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結構試驗分析

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結構試驗分析,確定結構或構件在承受一定的靜力或動力荷載、溫度或約束作用時的應力和變位分佈規律的手段之一,根據試驗要求,通過對測試數據進行整理分析而求得結論。

1 結構試驗分析 -結構試驗分析

  試驗分析的作用  結構試驗分析與結構理論分析是對結構工作狀態取得完善認識的依據。結構模型和原型試驗分析在下列諸方面起著重要作用:①建立或驗證結構的數學分析模型和理論;②為結構設計提供依據;③建立或修正經驗公式;④確保施工安全和質量;⑤判斷結構的承載能力;⑥長期監視結構的工作性能;⑦建立或修訂工程結構設計及施工規範的有關條款。
  試驗分析的內容  結構試驗的涉及面很廣,常按照靜力、動力及長期試驗分為三大類。
  靜力試驗分析 
  ① 原型結構靜力試驗分析。目的主要是審核結構設計、鑒定工程施工質量、確定結構的承載能力和探索結構計算理論等。主要分析內容有變位分析及內力分析,其結果應互相參照,綜合考慮。(a)變位分析。結構變位(包括線位移和角位移)是結構受載時的綜合反應,常以某些特定位置處的變位值衡量結構的整體工作性能。通過變位分析可判斷結構的剛度特性是否符合設計要求和使用規定,估計結構的承載潛力,確定結構的安全度。(b) 內力分析。測定結構各部位應力以了解結構受力狀態。在對結構理論、製造、安裝、施工已有深入了解的基礎上分析影響受力的各種因素,判斷結構的整體或局部構件的工作狀態是否良好,指出設計、施工方面可能存在的問題,估計其對結構物的影響。
  ② 模型結構靜力試驗分析。模型結構試驗常涉及到驗證結構理論,建立結構的數學分析模型,以及在原型結構試驗中所不易解決的諸如結構穩定、結構破壞等問題。無論是整體結構或局部結構的模型試驗,除了變位及內力分析外,還要結合模型試驗的特點,進行下列內容的分析:(a)模型製作工藝、支承狀態、安裝誤差、連接方式等模擬關係的完善程度及對試驗結果的影響;(b)模型製作材料性能的影響;(c)對於研究結構的穩定和空間作用的模型試驗,應當針對外力作用體系(包括施力點、力的方向和外力等級),結構的約束條件以及結構的連接狀態這些在試驗中十分敏感的問題,分析其與原型結構的吻合程度,以得出正確結論;(d)對於結構破壞試驗,應根據結構的應變、應力、變位的變化過程,考慮到材料非彈性階段的特性,分析結構體系中導致破壞的薄弱環節,以正確估計原型結構的最大承載能力;(e)對於結構局部構件受力狀態的大型局部構件模型試驗,應重點分析其邊界條件是否與原型結構相符。
  動力試驗分析 
  ① 原型結構動力試驗分析。其內容是:施加於結構的動力產生的機理,結構的動態特性,動力的各種因素對結構的影響,結構變位及內力的動力係數和動態響應的規律,確定有利於結構運動狀態的使用條件,擬定合宜的措施使結構不致發生較大的動力影響,積累數據以改進結構設計。
  ② 模型結構動力試驗分析。其內容是通過對模型動態響應規律的分析驗證理論,為擬建的結構選擇合理的結構形式,為既有結構的合理使用提供必要的建議。斜張橋1/160全模型風洞試驗(見彩圖)。
結構試驗分析結構試驗分析
  動力試驗分析的主要項目和方法包括:(a)結構振動頻率分析,分析結構的自然振動頻率,從頻率角度分析結構形式、結構剛度特性對動態響應的影響;(b)結構阻尼特性分析,實際上結構在運動過程中能量損耗的機理很難正確估計,常根據直接測試結果的分析。常用的分析方法有自由振動衰減法、共振放大法以及半功率(帶寬)法等,可根據試驗條件選擇。正確的阻尼分析有助於結構振動理論的實際應用;(c)結構的振型分析,根據振型坐標分析結構的動態響應;(d)非隨機荷載試驗分析,用確定性分析方法分析相應於非隨機荷載時程的變位-時間過程,結構的其他反應(如內力)則可通過變位反應求得;(e)隨機荷載試驗分析;(f)非線性結構試驗分析。
  長期結構試驗分析  其目的在於及時掌握結構性能變化的動態,以採取有利於結構的安全措施,同時為結構的設計、施工、維護和耐久性預測提供依據。分析的項目有:①各測試數值隨時間變化的過程;②各測試數值在各測試周期中同一時間的變化規律;③根據同一時間測得的數據分析各種因素影響的分量值,並與理論分析值或標準值進行比較;④分析同一因素的測量值在不同時間的變化規律;⑤分析結構動力特性的變化規律。
  電子計算機在結構試驗分析中的應用  從60年代末以來,由於小型、微型計算機得到日益廣泛的應用,為複雜的結構試驗數據,特別是結構振動波形的處理分析提供了有利條件。目前,已有多種配有數據處理的程序計算機,也出現了各種帶有微處理機的數據處理專用設備,進行從原始數據的採集到結果數據的輸出,其中包括應力和力的分析、變位、影響係數、特徵頻率和模態等各項分析。由於數據處理速度的不斷提高,有可能對結構試驗的結果進行實時處理,因此,在進行試驗分析的同時,又可對試驗的進程進行控制和監視。
  結構試驗分析結果  結構試驗的測試數據經過整理分析,應當用列表、圖示或經驗公式配以適當的理論推導和論證,表達分析的內容、過程和結論。完善的試驗分析報告應當是數據取捨合理、分析思路明確、理論探討周密嚴謹、分析結論簡明正確,並對分析結果的適用範圍提出恰當的建議。

 

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