土木工程試驗(yàn)與測(cè)試技術(shù) 課件 第1章 緒論

土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)

1緒論1.1目的和任務(wù)本課程旨在使學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的基本知識(shí)與技能，完成土木工程結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)踐。學(xué)生需重點(diǎn)學(xué)習(xí)檢測(cè)方法、原理和全過(guò)程認(rèn)識(shí)，包括使用各種試驗(yàn)裝置如重物加載和液壓加載裝置。課程強(qiáng)調(diào)物理量測(cè)試原理，如電阻應(yīng)變和光學(xué)測(cè)量方法。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生將獲得專(zhuān)業(yè)知識(shí)和能力，為土木工程設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)工作奠定基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)根據(jù)目的、對(duì)象、場(chǎng)所、是否破壞、荷載性質(zhì)及加載時(shí)間分類(lèi)，包括驗(yàn)證性與探索性試驗(yàn)、真型與模型試驗(yàn)、試驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、非破壞性與破壞性試驗(yàn)、靜力與動(dòng)力試驗(yàn)、短期與長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)。1.2土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分類(lèi)1.2.1驗(yàn)證性試驗(yàn)和探索性試驗(yàn)定義：驗(yàn)證性試驗(yàn)，亦稱(chēng)生產(chǎn)檢驗(yàn)性試驗(yàn)，主要針對(duì)工程中的實(shí)際結(jié)構(gòu)（構(gòu)件），直接服務(wù)于生產(chǎn)，通過(guò)試驗(yàn)或檢測(cè)作出技術(shù)結(jié)論。質(zhì)量檢驗(yàn)與鑒定：對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，建成后通過(guò)綜合試驗(yàn)鑒定其質(zhì)量可靠度。對(duì)預(yù)制構(gòu)件或施工中的構(gòu)件，在出廠或安裝前進(jìn)行規(guī)范抽樣檢驗(yàn)，以評(píng)估其質(zhì)量。承載力判斷：在建筑擴(kuò)建、加層或改用途時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)確定舊結(jié)構(gòu)的承載能力，為改建或加固提供數(shù)據(jù)支持，并為在役結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估提供依據(jù)。工程事故處理：對(duì)遭受火災(zāi)、爆炸、地震等損害的結(jié)構(gòu)，或存在嚴(yán)重缺陷的結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)和檢測(cè)評(píng)估受損后的實(shí)際承載能力，為結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固提供技術(shù)依據(jù)。1.2.2真型試驗(yàn)與模型試驗(yàn)真型試驗(yàn)定義：使用實(shí)際或足尺寸復(fù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析適用范圍：主要用于生產(chǎn)檢驗(yàn)、結(jié)構(gòu)整體性能研究及實(shí)際構(gòu)件的承載力試驗(yàn)。優(yōu)缺點(diǎn)：精確反映結(jié)構(gòu)特性，但成本高、周期長(zhǎng)、加載難度大、測(cè)量精度易受環(huán)境影響。模型試驗(yàn)定義：使用按一定比例縮小的結(jié)構(gòu)模型，包含真實(shí)結(jié)構(gòu)的全部或部分特征。適用范圍：廣泛應(yīng)用于水利工程、鋼筋混凝土和磚石結(jié)構(gòu)的教學(xué)與研究。優(yōu)缺點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、成本低、便于多參數(shù)測(cè)試，但面臨的挑戰(zhàn)是難以完全滿(mǎn)足相似條件，存在尺寸效應(yīng)問(wèn)題。1.2.3實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)（原位）試驗(yàn)①實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)在設(shè)備齊全的專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，近年中國(guó)多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)已建設(shè)大型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，支持模型試驗(yàn)和足尺試驗(yàn)。這些試驗(yàn)因優(yōu)越的工作條件和精密設(shè)備，能高精度控制環(huán)境，確保研究焦點(diǎn)，降低外界干擾。1.2.3實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)（原位）試驗(yàn)②現(xiàn)場(chǎng)（原位）試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，又稱(chēng)結(jié)構(gòu)原位試驗(yàn)，主要在生產(chǎn)和施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，用以驗(yàn)證既有結(jié)構(gòu)的效應(yīng)或評(píng)估其實(shí)際承載力。原位加載試驗(yàn)分為使用狀態(tài)試驗(yàn)、承載力狀態(tài)試驗(yàn)及針對(duì)特殊結(jié)構(gòu)的其他試驗(yàn)，可根據(jù)需求選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)類(lèi)型。1.2.3實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)（原位）試驗(yàn)?zāi)巢晒忭敩F(xiàn)場(chǎng)吊掛試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)多數(shù)用以解決生產(chǎn)性的問(wèn)題，所以大量的試驗(yàn)是在生產(chǎn)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，有時(shí)研究的對(duì)象是已經(jīng)使用或?qū)⒁褂玫慕Y(jié)構(gòu)物，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也可獲得實(shí)際工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)資料。如圖所示，為了驗(yàn)證某采光頂?shù)鯍?噸LED屏是否滿(mǎn)足正常使用性和安全性而進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。1.2.4非破壞性試驗(yàn)和破壞性試驗(yàn)（1）非破壞性試驗(yàn)非破壞性試驗(yàn)有使用性能檢測(cè)和承載力檢測(cè)。檢測(cè)的對(duì)象可以是實(shí)際結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，也可以是足尺的模型。

使用性能檢驗(yàn)，以證實(shí)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在規(guī)定荷載的作用下不出現(xiàn)過(guò)大的變形和損傷。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)且滿(mǎn)足要求的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件應(yīng)能正常使用。

承載力檢驗(yàn)，用于證實(shí)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的設(shè)計(jì)承載力。其試驗(yàn)荷載，應(yīng)采用永久荷載與可變荷載適當(dāng)組合的、承載力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)荷載。（2）破壞性試驗(yàn)破壞性試驗(yàn)的目的是為了掌握試驗(yàn)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件由彈性階段進(jìn)入塑性階段甚至破壞階段時(shí)的結(jié)構(gòu)性能和破壞形態(tài)等試驗(yàn)資料，常用于確定結(jié)構(gòu)或模型的實(shí)際承載力。1.2.5靜力試驗(yàn)與動(dòng)力試驗(yàn)①靜力試驗(yàn)靜力試驗(yàn)通過(guò)直接加載探究結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，分為單調(diào)靜力荷載、擬靜力及擬動(dòng)力試驗(yàn)。單調(diào)試驗(yàn)逐漸增加荷載至結(jié)構(gòu)破壞，擬靜力模擬周期荷載，擬動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)M地震反應(yīng)。1.2.5靜力試驗(yàn)與動(dòng)力試驗(yàn)②動(dòng)力試驗(yàn)通過(guò)激振方法使結(jié)構(gòu)震動(dòng)，使用動(dòng)測(cè)儀器測(cè)定固有頻率、阻尼比、振型等動(dòng)力特性，及位移和加速度響應(yīng)。此試驗(yàn)用于宏觀評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體剛度和使用性能，為結(jié)構(gòu)在動(dòng)力環(huán)境中的安全性和可靠性提供理論基礎(chǔ)。動(dòng)力試驗(yàn)包括動(dòng)荷載特性、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)測(cè)試，關(guān)鍵于解決抗震、共振問(wèn)題和診斷結(jié)構(gòu)累積損失，如廠房振動(dòng)、橋梁移動(dòng)荷載振動(dòng)及地震反應(yīng)觀測(cè)。1.2.6短期荷載試驗(yàn)和長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，常用短期荷載試驗(yàn)，即從零開(kāi)始至結(jié)構(gòu)破壞或某階段卸載，時(shí)間短。長(zhǎng)期性能研究如混凝土徐變、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋松弛需長(zhǎng)期靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇應(yīng)基于目的和周期，綜合考慮成本效益。如可能，模型試驗(yàn)代替大尺度原型試驗(yàn)，非破壞性試驗(yàn)則用以替代破壞性試驗(yàn)，以檢驗(yàn)土木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工質(zhì)量或性能。1.3結(jié)構(gòu)檢測(cè)分類(lèi)《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50344-2019）結(jié)構(gòu)檢測(cè)旨在評(píng)估結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量或鑒定既有結(jié)構(gòu)的性能。檢測(cè)工作不僅包括儀器量測(cè)，也涉及目視檢查與測(cè)試。檢查主要是通過(guò)目視了解結(jié)構(gòu)外觀，如裂縫、沉降或構(gòu)件表面缺陷等，進(jìn)行定性判斷。測(cè)試則通過(guò)工具或儀器測(cè)量結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和幾何特征。工程質(zhì)量的檢測(cè)遇有下列情況時(shí)，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的檢測(cè)：①?lài)?guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)；②結(jié)構(gòu)工程送樣檢驗(yàn)的數(shù)量不足或有關(guān)檢驗(yàn)資料缺失；③施工質(zhì)量送樣檢驗(yàn)或有關(guān)方自檢的結(jié)果未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；④對(duì)施工質(zhì)量有懷疑或爭(zhēng)議；⑤發(fā)生質(zhì)量或安全事故；⑥工程質(zhì)量保險(xiǎn)要求實(shí)施的檢測(cè)；⑦對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量有懷疑或爭(zhēng)議；⑧未按規(guī)定進(jìn)行施工質(zhì)量驗(yàn)收的結(jié)構(gòu)。1.3結(jié)構(gòu)檢測(cè)分類(lèi)既有結(jié)構(gòu)性能的檢測(cè)既有建筑需要進(jìn)行下列評(píng)定或鑒定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)性能的檢測(cè)：①建筑結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定；②建筑的安全性和抗震鑒定；③建筑大修前的評(píng)定；④建筑改變用途、改造、加層或擴(kuò)建前的評(píng)定；⑤建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限要繼續(xù)使用的評(píng)定；⑥受到自然災(zāi)害、環(huán)境侵蝕等影響建筑的評(píng)定；⑦發(fā)現(xiàn)緊急情況或有特殊問(wèn)題的評(píng)定。1.3結(jié)構(gòu)檢測(cè)分類(lèi)1.4土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)的發(fā)展伴隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，帶動(dòng)了土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)和理論迅速發(fā)展，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要有大型化、數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化、精密化，與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合也是土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)重要的發(fā)展方向。1.4.1先進(jìn)的土木工程試驗(yàn)與測(cè)試設(shè)施①先進(jìn)的大型和超大型試驗(yàn)裝備隨現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，我國(guó)大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝備快速發(fā)展，如電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)最大加載能力達(dá)50000kN，全球領(lǐng)先。天津的國(guó)家大型地震工程模擬試驗(yàn)設(shè)施是全球最大之一，可進(jìn)行足尺建筑或大比例模型的抗震測(cè)試。此外，大型風(fēng)洞、離心機(jī)、火災(zāi)模擬系統(tǒng)等也被廣泛使用，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)防災(zāi)抗災(zāi)能力，推動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論發(fā)展。1.4.1先進(jìn)的土木工程試驗(yàn)與測(cè)試設(shè)施②先進(jìn)的儀器及測(cè)試技術(shù)現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)迅速發(fā)展，特別是在高性能傳感器和數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域。新型“智能傳感器”利用微電子技術(shù)，提高了信號(hào)處理能力，如光纖傳感器能在千米范圍內(nèi)精確檢測(cè)結(jié)構(gòu)裂縫。分布式光纖傳感系統(tǒng)可檢測(cè)沿光纖的溫度和應(yīng)變變化，具有高精度和抗電磁干擾特性。此外，基于無(wú)線(xiàn)通信的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)被用于大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。高速數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用使結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)特征記錄更為精確，大容量數(shù)據(jù)采集也更加便捷。1.4.2計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)計(jì)算機(jī)在試驗(yàn)中的應(yīng)用：虛擬儀器技術(shù)：通過(guò)軟件模擬傳統(tǒng)儀器，用戶(hù)可以自定義儀器系統(tǒng)和參數(shù)，提高了靈活性和可定制性。模擬與分析軟件：計(jì)算機(jī)軟件能模擬結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移以及其他工程問(wèn)題，如熱傳導(dǎo)和巖土力學(xué)分析。計(jì)算機(jī)-試驗(yàn)機(jī)聯(lián)機(jī)系統(tǒng)：提高結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的精度與效率，能夠更真實(shí)地模擬和分析地震期間的結(jié)構(gòu)性能。虛擬實(shí)驗(yàn)室：便利性高，減少資金投入，特別適合在職學(xué)生和遠(yuǎn)程教育，提供隨時(shí)隨地的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?.4.2計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)2.網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在現(xiàn)代土木工程試驗(yàn)與檢測(cè)中的應(yīng)用：信息共享與資源聯(lián)合：通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)快速共享實(shí)驗(yàn)室資源，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的自動(dòng)化和信息化。遠(yuǎn)程試驗(yàn)系統(tǒng)：利用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，使不同地點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室能共享設(shè)備和數(shù)據(jù)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)：結(jié)合5G等高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，提高檢測(cè)工作的效率和準(zhǔn)確性。智能運(yùn)維與實(shí)時(shí)監(jiān)控：基于網(wǎng)絡(luò)的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，提高數(shù)據(jù)分析的速度和精確性。1.4.3無(wú)損檢測(cè)技術(shù)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在不破壞被測(cè)物質(zhì)原始狀態(tài)的前提下，利用物質(zhì)內(nèi)固有缺陷或結(jié)構(gòu)差異，通過(guò)各種檢測(cè)手段來(lái)評(píng)估材料、產(chǎn)品或設(shè)備的性質(zhì)和狀態(tài)。這些技術(shù)包括超聲波、電磁、滲透、射線(xiàn)探傷及回彈檢測(cè)技術(shù)，它們?cè)诮ㄖ⒐?、鐵路等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。超聲波技術(shù)因其廣泛的適用范圍和強(qiáng)大的穿透力被頻繁使用；電磁檢測(cè)技術(shù)高效且可在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；滲透檢測(cè)技術(shù)靈敏度高、操作簡(jiǎn)便；射線(xiàn)探傷技術(shù)能精確顯示缺陷；回彈檢測(cè)則因成本低而常用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。隨著技術(shù)進(jìn)步，未來(lái)無(wú)損檢測(cè)將結(jié)合云計(jì)算技術(shù)，推向更高發(fā)展層次。1.4.4無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)在結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域