结构模型试验概述教案资料.ppt

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1、第六章结构模型试验主要内容概述相似理论结构模型设计模型的材料、制作与试验6.1概述结构模型试验是工程结构设计和理论研究的主要手段之一。模型一般是指按比例制成的小物体，它与另一个通常是更大的物体在形状上精确的相似，模型的性能在一定程度可以代表或反映与它相似的更大物体的性能。模型试验的理论基础是相似理论。仿照原型结构，按相似理论的基本原则制成的结构模型，它具有原型结构的全部或部分特征。通过试验，得到与模型的力学性能相关的测试数据，根据相似理论，可由模型试验结果推断原型结构的性能。在工程设计和科学研究中，模型试验通常分类为：试验目的——小结构试验和相似模型试验。研究范围——弹性模型试验、强

2、度模型试验和间接模型试验。分析方法——定性试验、半分析法试验和定量分析试验。模拟程度——截面模型或节段模型、局部结构模型和整体模型。加载方法——静力模型试验、动力模型试验、伪静力模型试验、拟动力模型试验等，这与常规的结构试验的分类是相同的。利用结构模型进行试验研究，具有以下特点：可根据需要控制试验对象的主要参变量而不受原型结构或其他条件的限制。有意识地突出主要影响因素，把握结构的主要特征，减少外界和其他因素影响。模型结构与原型结构相比，尺寸一般按比例试验缩小，模型制作成本降低，对试验占用的场地以及加载设备能力的要求均可降低，有利于节约资金、人力时间和空间。模型试验可以用来预测尚未建造

3、的结构的性能。模型试验可以在实验室条件下进行，良好的测试环境为精确的测试和分析提供了保证。在一定条件下，还可以反复对结构模型进行测试，消除测试误差。6.2相似理论相似理论是模型试验的基础。进行结构模型试验的目的是试图从模型试验的结果分析预测原型结构的性能，相似性要求将模型结构和原型结构联系起来。物理学中包括机械量、热力学量和电量，常用的基本物理量为长度、力（或质量）、时间、温度和电荷。这些基本物理量称为量纲（英文为Dimension）。大多数结构模型试验只涉及机械量，因此最重要的基本物理量为长度、力和时间。在结构模型设计和试验中，通过量纲分析确定模型结构和原型结构的相似关系。（1）模

4、型的相似要求和相似常数结构模型试验中的“相似”是指原型结构和模型结构的主要物理量相同或成比例。在相似系统中，各相同物理量之比称为相似常数，相似系数或相似比。（a）几何相似“几何相似”要求模型(Model)和原型(Prototype)对应的尺寸成比例，该比例即为几何相似常数。以矩形截面简支梁为例，原型结构的截面尺寸为bp×hp，跨度为Lp，模型结构为bm，hm，Lm。几何相似可表达为：Sl称为几何相似常数对几何相似的矩形截面简支梁，可导出以下关系：面积比截面抵抗矩比惯性矩比体积比（b）质量相似在动力学问题中，结构的质量是影响结构动力性能的主要因素之一。结构动力模型要求模型的质量分布（包

5、括集中质量）与原型的质量分布相似，即模型与原型对应部位的质量成比例：Sm称为质量相似常数Sr称为密度相似常数（c）荷载相似荷载或力相似要求模型和原型在对应部位所受的荷载大小成比例，方向相同。集中荷载与力的量纲相同，而力又可用应力与面积的乘积表示，因此，集中荷载相似常数可以表示为：Sp称为集中荷载相似常数Sw称为线荷载相似常数Ss称为应力相似常数Sq称为面荷载相似常数SM称为集中力矩相似常数（d）应力和应变相似如果模型和原型采用相同的材料，弹性模量相似常数SE＝1，模型的应力相似常数和应变相似常数相等。如果模型和原型采用不同的材料制作，则有：Se称为应变相似常数（e）时间相似时间相似常

6、数St是结构模型设计中的一个独立常数。在描述结构的动力性能时，虽然有时不直接采用时间这个基本物理量，但速度、加速度等物理量都与时间有关。按相似性要求，模型结构和原型结构的速度或加速度应成比例。（f）边界条件和初始条件相似按相似性要求，原型结构和模型结构的内力－变形应采用同一组微分方程和边界条件及初始条件描述。边界条件相似是模型试验中一个非常重要的相似性要求。在结构试验中，边界条件分为位移边界条件和力边界条件。边界条件相似要求模型结构在边界上受到的位移约束以及支座反力与原型结构相似。对于结构动力问题，初始条件包括在初始状态下，结构的几何位置（初始位移），初始速度和初始加速度。一般情况下

7、，结构模型动载试验的初始条件相似要求较容易满足，因为绝大多数的试验都采用初始位移和初始速度为零的初始条件。（2）相似定理与量纲分析基本概念：（Ⅰ）相似指标两个系统中相似常数之间的关系式称为相似指标。若两系统相似，则相似指标为1。如牛顿第二定律：原型模型相似指标（Ⅱ）相似判据又称为相似准则或相似准数，它是由物理量组成的无量纲量。在相似定理中，习惯上用希腊字母p表示相似判据，即当模型和原型各物理量满足上式时，则两个系统相似。（Ⅲ）单值条件单值条件是指决定一个物