土木工程结构试验对科学研究的影响

摘 要：结构试验是一门以试验为基础性质的科学和技术，是研究和发展土木工程结构新材料、新结构、新施工工艺以及检验结构计算分析和设计理论的重要手段，在土木工程结构科学研究和技术革新等方面起着重要作用。而今诸多高等院校已经将这门科学引入了必修专业课的行列中，而且学习的内容涵括了结构试验设计、加荷设备与方法和测量技术、工程结构静载试验、结构动力试验、结构抗震试验、工程结构模型试验建筑结构可靠性检测鉴定的基本理论与基本方法、建筑结构可靠性的检测鉴定、结构试验的数据处理等。

关键词：结构试验；检测手段；混凝土结构；结构疲劳试验

随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们越来越重视建筑结构的使用寿命之内的安全性。因此，定期监测结构在长期超负荷运作和不利荷载作用下的安全性以及在重大自然灾害（比如地震、海啸、雪灾）后立即评估结构的安全状况已经成为现代社会的热点问题。

很多重大工程结构的使用期长达几十年、甚至几百年，收到环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等不利因素，将不可避免地造成结构损伤的积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害甚至正常环境作用的能力远远下降。如何减少突发事件的发生在现今社会成为科学家探讨研究的新问题，我们需要通过一定的检测手段来完成建筑结构是否安全的准备工作，即结构试验。

1 结构试验的分类

结构试验分研究性试验和鉴定性试验。

研究性试验具有研究、探索和开发的性质。其目的在于验证结构设计的基础理论，或验证科学的推理与假设的正确性。或是为了提出某种新型结构体系及其计算原理，而系统地进行的试验研究。

通过研究性试验，我们不仅可以验证结构计算理论或通过结构试验创立新的结构理论，还可以制定工程技术标准。

检测性试验的对象多数是生活中的结构或构件，其目的是通过实验来检验结构构件是否符合结构设计施工及施工验收规范的要求，并对检验结果作出技术结论。通过结构试验检验结构、构件或结构部件的质量，确定已建成结构的承载能力，验证结构设计的安全度。

2 实例及分析

2.1 混凝土结构的检测及评定

结构混凝土检测技术是20世纪30年代开始用于检测混凝土强度的方法，目前常用的检测方法主要有：回弹法、超声法、超声回弹综合法、取芯法、拔出法等。具体方法参考 GBT 50784-2013《混凝土结构现场检测技术标准》，其中回弹法是在各种检测方法中，操作最简单、费用最低廉、检测效率最高的一种检测方法，因而现场应用性极强。但是，回弹法是以混凝土抗压强度与其表面硬度的物理量的相关性为基础，这种相关性受众多因素的影响，往往检测结果误差较大。

根据《混凝土强度检验评定标淮》GB/T50107―2010，评定混凝土强度的方法有：用统计方法和非统计方法。（统计方法又分（一）、（二），但（一）、（二）适用的条件不同，（一）适用方差已知的统计方法，（二）适用方差未知的统计方法。）

统计方法：

（一）方差已知的统计方法：《混凝土强度检验评定标淮》GB/T50107―2010中规定公式进行评定。

5.1.2 一个检验批的样本容量应为连续的3组试件，其强度应同时符合下列规定：

mfcu≥fcu，k+0.7σ0 （5.1.2—1）

fcu，min≥fcu，k-0.7σ0 （5.1.2—2）

当混凝土强度等级不高于C20时，其强度最小值尚应满足下列要求：

fcu，min≥0.85fcu，k （5.1.2—4）

当混凝土强度等级高于C20时，其强度最小值尚应满足下列要求：

fcu，min≥0.90fcu，k （5.1.2—5）

（二）方差未知的统计方法：《混凝土强度检验评定标淮》GB/T50107―2010中规定公式进行评定。

5.1.3 当样本容量不少于10组时，其强度应同时符合下列规要求：

mfcu≥fcu，k+λ1●Sfcu （5.1.3—1）

fcu，min≥λ2●fcu，k （5.1.3—2）

当检验批混凝土强度标淮差Sfcu计算值小于2.5N/mm2时，应取2.5N/mm2。λ1、λ2按混凝土强度检验评定标淮》GB/T50107―2010表5.1.3选。

非统计方法：

《混凝土强度检验评定标淮》GB/T50107―2010中规定公式进行评定。

5.2.2 当样本容量小于10组时，其强度应同时符合下列规要求：

mfcu≥+λ3●fcu，k （5.2.2—1）

fcu，min≥λ4●fcu，k （5.2.2—2）

λ4取0.95。混凝土强度等级

如果要评定混凝土强度等级，就会麻烦一些，需要做强度统计性分析，数据点越多，越具有说服力。国外一般至少做30个试块，标养28天，按标准做抗压强度试验，得出平均值fcu，m，标准差σ，那么：

混凝土强度等级=fcu，m-1.645σ

上式结果要取5的倍数，并取较小的。（如结果为43，则混凝土强度等级为C40；结果为47，则混凝土强度等级为C45）

2.2 结构疲劳试验

工程结构中存在着许多疲劳现象，这些结构物或构件在重复荷载作用下达到破坏时的力比其静力强度要低得多。这种现象称为“疲劳”。结构疲劳试验的目的就是要了解在重复荷载作用下结构的性能及变化规律。

疲劳试验目的：了解多次反复性荷载作用下的疲劳性能或状态以及变化规律，以确定其疲劳极限（疲劳极限荷载、疲劳强度）

2.2.1 疲劳试验项目：

2.2.1.1 鉴定性试验：

（1）抗裂性及开裂荷载

（2）裂缝宽度及其发展

（3）最大挠度及其变化幅度

（4）疲劳强度及其疲劳寿命

2.2.1.2 科研型试验：

（1）各阶段界面的应力分布状况，中和轴变化规律

（2）抗裂性及开裂荷载

（3）裂缝宽度、长度、间距及其发展

（4）最大挠度及其变化规律

（5）疲劳强度的确定

（6）破坏特征分析

2.2.2 疲劳试验荷载：

2.2.2.1 疲劳试验荷载取值

2.2.2.2 疲劳试验荷载速度

原则：不发生共振、与实际工作情况接近

要求：θ<0.5ω或θ>1.3ω（θ—构件固有频率；ω—荷载频率）

2.2.2.3 疲劳试验的控制次数

要求：构件经受控制次数后，抗裂性、刚度、强度必须满足现行规范要求

中级制吊车梁：n=2x106次

重级制吊车梁：n=2x104次

3 结语

总之，结构试验对土木工程科学研究的影响和技术革新方面起着重要的作用，综合来讲有以下几方面：（1）发展结构理论和计算方法的重要途径；（2）发现设计问题的主要手段；（3）检验结构理论唯一方法；（4）鉴定结构质量的直接方法；（5）鉴定各类技术规范和标准的基础；（6）结构试验自身发展要求。

参考文献

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[6] 刘运国.经验研究方法在现代管理会计研究中的应用[D].厦门大学，2001.

基金项目：本文系佳木斯大学教育科研专项课题，编号：JKA2012- 011。

作者简介：刘晓丹（1979- ），女，吉林白山人，硕士，讲师，研究方向：结构工程。