

13 ε 仪 4 = 真 实 应 变 这 种 方 法 实 际 等 于 把 原 来 法 放 大 4 倍 ( 二 ) 测 试 结 果 整 理 和 对 比 1. 画 出 每 级 荷 载 应 变 曲 线. 画 出 每 级 荷 载 挠 度 曲 线 ( 三 ) 结 果 对 比 分 析 ` j ε = f = s ε = f = 电 c c ` ε ε 应 变 误 差 = ε j 电 f f实 = % j c % 应 变 误 差 j f c 13

14 桥 梁 实 验 3- 桥 梁 结 构 动 态 测 试 (1) 1. 概 况 各 种 建 筑 结 构 由 于 结 构 本 身 功 能 特 点, 随 着 地 区 和 生 产 工 艺 操 作 技 术 等 方 面 各 种 要 求, 使 结 构 在 使 用 中, 除 了 承 受 静 载 作 用 外, 还 承 受 各 种 动 载 作 用, 如 何 正 确 认 识 动 荷 载 作 用, 因 此 在 工 程 中 就 产 生 振 动 问 题 为 减 少 它 给 生 产 和 生 活 带 来 的 影 响 这 是 建 筑 工 程 中 急 需 研 究 和 解 决 的 问 题, 动 荷 使 用 范 围 归 纳 起 来 大 致 有 以 下 几 个 方 面 0 (1) 如 何 预 防 预 报 地 震 我 国 是 个 地 震 国 家, 设 计 中 按 震 度 7 μs 上 对 结 构 设 防 为 防 震 结 构 依 据, 必 须 采 用 动 态 实 验 () 对 特 殊 结 构 如 机 械 设 备 中 锻 锤 水 压 机 气 压 机 风 机 发 电 机 等 但 都 产 生 振 动 与 冲 击 影 响 为 保 证 厂 房 安 全 使 用 对 结 构 物 必 须 做 动 态 实 验, 为 实 验 提 供 依 据 (3) 高 层 建 筑 物 电 视 塔 输 油 线 架 空 塔 架 烟 囱, 要 考 虑 在 设 计 中 侧 风 荷 对 建 筑 物 引 起 振 动 影 响 建 筑 结 构 动 力 特 性 是 反 映 结 构 本 身 所 固 有 的 动 力 性 能 它 的 主 要 内 容 包 括 结 构 的 自 振 频 率 阻 尼 系 数 和 振 型 等 一 些 基 本 参 数, 也 称 动 力 特 性 参 数 或 振 动 模 态 参 数 这 些 特 性 是 由 结 构 形 式 质 量 分 布 结 构 刚 度 材 料 性 质, 构 造 连 接 等 因 素 决 定, 但 与 外 荷 载 无 关 建 筑 结 构 动 力 特 性 实 验 量 测 结 构 动 力 特 性 参 数 是 结 构 动 力 实 验 的 基 本 内 容, 在 研 究 建 筑 结 构 或 其 他 工 程 结 构 的 抗 震 抗 风 或 抗 御 其 它 动 荷 载 的 性 能 和 能 力 时, 都 必 须 要 进 行 结 构 动 力 特 性 实 验, 了 解 结 构 的 自 振 特 性 动 态 测 试 的 必 要 性 1. 在 结 构 抗 震 设 计 中, 为 了 确 定 地 震 作 用 的 大 小, 必 须 了 解 各 类 结 构 的 自 振 周 期 同 样, 对 于 已 建 建 筑 的 震 后 加 固 修 复, 也 需 了 解 结 构 的 动 力 特 性, 建 立 结 构 的 动 力 计 算 模 型, 才 能 进 行 地 震 反 应 分 析. 测 量 结 构 动 力 特 性, 了 解 结 构 的 自 振 频 率, 可 以 避 免 和 防 止 动 荷 载 作 用 所 产 生 的 干 扰 与 结 构 产 生 共 振 或 拍 振 现 象 在 设 计 中 可 以 使 结 构 避 开 干 扰 源 的 影 响, 同 样 也 可 以 设 法 防 止 结 构 自 身 动 力 特 性 对 于 仪 器 设 备 的 工 作 产 生 干 扰 的 影 响, 可 以 帮 助 寻 找 采 取 相 应 的 措 施 进 行 防 震, 隔 震 或 消 震 3. 结 构 动 力 特 性 实 验 可 以 为 检 测 诊 断 结 构 的 损 伤 积 累 提 供 可 靠 的 资 料 和 数 据 由 于 结 构 受 动 力 作 用, 特 别 是 地 震 作 用 后, 结 构 受 损 开 裂 使 结 构 刚 度 发 生 14

15 变 化, 刚 度 的 减 弱 使 结 构 自 振 周 期 变 长, 阻 尼 变 大 由 此, 可 以 从 结 构 自 身 固 有 特 性 的 变 化 来 识 别 结 构 物 的 损 伤 程 度, 为 结 构 的 可 靠 度 诊 断 和 剩 余 寿 命 的 估 计 提 供 依 据. 动 载 实 验 目 的 (1) 了 解 动 态 测 量 的 手 段 和 办 法 及 有 关 动 测 系 统 的 原 理 方 法 和 操 作 规 程 () 如 何 通 过 拾 振 器 放 大 器 波 形 记 录 器 测 出 建 筑 物 自 振 频 率 3. 实 验 内 容 (1) 测 记 简 支 梁 自 振 频 率 曲 线 和 加 速 度 曲 线 () 计 算 简 支 梁 自 振 特 性 参 数 根 据 公 式 可 以 算 出 下 列 物 理 量 π 周 期 : T = ω 1 频 率 : f = T Am 对 数 振 动 率 : λ = ln A + 1 λ 圆 频 率 : ε = = λf T ε λ 阻 尼 比 : ξ = = ω π 动 力 系 数 : β = (3) 分 析 实 测 振 动 波 形 1 ξ m 15

16 (4) 动 态 应 变 中 波 形 标 定 标 定 时 必 须 根 据 需 要 确 定 的 衰 减 档 1 1/3 1/10 1/100 然 后 据 图 形 要 求 再 确 定 好 量 程 1mv 5 mv 10 mv 50 mv 100 mv 最 后 做 出 标 定 曲 线 16

17 (5) 对 所 测 波 形 进 行 定 量 分 析 a. 测 出 自 振 频 率 b. 测 出 相 关 的 位 移 速 度 加 速 度 动 应 力 动 力 系 数 等 (6) 实 验 装 置 框 架 图 17

18 桥 梁 实 验 3- 桥 梁 结 构 动 态 测 试 () 动 荷 实 验 常 常 用 到 是 三 种 类 型, 第 一 种 是 周 期 荷 载 第 二 种 是 冲 击 荷 载 第 三 种 是 随 机 荷 载 它 们 的 图 形 是 : 一 般 现 在 研 究 动 荷 作 用 下 引 起 的 动 力 反 映 以 及 对 结 构 产 生 影 响 对 建 筑 物 进 行 动 力 分 析, 对 地 震 荷 或 风 等 特 殊 荷 载, 可 用 长 期 观 察 的 历 史 资 料 进 行 分 析, 确 定 其 作 用 的 大 小 和 振 动 规 律, 一 般 说 它 是 有 较 大 的 概 括 特 性 和 代 表 性, 仍 然 需 要 振 源 动 力 特 性 统 计 资 料, 可 以 根 据 机 械 本 身 参 数 进 行 动 荷 特 性 计 算 ( 一 ) 机 构 动 力 特 性 实 验 测 定 1. 自 由 振 动 法 ( 捶 击 法 ) 为 了 使 结 构 产 生 只 有 振 动, 通 常 采 用 突 加 荷 载 和 突 卸 荷 载 两 种 办 法 18

19 . 共 振 法 (1) 共 振 法 是 利 用 三 门 的 激 振 器 对 结 构 施 加 一 个 简 谐 动 荷 载 使 结 构 产 生 恒 定 的 强 迫 简 谐 振 动, 根 据 共 振 现 象 来 观 测 结 构 有 振 性 质 由 于 结 构 力 学 可 知, 当 干 扰 里 的 频 率 与 结 构 本 身 固 有 频 率 相 等 时 结 构 就 出 现 共 振. 此 时 建 筑 结 构 都 是 具 有 连 续 质 量 的 物 流, 所 以 严 格 说 来 都 是 有 起 码 多 个 自 由 度 物 流, 其 固 有 频 率 不 是 一 个 而 是 有 很 多 个 但 如 前 所 述, 对 一 般 的 动 力 现 象, 了 解 最 底 的 第 一 固 有 频 率 即 为 基 本 频 率 是 最 重 要 的, 对 于 较 复 杂 动 力 问 题, 也 只 要 了 解 若 干 个 固 有 频 率 也 就 满 足 要 求 采 用 共 振 法 进 行 动 荷 实 验 时, 可 连 续 改 变 激 振 器 频 率 即 基 本 频 率 第 一 频 率 第 二 频 率 第 三 频 率, 如 速 度 物 实 验 时 所 描 述 得 到 记 录 曲 线 如 下 : () 由 共 振 曲 线 求 出 阻 尼 和 阻 尼 比 a. 阻 尼 系 数 b. 阻 尼 比 ω 1 ω β = D = β ω 0 通 过 结 构 动 力 学 可 知, 按 结 构 某 一 固 有 频 率 作 振 动 时 形 成 的 弹 性 曲 线 称 为 结 构 频 率 的 振 动 形 式 简 称 振 型 对 应 于 基 频 第 一 频 率 第 二 频 率 分 为 基 本 振 型 ( 第 19

20 一 振 型 ) 第 二 振 型 第 三 振 型 3. 脉 动 法 : 通 常 用 于 测 量 整 体 建 筑 物 的 动 力 特 性 a. 主 谐 量 法 : 对 建 筑 物 固 有 频 率 的 谐 量 是 脉 动 为 主 要 成 分 来 测 出 基 本 频 率 第 二 频 率 第 三 频 率 方 法 b. 统 计 法 : 由 日 本 高 桥 活 一 郎 提 出 的 它 的 基 本 概 念 当 弹 性 体 受 到 随 机 因 素 的 影 响 所 产 生 振 动 必 定 是 自 由 振 动 和 强 迫 震 动 的 叠 加 c. 波 谱 分 析 法 : 将 建 筑 物 脉 动 记 录 图 看 成 多 种 频 率 谐 量 合 成 的 结 果, 而 建 筑 物 固 有 频 率 谐 量 和 脉 动 源 卓 越 频 率 的 谐 量 为 主 要 成 分 因 此 用 傅 立 叶 级 数 的 方 法 把 脉 动 费 解 做 出 其 频 率 谐 波 在 频 率 谐 波 图 上 建 筑 物 固 有 频 率 波 和 脉 动 源 的 卓 越 频 率 必 然 出 现 突 出 的 峰 值, 这 个 峰 值 为 基 频, 而 二 频 和 三 拼 处 比 较 明 显 0

21 以 上 图 用 傅 立 叶 级 数 法 将 脉 动 分 解 并 做 出 基 频 谱 在 基 频 谱 图 上 建 筑 物 固 有 频 率 和 脉 动 的 卓 越 频 率 处, 必 出 现 突 出 的 峰 一 般 在 非 常 突 出 峰 为 基 频 而 后 为 二 频 三 频 频 谱 图 如 下 : 要 点 : 1. 本 次 实 验 用 小 锤 击 打 ( 轻 轻 ) 测 出 频 谱 图 和 建 筑 物 的 频 谱 图 有 什 么 不 同. 通 过 实 验 了 解 放 大 器 作 用 使 用 方 法, 以 及 记 录 器 使 用 方 法 等 3. 通 过 实 验 对 动 态 测 量 达 到 什 么 图, 如 何 通 过 实 测 法 来 进 一 步 分 析 频 谱 作 用 1

22 桥 梁 实 验 4 桥 梁 结 构 无 损 检 测 1 混 凝 土 无 损 检 测 1.1 超 声 测 裂 缝 超 声 测 裂 缝 宽 度 裂 缝 的 出 现 不 仅 会 有 损 于 桥 梁 的 美 观, 减 小 截 面 的 受 力 面 积, 更 重 要 的 是 它 会 失 去 对 钢 筋 的 保 护 作 用, 加 速 钢 筋 的 锈 蚀 裂 缝 的 检 测 主 要 包 括 全 桥 裂 缝 的 长 度 走 向 和 宽 度 对 于 裂 缝 的 宽 度 的 测 量 主 要 采 用 裂 缝 观 测 仪 进 行 观 测 ; 裂 缝 的 长 度 变 化 采 用 在 裂 缝 端 头 做 标 记, 配 合 钢 卷 尺 测 量 坐 标 的 方 法 进 行 ; 对 于 宽 度 大 于 0.mm 的 且 位 于 关 键 部 位 的 裂 缝 采 用 超 声 波 等 无 损 探 伤 仪 器 对 其 进 行 深 度 测 试 裂 缝 的 长 度 走 向 及 扩 展 情 况, 主 要 通 过 划 分 网 格 坐 标, 辅 钢 卷 尺 量 测 裂 缝 的 起 止 点 转 折 点 坐 标, 并 做 详 细 记 录 图 1.1 裂 缝 观 测 镜 1.1. 超 声 测 裂 缝 深 度 1 检 测 原 理 超 声 法 ( 超 声 脉 冲 法 ) 检 测 混 凝 土 裂 缝 深 度 系 指 采 用 带 波 形 显 示 功 能 的 超 声 波 检 测 仪, 测 量 超 声 脉 冲 波 在 混 凝 土 中 的 传 播 速 度 ( 简 称 声 速 ) 首 波 幅 度 ( 简 称 波 幅 ) 和 接 收 信 号 主 频 率 ( 简 称 主 频 ) 等 声 学 参 数, 并 根 据 这 些 参 数 及 其 相 对 变 化, 判 定 混 凝 土 裂 缝 深 度 情 况 检 测 方 法 (1) 单 面 平 测 法 当 结 构 的 裂 缝 部 位 只 有 一 个 可 测 表 面, 估 计 裂 缝 深 度 又 大 于 500mm 时, 可 采 用 单 面 平 测 法 平 测 时 应 在 裂 缝 的 被 测 部 位, 以 不 同 的 测 距, 按 跨 缝 和 不 跨 缝 布 置 测 点 ( 布 置 测 点 时 应 避 开 钢 筋 的 影 响 ) 进 行 检 测

23 图 1. 绕 过 裂 缝 示 意 图 裂 缝 深 度 的 确 定 方 法 如 下 : 跨 缝 测 量 中, 当 在 某 测 距 发 现 首 波 反 相 时, 可 用 该 测 距 及 两 个 相 邻 测 距 的 测 量 值 按 公 式 : 计 算 hci 值, 取 此 三 点 hci 的 平 均 值 作 为 该 裂 缝 的 深 度 值 (hc ); 如 难 于 发 现 首 波 反 相, 则 以 不 同 测 距 按 公 式 : 计 算 hci 及 其 平 均 值 (mhc) 将 各 测 距 li 与 mhc 相 比 较, 凡 测 距 li 小 于 mhc 和 大 于 3mhc, 应 剔 除 该 组 数 据, 然 后 取 余 下 hci 的 平 均 值, 作 为 该 裂 缝 的 深 度 值 (hc ) () 双 面 斜 测 法 当 结 构 的 裂 缝 部 位 具 有 两 个 相 互 平 行 的 测 试 表 面 时, 可 采 用 双 面 穿 透 斜 测 法 检 测 测 点 布 置 如 下 图 1.3 所 示, 将 T R 换 能 器 分 别 置 于 两 测 试 表 面 对 应 测 点 l 3 的 位 置, 读 取 相 应 声 时 值 ti 波 幅 值 Ai 及 主 频 率 fi 3

24 图 1.3 斜 测 裂 缝 测 点 示 意 图 裂 缝 深 度 的 确 定 方 法 如 下 : 当 T R 换 能 器 的 连 线 通 过 裂 缝, 根 据 波 幅 声 时 和 主 频 的 突 变, 可 以 判 定 裂 缝 深 度 以 及 是 否 在 所 处 断 面 内 贯 通 (3) 钻 孔 对 测 法 钻 孔 对 测 法 适 用 于 大 体 积 混 凝 土, 预 计 深 度 在 500mm 以 上 的 裂 缝 检 测, 被 检 测 混 凝 土 应 允 许 在 裂 缝 两 侧 钻 测 试 孔 测 试 前 应 先 向 测 试 孔 中 注 满 清 水, 然 后 将 T R 换 能 器 分 别 置 于 裂 缝 两 侧 的 对 应 孔 中, 以 相 同 高 程 等 间 距 (100~400mm) 从 上 到 下 同 步 移 动, 逐 点 读 取 声 时 波 幅 和 换 能 器 所 处 的 深 度 裂 缝 深 度 的 确 定 方 法 如 下 : 以 换 能 器 所 处 深 度 (h) 与 对 应 的 波 幅 值 (A) 绘 制 h A 座 标 图 ( 如 图 1.4 所 示 ) 图 1.4 钻 孔 侧 立 峰 深 度 示 意 图 随 换 能 器 位 置 的 下 移, 波 幅 逐 渐 增 大, 当 换 能 器 下 移 至 某 一 位 置 后, 波 幅 达 到 最 大 并 基 本 稳 定, 该 位 置 所 对 应 的 深 度 便 是 裂 缝 深 度 值 hc 1. 超 声 回 弹 综 合 法 测 强 和 碳 化 深 度 检 测 1..1 超 声 回 弹 综 合 法 测 混 凝 土 强 度 采 用 超 声 回 弹 综 合 法 对 混 凝 土 进 行 强 度 测 定, 测 试 参 照 超 声 回 弹 综 合 法 检 测 混 凝 土 强 度 技 术 规 程 (CECS0-005) 1 测 区 布 置 应 符 合 下 列 规 定 : 4

25 (1) 当 按 单 个 构 件 检 测 时, 应 在 构 件 上 均 匀 布 置 测 区, 每 个 构 件 上 的 测 区 数 不 应 少 于 10 个 ; () 对 同 批 构 件 按 批 抽 样 检 测 时, 构 件 抽 样 数 应 不 少 于 同 批 构 件 的 30%, 且 不 少 于 10 件, 每 个 构 件 测 区 数 不 应 少 于 10 个 ; (3) 对 长 度 小 于 或 等 于 m 的 构 件, 其 测 区 数 量 可 适 当 减 少, 但 不 应 少 于 3 个 构 件 的 测 区 应 满 足 下 列 要 求 : (1) 测 区 布 置 在 构 件 混 凝 土 洗 灌 方 向 的 侧 面, () 测 区 均 匀 分 布, 相 邻 两 测 区 的 间 距 不 宜 大 于 m, (3) 测 区 避 开 钢 筋 密 集 区 和 预 埋 件, (4) 测 区 尺 寸 为 00mm 00mm, (5) 测 试 面 应 清 洁 平 整 干 燥, 不 应 有 接 缝 饰 面 层 浮 浆 和 油 垢, 并 避 开 蜂 窝 麻 面 部 位, 必 要 时 可 用 砂 轮 片 清 除 杂 物 和 磨 平 不 平 整 处, 并 擦 尽 残 留 粉 尘 3 结 构 或 构 件 上 的 测 区 应 注 明 编 号, 并 记 录 测 区 位 置 和 外 观 质 量 情 况 4 结 构 或 构 件 的 每 一 测 区, 宜 先 进 行 回 弹 测 试, 后 进 行 超 声 测 试 5 非 同 一 测 区 内 的 回 弹 值 及 超 声 声 速 值, 在 计 算 混 凝 土 强 度 换 算 值 时 不 得 混 用 6 用 回 弹 仪 测 试 时, 宜 使 仪 器 处 于 水 平 状 态, 测 试 混 凝 土 浇 灌 的 侧 面 如 不 能 满 足 这 一 要 求, 也 可 非 水 平 状 态 测 试, 或 测 试 混 凝 土 浇 灌 方 向 的 顶 面 或 底 面 7 应 按 回 弹 法 评 定 混 凝 土 抗 压 强 度 技 术 规 程 的 要 求, 对 构 件 上 每 一 测 区 的 两 个 相 对 测 试 面 各 弹 击 8 点, 每 一 测 点 的 回 弹 值 测 读 精 确 至 测 点 在 测 区 范 围 内 宜 均 匀 分 布, 但 不 得 布 置 在 气 孔 或 外 露 石 子 上 相 邻 两 测 点 的 间 距 一 般 不 小 于 30mm, 测 点 距 构 件 边 缘 或 外 露 钢 筋 铁 件 的 距 离 不 小 于 50mm, 日. 同 一 测 点 只 允 许 弹 击 一 次 9 测 区 回 弹 值 的 计 算 参 照 超 声 回 弹 综 合 法 检 测 混 凝 土 强 度 技 术 规 程 (CECS0-005) 5

26 1.. 混 凝 土 碳 化 深 度 检 测 砼 碳 化 深 度 检 测 是 使 用 75% 的 酒 精 溶 液 与 白 色 酚 酞 粉 末 配 置 成 的 浓 度 为 1~ % 的 酚 酞 溶 剂, 在 被 测 构 件 选 择 3 个 碳 化 深 度 测 试 位 置, 将 其 喷 在 混 凝 土 的 新 鲜 破 损 面, 根 据 指 示 剂 颜 色 的 变 化, 测 量 混 凝 土 的 碳 化 深 度, 量 测 精 度 准 确 至 毫 米 在 进 行 砼 碳 化 深 度 检 测 时, 因 为 要 将 砼 表 面 凿 开 露 出 新 鲜 破 损 面 才 能 滴 入 化 学 试 剂 进 行 测 试, 因 此 凿 孔 时 在 保 证 检 测 精 度 的 情 况 下 应 该 尽 量 减 少 对 桥 梁 外 观 的 损 坏 1.3 钢 筋 锈 蚀 钢 筋 的 锈 蚀 是 使 用 CANIN 钢 筋 锈 蚀 仪 采 用 半 电 池 电 位 法 进 行 测 试, 如 图 1.5 所 示 半 电 池 电 位 法 是 利 用 Cu+CuSO4 饱 和 溶 液 形 成 的 半 电 池 与 钢 筋 + 混 凝 土 形 成 为 半 电 池 构 成 一 个 全 电 池 系 统 由 于 Cu+CuSO4 饱 和 溶 液 的 电 位 值 相 对 恒 定, 而 混 凝 土 中 钢 筋 因 锈 蚀 产 生 的 化 学 反 应 将 引 起 全 电 池 的 变 化 因 此, 电 位 值 可 以 评 估 钢 筋 锈 蚀 状 态 图 1.5 CANIN 钢 筋 锈 蚀 仪 检 测 前, 首 先 配 制 Cu+CuSO4 饱 和 溶 液 半 电 池 电 位 法 的 原 理 要 求 混 凝 土 成 为 电 解 质, 因 此 必 须 对 钢 筋 混 凝 土 结 构 的 表 面 进 行 预 先 润 湿 采 用 液 态 洗 涤 液 的 水 溶 液 混 凝 土 结 构 表 面 检 测 时, 保 持 混 凝 土 湿 润, 但 表 面 不 存 有 自 由 水 将 CANIN 钢 筋 锈 蚀 测 定 仪 的 一 端 与 混 凝 土 表 面 接 触, 另 一 端 与 钢 筋 相 连, 当 钢 筋 露 出 结 构 以 外 时, 可 以 方 便 地 直 接 连 接 否 则, 需 要 首 先 利 用 钢 筋 定 位 仪 的 无 损 检 测 方 法 确 定 一 根 钢 筋 的 位 置, 然 后 凿 除 钢 筋 保 护 层 部 分 的 混 凝 土, 使 钢 筋 外 露, 再 进 行 连 接 连 接 时 要 求 打 磨 钢 筋 表 面, 除 去 锈 斑 根 据 半 电 池 电 位 法 的 测 试 原 理, 为 了 保 证 电 路 闭 合 以 及 钢 筋 的 电 阻 足 够 小, 测 试 前 应 该 使 用 电 压 表 检 查 测 试 区 内 任 意 两 根 钢 筋 之 间 的 电 阻 小 于 1 检 测 时, 根 据 用 钢 筋 定 位 仪 测 定 的 钢 筋 分 布 确 定 测 线 及 测 点, 测 点 的 间 距 为 10~0cm 用 CANIN 钢 筋 锈 蚀 测 定 仪 逐 个 读 取 每 条 测 线 上 各 测 点 的 电 位 值, 在 6

27 至 少 观 察 5min 时, 电 位 读 数 保 持 稳 定 浮 动 不 超 过 ±0.0V 时, 即 认 为 电 位 稳 定, 可 以 记 录 测 点 电 位 在 对 已 处 理 的 数 据 进 行 判 读 前, 先 将 这 些 数 据 加 以 负 号, 绘 制 等 电 位 图, 然 后 进 行 判 读 推 荐 的 实 测 数 据 的 评 判 标 准 见 表 表 推 荐 的 混 凝 土 中 钢 筋 锈 蚀 电 位 的 评 判 标 准 表 序 号 电 位 水 平 (mv) 钢 筋 状 态 1 0~-00 无 锈 蚀 活 动 性 或 锈 蚀 活 动 性 不 确 定 -00~-300 有 锈 蚀 活 动 性, 但 锈 蚀 状 态 不 确 定, 可 能 抗 蚀 3-300~-400 有 锈 蚀 活 动 性, 发 生 锈 蚀 概 率 大 于 90% 4-400~-500 有 锈 蚀 活 动 性, 严 重 锈 蚀 可 能 性 极 大 5 <-500 构 件 存 在 锈 蚀 开 裂 区 域 备 注 (1) 表 中 电 位 水 平 为 采 用 铜 / 硫 酸 铜 电 极 时 的 量 测 值 ; () 混 凝 土 湿 度 对 量 测 值 有 明 显 影 响, 量 测 时 构 件 应 为 自 然 状 态, 否 则 不 能 使 用 此 评 定 标 准 对 混 凝 土 碳 化 深 度 钢 筋 混 凝 土 保 护 层 的 检 测 也 可 以 间 接 的 推 定 钢 筋 的 锈 蚀 情 况 此 外, 钢 筋 锈 蚀 较 严 重 时, 在 混 凝 土 表 面 往 往 会 出 现 锈 斑, 可 以 通 过 外 观 检 查 来 初 步 评 价 钢 筋 锈 蚀 严 重 与 否 1.4 混 凝 土 保 护 层 厚 度 混 凝 土 保 护 层 厚 度 是 检 测 结 构 耐 久 性 的 重 要 指 标, 混 凝 土 保 护 层 可 以 有 效 隔 绝 外 界 环 境 对 钢 筋 的 腐 蚀, 保 护 层 越 厚, 这 种 保 护 作 用 持 续 时 间 也 就 越 长, 因 此 需 对 主 梁 立 柱 等 部 位 进 行 保 护 层 厚 度 测 试 检 测 方 法 采 用 非 破 坏 性 检 测 方 法 确 定 其 保 护 层 厚 度, 量 测 值 准 确 至 毫 米 图 1.6 钢 筋 混 凝 土 保 护 层 厚 度 测 定 仪 图 1.7 NJJ85A 手 持 混 凝 土 雷 达 钢 筋 保 护 层 厚 度 采 用 非 破 坏 性 方 法 进 行 检 测, 量 测 值 准 确 至 毫 米 现 场 检 测 技 术 要 求 如 下 : 7

28 每 个 构 件 上 的 测 区 数 不 应 少 于 3 个 ; 测 区 应 均 匀 分 布, 相 邻 两 测 区 的 间 距 不 宜 小 于 m; 测 区 应 注 明 编 号, 并 记 录 测 区 位 置 和 外 观 情 况 ; 每 一 测 区 应 检 测 不 少 于 10 个 测 点 ; 钢 筋 保 护 层 厚 度 测 读 时 应 将 传 感 器 置 于 钢 筋 所 在 位 置 正 上 方, 并 左 右 稍 稍 移 动, 读 取 仪 器 显 示 最 小 值 即 为 该 处 保 护 层 厚 度 ; 每 一 测 点 值 宜 读 取 ~3 次 稳 定 读 数, 取 其 平 均 值, 准 确 至 1mm; 钢 筋 位 置 测 试 时 应 选 择 垂 直 钢 筋 走 向 断 面, 并 在 结 构 混 凝 土 表 面 缓 慢 移 动, 测 其 钢 筋 分 布 位 置 和 情 况 拉 索 检 测.1 索 力 检 测 对 于 各 阶 主 频 等 间 距 的 斜 拉 索 建 议 按 照 公 式 (1) 计 算 索 力 加 时, S 4 Δf L = ρ (1) 对 于 各 阶 主 频 不 等 间 距 的 斜 拉 索, 在 相 同 的 索 力 下, 当 自 振 频 率 的 阶 数 i 增 f i 不 再 是 一 个 常 数, 它 随 i 的 增 加 而 增 大, 其 各 阶 频 率 之 比 也 不 再 是 i 1::3:4: 了 采 用 公 式 (1) 计 算 精 度 不 易 控 制, 而 且 如 果 取 得 的 频 率 阶 数 不 同, 得 出 的 结 果 相 差 也 很 大 建 议 采 用 偶 阶 频 率 来 推 算 索 力 S (16 f f 4 ) ρl = () 1 采 用 偶 阶 频 率 推 算 索 力 不 仅 可 以 消 除 弯 曲 刚 度 的 影 响, 还 能 消 除 索 自 重 垂 度 的 影 响 此 外 有 研 究 表 明 : 随 着 n 的 增 大, 缆 索 被 更 多 的 节 点 分 割 成 多 个 子 段, 从 而 使 横 向 刚 度 的 影 响 加 大 因 此 在 使 用 该 方 法 求 固 有 频 率 时, 所 取 的 频 率 上 限 不 宜 太 高, 一 般 取 n 10 即 可 4 上 部 结 构 钢 箱 梁 无 损 检 测 4.1 钢 梁 磁 粉 检 测 磁 粉 检 测 是 利 用 铁 磁 性 材 料 和 缺 陷 之 间 的 磁 导 率 变 化 的 原 理 来 发 现 缺 陷, 首 先 对 工 件 进 行 磁 化, 若 工 件 表 面 有 缺 陷 存 在, 由 于 缺 陷 处 的 磁 阻 增 大 而 产 生 漏 磁, 形 成 局 部 磁 场, 磁 粉 便 在 此 处 显 示 缺 陷 的 形 状 和 位 置, 从 而 判 断 缺 陷 的 存 在 磁 粉 探 伤 设 备 简 单 操 作 容 易 检 验 迅 速 具 有 较 高 的 探 伤 灵 敏 度, 可 用 来 发 现 铁 磁 材 料 镍 钴 及 其 合 金 碳 素 钢 及 某 些 合 金 钢 的 表 面 或 近 表 面 的 缺 陷 ; 它 适 于 薄 壁 件 或 焊 缝 表 面 裂 纹 的 检 验, 也 能 显 露 出 一 定 深 度 和 大 小 的 未 焊 透 缺 陷 8

29 4. 钢 梁 超 声 检 测 超 声 波 检 测 是 利 用 超 声 能 透 入 金 属 材 料 的 深 处, 并 由 一 截 面 进 入 另 一 截 面 时, 在 界 面 边 缘 发 生 反 射 的 特 点 来 检 查 零 件 缺 陷 的 一 种 方 法, 当 超 声 波 束 自 零 件 表 面 由 探 头 通 至 金 属 内 部, 遇 到 缺 陷 与 零 件 底 面 时 就 分 别 发 生 反 射 波 来, 在 荧 光 屏 上 形 成 脉 冲 波 形, 根 据 这 些 脉 冲 波 形 来 判 断 缺 陷 位 置 和 大 小 4.3 钢 梁 射 线 粉 检 测 X 射 线 检 测 主 要 是 利 用 X 射 线 穿 过 被 照 射 物 体 后 会 有 损 耗, 不 同 厚 度 不 同 物 质 对 它 们 的 吸 收 率 不 同, 把 底 片 放 在 被 照 射 物 体 的 另 一 侧, 射 线 能 使 胶 片 感 光 或 激 发 某 些 材 料 发 出 荧 光 射 线 在 穿 透 物 体 过 程 中 按 一 定 的 规 律 衰 减, 利 用 衰 减 程 度 与 射 线 感 光 或 激 发 荧 光 的 关 系 可 检 查 物 体 内 部 的 缺 陷 钢 结 构 检 测 时, 射 线 穿 过 材 料 到 达 底 片, 会 使 底 片 均 匀 感 光 ; 如 果 遇 到 裂 缝 洞 孔 以 及 气 泡 和 夹 渣 等 缺 陷, 将 会 在 底 片 上 显 示 出 暗 影 区 来 这 种 方 法 能 检 测 出 缺 陷 的 大 小 和 形 状, 还 能 测 定 材 料 的 厚 度 9

30 桥 梁 实 验 5 桥 梁 结 构 综 合 实 验 ( 一 ) 概 况 桥 梁 模 型 选 取 抚 顺 万 新 大 桥, 是 一 座 混 凝 土 自 锚 式 悬 索 桥 桥 位 所 在 地 是 属 于 烈 度 7, 结 构 按 8 度 设 防, 桥 住 处 的 地 情 况 为 表 层 0.5 mm ~.5 mm 的 麦 填 土, 其 T 是 为 卵 砾 砂 岩 压 碎 凝 质 岩 角 砾 岩 玄 武 岩 花 岗 岩 交 替 出 现, 岩 石 强 度 300~1500 kpa, 所 有 基 础 均 嵌 落 在 岩 石 上 地 基 状 况 良 好, 设 计 的 桥 基 为 扩 大 基 础 ( 二 ) 模 型 实 验 目 的 1. 通 过 模 型 实 验, 掌 握 桥 的 实 验 重 要 性, 能 比 较 合 理 的 设 计 造 型, 使 设 计 更 为 合 理 经 济 适 用. 通 过 实 验 使 学 生 掌 握 桥 梁 实 验 所 需 要 哪 些 机 械 仪 表, 同 时 通 过 实 验 对 各 种 机 械 仪 表 原 理 使 用 方 法 3. 通 过 模 型 实 验 测 试 和 实 验 分 析 对 学 生 今 后 搞 科 研 拉 工 程 都 是 不 可 缺 少 的 环 节 4 通 过 模 型 实 验, 了 解 桥 梁 结 构 动 力 特 性 ( 三 ) 实 验 用 的 仪 器 设 备 1. 手 持 应 变 仪. 千 分 表 测 应 变 3. 百 分 表 测 挠 度 和 位 移 加 荷 载 采 用 混 凝 土 块, 每 次 40 kg 60 kg 80 kg 分 别 测 出 手 持 应 变 仪 读 数 千 分 表 读 数 和 挠 度 读 数, 最 后 计 算 压 边 拉 边 千 分 表 测 出 应 变, 手 持 算 出 的 应 变 和 挠 度 等 4 动 载 实 验 测 试 系 统 ( 四 ) 模 型 实 验 内 容 1. 静 载 实 验 : (1) 测 出 荷 载 0 kg 40 kg 60 kg 80 kg 跨 中 挠 度 f c0 f c40 f c60 f c80 () 测 出 跨 中 边 距 在 0 kg 40 kg 60 kg 80 kg 应 变 ( 其 中 包 括 拉 边 和 压 边 ) (3) 测 出 踏 柱 纵 向 位 移 Δ l 30

31 (4) 测 出 塔 柱 低 部 变 截 面 处 应 变. 动 载 实 验 : (1) 动 载 特 性 实 验 测 定 a. 主 振 源 法 b. 动 荷 特 性 法 1 直 接 法 间 接 法 3 比 较 法 () 结 构 动 力 特 性 实 验 测 定 a. 自 由 振 动 法 b. 共 振 法 c. 脉 动 法 1 主 谐 量 法 统 计 法 3 频 谱 分 析 法 (3) 结 构 动 力 反 映 实 验 测 定 a. 结 构 特 定 部 位 参 数 测 定 法 b. 结 构 振 动 变 位 图 法 c. 结 构 振 动 系 数 实 验 测 定 法 d. 强 度 观 测 法 f. 地 震 模 拟 实 验 法 (4) 动 载 实 验 的 资 料 整 理 和 分 析 a. 记 录 图 的 分 析 和 处 理 ( 记 录 图 分 析 谐 量 分 析 荷 化 分 析 ) b. 在 动 荷 作 用 下 结 构 性 能 的 确 定 ( 五 ) 静 载 实 验 方 法 1. 采 用 静 态 加 荷 方 法, 每 级 0 kg 40 kg 60 kg 80 kg. 用 百 分 表 或 千 分 表 测 出 相 应 挠 度 f c0 f c40 f c60 f c80 3. 本 次 实 验 用 静 态 机 械 仪 表 和 静 电 测 仪 表 测 量 4. 测 本 桥 相 应 荷 载 时 跨 中 最 大 拉 应 变 和 压 应 变 ( 六 ) 动 载 实 验 方 法 1. 自 由 振 动 法 用 锤 击 桥 梁 部 分, 在 记 录 器 上 出 现 波 型 大 致 有 四 种 波 型 : 31

32 . 共 振 法 采 用 共 振 激 振 器 对 结 构 施 加 共 振, 来 达 到 观 测 结 构 自 振 性 质 对 于 一 般 的 动 力 问 题 了 解 第 一 固 有 频 率 即 为 基 振 是 重 要 的 但 对 复 杂 的 动 力 问 题 还 要 知 道 第 二 次 共 振 第 三 次 共 振 的 频 率 等 3. 脉 动 法 3

33 a. 主 谐 量 法 分 析 建 筑 物 固 有 频 率 的 谐 量 是 脉 动 里 最 主 要 成 分 在 脉 动 图 上 可 以 测 量 出 来 凡 是 振 幅 大 波 动 光 滑 频 率 总 是 系 统 出 现 b. 统 计 法 分 析 当 弹 性 体 受 到 随 机 因 素 影 响, 所 以 产 生 的 振 动 必 定 是 仅 由 振 动 与 强 度 的 叠 加 c. 频 谱 分 析 将 建 筑 物 脉 动 图 看 成 各 种 频 率 的 谐 量 合 成 结 果 而 建 筑 物 固 有 频 率 的 谐 量 和 脉 动 源 卓 越 频 率 处 谐 量 为 其 它 成 分 为 此 用 傅 立 叶 级 数 方 法 将 脉 动 分 解 并 做 出 频 谱 图 在 频 谱 图 上, 建 筑 物 固 有 频 率 处 和 脉 动 源 卓 越 频 率 处 必 然 出 现 突 出 一 般 基 频 更 为 突 出, 而 二 频 三 频 有 时 也 能 明 显 4. 自 由 振 动 法 用 锤 击 桥 梁 部 分, 在 记 录 器 上 出 现 波 型 大 致 有 四 种 波 型 : 5. 共 振 法 33

34 采 用 共 振 激 振 器 对 结 构 施 加 共 振, 来 达 到 观 测 结 构 自 振 性 质 对 于 一 般 的 动 力 问 题 了 解 第 一 固 有 频 率 即 为 基 振 是 重 要 的 但 对 复 杂 的 动 力 问 题 还 要 知 道 第 二 次 共 振 第 三 次 共 振 的 频 率 等 6. 脉 动 法 a. 主 谐 量 法 分 析 建 筑 物 固 有 频 率 的 谐 量 是 脉 动 里 最 主 要 成 分 在 脉 动 图 上 可 以 测 量 出 来 凡 是 振 幅 大 波 动 光 滑 频 率 总 是 系 统 出 现 b. 统 计 法 分 析 当 弹 性 体 受 到 随 机 因 素 影 响, 所 以 产 生 的 振 动 必 定 是 仅 由 振 动 与 强 度 的 叠 加 c. 频 谱 分 析 将 建 筑 物 脉 动 图 看 成 各 种 频 率 的 谐 量 合 成 结 果 而 建 筑 物 固 有 频 率 的 谐 量 和 脉 动 源 卓 越 频 率 处 谐 量 为 其 它 成 分 为 此 用 傅 立 叶 级 数 方 法 将 脉 动 分 解 并 做 出 频 谱 图 在 频 谱 图 上, 建 筑 物 固 有 频 率 处 和 脉 动 源 卓 越 频 率 处 必 然 出 现 突 出 一 般 基 频 更 为 突 出, 而 二 频 三 频 有 时 也 能 明 显 34

35 ( 六 ) 结 果 分 析 1. 理 论 中 计 算 出 各 跨 中 最 大 拉 应 变 和 压 应 变 与 实 测 法 相 对 比 找 出 相 应 误 差 分 析 产 生 原 因. 对 跨 中 挠 度 ( 理 论 计 算 值 与 实 测 挠 度 ) 对 比 找 出 误 差, 对 比 误 差 产 生 原 因 3. 对 塔 架 水 平 位 移 和 塔 基 产 生 最 大 应 变 ( 理 论 与 实 测 ) 对 比 找 出 误 差, 分 析 误 差 原 因 4. 分 析 结 构 动 力 特 性, 基 频 阻 尼 比 振 型 35

36 桥 梁 实 验 6 桥 梁 结 构 新 技 术 实 验 一 振 动 台 试 验 ( 一 ) 振 动 台 及 其 分 类 能 够 在 试 验 室 中 人 为 地 产 生 各 种 振 动 的 设 备, 统 称 为 振 动 台 或 激 振 器 振 动 台 按 照 其 能 量 获 得 的 形 式 分 : 电 动 振 动 台 机 械 式 振 动 台 和 液 压 振 动 台 按 模 拟 等 效 振 动 条 件 分 : 正 弦 振 动 台 和 随 机 振 动 台 按 振 动 的 轴 向 力 分 : 单 向 振 动 台 和 多 向 振 动 台 目 前, 我 国 振 动 台 制 造 商 已 生 产 了 大 量 的 单 向 ( 或 两 向 单 动 ) 正 弦 振 动 台 和 随 机 振 动 台, 并 以 电 动 台 和 机 械 台 居 多, 对 于 多 向 振 动 台 和 多 台 面 同 步 试 验 台 正 在 研 制 之 中, 相 信 经 过 若 干 年 后 将 会 出 现 更 先 进 的 振 动 台 如 前 所 述, 振 动 台 按 其 能 量 获 得 的 形 式 分 : 电 动 式 机 械 式 及 液 压 式 三 种 由 于 其 工 作 原 理 不 同, 结 构 形 式 不 一 样, 因 此 它 们 具 有 各 自 的 特 点, 现 列 表 如 下 : 表 1 电 动 台 液 压 台 机 械 台 频 率 范 围 几 Hz~ 几 KHz 0~ 几 百 Hz ( 低 几 Hz~100Hz ( 高 中 频 ) 注 频 超 低 频 ) ( 低 频 ) 激 振 力 较 大 大 大 振 幅 较 大 大 较 大 波 形 好 较 好 差 负 载 能 力 一 般 大 较 大 控 制 方 便 方 便 不 方 便 造 价 贵 贵 低 廉 注 : 振 动 台 上 高 中 低 频 与 通 常 的 电 子 控 制 频 率 划 分 不 一 样 : 习 惯 上 把 频 率 低 于 1 赫 兹 的 振 动 台 称 为 超 低 频 振 动 台, 而 频 率 从 几 赫 兹 到 几 千 赫 兹 ( 如 5000Hz) 称 为 中 频 台, 而 频 率 高 于 几 千 赫 兹 的 ( 例 如 5000Hz 以 上 ) 称 为 高 频 台 可 见, 电 动 振 动 台 的 特 点 是, 频 率 高 波 形 好 振 幅 小 控 制 方 便 液 压 振 动 台 的 特 点 是 : 超 低 频 大 推 力 大 负 载 控 制 方 便 机 械 式 振 动 台 的 特 点 是 : 低 频 率 大 负 载 波 形 差 但 造 价 低 工 程 试 验 所 应 根 据 它 们 的 不 同 特 点 合 理 地 选 用 振 动 台 除 了 上 述 三 种 形 式 振 36

37 动 台 以 外, 还 有 压 电 式 振 动 台 电 磁 振 动 台 磁 致 伸 缩 振 动 台, 但 实 际 使 用 很 少 ( 二 ) 振 动 台 的 主 要 用 途 振 动 台 的 用 途 很 广 泛, 但 归 结 起 来 大 致 有 以 下 几 个 方 面 (1) 产 品 构 件 材 料 的 耐 振 疲 劳 试 验 ; () 环 境 例 行 振 动 试 验 : 包 括 检 测 产 品 或 构 件 的 共 振 频 率, 模 拟 产 品 或 构 件 在 实 际 使 用 中 遭 受 的 振 动, 以 便 提 高 其 可 靠 性 (3) 动 态 特 性 试 验 : 测 试 构 件 或 材 料 对 振 动 的 物 理 效 应 ( 如 应 力 变 化 等 ) 为 设 计 提 供 可 靠 数 据 (4) 对 各 类 传 感 器 ( 例 如 加 速 度 计 速 度 计 位 移 计 等 ) 进 行 标 定, 当 然 振 动 台 的 用 途 远 不 止 这 些, 例 如 利 用 振 动 也 可 对 大 型 铸 件 和 大 件 消 除 应 力 代 替 回 火 和 时 效 处 理 等 ( 三 ) 振 动 台 的 命 名 和 主 参 数 系 列 如 前 所 述, 振 动 台 主 要 分 电 动 式 液 压 式 和 机 械 式 三 种 根 据 我 国 专 业 标 准 JB631-79, 电 动 台 及 液 压 台 以 激 振 力 大 小 作 为 主 参 数 并 分 别 用 拼 音 字 母 D( 电 动 台 ) 及 E( 液 压 台 ) 来 表 示 而 机 械 台 则 以 负 载 能 力 的 大 小 作 为 主 参 数 系 列, 并 用 拼 音 字 母 J( 机 械 台 ) 来 表 示 对 于 冲 击 试 验 台 和 碰 撞 试 验 台 也 以 负 载 能 力 作 为 主 参 数, 并 分 别 用 C( 冲 击 试 验 台 ) 和 P( 碰 撞 试 验 台 ) 表 示, 如 D-1000: 表 示 激 振 力 为 1000 公 斤 力 的 电 动 式 振 动 台 E-000: 表 示 激 振 力 为 000 公 斤 力 的 液 压 式 振 动 台 J-5: 表 示 负 载 能 力 为 5 公 斤 的 机 械 振 动 台 P-100: 表 示 负 载 能 力 为 100 公 斤 的 碰 撞 试 验 台 ( 四 ) 振 动 台 介 绍 水 平 向 地 震 台 属 于 在 实 验 室 内 再 现 地 震 试 验 或 其 它 波 形 试 验 装 置 通 常 采 用 电 液 伺 服 驱 动 方 式 能 够 获 得 满 意 效 果, 该 系 统 由 下 列 单 元 组 成, 地 震 台 台 体 机 架 台 面 导 轨 系 统 ( 机 械 线 性 导 轨 ) 水 平 激 振 系 统 伺 服 液 压 油 源 冷 却 系 统 油 分 配 器 及 管 道, 数 字 伺 服 控 制 及 数 字 波 形 再 现 系 统, 安 全 保 护 系 统, 电 力 给 水 供 给 系 统 等 37

38 主 要 指 标 1. 运 动 自 由 度 : 水 平 单 向. 台 面 尺 寸 : 1.5m 1.5m 3. 台 面 载 重 : 荷 载 =10T( 含 台 面 自 重 ) 4. 水 平 推 力 00KN 5. 振 动 频 率 : 0.1~0HZ 6. 台 面 加 速 度 :5Hz 时 达 到.0g 7. 最 大 速 度 : 330mm/s 8. 水 平 位 移 : 300mm(±150mm) 9. 控 制 模 式 : 三 参 量 微 机 数 字 控 制 10. 波 形 : 正 弦 三 角 地 震 随 机 波 11. 导 轨 型 式 : 线 性 导 轨 总 成 系 统 组 成 该 系 统 由 下 列 部 分 组 成 : 振 动 台 基 础 台 面 水 平 激 振 系 统 液 压 源 冷 却 系 统 水 平 线 性 导 轨 输 入 装 置 振 动 测 量 系 统 数 字 伺 服 控 制 及 数 字 波 形 再 现 系 统 安 全 保 护 系 统 电 力 供 给 及 软 件 系 统 m 1.5m 台 面 :1 台. 水 平 激 振 器 1 台 :(X 向 ) 3. 线 性 导 轨 件 :4 台 4. 底 座 :1 台 5. 反 力 架 :1 套 6. 安 全 保 护 限 位 装 置 :1 套 7. 油 分 配 器 :1 台 8. 各 种 管 道 :1 套 ( 硬 管 和 高 压 软 管 ) L/ minp=31.5 伺 服 阀 ( 美 国 Moog):1 台 11. 加 速 度 计 :1 只 1. 关 节 球 轴 节 ( 国 产 ):1 套 13. 位 移 传 感 器 :1 只, 量 程 :300mm 精 度 : 0.% 14. 数 字 伺 服 控 制 及 数 字 波 形 再 现 系 统,1 套 工 作 原 理 地 震 波 或 其 它 波 形 信 号, 由 波 形 再 现 系 统 提 供 并 处 理, 通 过 伺 服 控 制 系 统, 发 送 38

39 给 地 震 台 ; 伺 服 控 制 系 统 可 以 看 作 是 一 个 随 动 系 统, 当 接 收 到 地 震 波 信 号 后, 将 按 预 定 的 波 形 使 地 震 台 产 生 振 动 最 后, 利 用 地 震 台 面 上 安 装 的 位 移 传 感 器 加 速 度 传 感 器, 将 测 量 的 位 移 加 速 度 信 号 进 行 反 馈 迭 代, 而 最 终 获 得 满 意 的 控 制 精 度 伺 服 控 制 伺 服 控 制 作 为 地 震 台 的 核 心 控 制 部 件, 控 制 地 震 台 的 启 停 信 号 发 生 系 统 保 护 等 功 能 通 过 位 移 闭 环 控 制, 实 现 地 震 台 的 闭 环 控 制 参 数 设 置 打 开 伺 服 控 制 软 件, 首 先 打 击 参 数 设 置 按 钮, 将 弹 出 参 数 设 置 对 话 框, 系 统 控 制 参 数, 分 别 包 括 试 验 信 息 系 统 采 样 频 率 滤 波 截 止 频 率 控 制 参 数 即 PID 参 数 传 感 器 灵 敏 度 以 及 系 统 安 全 参 数 这 里 所 有 参 数 均 为 系 统 默 认 参 数, 一 般 情 况 不 需 要 用 户 修 改 其 中 设 置 的 参 数 分 别 如 下 : 采 样 频 率 :500Hz; 截 止 频 率 :160Hz; PID 控 制 参 数 :P 0.9;I 0.00;D 0.0; 通 道 定 义 即 传 感 器 灵 敏 度 : 0 通 道 为 台 位 移, 灵 敏 度 :13.1mv/mm; 1 通 道 为 台 加 速 度, 灵 敏 度 :3.5mv/m/s; 通 道 为 驱 动 信 号 ; 3 通 道 为 外 部 信 号, 灵 敏 度 :80mv/mm; 4 通 道 为 阀 位 移 信 号 ; 6 通 道 为 载 荷 信 号, 灵 敏 度 为 0mv/KN; 7 通 道 为 测 量 1 安 全 参 数 包 括 如 下 : 报 警 位 移 :10mm( 单 峰 ), 报 警 加 速 度 :0m/s; 停 机 位 移 :150mm( 单 峰 ), 停 机 加 速 度 :50m/s; 停 机 驱 动 电 压 :9v 系 统 闭 环 当 参 数 设 置 完 成 后, 直 接 点 击 系 统 闭 环 按 钮, 伺 服 控 制 系 统 将 进 入 位 移 闭 环 控 制 程 序 此 时 地 震 台 将 处 于 受 控 状 态 39

40 地 震 台 工 作 位 调 节 在 进 入 伺 服 控 制 闭 环 后, 可 以 通 过 设 置 台 工 作 位, 任 意 调 整 地 震 台 的 工 作 位, 台 位 置 限 制 在 ±150mm 以 内, 通 过 改 变 台 工 作 位, 地 震 台 将 会 平 稳 移 动 信 号 发 生 器 地 震 台 可 以 进 行 信 号 发 生, 首 先 设 置 信 号 类 型 ( 正 弦 方 波 三 角 波 锯 齿 波 高 斯 随 机 噪 声 以 及 地 震 波 等 ), 信 号 频 率 和 信 号 幅 值, 其 量 纲 均 为 位 移 设 置 好 信 号 类 型 后, 点 击 工 具 栏 开 始 按 钮 将 可 进 行 信 号 发 生 功 能, 点 击 停 止 按 钮 将 会 停 止 信 号 发 生 信 号 频 域 分 析 窗 点 击 工 具 栏 中 的 频 域 分 析 窗 按 钮, 将 会 弹 出 频 域 分 析 窗, 可 以 实 时 的 显 示 各 个 信 号 的 频 谱 地 震 控 制 当 点 击 面 板 上 的 地 震 控 制 按 钮 将 会 弹 出 地 震 波 再 现 控 制 软 件 窗 口 此 时 将 可 以 进 入 波 形 再 现 控 制 程 序, 进 行 地 震 波 再 现 控 制 实 验 二 疲 劳 实 验 ( 一 ) 疲 劳 实 验 189 年 德 国 人 阿 尔 贝 特 (J.Albert) 为 解 决 矿 山 卷 扬 机 服 役 过 程 中 钢 索 经 常 发 生 突 然 断 裂, 首 先 以 10 次 / 分 的 频 率 进 行 疲 劳 试 验 年 德 国 人 沃 勒 (A.Whler) 为 研 究 机 车 车 辆 开 始 以 15 次 / 分 的 频 率 对 车 辆 部 件 进 行 拉 伸 疲 劳 试 验, 以 后 又 用 试 样 以 7 次 / 分 的 频 率 在 旋 转 弯 曲 疲 劳 试 验 机 进 行 旋 转 弯 曲 疲 劳 试 验, 他 的 功 绩 是 指 出 一 些 金 属 存 在 疲 劳 极 限, 并 将 疲 劳 试 验 结 果 绘 成 应 力 与 循 环 周 次 关 系 的 - 曲 线, 又 称 为 Whler 曲 线 1849 年 英 国 人 古 德 曼 (J.Goodman) 首 先 考 虑 了 平 均 应 力 不 为 零 时 非 对 称 载 荷 下 的 疲 劳 问 题 并 提 出 耐 久 图, 为 金 属 制 件 的 寿 命 估 算 和 安 全 可 靠 服 役 奠 定 理 论 基 础 1946 年 德 国 人 魏 布 尔 (W.Weibull) 对 大 量 疲 劳 试 验 数 据 进 行 统 计 分 析 研 究, 提 出 对 数 疲 劳 寿 命 一 般 符 合 正 态 分 布 ( 高 斯 分 布 ), 阐 明 疲 劳 测 试 技 术 中 应 采 用 数 理 统 计 60 年 代 初, 从 断 裂 力 学 观 点 分 析 金 属 疲 劳 问 题, 进 一 步 扩 大 了 疲 劳 研 究 内 容 近 年 来, 由 于 电 液 伺 服 闭 环 控 制 疲 劳 试 验 机 的 出 现 以 及 近 代 无 损 40

41 检 验 技 术 现 代 化 仪 器 仪 表 等 新 技 术 的 采 用, 促 进 了 金 属 疲 劳 测 试 技 术 的 发 展 今 后 应 着 重 各 种 不 同 条 件 ( 特 别 是 接 近 服 役 条 件 ) 下 金 属 及 其 制 件 的 疲 劳 测 试 技 术 的 研 究 试 验 种 类 和 判 据 金 属 疲 劳 试 验 种 类 很 多, 通 常 可 分 为 高 周 疲 劳 低 周 疲 劳 热 疲 劳 冲 击 疲 劳 腐 蚀 疲 劳 接 触 疲 劳 声 致 疲 劳 真 空 疲 劳 高 温 疲 劳 常 温 疲 劳 低 温 疲 劳 旋 转 弯 曲 疲 劳 平 面 弯 曲 疲 劳 轴 向 加 载 疲 劳 扭 转 疲 劳 复 合 应 力 疲 劳 等 应 根 据 金 属 制 件 的 服 役 ( 工 作 ) 条 件 来 选 择 适 宜 的 疲 劳 试 验 方 法, 测 试 条 件 要 尽 量 接 近 服 役 条 件 进 行 金 属 疲 劳 试 验 的 目 的 在 于 测 定 金 属 的 疲 劳 强 度 ( 抗 力 ), 由 于 试 验 条 件 不 同, 表 征 金 属 疲 劳 强 度 的 判 据 ( 指 标 ) 也 不 一 样 ( 二 ) 疲 劳 试 验 机 功 能 用 途 : 电 液 伺 服 疲 劳 试 验 机 主 要 用 于 金 属 及 非 金 属 等 各 种 材 料 结 构 疲 劳 试 验, 进 行 转 疲 劳 耐 久 性 试 验, 完 成 材 的 在 不 同 坏 境 下 的 力 学 测 试 依 据 标 准 : 符 合 GB/T611 试 验 机 通 用 技 术 要 求 JB/T9370 扭 转 试 验 机 技 术 条 件 GB1018 金 属 室 温 扭 转 试 验 方 法 等 标 准 要 求 性 能 特 点 : 1 采 用 电 液 伺 服 和 液 压 摆 动 马 达 驱 动 技 术 ; 采 用 卧 式 落 地 结 构 动 态 稳 定 性 好, 试 验 台 上 下 件 方 便, 随 意, 安 全 可 靠 ; 3 不 同 试 验 所 需 参 数 一 扭 矩, 频 率, 转 角 等 可 通 过 计 算 机 屏 幕 设 定 显 示, 试 验 的 进 程 情 况 也 可 以 随 时 调 用 和 查 询 ; 4 试 验 软 件 可 在 Windows000/xp 系 统 下 操 作, 微 机 系 统 可 以 完 成 试 验 设 定, 工 作 状 态 控 制, 数 据 采 集, 运 算 处 理 显 示 并 打 印 试 验 结 果 ; 5 安 全 保 护 : 发 生 从 动 盘 总 成 破 坏, 工 装 断 裂 及 设 备 故 障 时, 自 动 停 止 试 验 并 报 警, 在 自 动 控 制 试 验 过 程 中, 试 验 机 具 有 超 载 超 压 越 温 试 件 断 裂 等 保 护 功 能 工 作 条 件 : 1 环 境 温 度 :10-35 ; 相 对 湿 度 : 85%; 41

42 3 电 源 : 三 相 五 线 制,50HZ, 电 源 波 动 ±10%; 4 在 稳 固 的 基 础 上 安 装, 试 验 机 水 平 度 :0./1000; 地 面 基 础 承 载 能 力 :3 倍 设 备 重 量 ; 5 试 验 室 无 振 动, 无 腐 蚀 性 介 质 和 无 强 磁 场 干 扰 ; 6 试 验 室 应 配 备 一 定 数 量 的 46 # 抗 磨 液 压 油 和 循 环 无 沉 淀 冷 却 水 技 术 参 数 : 规 格 型 号 R-9003NZ R-9005NZ R-9010NZ R-900NZ R-9050NZ R-9100NZ 最 大 扭 矩 测 量 准 确 度 动 态 (N.m) ±300 ±500 ±1000 ±000 ±5000 ±10000 静 态 (N.m) 扭 矩 优 于 示 值 的 ±0.5% ( 静 态 ) 优 于 示 值 的 ±1.0% ( 动 态 ) 扭 角 优 于 示 值 的 ±0.5% ( 静 态 ) 优 于 示 值 的 ±1.0% ( 动 态 ) 速 度 优 于 示 值 的 ±1.0% 扭 角 分 辨 率 ( 0 ) 0.1 动 态 试 验 试 验 频 率 (Hz) 试 验 摆 角 试 验 波 形 0.1~50( 最 高 可 达 100Hz) 根 据 液 压 伺 服 泵 站 排 量 确 定 频 率 和 摆 角 正 弦 波 三 角 波 梯 形 波 等 摆 动 角 度 ( 0 ) ±45(±90) 机 械 参 数 夹 头 间 间 距 (mm) 夹 持 试 样 尺 寸 (mm) 试 验 方 向 : 控 制 方 式 试 验 软 件 正 反 向 试 验 扭 矩 角 度 全 数 字 闭 环 控 制, 控 制 方 式 相 互 转 换 无 冲 击 采 用 Windows 中 文 环 境 下 工 作, 试 验 过 程 全 部 纳 入 计 算 机 控 制 备 注 :REGER 保 留 机 型 升 级 的 权 利, 更 新 后 恕 不 另 行 通 知, 请 在 咨 询 时 问 清 详 细 情 况 基 本 配 置 : 1 试 验 机 主 机 机 架 1 台 液 压 伺 服 泵 站 1 套 3 伺 服 作 动 器 总 成 1 套 4 测 控 系 统 1 套 5 工 控 机 1 台 6 HP 打 印 机 1 台 7 专 用 试 验 软 件 1 套 4