什么是结构试验?

什么是结构试验?

[拼音]：jiegou shiyan

[外文]：structure test

研究结构在外界因素（如荷载、温度变化等）作用下的应力、应变、位移及其动力特性的试验。是固体力学中的重要内容。结构试验按试验研究对象可分为原型试验和模型试验，按荷载作用性质可分为静态试验与动态试验，但其所用试验理论和方法基本相同。

研究内容

结构试验的研究内容如下。

相似理论

研究模型结构与原型结构在几何、物理、力学、边界等方面的相似条件，据此选择模型材料、设计模型结构和确定量测仪器设备，并确定将模型试验结果换算到原型结构上去的计算公式。

模型材料

试验中制作模型结构的材料，它的物理、力学性能应满足相似条件的要求。不同性质的试验（如强度、稳定及破坏试验）所用模型材料的性能不同。常用模型材料有环氧树脂、有机玻璃、石膏、加重橡皮、加重乳胶、砂藻土、轻质混凝土、合金铝等。

试验理论

综合应用固体力学及其他学科知识以得到指导结构试验进行的理论依据。如光d全息干涉理论、应力应变量测理论、结构动态识别理论等。

试验技术

结构试验中应用试验设备、量测技术与分析技术。试验设备包括加载设备（如加载台、千斤顶、反力架、振动台及起振机等）、传感器、放大器、记录器、分析仪、专用计算机及程序等。

数据处理技术

即试验数据的采集与分析技术。采集分模拟量及数字量两种，因此分析技术也分为两种:

试验控制技术

结构试验全过程由计算机控制，试验过程编成程序输入计算机，可对结构进行优化试验及结构危险控制试验，从而可得到结构最佳设计方案及结构最小可靠度值。

研究对象

结构试验的研究对象可分为三个方面。

（1）原型结构：即实际结构物，如坝、水闸、码头、厂房、机械及其部件等。

（2）模型结构：即根据相似条件，由实际结构按比例缩小或放大后的结构，通常分为全相似(相似条件全满足)和非全相似 (相似条件部分满足)模型结构两类。

（3）结构材料：即根据量测要求所制成的试件或实际的地基、岩块等。

研究方法

进行结构试验的研究方法很多，大致可分为五类。

机测法

用机械量测手段（如机械式万能试验机、机械振动台、机械式衡器、百分表、蝶式引伸仪、转速表、压力表、螺旋测微计、手持机械测振仪等）测定结构响应（如应变、土压力、位移、频率、速度、加速度等）的方法。机测法主要特点是量程大、稳定性和抗干扰性好、简单可靠，但其灵敏度较低、不易自动量测。机测法应用广泛，特别在水工结构原型观测中较多采用。

电测法

用传感器将结构响应的非电量讯号转换为电量讯号（如电阻、电压）的测定方法。电测法工况流程如图所示。使用电测法需要对传感器或整套测试仪器（整机）进行标定，以确定量测仪器的灵敏度与精度及其变化，标定可采用对比法或绝对法。电测法主要特点是灵敏度高，可单点也可多点同时量测，可测各种结构响应，可用于模型也可用于原型，易于实现自动化量测和遥测，同时可与计算机联接以实现测量全过程跟踪运行、反馈及控制，保证结构试验顺利进行及结构安全。

光测法

根据结构或材料受力后对光偏振、折射、反射、散射及衍射的特性和光波干涉的原理来测定结构或材料中应力与变形的方法。常用方法如下。

（1）平面光d性法：用光d仪测定平面模型中主应力差(σ1-σ2)相同的等差线及主应力方向相同的等倾线，然后根据d性理论或测定模型厚度的变化，或测定模型内主应力和(σ1+σ2)相同的等和线，即可分析模型结构中的平面应力（或应变）状态。

（2）冻结法：通过加、降温方法将受力模型的变形冻结下来，然后采用不同方向的切片用光d仪观测，结合d性力学理论分析模型中的三向应力状态。离心机加载和冻结法相结合，还可分析模型中自重应力状态。

（3）动光d法：用光d仪配以高速摄影技术测定模型结构受动荷载时应力波的传递规律。

（4）光d性贴片法:在实际结构表面上用反光胶粘贴平面或曲面透光塑料薄片，以反射式光d仪测定薄片随结构变形的干涉条纹来分析粘贴处结构中应力的方法。

（5）云纹法：通过粘贴于结构表面的变形栅与不变形的基准栅，在透光干涉后光亮度变化的规律以分析结构变形的方法。

（6）全息干涉法：用全息摄影技术量测结构表面上各点的静动位移场，以此分析结构中应力场或材料特性的变化，常用激光源提高量测精度。

（7）散斑干涉法：结构变形前后的散射法干涉图像（即散斑图）不同，以此可分析结构受力变形后的位移场。此外，还有光塑性法、散光法和夹片法等。光测法主要特点是非接触式、全域性、高灵敏度、直观性强，但因其使用要求高、光场小，故在水工结构中，主要用于结构模型试验以及孔洞、折角等应力集中情况的量测。

综合法

以试验与理论相结合的方法确定结构的响应、特性及荷载特征。如由已知荷载及量测到的结构动态响应，求结构动态参数（频率、振型、阻尼）的系统参数识别，及据已知系统及响应进行的荷载识别;又如运用大量试验数据确定的各项参数变化规律和概率统计方法及结构分析理论相结合，来分析结构的可靠性等。随着试验设备的更新和计算技术的发展，综合法将会在更多高难度的试验课题中得到应用。

比拟法

根据两种物理现象之间数学表达式的相似性，通过一种物理现象的试验来研究另一种物理现象的方法。此法可把难以观测的物理现象转换为易于观测的物理现象，从而使试验大为简化。常用的方法有:求解土坝渗流的水电比拟法、解薄板弯曲的电阻网比拟法、解薄膜横向弯曲或直杆扭转的薄膜比拟法以及解主应力和的电比拟法等。

发展方向

结构试验随着试验技术及分析理论的发展将进一步扩展其应用领域，同时，将向高难课题、边缘课题及实时分析课题等方面发展。总之，结构试验在生产应用及力学理论发展中有着重要的地位。

参考书目

宋逸先主编:《实验力学基础》，水利电力出版社，北京，1987。