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1、高等结构试验课程概述摘要：本文分六章简述了研究生高等结构试验课程的主要内容，包括结构试验设计，结构模型设计，结构抗震试验，结构风洞试验，桥梁结构动静载试验以及课程总结。在每章最后列举了12个实例进行了简短说明。 关键词：高等结构试验 试验设计 Summary of Advanced Structural Test Abstract： In this paper，the content of Advanced Structural Test is summarized，including structural test design，structural model design， struct

2、ural seismic-resistant test，structural wind tunnel test，bridge dynamical and statical load test.some tests are took for example to expound the content of Structural Test. Keywords： Advanced Structural Test；test design引言土木工程结构试验是土木工程专业的一门专业技术课程，是通过实验手段量测结构的实际工作性能。它是一门实践性很强的课程，以试验方式测定结构在各种作用下的相关数据，由此反

3、映结构或构件的工作性能、承载能力和相应的安全度，以此为结构的安全使用和涉及理论的建立提供重要的依据。它与材料力学、结构力学、混凝土结构、砌体结构、钢结构、地基基础和桥梁结构等课程直接有关，并涉及物理学、机械与电子测量技术、数理统计分析等内容。因此，学好本课程除要求具备本专业的知识外，还应具有较广泛的技术知识。通过本课程的学习，可以获得土木工程结构试验方面的基础知识和基本技能，掌握一般工程结构试验规划设计、结构试验、工程检测和鉴定的方法，以及根据试验结果做出正确的分析和结论的能力，为今后从事科学研究和工程检测打下良好的基础。土木工程结构试验与检测是研究和发展结构计算理论的重要实践，从材料的力学性

4、能到验证由各种材料构成不同类型结构和构件的基本计算方法，以及近年来发展的大量大跨、超高、复杂结构的计算理论，都离不开试验研究。因此，土木工程结构试验在土木工程结构科学研究和技术革新方面起着重要的作用，与结构设计、施工及推动土木工程学科的发展有着密切的关系，已逐步形成一门相对独立的学科，并日益引起科研人员和工程技术人员的关注和重视。研究生阶段，在本科土木工程试验课程的基础上，对高等结构试验进一步学习，包括振动台试验、抗震试验、风洞试验等内容都是之前没有接触过的。在这里感谢熊老师的精彩讲授，课程内容充实，并且大量结合工程实例。自己在学习的过程中对试验方法及原理有了更进一步的认识。下面将是自己按照自

5、身的理解对本次课程的综述，本次课程分为六章，以章节为文章结构，对主要内容进行说明。第一章 结构试验设计1.1 主要内容 结构试验过程分为结构试验设计、试验准备、试验实施和试验分析四个阶段，其中试验设计是结构试验成功与否的关键环节。本章主要是介绍其中结构试验设计这一环节，试验设计包括试件设计、荷载设计、观测设计、误差控制、安全措施。 （1）试件设计 试件可以是原型的全部或部分。设计时，突出研究问题的主要因素，忽略次要因素。试件形状、尺寸、数量和构造，同时满足结构和受力的边界条件要求，其中试件尺寸受到尺寸效应、构造要求、试验设备和经费条件等因素的制约。一般情况，研究性试验采用缩尺模型。研究局部：

6、1/41，研究整体结构：1/101/2。鉴定性：选用原型构件，如屋架、吊车梁和屋面板。试件数量由研究问题的影响因素个数A（分析因子）和每个因素的变化数B（水平数）确定，共需个试件，同时利用正交性试验设计可以减少试件的数量。 （2）荷载设计 荷载设计主要包括试件就位形式、荷载图式、荷载装置及加载制度的设计等。其中试件就位形式有正位试验，异位试验，卧位试验和原位试验。荷载装置应该具有足够的强度储备，足够的刚度，应满足试件的边界条件和受力变形的真实状态，不产生卸荷和约束作用，并且应注意减小支承点摩擦力对试件的影响。加载制度分为三部分：预载、 标准荷载（正常使用荷载）和破坏荷载。 （3）观测设计 观测

7、设计主要包括观测项目、确定测点部位与数目、选择测试仪器设备等。其中试验目的观测项目测点布置测量仪器，观测项目又分为静力试验的观测项目和动力试验的项目，测点数量在满足试验要求的前提下，宜少不宜多。测某一部位的最值：1-3点（最大挠度、应力）；测分布规律不少于五点（如挠曲线、截面应力分布），测点位置要具有代表性，方便安全。 （4）误差控制试件制作误差：严格制作，试验前后测量试件有关尺寸，采用试件的实测尺寸进行理论计算。材料性能误差：试件制作时预留材料试样，测量其力学性能，计算时采用实测材料强度。试验装置误差：不能模拟边界，加载对试件产生约束或卸载。杠杆比例太大使杠杆倾斜产生水平分力，分配梁比例过大

8、和滚动支座设置不当。试件安装误差：支座位置、荷载作用点、支座约束条件。严格与设计相符。仪器误差：仪器安装、使用不当误差和以其本身的量测误差。严格按仪器操作规程使用仪器，测量前后进行系统标定减少误差。试验方法非标准误差：砼试块的尺寸和加载速率，尺寸效应的影响。按有关标准的要求进行试验。 （5）安全措施试件安装要注意吊点的设置，防止开裂与倾覆。荷载装置应有足够安全储备，以防加载装置破坏。严格遵守设备的操作规程使用加载设备。增设保护措施，防止试件失稳和倒塌。设置安全托架和支墩垫块，防止试件破坏时所加荷载或杠杆等随试件一起塌下。附着式机械仪表应设保护装置，防止试件破坏时损害仪表。试验进入破坏阶段时，应

9、采取特别防护措施，防止碎块、钢筋飞出，危及人身和仪器设备的安全。1.2实例【1】该实例选取于地震工程与工程振动第31卷第2期一篇名叫钢混凝土高层结构抗震性能振动台试验研究的文章，该文介绍了广州天誉大厦结构的动力特性和在地震作用下的动力反应，并评介了其抗震性能。广州天誉大厦采用型钢混凝土框架钢筋混凝土筒体的混合结构体系，地面以上结构采用抗震缝兼伸缩缝分隔为南、北塔两个独立结构体系，南塔高186. 5 m，北塔高159.5 m。两塔的核心筒总宽度与核心筒总高的比值均超出了规范限值。为研究这种超限高层混合结构的抗震性能，对其进行了缩尺(1/30)模型的振动台试验，并建立了有限元计算模型进行计算分析，

10、研究连接构件的抗震可靠性、抗侧力结构在地震作用下的动力特性和动力反应，评价整体结构抗震安全性。试验和计算结果均表明，该结构体系具有足够的水平刚度，总体上满足初步设计目标的抗震设防要求。但在罕遇地震作用下，南、北塔之间的相对位移和层间位移角偏大，南、北塔发生碰撞，建议设计时应适当增大两塔之间的间距或采用消能防撞措施。（1）试验简介根据7度抗震设防及类场地要求，选用两条人工波和两条真实强震记录(ElCentro波、Taft波)作为振动台输入的台面激励。水平加速度峰值和持续时间分别按相似系数进行调整。分别进行7度小震、中震、大震的单向、双向、三向的34个工况的试验。在不同水准地震动输入前后，均对模型

11、进行白噪声扫频，测量结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特征参数的变化情况。用丹麦产4381V型电荷加速度计配合NEXUS 2692-014电荷放大器测量加速度和位移。沿结构高度布置了97个加速度/位移测点及7个激光位移传感器测点。应变测点布置在重点观测的剪力墙、柱等杆件上，如底层柱底、二层柱顶、剪力墙与钢梁节点部位等。根据采集的地震反应数据及观察到的模型结构破坏情况，分析推断原型结构的地震反应及其综合抗震性能。试验完成后采用有限元软件ETABS建立了试验模型的三维有限元计算模型，进行了模态分析和地震反应时程分析，与试验结果进行了对比分析。（2）试验结果与分析通过对广州天誉大厦双塔结构整体模型模

12、拟地震振动台试验和有限元时程分析，基本结论如下：1）将试验测得的模型结构各阶频率与ETABS计算的结构各阶频率进行比较可见，实测频率和ETABS计算频率基本一致，模型试验真实地反映了原型结构的动力特性。2）随着地震作用强度的增加，模型结构的各阶频率呈下降趋势。阻尼呈增加趋势，表明结构逐步进入弹塑性状态。从频率和阻尼的变化来看，北塔在地震作用下的损伤比南塔严重。3）在多水准地震作用下，南塔与北塔最大加速度反应的变化规律基本相同，最大值发生在结构顶层，顶部有一定的鞭端效应。加速度放大系数在小震和中震时基本上在3左右。大震时由于塔楼之间发生碰撞，加速度放大系数有较大增加。4）在多水准地震作用下，结构

13、相对位移最大值也发生在结构顶层。最大相对位移自下而上基本上呈倒三角形分布，结构变形均匀。5）在罕遇地震作用下，层间位移角均偏大。北塔层间位移角最大值为1/71，南塔层间位移角最大值为1/87。6）两栋塔楼的扭转效应均不明显。两栋塔楼之间相对位移最大值主要出现在北塔楼顶层(第43层)，在罕遇地震作用下，两栋塔楼之间的碰撞严重，北塔顶部部分型钢混凝土柱损坏。7）模型结构在四种地震动作用下，经历多遇地震、设防烈度地震、罕遇地震作用，由试验宏观现象和实测数据分析表明，结构总体上满足初步设计目标的抗震设防要求。但在罕遇地震作用下，南塔与北塔之间相对位移和层间位移角偏大，南塔与北塔发生碰撞，建议设计时增大

14、塔楼之间的间距或采用消能防撞措施。第二章 结构模型设计2.1 主要内容结构试验对象绝大多数是结构模型，它是按照原型的整体、部件或构件复制的试验代表物，而且较多地采用缩小比例的模型。试验模型分为缩尺模型和相似模型。缩尺模型是按缩小比例复制原型结构。相似模型是按缩小比例复制原型结构的同时，要求满足荷载、材料等相似。试验数据根据相似条件直接应用原型结构。（1）方程式法 静力试验模型相似条件：模型设计时，首先选择模型材料即确定SE；根据试验目的和试验条件确定模型大小即确定 SL；再根据相似条件确定其他相似常数。 动力试验模型的相似条件：对于动力模型，还要求初始条件相似。 （2）量纲分析法 根据描述物理

15、过程的物理量的量纲和谐原理（在物理方程中，等号两边的量纲必须相同或具有相同量纲的量才能加减），寻求物理过程中个物理量间的关系而建立相似条件的方法。 首先列出研究问题的主要影响因素，再用一般函数表示为：，应用定理确定数得方法，然后再通过量纲矩阵和矩阵确定函数的一般形式，最后通过原型和模型对应数相等，确定相似条件。 模型设计一般程序： 1）根据模型种类（弹性模型和强度模型），选择合适的模型制作材料，SE。 2）选择合适的方法，确定相似条件。 3）根据已有试验条件和试验对象，确定模型的几何尺寸，即几何相似常SL。 4）根据相似条件，确定其它相似常数。 5）绘制模型施工图。 2.2实例【2】该实例选取

16、于山西建筑第37卷第4期的一篇名叫高层结构振动台试验动力模型应用研究的文章，以广州某复杂高层结构振动台试验为例，详细介绍了高层结构动力模型振动台试验的模型设计、模型施工、试验方案选取等过程并通过有限元分析，分析了振动台试验与有限元分析之间的误差。模拟地震振动台试验具有其他抗震动力和静力试验不同的特点，振动台能再现各种形式的地震波，它可以按照人们的要求，借助于地震波的研究及输入，模拟在任何场地上的地面运动特性，便于进行结构的随机振动分析。当今针对复杂高层结构的抗震理论分析研究还不是很充分，不能够全面认识该种结构的受力性能，而振动台整体模型试验是了解和洞察结构地震反应和破坏机理的最直接、最有力的手

17、段。本文针对的是广州的某49层复杂高层结构， 该建筑地面以上高度159. 1 m，4层设置型钢混凝土梁式转换层，该结构多处超限，属于超高层复杂建筑结构。通过相似关系原理，设计了试验模型，详细描述了模型设计、模型制作、试验方案及试验过程。并根据有限元软件分析对比了试验结果与计算结果，分析了误差原因。（1）试验简介1）试验模型选取当前动力试验模型分为：全相似模型、人工质量模型、忽略重力效应模型、混合相似模型。其中混合相似模型原理为采用一定的人工质量尽量减少忽略重力效应影响的一种模型，其为克服忽略重力效应造成模型反应失真的情况，通过附加人工质量，产生适当的重力效应和惯性作用，但不影响结构的刚度、强度

18、和阻尼特性。在充分发挥振动台承载力和尽量降低加速度相似比的条件下，本次试验采用了混合相似模型。2）用量纲法求相似系数综合考虑振动台的性能参数、试验室吊车性能参数和模型材料弹性模量等多方面的因素，首先确定几何相似比Sl=1/20；在根据模型施工后的材料弹性模型实测值修正后，材料弹性模量比SE=1/2.38；加速度相似比Sa=1.69，其他未知量的相似常数根据各物理量基本量纲的关系，由线性方程组计算出来。相似关系见表1。表1物理量相似关系物理量相似关系长度1/20质量密度4.98弹性模量1/2.38时间1/5.81位移1/20频率5.81应力1/2.38速度1/3.44应变1.00加速度1.693

19、）模型自重及配重根据振动台的承载能力和模型的实际重量，计算出所需配重。配重采用比重大的铅块作为附加质量，将其用水泥砂浆粘贴在楼板上。在附加质量布置过程中，考虑了偶然偏心影响。模型总高度为8.16 m，总重59.9 t，其中模型9.78 t、配重55.9 t。（2）振动台试验方案1）试验设备试验在中国建筑科学研究院大型高性能空间六自由度模拟地震振动台上进行。该振动台为目前我国最大振动台，台面尺寸6 m6 m，最大载重量为80 t，实验室吊车起重量为32 t。2）地震波选取根据场地地震安全性评价报告，选出引起结构位移反应最大的一条场地波作为试验用波，另外两条试验用波为： EL-CENTRO波、LI

20、VERMOR波。3）传感器布置本次试验共使用了47个加速度传感器，其布置情况如下：基座上X，Y向各布置一个(2个)；1，4，5，11，17，23，29，35，41，49十层在平面中心及一端X， Y向各布置一个(40个)；为观测结构的扭转效应，在4， 11， 23， 35， 49层平面的另一端Y向布置一个传感器(5个)，共47个。为了研究结构关键部位的受力性能，应变片主要布置在核心筒剪力墙，钢管混凝土框支柱及型钢混凝土转换梁上，共计64片。4）试验工况在模型试验加载过程中，各试验阶段首先用峰值加速度为0.05g的白噪声对模型进行X向、Y向频谱扫描，得出模型自身特性。各试验阶段试验完后，观测模型的

21、破坏情况。然后，用所选用的三条地震波分别进行X向、Y向及EL-CENTRO波双向输入。依次进行7度小震、7度中震、7度大震、8度中震加强、8度大震、8度大震加强、9度大震弱的振动台试验。根据相似关系比，将输入的地震波进行调整，输入地震波峰值加速度分别为0.059g，0.169g，0.372g，0.507g，0.676g，0.845g和1.014g。由于振动台条件限制，实际上共进行了59个试验工况。（3）误差分析1）模型自振误差分析采用三维空间有限元程序SAP2000进行模型结构有限元析。通过分析，自振频率计算与试验结果对比见表2。表2模型自振频率对比振动方向X方向Y方向振型阶数一阶二阶一阶二阶

22、试验结果1.666.251.727.35SAP20001.555.431.827.41误差%6.6313.265.810.41平均误差%9.953.16从表2可以看出，模型自振频率计算值与试验值误差为0.41%13.26%，X方向、Y方向的第一阶频率误差分别为6.63%和5.81%，X向误差大于Y向。X向计算频率均小于试验值，而Y向两者基本相同。可以认为试验结果与理论分析结果的误差可以接受。通过理论分析，各层加速度最大值与试验值的误差多数在30%以内，多数工况下各层加速度计算值和试验值变化规律相同。误差产生的主要原因是：计算模型里未考虑构件的节点刚域及核心筒剪力墙端部型钢，使模型的计算刚度降低

23、。模型的钢管混凝土柱与型钢梁的型钢采用Q235的钢板模拟，导致实际构件的刚度变大。加大模型配重，尤其在结构底部几层铅块布置过多，楼层间空隙很小，可能使结构刚度变大。表3 典型高层建筑振动台试验误差分析参数弹性模量比尺寸比加速度比平均误差%本文0.4201/201.696.55上海国际金融中心0.3201/502.58.48市长大厦0.2861/2535.52LG大厦0.3001/203.6577.85某高层0.2501/324.7615.232）国内高层建筑振动台试验误差分析与国内其他4栋高层建筑振动台试验前四阶自振频率试验结果与理论分析误差如表3所示，误差在5.52%15.23%，误差是可以

24、接受的。可见，目前振动台试验对于高层结构抗震性能研究还是一种有效的分析手段。本文平均误差为6.55%，误差偏小，可见加大尺寸比，降低加速度比是可以进一步降低试验误差的。第三章 结构抗震试验3.1 主要内容 抗震试验的任务： 1）新材料的抗震性能研究，为推广使用提供科学依据。2）新结构的抗震能力研究，提出新结构的抗震设计方法。 3）实际结构的模型试验研究，验证结构的抗震性能和能力。 4）为制定和修改抗震设计规范提供科学依据。 实验室内的抗震试验可以分为伪静力试验、拟动力试验、振动台试验。 （1）伪静力试验 最常用的抗震试验方法，又称低周反复加载试验或拟静力试验，属于静力试验的范畴。 优点：设备简

25、单，经济好；便于试验数据和现象的观测。 缺点：试验的加载历程与实际地震作用历程无关（研究者预先主观确定的）；不能反映实际地震作用时应变速率的影响（加载周期长）。 （2）拟动力试验 又称伪动力试验或联机试验。由计算机根据地面运动加速度时程和实测的恢复力曲线求得结构的地震位移反应时程，计算机控制加载器在结构上实现地震位移反应。 优点： 对于分析结构弹塑性阶段的性能特别有利。地震反应计算时不需要对结构的恢复力特性作任何的假设。 便于观测结构性能变化和受损破坏的过程。 可进行大比例尺试件的模拟地震试验，从而弥补了模拟地震振动台试验时，小比例尺模型的尺寸效应，并能较好地反映结构的构造要求。 缺点： 不能

26、反映实际地震作用时材料应变速率的影响； 不能完全模拟地震作用时结构实际所受的作用力分布（加载器数量限制） 结构的阻尼也较难在试验中再现。 （3）振动台试验 振动台模拟天然地震记录，使结构经历类似天然地震的作用，从而再现结构在地震作用下的全过程，同时能反映应变速率的影响。 优点：能使结构经历类似天然地震的作用，从而再现结构在地震作用下的全过程，同时能反映应变速率的影响。 缺点：振动台试验的模型比例较小，容易产生尺寸效应，难以模拟结构构造，且试验费用较高。 3.2实例1【3】该实例选用工业建筑2011年第41卷第4期的一篇名叫脉冲周期激励下高层框架结构的TMD减震控制研究的文章。本文运用国际通用的

27、ANSYS软件分析义马某气化炉混凝土框架结构在矩形脉冲周期激励作用下的动力特性，采用TMD振动控制装置对其进行减振处理。进行减振处理时把气化炉作为TMD控制装置的惯性质量，通过参数优化把厂房结构及气化炉的最大位移、最大加速度控制在允许的范围内。结构振动调谐质量阻尼(TMD)装置作为一种动力吸振器，在高层和高耸结构抗震、抗风控制中有广阔的应用前景。这种装置对结构的振动有明显的控制效果。其特点是对建筑功能的影响较小，占用的建筑面积极少，便于安装、维修和更换。TMD控制装置一般安装在主结构的顶层(或中间某层)，以控制结构第一振型的振动响应。TMD一般由惯性质量、刚度单元和阻尼元件构成单自由度子结构。

28、TMD振动控制装置最优振动频率谐调为主结构控制振型的自振频率，其控制策略为运用子结构与主结构控制振型共振达到动力吸振的目的，并应用耗能阻尼材料或装置消耗子结构的振动能量，在不断吸收主结构振动能量和不断消耗子结构振动能量中降低主结构的动力响应。（1）试验简介本文以义马某气化炉钢筋混凝土结构厂房来进行计算。该厂房年产30万t煤气，有三个气化炉进行生产，在反应炉中的液态煤转化甲烷等气体的过程中，炉内气泡破裂，引起反应炉的振动，将动能传递到结构阻尼比较小的框架结构中，引起框架结构的激烈的震动，长时间将严重影响工作人员的身心健康，对框架结构厂房的疲劳、断裂等问题带来一定程度的考验。因此，对该厂房生产车间

29、的设计，需要综合产能、安全、结构工艺、强度、刚度、稳定性和气泡爆破能量的吸收减振等问题，综合进行结构的“一体化”设计。该框架结构长56 m，宽19.5 m，高56 m。结构为10层，层高16 m不等，框架柱为500 mm500 mm，框架梁为200 mm300 mm，框架结构均采用C30混凝土，材料的弹性模量为20.9 GPa，泊松比为0.17，密度为2 500 kg/m3。（2）有限元模型的建立本文运用有限元软件ANSYS对框架进行模态和时程分析，该框架结构的梁、柱单元均采用考虑剪切和翘曲变形的高精度梁单元BEAM188进行梁柱的建模。对于厂房中的主要设备气化炉采用弹性壳单元Shell63来

30、模拟。由于厂房中的其他设备质量及体积亦较大，不能忽略其对结构动力特性的影响。经过综合分析，对于厂房中的各种设备根据工作时的总重量及支撑部位采用质量单元(MASS21)进行等效。TMD结构运用质量单元Mass21和弹簧单元Combin14单元联合构成。Combin14单元中无集中质量的一端固定在框架结构某结点上，考虑到结构在YOZ平面上相对位移很小可以忽略，故另一端和框架某节点在X和Z方向上同时耦合，只允许在Y方向上相对框架运动；为了防止出现负位移，Combin14单元的两个结点保持了一定的距离。（3）试验结果及分析通过ANSYS软件对钢筋混凝土框架结构的动力特性和其在矩形脉冲周期激励下的反应及

31、其控制效果分析得出以下结论：1）在矩形脉冲周期激励下，该框架结构对第一控制阵型比较敏感。2）利用结构内部质量(气化炉)作为减振质量，克服了TMD系统需要增加额外质量的不足，减轻了系统承载负担，质量比高达14%，是普通TMD系统的10倍左右，控制效果更好。3）安装TMD时，有效提高了框架结构的阻尼比。4）TMD装置对矩形脉冲周期激励下的反应控制良好，减振效果60%以上，在工程实际上是可行的。3.3实例2【4】本实例选取于振动与冲击第28卷第5期的一篇名为TMD建筑在大型结构上的应用的文章。对于受风环境激励、地震激励等使结构物发生的振动，如高层或超高层建筑、化工反应塔、电视塔、观光塔、高耸烟囱、摩

32、天轮等，在设计阶段是通过计算和采用相应技术措施来控制振动的。有时候在结构物建造好了以后，通过测试分析，发现这类大型结构物在地震环境激励下的振动响应还是过大，重新拆建是不可能的或不合算的，局部加强或改造某些结构又不太方便，这时，选择TMD或MTMD技术进行振动控制已广泛被人们接受，这里介绍几个大型建筑物，它们均应用了TMD或MTMD技术实现了行之有效的减振效果。TMD技术的力学模型有各种型式，见图4所示，通过计算它们的固有频率和利用相应的制造技术，这些装置是可以实现的，只要它的固有频率与结构物的一阶固有频率接近，且质量合适，安装后就会达到相当好的减振效果。下面列举了三个实例：例1：图1为台北10

33、1大厦，是前世界第一高楼，总高502m共100层，在第87层的一个房间里挂有一个端部带阻尼的大复摆，可减振40% 60% (风振或地震)。例2：图2为阿联酋28层七星级大酒店，远望像一个大帆船，为了抗地震和风振，采用了在弧形支掌杆内安装了单自由度摆动的调谐器，实现了减振。例3：图3(a)所示为英国伦敦游乐场的大型摩天轮，它受风激励后会发生振动，在每个摆动船仓的悬吊圆杆内安装了单自由度的弹簧质量小车，如图3(b)，实现调谐减振。第四章 结构风洞实验4.1 主要内容 风洞实验的目的：结构抗风研究与设计时需要结构的体形系数和风振系数，但仅依靠荷载规范，往往很难精确得到。在实际中，常采用风洞试验来准确

34、获得体形复杂结构的体型系数和风振系数。 风压分布、体型系数：刚性模型侧压风洞试验； 动力效应、风振系数：气动弹性模型风洞试验。 风洞实验主要设备：风洞是进行实验的主要设备，进行实验还需要风速、风压、气动力等测量设备。 实验模型：用于实验的结构模型必须遵循一定的相似准则； 风场模拟：风洞模拟的风场必须反映实际的大气边界风场的主要特性。 风洞有回流式风洞和直流式风洞两种。和回流式风洞相比，直流式风洞占地小，造价低，但噪声大，实验段风速的品质会受到风洞进、出口处外界大气的干扰以及实验段的压强低于洞外大气压强等。 测量设备：（1）压强测量：低压管（静压测量）、平头总压管（总压测量）、压强测量仪（液柱式

35、压强计、测压传感器、压强扫描阀）；（2）风速测量：风速管、热线风速仪 风场模拟主要参数：平均风速沿高度的变化、紊流度沿高度的变化、脉动风功率谱、紊流积分尺度等。 风场模拟方法： （1）自然形成法：在均匀粗糙壁上自然形成模拟的大气边界层，所需试验段非常长，一般要求20 m以上，而且通常还需加上一定的人工紊流装置，目前很少采用。 （2）人工形成法：当前国际上主要采用的大气边界层模拟方法。方法有：曲网法、棍栅法、曲线切面蜂窝法、1/4椭圆尖劈+挡板+粗糙元法、大孔眼格网法、尖塔旋涡发生器法和孔板速度车法。 试验模型： （1）测压模型： 适用于桥梁、高层建筑、空间结构等。 优点：风压分布；缺点：试验过

36、程复杂（注意的问题：管路系统的畸变和修正）。 （2）高频动态测力天平试验（模型）：适用于高层建筑、高耸结构（格构式）。优点： 试验方便；缺点：用途受限 （3）桥梁专门模型（节段模型）：测力、测振-识别桥梁气动参数。刚体模型，保证在振动过程中模型本身不会发生弹性变形。 （4）气动弹性模型：适用于所有结构。采用相似理论设计试验模型。优点：直接获得结构响应；缺点：模型复杂。 4.2 实例5该实例选取于建筑结构第41卷第4期的一篇名叫开洞矩形截面超高层建筑局部风洞试验研究的文章。由于在超高层建筑中矩形截面最为普遍，故很多学者对矩形截面超高层建筑的风荷载做了大量的研究，获得了较为成熟的理论和计算方法，被

37、各国规范广泛采用。为了美观或功能要求，有时建筑师会考虑在矩形截面超高层建筑的立面上设置结构开洞。立面开洞的设置可能改变建筑的风压分布，且洞口的形状、大小和位置的变化都可能对建筑的风荷载产生影响。文中基于一栋立面上有多个开洞的实际超高层建筑在不同开洞工况下的刚性模型测压试验数据，分析了结构开洞对矩形截面超高层建筑表面平均风压系数和最不利风压系数的影响，为这一类高层建筑的结构风荷载设计提供参考。（1）试验概述杭州市钱江新城的迪凯金座是一栋矩形连体复杂体型超高层建筑，其基本外形是一个高200m、宽83m、厚21m的矩形柱，在矩形柱的长边立面中部从上到下依次开了三个矩形洞口。三个洞的宽度均为7.7m，

38、高度从上至下分别为31.3，44.5和41.2m。该建筑的刚性模型表面风压测量风洞试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室风洞实验室的TJ-2大气边界层风洞完成。该风洞的试验段尺寸为3m宽、2.5m高、15m长。模型几何缩尺比为1/250，试验模型如图3所示。在模型外表布置了495个测点，试验风速为12m/s。试验中风向角的定义如图4所示，风向角间隔取为15，共有24个风向。试验在模拟B类风场中进行。（2）试验结论以迪凯金座超高层建筑为例，分析了矩形截面超高层建筑在长边立面上不同开洞工况下，建筑各表面平均风压系数和最不利风压系数的变化规律，得到以下几点结论：1）建筑长边立面迎风时，开洞将使背风

39、面洞口附近的平均风压系数(表现为负压)绝对值增大，特别是中部洞口的打开，将使其背风面周围的负压增大一倍左右。但迎风面上的平均风压系数(表现为正压)只是稍有减小，减小幅度为10%20%。2）当建筑短边立面迎风时，开洞对建筑长边立面上的平均风压系数没有明显影响。3）开洞对长边立面上的最不利正风压系数只有微弱影响，但对其最不利负风压系数却有较大影响，特别是中部开洞，将使其周围的最不利负风压系数增大一倍以上。4）开洞对短边立面上的最不利风压系数不产生明显的影响。第五章 桥梁结构静动载试验5.1 主要内容 静载试验和动载试验，主要目的是检验桥梁设计与施工的质量（新建桥）； 判断桥梁结构的实际承载能力（旧

40、桥）；验证桥梁结构设计理论和方法（新桥型）。 试验的一般程序： （1）桥梁考察和方案设计（必要条件） 试验方案设计分为以下几个步骤： 1）试验对象选择：每种结构型式选择跨度最大的一孔或几孔进行加载试验。 2）试验荷载效率：试验荷载产生的控制截面内力及变形等效应不低于设计荷载效应的80%。 3）荷载试验工况 纵向加载：根据控制截面最不利受力确定，简单结构的桥梁选23个工况，复杂结构可适当多选几个，但不宜过多。 横向加载：对称加载、偏向加载、扭转加载（需要时）。 4）静载试验加载方案：加载方式一般选用三轴和两轴载重车辆（轴重、轴距和横向轮距）来模拟规范的汽车荷载。整体结构计算采用车道荷载，局部设计

41、车辆荷载。汽车荷载应考虑车道数折减和冲击系数增加。 荷载可根据城市桥梁荷载规范（CJJ77-98）和公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）来确定。 加载程序采用分级加载：一般分为35级；车辆荷载应逐辆缓缓驶入预定位置；卸载程序：分级尽量与加载分级对应，以便校对。加载时间：温度变化不大的时间段（如在阴天或晚上）加载，每级持续时间不能太长（效应稳定），并同步测定温度场。 5）测点设置：基本原则，最大应力、最大位移。 6）动载试验加载 脉动试验：测量桥梁结构动力特性； 跑车试验：无障碍和有障碍两种条件下的载重车（大多数是三轴车）行车，判别不同的行车速度下，如20，30，40，50 km/h

42、，桥梁结构动态响应。 跳车试验：通常用两轴载重车，模拟不平整的路面状况效应。（10 km/h） 刹车试验：三轴重车，测出紧急刹车的水平制动力等对桥面效应。 7）测量仪器：反力、应变、位移、倾角、裂缝：同前。常用的仪器有百分表、千分表、位移计、应变计（应变片）、振弦应变计、精密水准仪、经纬仪、倾角仪、全站仪、刻度放大镜、温度计等。索力测量：张拉顶油表、测力传感器、索力计。 （2）现场试验准备 （3）加载试验与观测 （4）结果分析与处理 数据整理与评定有以下几个方面： 1）车辆荷载整理：车辆轴重过磅，并实测轴距和轮距（用于理论计算）。 2）数据计算：测点应力应变换算，挠度计算；荷载横向分布系数的计

43、算（多片主梁的桥）；校验系数：=测点的实测值/测点的理论计算值；自振频率；冲击系数； 3）结果评定方法：荷载-位移曲线、荷载-应力曲线：直线弹性 校验系数：小于1时结构满足设计要求；否则不满足设计要求。 残余变形：0.2。 挠度：挠跨比1/600（梁式桥）； 1/800（拱桥、桁架桥）； 1/300（梁式桥主梁悬臂端）； 1/500（斜拉桥混凝土主梁，钢桥为1/400） 裂缝：全预力（不开裂）：混凝土 0.2 mm；部分预应力：名义拉应力限值。 频率大于设计；动刚度满足设计要求。 动态增量（冲击系数）：“小”则桥面平整度好，行车速度影响小。 5.2 实例6该实例取自厦门市BRT高架桥梁总体设计

44、与静动载试验研究一文。以厦门BRT 1号线高架桥中的典型桥梁吕岭路跨线桥为研究对象，测试并分析该桥的自振特性以及行车激振作用下的冲击作用。厦门BRT1号线于2008年9月正式投入使用，是我国首个高架桥模式的快速公交系统。厦门市BRT 1号线，起自第一码头，终至厦门新站，线路全长32.96 km，其中高架线路22.9 km，地面线路7.96 km，地下线路2.1 km桥段。全程共设车站22座，其中高架车站16座，高架车场1个，地面车站4座，地下车站1座，如图1所示。值得一提的是， 1号线中总长度为15.364 km的岛内区间段，全部采用高架桥形式，高架车道与高架车站仅占用道路中央4m绿化带，大大

45、减少了对地面空间的占用，如图2所示。此外，从城市的长期发展考虑，BRT 1号线线位与轨道交通1号线的线位重合，近期为BRT大容量公交系统，远期升级为轻轨，这种设计在我国亦尚属首例。（1）模态分析与动载试验分析1）动载试验介绍桥梁结构的动力荷载试验是研究桥梁结构的自振特性和车辆动力荷载与桥梁结构的联合振动特性。这些测试结果数据是判断桥梁结构运营状况和承载特性的重要指标。本桥动载试验包括环境随机振动(脉动)，无障碍行车，跳车以及刹车。无障碍行车试验是当重车分别以10、20、30、40 km/h的速度通过桥面时，测试主梁在最大弯矩截面底板应变测点的动位移、动应变、竖向与横向等振动特性，以检验结构在动

46、载作用下的工作状态。跳车试验是当重车分别以10、20、30 km/h的速度通过桥面上高度为7.5 cm的三角形板时，测试主梁在最大弯矩截面底板应变测点的动应变，以模拟在桥面铺装局部损伤的状态下，桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应。跳车板置于中跨的L/2附近。振动测点主要布置在各跨的跨中、L/4和支座顶部处的桥面，共计布置14个竖向、6个横向以及6个纵向941B型拾振器。各种动力信号经过放大器放大后，进入INV306振动分析仪的数采装置直接进行采集并记录。动应变测试采用电阻应变计，布置在中跨中底板中心处，采用半桥温度补偿技术。2）结构自振特性测试与分析环境随机振动(脉动)是一种准确可信的模态

47、识别测试方法，能够得到结构的真实动力特性，如频率、振型等，试验成本低且对桥面的正常交通不产生影响。由于很难获取对结构产生激励的信号，且模态特性识别过程只与输出数据有关，因此，选用较为基本的peak picking method对结构的环境随机振动进行测试。同时，利用大型通用软件ANSYS10.0计算了吕岭路跨线桥的前30阶自振频率和相应的振型。桥梁结构的主要振动频率理论值与实测值见表3和图17。表3 结构实测自振频率与理论计算值比较 Hz振型理论计算值实测值竖向一阶2.182.44二阶4.875.08横向一阶8.529.25纵向一阶10.0312.55由表3可以看出，各阶振型频率对应的实测值均大于理论计算值，且误差较小，表明实桥结构具有良好的刚度，施工质量较高。现场实测振型与理论计算振型基本一致，表明结构的振动特性理论分析与结构的实际振动特性较为吻合。此外，理论计算与实测结构都表明，结构的一阶横向振动频率达到了一阶竖向振动频率的3倍左右，说明结构具有较大的横向刚度。3）无障碍行车试验结果与分析无障碍行车试验由2辆38 t的三轴重型车组成每