土木工程結構試驗對科學研究的影響

摘 要：結構試驗是一門以試驗為基礎性質的科學和技術，是研究和發展土木工程結構新材料、新結構、新施工工藝以及檢驗結構計算分析和設計理論的重要手段，在土木工程結構科學研究和技術革新等方面起著重要作用。而今諸多高等院校已經將這門科學引入了必修專業課的行列中，而且學習的內容涵括了結構試驗設計、加荷設備與方法和測量技術、工程結構靜載試驗、結構動力試驗、結構抗震試驗、工程結構模型試驗建筑結構可靠性檢測鑒定的基本理論與基本方法、建筑結構可靠性的檢測鑒定、結構試驗的數據處理等。

關鍵詞：結構試驗；檢測手段；混凝土結構；結構疲勞試驗

隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，人們越來越重視建筑結構的使用壽命之內的安全性。因此，定期監測結構在長期超負荷運作和不利荷載作用下的安全性以及在重大自然災害（比如地震、海嘯、雪災）后立即評估結構的安全狀況已經成為現代社會的熱點問題。

很多重大工程結構的使用期長達幾十年、甚至幾百年，收到環境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應、疲勞效應與突變效應等不利因素，將不可避免地造成結構損傷的積累和抗力衰減，從而抵抗自然災害甚至正常環境作用的能力遠遠下降。如何減少突發事件的發生在現今社會成為科學家探討研究的新問題，我們需要通過一定的檢測手段來完成建筑結構是否安全的準備工作，即結構試驗。

1 結構試驗的分類

結構試驗分研究性試驗和鑒定性試驗。

研究性試驗具有研究、探索和開發的性質。其目的在于驗證結構設計的基礎理論，或驗證科學的推理與假設的正確性。或是為了提出某種新型結構體系及其計算原理，而系統地進行的試驗研究。

通過研究性試驗，我們不僅可以驗證結構計算理論或通過結構試驗創立新的結構理論，還可以制定工程技術標準。

檢測性試驗的對象多數是生活中的結構或構件，其目的是通過實驗來檢驗結構構件是否符合結構設計施工及施工驗收規范的要求，并對檢驗結果作出技術結論。通過結構試驗檢驗結構、構件或結構部件的質量，確定已建成結構的承載能力，驗證結構設計的安全度。

2 實例及分析

2.1 混凝土結構的檢測及評定

結構混凝土檢測技術是20世紀30年代開始用于檢測混凝土強度的方法，目前常用的檢測方法主要有：回彈法、超聲法、超聲回彈綜合法、取芯法、拔出法等。具體方法參考 GBT 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》，其中回彈法是在各種檢測方法中，操作最簡單、費用最低廉、檢測效率最高的一種檢測方法，因而現場應用性極強。但是，回彈法是以混凝土抗壓強度與其表面硬度的物理量的相關性為基礎，這種相關性受眾多因素的影響，往往檢測結果誤差較大。

根據《混凝土強度檢驗評定標淮》GB/T50107―2010，評定混凝土強度的方法有：用統計方法和非統計方法。（統計方法又分（一）、（二），但（一）、（二）適用的條件不同，（一）適用方差已知的統計方法，（二）適用方差未知的統計方法。）

統計方法：

（一）方差已知的統計方法：《混凝土強度檢驗評定標淮》GB/T50107―2010中規定公式進行評定。

5.1.2 一個檢驗批的樣本容量應為連續的3組試件，其強度應同時符合下列規定：

mfcu≥fcu，k+0.7σ0 （5.1.2—1）

fcu，min≥fcu，k-0.7σ0 （5.1.2—2）

當混凝土強度等級不高于C20時，其強度最小值尚應滿足下列要求：

fcu，min≥0.85fcu，k （5.1.2—4）

當混凝土強度等級高于C20時，其強度最小值尚應滿足下列要求：

fcu，min≥0.90fcu，k （5.1.2—5）

（二）方差未知的統計方法：《混凝土強度檢驗評定標淮》GB/T50107―2010中規定公式進行評定。

5.1.3 當樣本容量不少于10組時，其強度應同時符合下列規要求：

mfcu≥fcu，k+λ1●Sfcu （5.1.3—1）

fcu，min≥λ2●fcu，k （5.1.3—2）

當檢驗批混凝土強度標淮差Sfcu計算值小于2.5N/mm2時，應取2.5N/mm2。λ1、λ2按混凝土強度檢驗評定標淮》GB/T50107―2010表5.1.3選。

非統計方法：

《混凝土強度檢驗評定標淮》GB/T50107―2010中規定公式進行評定。

5.2.2 當樣本容量小于10組時，其強度應同時符合下列規要求：

mfcu≥+λ3●fcu，k （5.2.2—1）

fcu，min≥λ4●fcu，k （5.2.2—2）

λ4取0.95。混凝土強度等級

如果要評定混凝土強度等級，就會麻煩一些，需要做強度統計性分析，數據點越多，越具有說服力。國外一般至少做30個試塊，標養28天，按標準做抗壓強度試驗，得出平均值fcu，m，標準差σ，那么：

混凝土強度等級=fcu，m-1.645σ

上式結果要取5的倍數，并取較小的。（如結果為43，則混凝土強度等級為C40；結果為47，則混凝土強度等級為C45）

2.2 結構疲勞試驗

工程結構中存在著許多疲勞現象，這些結構物或構件在重復荷載作用下達到破壞時的力比其靜力強度要低得多。這種現象稱為“疲勞”。結構疲勞試驗的目的就是要了解在重復荷載作用下結構的性能及變化規律。

疲勞試驗目的：了解多次反復性荷載作用下的疲勞性能或狀態以及變化規律，以確定其疲勞極限（疲勞極限荷載、疲勞強度）

2.2.1 疲勞試驗項目：

2.2.1.1 鑒定性試驗：

（1）抗裂性及開裂荷載

（2）裂縫寬度及其發展

（3）最大撓度及其變化幅度

（4）疲勞強度及其疲勞壽命

2.2.1.2 科研型試驗：

（1）各階段界面的應力分布狀況，中和軸變化規律

（2）抗裂性及開裂荷載

（3）裂縫寬度、長度、間距及其發展

（4）最大撓度及其變化規律

（5）疲勞強度的確定

（6）破壞特征分析

2.2.2 疲勞試驗荷載：

2.2.2.1 疲勞試驗荷載取值

2.2.2.2 疲勞試驗荷載速度

原則：不發生共振、與實際工作情況接近

要求：θ<0.5ω或θ>1.3ω（θ—構件固有頻率；ω—荷載頻率）

2.2.2.3 疲勞試驗的控制次數

要求：構件經受控制次數后，抗裂性、剛度、強度必須滿足現行規范要求

中級制吊車梁：n=2x106次

重級制吊車梁：n=2x104次

3 結語

總之，結構試驗對土木工程科學研究的影響和技術革新方面起著重要的作用，綜合來講有以下幾方面：（1）發展結構理論和計算方法的重要途徑；（2）發現設計問題的主要手段；（3）檢驗結構理論唯一方法；（4）鑒定結構質量的直接方法；（5）鑒定各類技術規范和標準的基礎；（6）結構試驗自身發展要求。

參考文獻

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基金項目：本文系佳木斯大學教育科研專項課題，編號：JKA2012- 011。

作者簡介：劉曉丹（1979- ），女，吉林白山人，碩士，講師，研究方向：結構工程。