加载图式是指试验荷载在试件上的布置形式。加载图式要根据试验目的来决定。试验时的荷载应该使结构处于某一种实际可能存在的最不利的工作情况。
加载图式要与结构设计计算的荷载图式一样,此时,结构的工作和其实际情况最为接近。例如,在钢筋混凝土楼盖中,支承楼板的次梁的试验荷载应该是均布的;支承次梁的主梁,所受荷载应该是按次梁间距作用的几个集中荷载;而工业厂房的屋面大梁则承受间距为屋面板宽度或檩条间距的等距集中荷载,在天窗脚下则需另加较大的集中荷载;对于吊车梁,则按其抗弯或抗剪最不利时的实际轮压位置布置相应的集中荷载。
但在试验时也常常采用不同于设计计算所规定的荷载图式,一般是基于下列的原因:
①对设计计算时采用的荷载图式的合理性有所怀疑,因而在试验时采用某种更接近于结构实际受力情况的荷载布置方式。
例如,装配式钢筋混凝土的交梁楼面,设计时楼板和次梁均按简支进行计算,施工后由于浇捣混凝土整筑层使楼面的整体性加强,试验时必须考虑邻近构件对受载部分的影响,即要考虑荷载的横向分布,这时荷载图式就必须按实际受力情况作适当的变化。
②在不影响结构的工作和试验成果分析的前提下,由于受试验条件的限制和为了加载的方便,可以改变加载的图式。
例如,当试验承受均布荷载的梁或屋架时,为了试验的方便和减少加载用的荷载量,常用几个集中荷载来代替均布荷载,但是集中荷载的数量与位置应尽可能地符合均布荷载所产生的内力值。由于集中荷载可以很方便地用少数几个液压加载器或杠杆产生,这样不仅简化了试验装置,还可以大大减轻试验加载的劳动量。采用这样的方法时,试验荷载的大小要根据相应等效条件换算得到,因此称为等效荷载。
采用等效荷载时,必须全面验算由于荷载图式的改变对结构的各种影响。必要时,应对结构构件做局部加强,或对某些参数进行修正。当构件满足强度等效,而整体变形(如挠度)条件不等效时,尚需对所测变形进行修正。取弯矩等效时,尚需验算剪力对构件的影响。
为了保证试验工作的正常进行,对于试验加载用的设备装置也必须进行专门的设计。在使用试验室内现有的设备装置时,也要按每项试验的要求对装置的强度和刚度进行复核计算。
对于加载装置的强度,首先要满足试验最大荷载量的要求,保证有足够的安全储备,同时要考虑到结构受载后有可能使局部构件的强度有所提高。如图2.2所示的钢筋混凝土框架,在 B 点施加水平力 Q ,柱上施加轴向力 N 时,则梁 BC 增加了轴向压力 。特别是当梁的屈服荷载由最大试验荷载决定时,梁所受的轴力使其强度提高,有时竟能提高50%。这样的强度提高,就会使原来按梁上无轴力情况的理论荷载所设计出来的加载装置不能将试件加载到破坏。对于X形节点试件,随着梁、柱节点处轴力 N 、剪力 Q 的增大,其强度也按比例提高。根据使用材料的性质及其误差,即使考虑了上述的轴力的影响,试件的最大强度常比预计的大。这样,在做试验设计时,加载装置的承载能力总要求将提高70%左右。
试验加载装置在满足上述强度要求的同时,还必须考虑刚度要求。正如混凝土应力-应变曲线下降段测试一样,在结构试验时如果加载装置的刚度不足,将难以获得试件极限荷载后的性能。
试验加载装置的设计还要求使它能符合结构构件的受力条件,要求能模拟结构构件的边界条件和变形条件,否则就失去了受力的真实性。柱的弯剪试验可采用如图2.3所示的方法,试验中必须施加轴向和水平向的两个作用力,且在加力点形成约束,以致其应力状态与设想的有所不同,在轴向力的加力点处会有弯矩产生。为了消除这个约束,在加载点和反力点处均应加设滚轴。
图2.2 框架试验荷载图式
图2.3 柱弯剪试验装置
在加载装置中还必须注意试件的支承方式,前述受轴力和水平力的柱的试验,两个方向加载设备的约束会引起较为复杂的应力状态。梁的弯剪试验中,处于加载点和支承点的摩擦力均会产生次应力,使梁所受的弯矩减小。在梁柱节点试验中,如采用X形试件,若加力点和支承点和摩擦力较大,就会接近于抗压试验的情况,支承点的滚轴可按接触承压应力进行计算。实际试验时多用细圆钢棒作滚轴,当支承反力增大时,滚轴可能产生变形,甚至接近塑形,会有非常大的摩擦力,使试验结果产生误差。
试验加载装置除了在设计时要满足上列要求外,还尽可能使它构造简单,组装时花费较少时间,特别是当要做若干同类型试件试验时还应考虑能方便安装试件,并缩短其安装调整的时间。如有可能,最好设计成多功能的以满足各种试件试验的要求。
试验加载制度是指试验过程中荷载施加的程序或步骤,即施加的荷载和时间的关系,包括加载顺序、加载卸载程序和大小等。结构构件的承载能力和变形性质与其所受荷载作用的时间特征有关。不同性质的试验必须根据试验的要求制订不同的加载制度。
对于结构静力试验,一般采用包括预加载、标准加载和破坏荷载3个阶段的单调静力加载。结构抗震静力试验采用控制荷载或变形的低周反复加载,而结构拟动力试验则由计算机控制按结构受地震地面运动加速度作用后的位移反应时程曲线进行加载试验。一般结构动力试验采用正弦激振的加载试验,而结构抗震动力试验则采用模拟地震地面运动加速度地震波的随机激振试验。
对于预制混凝土构件,在进行质量检验评定时,可按《预制混凝土构件质量检验标准》(T/CECS 631—2019)的规定进行。一般混凝土结构静力试验的加载程序可按《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—2012)的规定。对于结构抗震试验则可按《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)的有关规定进行设计。