2.1　结构试验的试件设计

结构试验中的试件通常是截取实际结构中有代表性的一部分，重点研究其中的强度、刚度及变形等问题。一般情况下，视实验室条件来确定采用足尺的真型结构试验或缩尺模型试件。因此，需要对试件形状、尺寸和数量等进行设计，还要对试件的构造措施、结构边界条件等进行仔细分析与模拟，以求研究结果能够真实反映结构的受力反应。

2.1.1　试件形状

结构试件的形状虽然和试件缩尺比例无关，但必须考虑与试验目的相一致的应力状态。这个问题对于静定系统中的单一构件，如梁、柱、桁架等一般构件的实际形状都能满足要求，问题比较简单。但对于从整体结构中取出部分构件单独进行试验的情况，特别是在比较复杂的超静定体系中，必须要注意其边界条件的模拟。边界条件的模拟直接影响后期试验结果的真实性，必须进行仔细分析研究，使其能如实反映该部分结构构件的实际工作。

当进行如图2.1（a）所示的受水平荷载作用的框架结构应力分析时，若分析 A — A 部位的柱脚、柱头部分，试件要设计成如图2.1（b）所示的形式；若进行 B — B 部位的试验，试件要设计成如图2.1（c）所示的形式；对于梁，如果设计成如图2.1（d）、（e）所示的形式，则其应力状态可与设计目的相一致。

进行钢筋混凝土柱的试验研究时，若要探讨其挠曲破坏性能，可使用如图2.1（h）所示的试件；但若进行剪切性能的探讨，则如图2.1（h）所示的试件在反弯点附近的应力状态与实际应力情况有所不同。为此，有必要采用如图2.1（i）所示的适用于反对称加载的试件。

在做梁柱连接的节点试验时，试件受轴向力、弯矩和剪力的作用，这样的复合应力使节点部分发生复杂的变形，但其中主要是剪切变形，以致节点部分由于较大剪力作用而发生剪切破坏。为了明确节点的强度和刚度，使其应力状态能被充分反映，应避免在试验过程中梁柱部分先于节点破坏，故在试件设计时必须事先对梁柱部分进行加固，以满足整个试验能达到预期效果。此时十字形试件如图2.1（f）所示，节点两侧梁柱的长度一般取1/2梁跨和1/2柱高，即按框架承受水平荷载时产生弯矩的反弯点（ M =0）的位置来决定。边柱节点可采用T字形试件。当试验目的是了解初始设计应力状态下的性能并与理论作对比时，可以采用如图2.1（g）所示的X形试件。为了在X形试件中再现实际的应力状态，必须根据设计条件给定的各个力的大小来确定试件的尺寸。

以上所介绍的任一种试件的设计，其边界条件的实现与试件的安装、加载装置、约束条件等有密切关系，必须在试验总体设计时进行周密考虑，才能付诸实施。

2.1.2　试件尺寸

根据结构试验所用试件的尺寸大小，试件从总体上分为真型（实物或足尺结构）、模型和小试件三类。

从国内外已发表的试验研究文献来看，钢筋混凝土试件中的小尺寸试件可以小到构件截面边长只有几厘米，大尺寸可以大到结构物的真型。

一般来说，静力试验试件的尺寸应该控制在合理的范围内，而过于追求真型试验，必然要对试验环境和试验设备的要求较高。对于缩尺试件，需要考虑尺寸不能太小，以防产生尺寸效应，影响试验结果对研究对象的真实评价。大比例缩尺的构件截面，一般建议不小于以下尺寸：微型混凝土截面40mm×60mm、普通混凝土截面100mm×100mm，否则容易产生尺寸效应，影响试验结果。因此，建议普通混凝土试件截面边长大于120mm，砌筑墙体尺寸大于真实墙体尺寸的1/4。

国内外大量试验研究结果表明，虽然足尺真型试件能真实反映结构受力特征，但足尺真型试件和适量缩尺模型试件的试验结果并无显著差异，且前者对试验条件要求高，耗费的人力、财力也相当巨大，故建议除特殊研究要求外，通常采用适量缩尺试件进行试验研究，这样既可增加试验数量和品种，又可以降低试验经费。对于局部性的试件尺寸，可取为真型尺寸的1/4~1；而整体性的结构试件尺寸，可取为真型尺寸的1/5~1/30。

2.1.3　试件数量

在进行试件设计时，除了对试件的形状尺寸要进行仔细研究外，试件数目即试验量的设计也是一个不可忽视的重要问题，因为试验量的大小直接关系到能否满足试验的目的和任务以及整个试验的工作量问题，同时也受到试验研究、经费预算和时间期限的限制。

对于生产性试验，一般按照试验任务的要求有明确的试验对象。例如，对于预制厂生产的一般工业与民用建筑钢筋混凝土和预应力混凝土预制构件的质量检验和评定，可以按照《预制混凝土构件质量检验评定标准》（GBJ 321—90）中结构性能检验的规定，确定试件数量。

按该标准规定成批生产的构件，应按同一工艺，正常生产的1000件，但不超过3个月的同类型产品为一批（不足1000件者也为一批），在每批中随机抽取一个构件作为试件进行检验。这里所谓“同类型产品”是指采用同一钢种、同一混凝土强度等级、同一工艺、同一结构形式的构件。对同类型产品进行抽样检验时，试件宜从设计荷载最大、受力最不利或生产数量最多的构件中抽取。

对于科研性试验，其试验对象是按照研究要求而专门设计制造的，这类结构的试验往往是属于某一研究专题工作的一部分，特别是对于结构构件基本性能的研究，由于影响构件基本性能的参数较多，所以根据各参数构成的因子数（对试验指标可能有影响的原因或要素，用A、B、C等来表示）和水平数（各因素所处的状态和条件，用1、2、3等来表示）来决定试件数目，参数多则试件的数目也自然会增加。

表2.1为按因子数和水平数进行全组合需要的试验数量，由表可见：随着主要因子和水平数的增加，试件的个数就急速增多。例如，在进行钢筋混凝土柱剪切强度的基本性能试验研究中，我们取不同混凝土强度和不同配筋率、配箍率的钢筋混凝土柱在不同轴向应力和剪跨比的情况下进行试验，这里要求考虑的主要因子有受拉钢筋配筋率 ρ 、配箍率 ρ _s 、轴向应力 σ _c 、剪跨比 λ 和混凝土强度等级C等，如果每个因子各自有3个水平数时，则需要的试件数为243个。如果每个因子有5个水平数，则试件的数量将猛增为3125个，而这样多的试件在实际中是不可能做到的。

为此，试验工作者在试验设计中经常采用一种解决多因素问题的试验设计方法——正交试验设计法。正交表主要用于整体设计、综合比较，使用它可以妥善解决各因子和水平数相互组合的影响，以及所需要的试件数与实际可行的试验试件数之间的矛盾，解决实际所做少量试件试验与要求全面掌握内在规律之间的矛盾。

现就钢筋混凝土柱剪切强度基本性能研究问题为例，用正交试验法作试件数目设计。如果如同前面所述，主要分析因子数为5，而混凝土只用一种强度等级C20，这样实际因子数只有4，每个因子各有3个差别，即水平数为3，详见表2.2所列。

根据正交表 L ₉ （3 ⁴ ），试件主要因子组合如表2.3所示。全组合方法需要243个试件，而采用正交设计法仅需9个试件。

此例的特点是：各个因子的水平数均相等，试验数恰好等于水平数的平方，即

当试验对象各个因子的水平数互不相等时，试验数与各个因子的水平数之间存在以下关系：

正交设计表中多数试验数能够符合这一规律。例如，正交表L ₄ （2 ³ ）的试验数就等于2 ² =4,L ₁₆ （4×2 ¹² ）的试验数就等于4 ² =16。

正交表除了L ₉ （3 ⁴ ）、L ₄ （2 ³ ）、L ₁₆ （4×2 ¹² ）外，还有L ₁₆ （45）、L1s（4 ² ×2 ⁹ ）、L ₁₆ （4 ³ ×2 ⁶ ）等。L表示等角设计，其他数字的含义见下式：

例如，L ₁₆ （4 ² ×2 ⁹ ）的含义是某试验对象有11个影响因素，其中2个因素有4个水平数，其余9个因素有2个水平数，其试验数为16。

试件数量设计是一个多因素问题，在实践中我们应该使整个试验的试件数目少而精，以质取胜，切忌盲目追求数量；要使所设计的试件尽可能做到一件多用，以最少的试件、最少的人力经费，得到最多的数据；要使通过设计所决定的试件数量经试验得到的结果能反映试验研究的规律性，以达到研究目的和要求。 oMxIwAk2hEdJE2pkk9WaKxreU3zPYWQDY6NZ7Lkayiswv06FOkI0Isci3HrScEG1