结构试验模型试验+数据处理ppt课件.ppt
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1、,结 构 测 试,结构模型试验,结构模型试验,任课老师:尹华伟电 话:13973159216湖南省结构损伤诊断重点实验室,结 构 测 试,结构模型试验,相似理论 结构模型设计 模型的材料、制作与试验,本章内容,结 构 测 试,结构模型试验,常见的模型试验可分为: 1)模型试验的目的可分为小结构试验和相似模型试验。 2)按模型试验研究的范围可分为弹性模型试验、强度模型试验和间接模型试验。 3)按模型试验的分析方法可分为定性试验、半分析法试验和定量分析试验。,无具体对应原型,结 构 测 试,结构模型试验,常见的模型试验可分为: 4)按试验模拟程度可分为截面模型或节段模型、局部结构模型和整体模型。
2、5)按试验加载方法可分为静力模型试验、动力模型试验、伪静力模型试验、拟动力模型试验。,结 构 测 试,结构模型试验,相似理论 “相似”是指原型结构和模型结构的主要物理量相同或成比例1 几何相似 矩形截面简支梁,原型结构截面尺寸为bphp,跨度为Lp,模型结构为bm,hm,Lm。几何相似可以表达为:,结 构 测 试,结构模型试验,1 几何相似 对于几何相似矩形截面简支梁,可以导出下列关系:,结 构 测 试,结构模型试验,2 质量相似 模型的质量分布与原型的质量分布相似:,或,结 构 测 试,结构模型试验,3 荷载相似 模型和原型在对应部位所受的荷载大小成比例,方向相同,集中荷载相似常数可以表示为
3、:,结 构 测 试,结构模型试验,3 荷载相似 模型和原型在对应部位所受的荷载大小成比例,方向相同,集中荷载相似常数可以表示为:,S应力相似常数,若模型结构应力与原型结构应力相同,即S1,则由上式可以得到SPSl2,结 构 测 试,结构模型试验,3 荷载相似,线荷载相似常数:,面荷载相似常数:,集中力矩荷载相似常数:,结 构 测 试,结构模型试验,4 应力和应变相似,如果模型和原型采用相同的材料,弹性模量相似常数SE1,模型的应力相似常数和应变相似常数相等。,结 构 测 试,结构模型试验,5 时间相似,时间相似常数 是结构模型设计中的一个独立常数。,6 边界条件和初始条件相似,材料力学和弹性力
4、学中,采用微分方程描述结构变形和内力,边界条件和初始条件是求解微分方程的必要条件。,在相似模型中,以长度米、时间秒、力牛顿,温度开尔文和电流安培为物理量的相似常数称为基本相似常数。其余的称为导出相似常数。,,,结 构 测 试,结构模型试验,相似定理和量纲分析1 相似指标 两个系统中的相似常数之间的关系式称为相似指标,若两系统相似,则相似指标为1。以牛顿第二定律为例:,,,结 构 测 试,结构模型试验,相似定理和量纲分析1 相似指标,因为,所以,必须等于1,,,结 构 测 试,结构模型试验,相似定理和量纲分析2 相似判据 又称相似准则或相似准数,它是由物理量组成的无量纲量,代入相似常数,可得到:
5、,,,结 构 测 试,结构模型试验,相似定理和量纲分析3 单值条件 单值条件是指决定一个物理现象基本特性的条件,它使该物理现象从其他众多物理现象中区分出来 4 相似误差 由于相似条件不能得到完全满足,由模型试验的结果推演原型结构性能时产生的误差称为相似误差,,,结 构 测 试,结构模型试验,相似定理和量纲分析5 相似三定理(1)相似第一定理 彼此相似的现象,单值条件相同,相似判据的数值相同,= 不变量,表示各物理量之间比例为一常数。,几何相似虽然是十分重要的条件但并不是决定模型性能与原型性能相似的唯一条件。,单值条件构成相似性要求的独立条件。,,,结 构 测 试,结构模型试验,相似定理和量纲分
6、析5 相似三定理(2)相似第二定理 当一物理现象由n个物理量之间的函数关系来表示,且这些物理量中包含m种基本量纲时,可以得到(nm)个相似判据,描述物理现象的函数关系式:,f(x1,x2,xn)0,按照相似第二定理,,(1,2, n-m)0,利用相似第二定理,将物理方程转换为相似判据方程。,模型和原型的相似判据都保持相同的值,值满足的关系式也应相同,f(m1,m2,m(n-m))f(p1,p2,p(n-m))0,m1p1,m2p2,m(n-m)p(n-m),,,结 构 测 试,结构模型试验,简支梁承受均布荷载与集中荷载,如何得到关系式?,长度为L的简支梁,其上作用集中荷载F和均布荷载q。,材料
7、力学可知,梁的跨中截面边缘应力为:,W为梁的截面抵抗矩,,写出无量纲方程:,,,结 构 测 试,结构模型试验,引入相似常数,模型简支梁和原型简支梁的各物理量之间的关系为:,模型简支梁和原型简支梁的各物理量满足下列关系式:,将相似常数表示的关系代入上列第一式:,要使模型与原型相似,,一般形式的相似判据为:,,,结 构 测 试,结构模型试验,相似定理和量纲分析5 相似三定理(3)相似第三定理 凡具有同一特性的物理现象,当单值条件彼此相似,且由单值条件的物理量所组成的相似判据在数值上相等,则这些现象彼此相似,相似第一定理和相似第二定理是判别相似现象的重要法则,他们确定了相似现象的基本性质,相似第三定
8、理则确定了物理现象相似的必要和充分条件。,三个定理构成了相似理论的基础。相似第一定理又称为相似正定理,相似第二定理称为定理,相似第三定理又称为相似逆定理。,,,结 构 测 试,结构模型试验,相似定理和量纲分析6 量纲分析量纲: 又称因次,它说明测量物理量时所采用的单位的性质 ,一般选择一组彼此独立的量纲为基本量纲,其他物理量的量纲可由基本量纲导出,称为导出量纲 。选长度、力、时间为基本量纲,组成力量系统或绝对系统;选长度、质量、时间为基本量纲,则组成质量系统,,,结 构 测 试,结构模型试验,6 量纲分析物理方程的量纲均衡性和齐次性: 量纲均衡性:物理方程中,各项的量纲应相等,同名物理量应采用
9、同一种单位 从数学角度对方程进行分析,则可得到正确的物理方程在数学上均可表示为齐次方程的结论,比如:则:整理后得:,,,结 构 测 试,结构模型试验,简支梁承受集中荷载作用。梁的跨度为L,集中荷载为F,弹性模量为E,截面抵抗矩为W,截面惯性矩为I;集中荷载作用点到两个支座的距离分别为a和b,截面弯矩为M,截面边缘应力为,跨中挠度为f。,简支梁承受集中荷载,举例分析1,,,结 构 测 试,结构模型试验,列出相似关系,LmSLLp,amSLap,bmSLbp,WmS3LWp,ImS4LIp,FmSFFp,mSp,简支梁在集中荷载作用下,写出荷载作用点的弯矩、截面边缘应力和挠度的物理方程为:,第1步
10、:,第2步:,量纲分析举例1,,,结 构 测 试,结构模型试验,在荷载作用点,模型梁和原型梁的截面边缘应力为:,表示的相似关系,可写为:,可得相似指标:,第3步:,代入相似关系:,量纲分析举例1,,,结 构 测 试,结构模型试验,举例分析2,单自由度体系的振动微分方程如下:将上式改写为一般函数形式:方程中物理量个数n6,采用绝对系统,基本量纲数m3,数目nm3,则函数为:所有物理量参数组成无量纲形式数的一般形式为: (1)其中,a1,a2,a3,a4,a5,a6为待定的指数,,,结 构 测 试,结构模型试验,举例分析2,根据各物理量的量纲,上式可写为: 根据量纲均衡性要求,得到下列方程: F量
11、纲指数: a1a2a3a60 L量纲指数: a1a2a3a40 T量纲指数: 2a1a2a50将上列方程改写为: 由T量纲方程得到 a22a1a5 将上式代入L量纲方程 a3a1a4a5 再将上列2式代入F量纲方程 a6a4,,,结 构 测 试,结构模型试验,举例分析2,将(1)式改写为: a1,a4,a5取不同的值,得到不同的数,取: a11,a40,a50 a10,a41,a50 a10,a40,a51 可以得到3个独立的数: , , 根据相似第二定理,当下列条件满足时,原型与模型相似: , ,,,,结 构 测 试,结构模型试验,结构模型设计的程序为:(1)分析试验目的和要求,选择模型基本
12、类型。 缩尺比例大的模型多为弹性模型,强度模型要求模型材料性能与原型材料性能较为接近。(2)对研究对象进行理论分析,用分析方程法或量纲分析法得到相似判据。对于复杂结构,其力学性能常采用数值方法计算,很难得到解析的方程式,多采用量纲分析法确定相似判据。(3)确定几何相似常数和结构模型主要部位尺寸。选择模型材料。,结构模型设计,,,结 构 测 试,结构模型试验,结构模型设计的程序为:(4)根据相似条件确定各相似常数。(5)分析相似误差,对相似常数进行必要的调整。(6)根据相似第三定理分析相似模型的单值条件,在结构模型设计阶段,主要关注边界条件和荷载作用点等局部条件。(7)形成模型设计技术文件,包括
13、结构模型施工图,测点布置图,加载装置图等。,结构模型设计,,,结 构 测 试,结构模型试验,线弹性性能是工程结构的主要性能之一。按照线弹性理论,结构所受荷载与结构产生的变形以及应力之间均为线性关系。对于由同一种材料组成的结构,影响应力大小的因素有荷载F、结构几何尺寸L和材料的泊松比v,于是,应力表达式可写为:, f(F,L,v),通过量纲分析有:,线弹性结构的相似条件为几何相似、荷载相似、边界条件相同,不要求虎克定律相似,但要求泊松比相似,,设计线弹性相似模型时:,线弹性模型设计,,,结 构 测 试,结构模型试验,钢筋混凝土结构的承载能力很大程度取决于混凝土和钢筋的力学性能。,影响钢筋混凝土梁
14、的力学性能因素包括混凝土的力学性能、钢筋的力学性能以及钢筋和混凝土的粘结性能。,最难满足的是裂缝开展阶段的相似要求,因为钢筋混凝土结构的裂缝宽度与钢筋直径、钢筋表面形状、配筋率、混凝土保护层厚度等因素有关。,精心设计的钢筋混凝土结构的强度模型,可以正确反映原型结构承载能力性能的一些重要特性。,几何相似的混凝土受拉和受压的应力应变曲线;在承载能力极限状态,有基本相近的变形能力;多轴应力状态下,相同的破坏准则;钢筋和混凝土之间有相同的粘结滑移性能;相同的泊松比。,钢筋混凝土强度模型设计,,,结 构 测 试,结构模型试验,原型与模型混凝土应力应变曲线,由于模型混凝土的强度低于原型混凝土的强度,导致它
15、们的初始弹性模量不同,随着应力增加,混凝土的切线模量也不相同。在相似理论中,这种材料性能的差别导致模型结构与原型结构在性能上的差别,有时称为模型的畸变,或称模型为畸变模型。,钢筋混凝土强度模型设计,,,结 构 测 试,结构模型试验,钢筋混凝土结构强度模型的相似常数,,,结 构 测 试,结构模型试验,与混凝土结构相似,砌体结构的性能也与其构成尺寸有密切的关系。砌体结构的缩尺模型试验能否反映原型结构主要性能,关键问题是模型砌体结构中的块体和灰缝如何模拟。,一般认为模型砌体结构的最大缩尺比例不宜超过4,也就是采用1/4比例的模型砖。模型砖的长度为60mm,大多采用原型砖经切割加工而成。,1/4比例的
16、混凝土小型砌块,1/4比例的混凝土小型砌块模型砌体结构,主要目的是抗震性能,如果使砖砌体应力-应变曲线与原型砌体应力-应变曲线相似,并使极限应变相同,则试验目的可以实现。,砌体结构强度模型设计,,,结 构 测 试,结构模型试验,与结构静力性能相比,结构动力性能的差别主要因结构本身的惯性作用所引起。,悬臂梁的振动,假设梁的质量全部集中在悬臂梁的端部,因此mAL,梁的刚度k3EI / L3,这个单自由度体系的固有圆频率为:,假设模型和原型采用相同的材料,实测模型梁的固有圆频率为im,可得原型梁的固有圆频率为:,动力结构模型设计,,,结 构 测 试,结构模型试验,模型材料选择应考虑一下几方面的要求:
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