工程结构试验

摘要：介绍了工程结构试验的分类、方法以及当前被广泛研究和关注的新技术，阐述了结构试验的发展。文章最后论述了今后对土木工程结构试验与加载检测新技术发展的真切期待和展望。

关键词：结构试验；结构测试；方法；新技术；发展。

1 引言。工程结构是由工程材料构成的不同类型的承重构件( 如梁、柱、板等) 相互连接的各种组合体。为了对工程结构进行合理的设计，工程技术人员必须掌握工程结构在上述各种作用下的实际应力和变形状态，了解工程结构各构件实际所具有的强度和安全储备以及刚度和抗裂性能等。

工程结构试验就是以试验方式测定结构在各种作用下的相关数据，由此反映结构或构件的工作性能、承载能力和相应的安全度，为结构的安全使用和涉及理论的建立提供重要的依据。

2.1 科学研究性试验。

研究性试验是以研究和探索为目的，其任务是通过试验验证结构设计计算的各种假定，提出新的结构理论，寻求新的更合理的计算方法，或为开发一种新结构、新材料、新工艺而进行的系统性试验研究。试验时要采用专门的或特殊设计的试验装置和先进的量测仪表，对试验对象在承受各种荷载后的性能进行详细观测，取得可靠的数据，找出规律，为设计和施工提供必要的参数。研究性试验的试验对象称为试件或试验构件。

2.2 生产鉴定性试验。

生产鉴定性试验以直接服务于生产为目的，以真实结构为对象，通过试验检测是否符合规范或设计要求，并作出正确的技术结论。这类试验通常用来解决以下几方面的问题：1) 重大建设工程的施工工艺试验和竣工验收试验。

2) 建筑物需要改变使用功能进行扩建、加层或增加使用荷载等。3) 具有历史性、纪念性的古代建筑、近代建筑或其他公共建筑的可靠性鉴定。4) 处理工程事故。

5) 产品质量检验。

在进行工程结构试验时，为了对结构物或试件在荷载作用下的实际工作有全面的了解，即为了真实而正确的反映结构的工作，就要求利用各种仪器设备量测出结构反映的某些参数，从而为分析结构的工作状态提供科学依据。因此在开始试验前，应拟定试验的测试方案，通常包括以下几方面的内容：（1）按整个试验目的的要求，确定试验测试项目。

测试项目主要是工程结构在荷载的作用下的各种变形，主要分为两类：一类是反映结构的整体工作状况，如梁的挠度、转角、支座偏移等，叫作“整体变形”；另一类是反映结构的局部状况，如混凝土的应变、裂缝、钢筋滑移等，叫作“局部变形”。（2）按确定的量测项目要求，选择测点的位置。

（3）选择测试仪器和测定方法。拟定的试验测试方案要与试验加载程序密切配合，在拟定测试方案时应该先把结构加载过程可能出现的变形数据计算出来，以便在试验时能随时与实际观测数据相比较，及时发现问题。同时，这些计算数据对确定仪器型号以及选择仪器的量程和精度等也是完全必要的。

试验的加载方式主要有以下几种：（1）重物加载。在建筑结构试验和检验中重物加载是最经常使用的加载方法之一，是使用容重较大的又容易获得的物质对结构或构件施加荷载的方法。

（2）机械式加载。机械式加载方法就是利用简单的机械设备对结构施加荷载，机械式加载对建筑结构可施加集中荷载。机械式加载的优点是加载机械设备简单可靠，实现加载容易。

（3）气压加载。气压加载是使用压缩空气或高压氮气建筑结构施加均布荷载。压缩空气和高压氮气是通过橡胶气囊给结构施加荷载的，为了提高气囊的试验压力荷载，结构的四周应砌筑支承边墙，使结构、支承边墙和地面将气囊包围在其中，达到增高气体荷载压力的目的。

气压加载的另一种方法是抽真空，形成大气压力差实现对结构的均布加载。气压加载适用于对板壳等大面积的结构物施加均布荷载，其优点是加卸荷载方便可靠，荷载值稳定易控制。（4）液压加载。

液压加载在建筑结构试验中是理想的加载方法之一，它不但可以对建筑结构物施加静荷载，也可施加动荷载。液压加载的原理清晰，加载设备操作简单方便、安全可靠，能产生较大的荷载，而且荷载容易控制，准确稳定，并能实现多点同步加载，是目前建筑结构试验应用最广，技术先进的加载方法之一。

应变测试是结构试验与检测的重要内容，通过测试结构有关部位的应变，可以了解其在荷载作用下的应力分布情况、内力情况，从而了解结构的性能和承载能力等，因此，一般情况下，结构试验都要进行应变测试。

传统的应变测试手段包括电阻应变测试、千分表应变测试、振弦式应变传感器测试。这些测试手段各有优缺点，可以满足不同的工程应用环境和测试精度需要，但这些测试方式都属于局部的点式测试，无法应用于庞大结构的分布式监测解决方案。新兴的光纤应变监测技术正是基于这种要求而被提出，在近几年得到了广泛的关注与研究，工程应用发展迅速。

与传统的差动电阻式和振弦式传感器相比，光纤传感器具有如下优点：①光纤传感器采用光信号作为载体，光纤的纤芯材料为sio。该传感器具有抗电磁干扰，防雷击，防水，防潮，耐高温，抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性；②现代的大型或超大型结构，要通过传统的监测技术实现全方位的监测相当困难，而且成本较高。

但是通过布设具有分布式特点的光纤传感器，光纤即作为传感器又作为传输介质，可以真正实现长距离、分布式监测；③光纤本身轻细纤柔，体积小，重量轻，便于布设安装。此外，将其埋入结构物中不存在匹配的问题，对埋设部位的材料性能和力学参数影响较小。

分布式光纤传感技术是最能体现光纤分布优势的传感测量方法，它是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射otdr(optical time domain reflect meter)技术发展起来的一种新型传感技术[1]。除了具有普通光纤传感器的特点外，其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任意点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路。如果将光纤纵横交错地铺设成网状，可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测的成功率。。

从上世纪70 年代末提出到现在近四十年里，分布式光纤传感器取得了相当大的发展，并在以下3个方面获得了突破：基于瑞利散射的分布式传感技术、基于布里渊散射的分布式传感技术、基于拉曼散射的分布式传感技术。其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经趋于成熟，并逐步走向实用化。

基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术，因此这种技术在目前得到广泛的关注与研究[2]。

光纤可以用作传感器的原因是，光在光纤中传输会发生散射，包括由光纤中折射率的变化引起的瑞利散射、光学声子引起的拉曼散射和声学声子引起的布里渊散射3种类型[3]。瑞利散射是光纤的一种固有特性，当光波在光纤中传输时，遇到光纤纤芯中的折射率n 在微观上随机起伏而引起的线性散射；拉曼散射是入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成其两个振动态之间的跃迁；布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果。这个传播的压力波等效于一个以一定速度（且具有一定频率）移动的密度光栅[4]，因此，布里渊散射可看作是入射光在移动的光栅上的散射，多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。

当某一频率的散射光与入射光、压力波满足相位匹配条件（对光栅来说，就是满足布拉格（bragg）衍射条件）时，此频率的散射光强度为极大值。

数据采集与分析是结构试验的重要环节，通常需要由相应的仪器完成此工作。传统的测试仪器通常由专门的厂家定制，功能扩展性差、环境适应性差，难以满足结构试验及检测技术进一步发展的需求。特别是在结构检测中，由于安装环境往往较为恶劣，传统仪器体积大、携带困难的缺点尤为显著。

虚拟仪器是一个新型概念，是计算机技术在仪器仪表领域的应用形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类。它由用户定义测量功能，具有强大的数据处理能力，便于组成自动测试系统。传统的测量仪器基本上由硬件或固化的软件组成，因此传统仪器设计复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用，手动操作的模式，整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使用起来很不方便。

计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地促进了多年来发展先对缓慢的仪器技术。目前正在研究的第三代自动测试系统中，计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，出现了新的仪器概念——虚拟仪器vi(virtual instrument)。由于虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机所替代[5]。

1986 年，美国ni公司提出了虚拟仪器的概念，提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器性能只能由厂家定义、使用过程中仪器参数不易更改、且仪器体积庞大，难以携带等缺陷。虚拟仪器用一台计算机即可构成整套智能仪器，使用者通过图形截面进行操作，并能根据需要设计自己的仪器系统，可通过软件的方法修改参数，以适应不同测试情况的需求。其成本低，技术更新快，还具备良好的可控性，可多次重复使用，安全经济，不受外界环境限制等突出优点。

目前虚拟仪器技术主要应用在机械，能源，电子等领域，在土木工程的结构与桥梁健康监测方面也逐渐得到了应用。

在我国，1979 年应怀樵教授编写的《振动测试分析》最早提出了“软件制造仪器”的构想并付诸实施。2023年东方所(coinv)正式成立，提出“把实验室拎着走”的口号，成为研究中国式 daq、spi&vi的代表。目前，应怀樵教授课题组发明的虚拟仪器及100多项创新技术是一个具有核心自主产权的创新，这一成果标志着我国虚拟仪器的研究处于世界先进水平[6]。

结构试验的发展历史，一般认为开始于17世纪初伽利略进行的梁弯曲试验，之后胡克又进行了弹簧试验并建立了著名的胡克定律。18世纪库仑作了扭转试验，分析了圆轴的扭转，建立了剪切的基本概念。19世纪杨氏用试验方法测定了拉伸( 或压缩)与剪切的弹性模量，确立了弹性模量的基本概念。

到19世纪上述试验和其他人所进行的研究基本上奠定了材料力学的基础。这一阶段的试验与理论保持着十分密切的关系，并且试验对于建立强度理论起着极为重要的作用。

19 世纪的后半叶，在纳维叶、泊松、科希、圣维南等人的努力下，使弹性理论已发展到较为成熟的阶段。从20 世纪开始，随着工业的进步和电学、光学等技术的发展，给试验力学创造了条件，从而也促进了结构试验的进展。

为适应整体结构的研究，排除现场试验中许多外来因素的干扰，国外建立了大型的结构实验室，有空调设备，能做到恒温恒湿。60 年代以来，国外对足尺结构的模拟试验也做了大量工作。对于特大型结构，必须进行足尺试验时，可将它分解成几个独立部件，然后用专门的加载设备或电液伺服机模拟这些部件的边界约束条件进行加载，使它的受力情况和在整体结构中的一样。

这样模拟试验解决了特大型结构在室内进行试验时所带来的各种问题[7] 。

解放后我国十分重视结构试验，在这方面做了许多工作。1953 年在长春对25.3 m 高的酒杯形输电铁塔进行了简单的真型试验，这是解放后第一次规模较大的结构试验。

1956 年各大学开始设置结构试验课程，各建筑学研究机构和高等学校也开始建立结构实验室，同时也开始生产一些测试仪器，全国各地开始对结构构件进行试验。从那时起，我国便初步拥有一支既掌握一定试验技术，又具有一定装备的结构试验专业队伍。1957 年完成了武汉长江大桥的坚定性试验任务。

2023年我国制订了《建筑结构测试技术的研究》的八年规划，为使测试技术达到现代化水平提出了具体的奋斗目标。目前全国土建专业的各科研机关、高等学校都已展开对基本构件力学性能的研究， **力、振动荷载对结构的影响研究；加载设备、电液伺服自动控制加载系统的研究；新的特种结构和新的测试技术的研究，并已取得一定的成果[8] 。

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