2.2
土木工程结构试验的试件设计
试件形状选择 试件尺寸与数量 试件构造措施等
试件设计应包括:
2.2.1试件的形状
试件设计的基本要求，是构造一个与实际受力相一致的应 力状态，当从整体结构中取出部分构件单独进行试验时，特别 是对在比较复杂的超静定体系中的构件，必须要注意其边界条 件的模拟，使其能反映该部分结构构件的实际工作状态。
1.优选设计法
针对不同的试验内容，利用数学原理合理地安排试验 点，用步步逼近，层层选优的方式以求迅速找到最佳试验 点的试验方法叫优选法。 单因素问题设计方法中的0.618法是优选法的典型代表。
优选法对单因素问题试验数量设计的优势最为显著， 其多因素问题设计方法已被其他方法所代替。
1.优选设计法
做馒头，碱放少了馒头会酸，碱放多了馒头会变黄、 变绿且带有碱味，碱放多少才合适呢？这是一个优选问题； 为了加强钢的强度，要在钢中加入碳，加入太多太少都不 好，究竟加入多少碳，钢才能达到最高强度呢？这也是一 个优选问题．在日常生活中和生产中，我们常常会遇到优 选问题。 可见，碱的多少与馒头好坏之间的关系，碳的多少与 钢的强度之间的关系，如果不能简单地用数学式子表示出 来，那么，应该如何解决呢？我们不妨观察一下炊事员蒸 馒头的过程：这次碱放多了，下次放少一点，下次碱放少 了，再下次放多一点，以此类推，试验效果一次比一次好， 最终获得碱的合适加入量，做出好馒头太妙了！炊事员给 了我们一个启示：用试验的办法来解决！
结构试验设计
试件设计 试验荷载设计 试验观测设计 试验误差控制措施 试验安全措施 试件制作与安装 试验人员组织分工 仪器设备的检验与率定 材料力学性能试验
确定试验荷载图示 设计试验加载装置 选择试验方法及设备 设计试验加载制度
结构试验准备
确定试验观测项目 确定测点布置位置与数目 选择测试仪器与设备
结构试验实施
试验准备阶段的主要工作有：
1．试件的制作。 2．试件质量检查。 3．试件安装就位。 4．安装加载设备。 5．仪器仪表的率定。 6．作辅助试验。 7．仪表安装，连线试调。 8．记录表格的设计准备。 9．算出各加载阶段试验结构特征部位的内力及变形 值．以备在试验时判断及控制。 10．在淮备工作阶段和试验阶段应每天记工作日志。
(b) (a)
(c)(h)(i)(d)(e)(f)
(g)
框架结构中梁柱和节点试件形状
• 2.2.2 试件尺寸
• 工程结构试验所用试件的尺寸和大小，总体上分为原型和 模型两类。 • 生产鉴定性试验中的试件一般为实际工程中的构件，即原 型构件，如屋面板、吊车梁等。
• 基本构件性能研究的试件大部分采用缩小比例尺的小构件， 压弯构件的截面为(16cm×16cm)～(35cm×35cm)，矩形柱 (偏压剪)为(15cm×15cm)～(50cm×50cm)，双向受力构件 为(10cm×l0cm)～(30cm×30cm)。
1.优选设计法
解答一个优选问题，往往需做若干次试验．安排这些 试验的方法，选择时必须讲究科学．例如，对钢中加入多 少碳的优选问题，假设已估计出每吨加入量在1000克、100 2克、…为试验点，共需做一千次试验．若按一天做一次试 验计算，则需花将近三年的时间才能完成，太费时了！这 种安排方法显然不可取，有更科学的安排方法吗？能否减 少次数，迅速找到最佳点呢？ 为此，数学家们设计了运用数学原理科学地安排试验 的方法，这就是人们所说的“优选法”．数学大师华罗庚 （1910年～1985年）从1964年起，走遍大江南北的二十几 个省（市），推广优选法，他在单位因素优选问题中，用 得最多的是0.618法。 0.618法是根据黄金分割原理设计的， 所以又称之为黄金分割法．
第四次试验后，再与第二次比较，并取舍，在留下部分 用同样方法继续试验，直到找到最佳点为止。一次又一次试 验，一次又一次比较取舍，从第二次试验起，每次能去掉相 应范围的382/1000，试验范围逐步缩小，最佳点逐步接近， 因此，0.618法能以较少的试验次数，迅速找到最佳点．
不少工厂在配比配方、工艺操作条件等方面，用0.618 法解决了优选问题，从而提高了质量，增加了产量，降低了 消耗，取得了很好的经济效益。例如，粮食加工通过优选加 工工艺，一般可以提高出米率1～3。
剪力墙单层墙体试件的外形尺寸为(80cm×100cm)～(17 8cm×274cm)，多层的剪力墙为原型的1/10～1/3。 砖石及砌块的砌体试件一般取为真型的1/4～1/2。国内 曾进行过多幢砖石和砌块多层房屋结构的足尺房屋实验。 框架试件截面尺寸为原型的1/4～1/2。框架节点一般为 原型的1/2～1，做足尺模型试验一般要求反映有关节点的配 筋与构造特性，国内曾先后进行过装配式混凝土和空心混凝 土大板结构的足尺房屋试验。 实践证明，试件尺寸将受到尺寸效应、构造要求、试验 设备和经费条件等因素的制约。
试验加载 试验反应观测和数据采集 试件变形、裂缝和破坏形态 记录 试验观测和采集数据处理 结构参数识别 结构破坏机制分析 结构性能与承载力分析
结构试验分析
结构试验结论
试验总结报告
• 以简支梁试件设计为对象说明试验设计的主要内容： • (1)试件设计 • 确定试验参数，结合试验经费与时间，进行试件设计。 • 如适筋梁试验：强剪弱弯原则、板的抗剪问题、梁截面 尺寸的确定、经济配筋率问题。 • (2) 加载设计。 • 支承条件、加载方式（等弯矩段）、加载设备、加载制 度（荷载与位移混合控制）。 • (3) 观测设计。 • P-Δ、挠度、裂缝、应变、曲率等。尽可能多地测量内 容，充分利用试验。
• 任务：参照一些成熟的实验，设计并讲解一个完整试验。
2.1土木工程结构试验的一般过程
土木工程结构试验包括结构试验设计、试验准备、试 验实施和试验分析等主要环节，每个环节的工作内容和它 们之间的关系如下图所示：
结构试验目的
调查研究、搜集有关资料 确定试验的性质与规模
设计试件的形状和尺寸 确定试件的数量 设计构造措施
2.1.4土木工程结构试验数据处理与分析
1．试验数据处理。因为从各个仪表获得和量测的数据和记 录曲线一般不能直接解答试验任务所提出的问题，它们只 是试验的原始数据，需对原始数据进行科学的运算处理才 能得出试验结果。
2．试验结果分析。试验结果分析的内容是分析通过试验得 出了哪些规律性的东西，揭示了哪些物理现象。最后，应对 试验得出的规律和一些重要的现象做出解释，分析它们的影 响因素，将试验结果和理论值进行比较，分析产生差异的原 因，并做出结论，写出试验总结报告。总结报告中应提出试 验中发现的新问题及进一步的研究计划。
第二章
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
土木工程结构试验设计
土木工程结构试验的一般过程 土木工程结构试验的试件设计 试验荷载方案设计 结构试验观测方案设计 结构试验与材料力学性能的关系 试验大纲及其他文件
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讨论： 1、结构试验包括哪些主要环节？ 2、结构试验设计的定义为？ 3、生产性试验的试件数目的确定原则是什么？ 4、采用什么方法确定多因素科研试验的试件参数？ 5、简述模型设计中主要的相似要求。 6、确定相似条件的方法有哪两种，试对比分析。 7、试列出不考虑自重荷载的静力试验模型的相似条件。 8、阐述结构试验荷载的分类。 9、何谓结构试验的加载制度。 10、简述试验测点选择与布置的原则。
1.优选设计法
③第三次试验点：比较两次试验结果，如果第二点比第一点 好，则去掉1618克以上的部分；如果第一点较好，则去掉138 2克以下部分。假定试验结果第二点较好，那么去掉1618克以
上的部分，在留下部分找出第二点的对称点做第三次试验．
第三点=1618-1382+1000=1236（克）。图下图
因子数
2 1 2 3 4 2 4 8 16
水 3 3 9 27 81
平
数 4 4 16 64 256 5 5 25 125 625
5
32
243
1024
3125
3.正交设计法
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，它主要是将参数 组合与试验结果合并在一起考虑、应用均衡分散、整齐可比 的正交理论编制的正交表来进行整体设计和综合比较的。 均衡分散：试验点在试验范围内散布均匀 整齐可比：试验点在试验范围内排列规律整齐 它科学地解决了各因子和水平数相对结合可能参与的 影响。 也妥善地解决了试验所需要的试件数与实际可行的试 验试件数之间的矛盾，即解决了实际所作小量试验与要求 全面掌握内在规律之间的矛盾。
2.2.3试件数目
在进行试件设计时，试件数目即试验量的设计是一个不可忽 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、任务以及整个试验的工作量问题，同时也受试验研究、经费 和时间的限制。 生产性试验：按试验任务的要求来确定试件数量。 科研性试验：(1)单因素根据因素的水平数来确定试件数量；(2) 多因素采用正交试验设计法来进行试验设计并对试验结果进行科 学分析。
现仍以钢筋混凝土柱剪切强度基本性能研究问题为例， 用正交试验法做试件数目设计。如果同前面所述主要影响因 素为5，而混凝土只用一种强度等级C20，这样实际因子数只 为4，当每个因子各有3个档次，即水平数为3。详见下表： 钢筋混凝土柱剪切强度试验分析因子与水平数 主要分析因子 因子档次数 代 因子名称 1 2 3 号 A 钢筋配筋率 0.4 0.8 1.2 B 配箍率 0.2 0.33 0. 5 C 轴向应力 20 60 100 D 剪跨比 2 3 4 混凝土强度等级 E 13.5MPa C20
2.因子设计法
因子是对试验研究内容有影响的发生着变化的因素， 因子数则为可变化因素的个数，水平即为因子可改变的 试验档次，水平数则为档次数。 因子设计法又叫全面试验法或全因子设计法，试验 数量等于以水平数为底，以因子数为次方的幂函数，即 试验数＝水平数因子数