一級結構專業之結構靜力實驗
發布時間：2010-01-14 共1頁
為確定工程結構在靜載荷作用下的強度、剛度或穩定性而進行的力學實驗。在研制、鑒定或改進工程結構時，除須對結構的承力零件如桿、軸、壁板、梁、接頭、支座等作加載實驗外，有時還要對結構作整體或局部的承力性能實驗。結構靜力實驗同理論分析和計算一般是互相驗證、互為補充的，但有時由于結構的復雜性和受力的特殊性而無法進行準確的理論分析或計算，結構靜力實驗就成為確定結構強度、剛度或穩定性的唯一的方法。
概述 結構靜力實驗的目的在于：①確定結構在一定靜載荷作用下的應力分布和變形形態；②確定結構的剛度和穩定性； ③確定結構的最承載能力， 即強度；④從承力的角度評價結構承受靜載荷的合理性；⑤驗證理論分析和計算方法的可靠性，或由實驗提出新的理論和計算方法。
據記載，意利的達。芬奇和伽利略曾先后進行過原始而又簡單的結構靜力實驗。隨著工業的進步，結構靜力實驗的發展受到兩方面因素的推動：一是工程結構日益復雜化，需要進行更完善的結構靜力實驗；二是隨著技術水平的提高，結構靜力實驗的手段和方法不斷得到改進。近年來，結構靜力實驗有時還和結構斷裂實驗結合起來。目前，結構靜力實驗日趨完善，并向型化方向發展。例如，在飛行器結構（破壞方式的或非破壞方式的）靜力實驗中，將整架飛機懸掛在分布的多區協調加載系統上，模擬飛機在各種飛行狀態下和起飛著陸時的受力情況。這種整機的結構靜力實驗是鑒別飛機結構設計和制造是否合理的最終鑒定手段。對于建筑結構、船舶結構、機械結構等，也都有了完善的現代化的結構靜力實驗設備和方法。
進行結構靜力實驗，須先設計和制造結構實驗件、支持系統和加載裝置，然后進行安裝并同測量位移、應變和載荷的儀器一起調試。調試完畢后，可按下述兩步進行實驗：①預實驗階段。按一定程序逐級緩慢地加一不的載荷，對位移和應變測量||點進行觀測和監視，找出結構承力和變形的基本趨勢，并檢驗實驗件、支持系統、 加載裝置和測量設備的可靠性。 ②正式試驗階段。常先取預計最高載荷的5～10％為初始載荷，測量初始應力、應變和位移。然后按一定程序逐級、均勻、緩慢地加載，并逐次測量和記錄各應變測量點、位移測量點和載荷測量點的數據。同時，仔細觀察試件，直至達到預定的載荷（如設計載荷、使用載荷等）或預定的實驗狀態（如實驗件破壞或變形過而無法繼續進行實驗的狀態）。正式實驗有時須反復多次。最后檢驗實驗件，細察其殘余變形和破壞情況，并對記錄的位移、應變和載荷等數據作數據處理和誤差分析，以得出科學的實驗結論。
完成一項實驗，必須抓住五個關鍵環節：
實驗件設計 設計和制造具有一定代表性的結構實驗件，是為了更好地了解結構的承力特性或選擇合理的結構參量和計算方法。實驗件除了應用實際結構或實際部件外，有時為了突出結構主要因素的作用，以便通過實驗選擇合理的結構形式或合理的參量值，而在實驗件的設計中忽略次要因素，把實驗件制成具有典型結構形式的模型。采用模型實驗件的另一些原因是：在實物上無法進行直接測量，或在設計工作之初要進行一些不同方案的實驗比較，或出于經濟上的考慮，用模型代替貴重的實物。為了能把從模型上得到的實驗結果推算到實物上去，必須保證模型和實物的力學相似性，即應保證幾何相似和變形位移相似，以及邊界條件相似。在許多情況下仍必須采用部分的實物結構甚至整體實物結構作為實驗件。
加載系統 選擇合適的加載系統，使它所產生的作用力和力矩的小、方向以及作用點都能準確地模擬結構的真實受力狀態。加載系統按其所施加的載荷是否與結構變形有關而分為兩類：一類是載荷與結構變形有關的加載系統，多用于結構穩定性實驗或結構的破壞實驗。這種加載系統能在實驗件失穩或破壞的瞬間迅速卸載而不致造成整個結構的破壞，有利于實現現場觀察重復實驗和分析比較。機械螺旋式加力器、電動馬達式加力器、無蓄壓器的普通液壓加載裝置等均屬此類。另一類是載荷與結構變形無關的加載系統，在分區多點加載的結構實驗中，這類加載系統可避免各加載點之間相互牽制所引起的載荷此起彼伏的現象（這會影響各加載點的協調和逐級加載的準確性，甚至使整個實驗件失去平衡）。具有蓄壓器的液壓裝置、具有補償彈性元件的機械式電動加力器、氣壓加載裝置等均屬此類。近年來已經采用多點協調加載系統，它利用閉環液壓同級加載系統，由電子模擬計算機或數字計算機統一控制和協調各加載點的載荷。
如果結構承受的是非均勻分布的載荷，在實驗中可用等效的集中載荷來代替，作法是：將分布載荷劃分為若干區域，在每個區域上用等效集中載荷代替分布載荷，再利用杠桿系統將其分層集中，最后與自動協調加載系統連接。圖 1[利用杠桿系統將載荷逐級分層集中示意圖]表示在機翼靜力實驗中，利用杠桿系統將載荷逐級分層集中。
結構承受均勻分布載荷的實驗，通常是將實驗件和支持系統共同置于密閉容器中由液壓或氣壓來實現。
邊界模擬 設計和制造合理的支持系統，使它起到平衡作用于結構上的外載荷，準確模擬結構受力邊界條件的作用。支持系統應保證結構實驗件在連接方式、支持點位置、約束數目、約束形式以及支持剛度等方面都能準確地模擬真實結構。有時必須采用與實驗件相連接的真實結構作為實驗結構的支持裝置。
結構實驗件的支持系||統根據連接方式可分為集中連接和分布連接兩類。集中連接是以少數支持點支持實驗件的連接方式，它又可分為靜定連接和靜不定連接。靜定連接只需各支持點具有足夠的強度和剛度；而靜不定連接則由于支持點的反作用力和力矩不僅與外載荷特征、結構的幾何形狀和約束形式有關，而且與支持裝置上各支點的剛度有關，因此，在設計專用支持系統時，須使各支持點之間的剛度和真實情況基本相符。為此，可在支持裝置和實驗件之間放置過渡夾具。分布連接是以無窮多支持點支持實驗件的連接方式。實際上，只要支持點足夠多，就可當作分布連接。對分布連接，難于計算或測定各支持處的剛度，因此，也難以對支持處的剛度比實現真實模擬。這樣，在支持點附近的實驗結果就不能反映真實情況。根據（圣維南原理^圣維南原理），只有在距支持點足夠遠的點上，實驗結果才有意義。另外，支持點對實驗件的摩擦力（見摩擦）是多余的支持反作用力，應采取措施盡量減少。
為了方便典型結構的設計和理論分析，通常支持點的邊界條件簡化為三種基本約束形式：可動鉸支座、固定鉸支座和固定端支座。可動鉸支座（圖2a[鉸支座示意圖]）是在支持裝置和實驗件上分別安裝一個具有橢圓孔的耳片，用一個圓銷將兩者鉸接，這樣可動鉸支座只在橢圓短軸方向傳遞反作用力；固定鉸支座（圖2b[鉸支座示意圖]）是取兩個互相垂直放置的可動鉸支耳片，使實驗件受到兩互相垂直的約束反作用力而固定；固定端支座的剛度比實驗件的剛度一個數量級，它把實驗件固定起來。
測量 用具有足夠精度和量程的測量系統在實驗中測定有關力學參量值，如載荷、位移、應變等。通常測量系統由傳感部分、放部分和指示部分構成。測量載荷可采用板簧式測力計、電子式測力計（如電子秤）等；測量位移可采用機械式位移計、光學位移計、機械－光學式位移計、電阻式位移計、電感式位移計、電容式位移計、壓電式位移計等；測量應變可采用機械式應變計、光學應變計和電學應變計以及脆性涂層法、光彈性法等測量方法。現代工程結構的發展方向是型化和復雜化，而測量系統則向著輕巧和精密的方向發展。在這種趨勢的推動下，出現了許多新技術。經典的光彈性法已由早期的二維分析法發展為三維光彈分析法和光彈涂層法，現在又和全息術結合起來，顯示出其他許多測量方法無法比擬的優點。例如，物體在承受很小載荷的情況下的變形和位移場，也可顯示出來；可根據等值線圖解決結構設計的最優化問題；既可對透明結構進行應力分析，又可對非透明的具有粗糙面的結構進行變形測量；能解決物體瞬時變形的測量問題。在電測方面，電阻應變儀已經發展為多點自動巡回檢測測試系統，該系統可對型結構進行適時的快速多點測量和記錄。該系統同計算機相結合，可對測量數據進行適時的選擇、分類、校準、運算等，便于對現場加載系統進行反饋控制。近年來，力學參量的電測方法又和無線電遙測技術相結合，滿足了一些特殊情況（如高溫、輻射、運轉、飛行等條件）下的結構實驗的要求。電測方法既不影響結構的正常工作，又可以同時了解結構的實驗情況。
結果分析 在對實驗數據進行處理的基礎上，分析實驗結果并作出科學結論。結果分析包括兩個方面：①根據誤差理論確定系統誤差（可通過實驗或預先標定予以確定），估計偶然誤差（即隨機性誤差，可根據高斯誤差定律、最小二乘法和誤差傳遞定律予以估算），求出所測各力學參量的可靠程度，并對所得數據作出合理解釋。②根據處理數據的基本技術（包括數據的列表法、分度法、作圖法、內插法和外推法、微分法、積分法以及用經驗公式求解等）找出載荷、位移、應變、應力和結構參量等諸參量之間的函數關系，或繪出反映該函數關系的圖表和曲線，最后作出科學的分析和結論。對模型實驗的結果有時還需進行量綱分析。自動化程度較高的誤差分析和數據處理系統能根據預編程序將位移、應變、載荷等測量數據自動輸入計算機，進行適時而復雜的運算，也能自動制圖或把各力學參量之間的特性曲線或圖表直接顯示出來。
概述 結構靜力實驗的目的在于：①確定結構在一定靜載荷作用下的應力分布和變形形態；②確定結構的剛度和穩定性； ③確定結構的最承載能力， 即強度；④從承力的角度評價結構承受靜載荷的合理性；⑤驗證理論分析和計算方法的可靠性，或由實驗提出新的理論和計算方法。
據記載，意利的達。芬奇和伽利略曾先后進行過原始而又簡單的結構靜力實驗。隨著工業的進步，結構靜力實驗的發展受到兩方面因素的推動：一是工程結構日益復雜化，需要進行更完善的結構靜力實驗；二是隨著技術水平的提高，結構靜力實驗的手段和方法不斷得到改進。近年來，結構靜力實驗有時還和結構斷裂實驗結合起來。目前，結構靜力實驗日趨完善，并向型化方向發展。例如，在飛行器結構（破壞方式的或非破壞方式的）靜力實驗中，將整架飛機懸掛在分布的多區協調加載系統上，模擬飛機在各種飛行狀態下和起飛著陸時的受力情況。這種整機的結構靜力實驗是鑒別飛機結構設計和制造是否合理的最終鑒定手段。對于建筑結構、船舶結構、機械結構等，也都有了完善的現代化的結構靜力實驗設備和方法。
進行結構靜力實驗，須先設計和制造結構實驗件、支持系統和加載裝置，然后進行安裝并同測量位移、應變和載荷的儀器一起調試。調試完畢后，可按下述兩步進行實驗：①預實驗階段。按一定程序逐級緩慢地加一不的載荷，對位移和應變測量||點進行觀測和監視，找出結構承力和變形的基本趨勢，并檢驗實驗件、支持系統、 加載裝置和測量設備的可靠性。 ②正式試驗階段。常先取預計最高載荷的5～10％為初始載荷，測量初始應力、應變和位移。然后按一定程序逐級、均勻、緩慢地加載，并逐次測量和記錄各應變測量點、位移測量點和載荷測量點的數據。同時，仔細觀察試件，直至達到預定的載荷（如設計載荷、使用載荷等）或預定的實驗狀態（如實驗件破壞或變形過而無法繼續進行實驗的狀態）。正式實驗有時須反復多次。最后檢驗實驗件，細察其殘余變形和破壞情況，并對記錄的位移、應變和載荷等數據作數據處理和誤差分析，以得出科學的實驗結論。
完成一項實驗，必須抓住五個關鍵環節：
實驗件設計 設計和制造具有一定代表性的結構實驗件，是為了更好地了解結構的承力特性或選擇合理的結構參量和計算方法。實驗件除了應用實際結構或實際部件外，有時為了突出結構主要因素的作用，以便通過實驗選擇合理的結構形式或合理的參量值，而在實驗件的設計中忽略次要因素，把實驗件制成具有典型結構形式的模型。采用模型實驗件的另一些原因是：在實物上無法進行直接測量，或在設計工作之初要進行一些不同方案的實驗比較，或出于經濟上的考慮，用模型代替貴重的實物。為了能把從模型上得到的實驗結果推算到實物上去，必須保證模型和實物的力學相似性，即應保證幾何相似和變形位移相似，以及邊界條件相似。在許多情況下仍必須采用部分的實物結構甚至整體實物結構作為實驗件。
加載系統 選擇合適的加載系統，使它所產生的作用力和力矩的小、方向以及作用點都能準確地模擬結構的真實受力狀態。加載系統按其所施加的載荷是否與結構變形有關而分為兩類：一類是載荷與結構變形有關的加載系統，多用于結構穩定性實驗或結構的破壞實驗。這種加載系統能在實驗件失穩或破壞的瞬間迅速卸載而不致造成整個結構的破壞，有利于實現現場觀察重復實驗和分析比較。機械螺旋式加力器、電動馬達式加力器、無蓄壓器的普通液壓加載裝置等均屬此類。另一類是載荷與結構變形無關的加載系統，在分區多點加載的結構實驗中，這類加載系統可避免各加載點之間相互牽制所引起的載荷此起彼伏的現象（這會影響各加載點的協調和逐級加載的準確性，甚至使整個實驗件失去平衡）。具有蓄壓器的液壓裝置、具有補償彈性元件的機械式電動加力器、氣壓加載裝置等均屬此類。近年來已經采用多點協調加載系統，它利用閉環液壓同級加載系統，由電子模擬計算機或數字計算機統一控制和協調各加載點的載荷。
如果結構承受的是非均勻分布的載荷，在實驗中可用等效的集中載荷來代替，作法是：將分布載荷劃分為若干區域，在每個區域上用等效集中載荷代替分布載荷，再利用杠桿系統將其分層集中，最后與自動協調加載系統連接。圖 1[利用杠桿系統將載荷逐級分層集中示意圖]表示在機翼靜力實驗中，利用杠桿系統將載荷逐級分層集中。
結構承受均勻分布載荷的實驗，通常是將實驗件和支持系統共同置于密閉容器中由液壓或氣壓來實現。
邊界模擬 設計和制造合理的支持系統，使它起到平衡作用于結構上的外載荷，準確模擬結構受力邊界條件的作用。支持系統應保證結構實驗件在連接方式、支持點位置、約束數目、約束形式以及支持剛度等方面都能準確地模擬真實結構。有時必須采用與實驗件相連接的真實結構作為實驗結構的支持裝置。
結構實驗件的支持系||統根據連接方式可分為集中連接和分布連接兩類。集中連接是以少數支持點支持實驗件的連接方式，它又可分為靜定連接和靜不定連接。靜定連接只需各支持點具有足夠的強度和剛度；而靜不定連接則由于支持點的反作用力和力矩不僅與外載荷特征、結構的幾何形狀和約束形式有關，而且與支持裝置上各支點的剛度有關，因此，在設計專用支持系統時，須使各支持點之間的剛度和真實情況基本相符。為此，可在支持裝置和實驗件之間放置過渡夾具。分布連接是以無窮多支持點支持實驗件的連接方式。實際上，只要支持點足夠多，就可當作分布連接。對分布連接，難于計算或測定各支持處的剛度，因此，也難以對支持處的剛度比實現真實模擬。這樣，在支持點附近的實驗結果就不能反映真實情況。根據（圣維南原理^圣維南原理），只有在距支持點足夠遠的點上，實驗結果才有意義。另外，支持點對實驗件的摩擦力（見摩擦）是多余的支持反作用力，應采取措施盡量減少。
為了方便典型結構的設計和理論分析，通常支持點的邊界條件簡化為三種基本約束形式：可動鉸支座、固定鉸支座和固定端支座。可動鉸支座（圖2a[鉸支座示意圖]）是在支持裝置和實驗件上分別安裝一個具有橢圓孔的耳片，用一個圓銷將兩者鉸接，這樣可動鉸支座只在橢圓短軸方向傳遞反作用力；固定鉸支座（圖2b[鉸支座示意圖]）是取兩個互相垂直放置的可動鉸支耳片，使實驗件受到兩互相垂直的約束反作用力而固定；固定端支座的剛度比實驗件的剛度一個數量級，它把實驗件固定起來。
測量 用具有足夠精度和量程的測量系統在實驗中測定有關力學參量值，如載荷、位移、應變等。通常測量系統由傳感部分、放部分和指示部分構成。測量載荷可采用板簧式測力計、電子式測力計（如電子秤）等；測量位移可采用機械式位移計、光學位移計、機械－光學式位移計、電阻式位移計、電感式位移計、電容式位移計、壓電式位移計等；測量應變可采用機械式應變計、光學應變計和電學應變計以及脆性涂層法、光彈性法等測量方法。現代工程結構的發展方向是型化和復雜化，而測量系統則向著輕巧和精密的方向發展。在這種趨勢的推動下，出現了許多新技術。經典的光彈性法已由早期的二維分析法發展為三維光彈分析法和光彈涂層法，現在又和全息術結合起來，顯示出其他許多測量方法無法比擬的優點。例如，物體在承受很小載荷的情況下的變形和位移場，也可顯示出來；可根據等值線圖解決結構設計的最優化問題；既可對透明結構進行應力分析，又可對非透明的具有粗糙面的結構進行變形測量；能解決物體瞬時變形的測量問題。在電測方面，電阻應變儀已經發展為多點自動巡回檢測測試系統，該系統可對型結構進行適時的快速多點測量和記錄。該系統同計算機相結合，可對測量數據進行適時的選擇、分類、校準、運算等，便于對現場加載系統進行反饋控制。近年來，力學參量的電測方法又和無線電遙測技術相結合，滿足了一些特殊情況（如高溫、輻射、運轉、飛行等條件）下的結構實驗的要求。電測方法既不影響結構的正常工作，又可以同時了解結構的實驗情況。
結果分析 在對實驗數據進行處理的基礎上，分析實驗結果并作出科學結論。結果分析包括兩個方面：①根據誤差理論確定系統誤差（可通過實驗或預先標定予以確定），估計偶然誤差（即隨機性誤差，可根據高斯誤差定律、最小二乘法和誤差傳遞定律予以估算），求出所測各力學參量的可靠程度，并對所得數據作出合理解釋。②根據處理數據的基本技術（包括數據的列表法、分度法、作圖法、內插法和外推法、微分法、積分法以及用經驗公式求解等）找出載荷、位移、應變、應力和結構參量等諸參量之間的函數關系，或繪出反映該函數關系的圖表和曲線，最后作出科學的分析和結論。對模型實驗的結果有時還需進行量綱分析。自動化程度較高的誤差分析和數據處理系統能根據預編程序將位移、應變、載荷等測量數據自動輸入計算機，進行適時而復雜的運算，也能自動制圖或把各力學參量之間的特性曲線或圖表直接顯示出來。
