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目录 1

1 结构工程物理模型简介 1

1.1 引言 1

1.2 结构模型的定义和分类 1

1.2.1 模型分类 1

1.3 关于模型的简单回顾 3

1.4 结构模型和实施规程 4

1.5 几何比例的选择 5

1.6　模拟方法 5

1.7 模型分析的优点和局限性 6

1.8 结构模型的精度 7

1.9　模型实验室 8

1.10　模型研究实例 8

1.10.1　研究实例A，美国环球航空公司飞机库结构模型 8

1.10.2　研究实例B，三姊妹桥梁 9

1.10.3　研究实例C，多层钢筋混凝土框架 10

1.10.4　研究实例D，预制混凝土大板建筑 13

2 结构模型理论 17

2.1 引言 17

2.2 量纲和量纲一致性 17

2.3 量纲分析 19

2.3.1 白金汉π定理 21

2.3.2 量纲独立性和π项的形成 22

2.3.3 量纲分析的用途 24

2.3.4 应用量纲分析时的一些其它问题 25

2.4 结构模型 27

2.4.1 具有全相似的模型 27

2.4.2 和全相似有关的技术难点 29

2.4.3 具有第一级相似的模型 30

2.4.4 失真模型 31

2.5 相似要求 32

2.5.1 钢筋混凝土模型 33

2.5.2　混凝土砌体模型 35

2.5.3 受热力荷载的结构 36

2.5.4 受动力荷载的结构 39

3 弹性模型——材料和制作技术 40

3.1 概述 40

3.2 弹性模型的材料 40

3.3 塑料 41

3.3.1 热塑性塑料和热凝性塑料 41

3.3.2 塑料的拉、压和弯曲特性 43

3.3.3 塑料的粘弹性性能 44

3.3.4 塑料的机械特性 45

3.3.5 聚酯树脂混合方解石填料的机械特性 46

3.4 塑料的时间影响——计算与补偿 47

3.4.1 与时间有关的弹性模量和泊松比的确定 48

3.4.2 计及时间影响的加载方法 49

3.5.2 温度影响和有关热影响问题 51

3.5 加载速率、温度和环境的影响 51

3.5.1 应变速率对塑料机械特性的影响 51

3.5.3 热膨胀系数 52

3.5.4 热传导性 52

3.5.5　软化和脱模温度 53

3.5.6 相对湿度对塑料特性的影响 53

3.6 与塑料模型有关的特殊问题 53

3.6.1 原型体系的徐变模拟 53

3.6.2　泊松比问题 54

3.6.3 塑料商品的厚度变化 54

3.6.4 辗压过程对弹性模量的影响 54

3.7 弹性模型的制作方法 55

3.7.1 模型制造应考虑的因素 56

3.7.2 二个或几个部件组成的模型拼装方法 56

3.7.3 热成型法 57

3.7.4 壳体模型的塑落成型法或重力成型法 58

3.7.6 热成型的制造误差 59

3.7.5 真空成型法 59

3.7.7 塑料模型的浇注 60

3.7.8 金属壳体旋压成型 60

3.8 弹性模型在设计和试验研究中的应用 60

3.9 利用间接模型确定影响线和影响面——Müller-Bresl au原理 61

3.10　Beggs变位仪 61

3.11　结语 63

4 非弹性模型：混凝土及砌体结构材料 63

4.1 概述 64

4.2 原型和模型混凝土 64

4.3 混凝土的工程性质 65

4.3.1 原型和模型混凝土——微型结构效应 66

4.4 无侧限抗压强度及应力-应变关系 66

4.4.1　原型混凝土 66

4.4.3 原型和模型混凝土应力-应变特征的比较 67

4.4.2　模型混凝土 67

4.4.4 混凝土的徐变及徐变恢复 68

4.4.5　骨料含量的影响 69

4.4.6 应变速率的影响 72

4.4.7　水分散失的影响 72

4.4.8 强度-龄期关系以及养护 72

4.4.9 抗压强度的统计变异性 74

4.5 混凝土的抗拉强度 76

4.6 原型和模型混凝土的弯曲性能 77

4.6.1 试件的尺寸和特性 77

4.6.2 应力-应变曲线 77

4.6.3　弯折模量随试件尺寸的变化情况 78

4.6.4　加载速率 78

4.6.5 应变梯度的影响 80

4.7 抗拉与抗剪性能 80

4.7.1　劈裂抗拉强度 80

4.7.3 劈裂抗拉强度与龄期的关系 82

4.7.2 圆柱体模型的劈裂试验结果 82

4.7.4 劈裂抗拉强度与弯曲强度之间的相互关系 83

4.8 模型混凝土的设计配合比 85

4.8.1 概述 85

4.8.2 模型材料比例的选择 85

4.8.3 原型性质的模拟 85

4.8.4 影响混凝土力学性质的重要参数 86

4.9 各研究者所用模型混凝土配合比摘要 87

4.10　石膏砂浆 94

4.10.1　养护和密封方法 96

4.10.2　力学性质 96

4.11　砌体结构模型 97

4.11.1　概述 97

4.11.2　材料性质 98

4.11.3 制作工艺 102

4.11.4 基本强度性质 103

4.12　结语 107

5.1 概述 109

5.2 钢材 109

5.2.1 钢筋 109

5 非弹性模型：结构钢和钢筋 109

5.2.2 结构钢 110

5.2.3 预应力钢筋 110

5.3 结构钢模型 111

5.4 小比例模型的钢筋 113

5.5.1 模型预应力钢筋及其锚固系统 114

5.4.1 各研究者所采用的模型钢筋 114

5.5 模型预应力钢筋及其技术 114

5.5.2 模型的预应力技术 115

5.6 钢筋混凝土模型用的钢筋 120

5.6.1 小模型用的钢丝 120

5.6.2 黑退火钢丝用作模型钢筋 122

5.6.3 市场供应的变形钢丝用作模型钢筋 123

5.7.2 制作方法 128

5.7 模型钢筋的制作 128

5.7.1 概述 128

5.7.3 钢筋位置的精度 129

5.8 模型钢筋的粘结特性 129

5.9 粘结相似性 133

5.10　钢筋混凝土构件中的开裂相似性以及总变形相似性 135

5.11　结语 139

6 材料体系和模型的尺寸效应 140

6.1 概述 140

6.2 影响尺寸效应的因素 140

6.3 尺寸效应的理论研究 141

6.3.1 经典的纤维束强度理论 141

6.3.2 最弱环理论 143

6.3.3 其它理论研究 144

6.4 素混凝土的尺寸效应——试验工作 145

6.3.4 理论研究的评述 145

6.4.1 影响尺寸效应的试验因素 146

6.4.2 尺寸效应的试验研究 147

6.4.3 试验研究的评述 149

6.4.4 水泥砂浆的抗拉和弯曲强度 150

6.4.5 抗拉强度试验工作的评述 155

6.4.6 混凝土持久性能的尺寸效应 155

6.4.7 石膏砂浆中的尺寸效应 156

6.5 钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土的尺寸效应 157

6.5.1 粘结性能 157

6.5.2 开裂模拟（使用条件） 158

6.5.3 极限强度（荷载-变形性能） 158

6.6 金属和钢筋的尺寸效应 159

6.7 砌体砂浆的尺寸效应 159

6.8 结语 161

7.2.1 荷载反力系统 162

7.2 荷载类型和加载系统 162

7.1 引言 162

7 加载系统与试验技术 162

7.2.2 非连续荷载的加载装置 164

7.2.3 气压和真空加载系统 164

7.3 不连续荷载与分布荷载的比较 167

7.4 薄壳和其它模型的加荷技术 169

7.4.1 真空和气压加荷 169

7.4.2 不连续荷载系统 172

7.4.3 荷载间距效应 173

7.5 压屈加荷技术和侧移结构加荷技术 175

7.5.1 壳体的失稳 175

7.5.2 产生侧移的结构 176

7.6 其他加荷装置 179

7.6.1 热荷载 179

7.6.2 自重效应 179

7.7 结语 180

8.2 量测的参数 181

8 试验装置原理及其应用 181

8.1 概述 181

8.3 应变测量 182

8.3.1 机械式应变计 182

8.3.2 电测应变计 183

8.3.3 电阻应变仪的线路及其应用 187

8.4 位移测量 199

8.4.1 机械式千分表 199

8.4.2 线性可调差动变压器式位移计 199

8.4.3 线性电阻电位差计 200

8.5 应变场的应变测量和裂缝检测方法 201

8.5.1 脆性涂层 201

8.5.2 光弹贴片 202

8.5.3 其它的裂缝检测方法 202

8.6 应力和力的测量 202

8.6.1 荷重传感器的类型及尺寸 203

8.6.2 埋入式应变计和应力栓 205

8.6.3 其它量测仪表 207

8.7 温度测量方法 208

8.8 徐变、收缩和含水量测量 209

8.9 数据采集和处理 210

8.9.1 各种数据采集系统 211

8.10 结语 212

9 结构模型的精确性和可靠性 214

9.1 概述 214

9.2 结构模型研究中的误差 214

9.3 误差的类别 216

9.3.1 过失误差 216

9.3.2 随机误差 216

9.3.3 系统误差 217

9.4 量测结果的统计分析 217

9.4.1 概率密度函数 217

9.4.2 正态概率密度函数 219

9.4.3 契比雪夫不等式 223

9.5 随机误差的传递 224

9.6 混凝土模型的准确性 229

9.6.1 尺寸及其制作准确性 229

9.6.2 材料特性 234

9.6.3 试验和量测结果的准确性 235

9.6.4 试验结果分析中的精度 236

9.7 模型试验结果的总体可靠性 236

9.8 时间和费用对模型精度的影响 238

9.9 结语 239

10　模型应用的研究实例 240

10.1 引言 240

10.2 模型应用 240

10.2.1 建筑结构 240

10.2.2 桥梁结构 246

10.2.3 特殊结构 256

10.3.1　研究实例A，美国环球航空公司（TWA）飞机库结构 271

10.3 研究实例 271

10.3.2　研究实例B，三姊妹桥梁 274

10.3.3　研究实例C，多层钢筋混凝土框架 278

10.3.4　研究实例D，预制混凝土大板房屋建筑 289

11　承受风、爆炸、冲击和地震荷载的结构模型 289

11.1 引言 299

11.2 相似要求 299

11.2.1 概述 299

11.2.2 弹性结构的振动 299

11.2.3 流体弹性模型 302

11.2.4 爆炸和冲击荷载模拟 303

11.2.5 结构地震模拟 305

11.3.1 钢结构的动力特性 306

11.3.2 钢筋混凝土 306

11.3 动力模型材料 306

11.4 动力模型试验的加载系统 309

11.4.1 振动试验和共振试验 309

11.4.2 风洞试验 309

11.4.3 激波管和爆炸洞 310

11.4.4 振动台 312

11.5 动力模型实例 312

11.5.1　自振频率和振型 312

11.5.2　房屋建筑和结构的气动弹性模型研究 315

11.5.3　爆炸对防护结构的效应 320

11.5.4　钢筋混凝土框架和桥梁的地震模拟 323

11.6　多伦多市政大厅风洞试验研究实例 328

11.6.1 课题 328

11.6.2 试验程序 328

11.6.3 试验技术 329

11.6.4 结论 329

附录　本书常用缩写词和英制与国际单位制符号对照 331

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