福州大学土木工程学院本科实验教学示范中心 学生实验指导书 水工结构模型实验 实验指导书 工程结构实验中心水工结构模型实验室编 2007年8月21日
福州大学土木工程学院本科实验教学示范中心 学生实验指导书 水工结构模型实验 实验指导书 工程结构实验中心水工结构模型实验室编 2007 年 8 月 21 日
目 录 实验项日1：量测仪器的参观与操作练习（必修） 实验项目2：电阻应变片的检测和粘贴工艺（必修） 实验项日3：电阻应变仪的操作及桥路连接（必修） 实验项目4：模型材料的力学参数测定（必修） 实验项目5：重力坝断面模型的应力测量（必修） 实验项目6：重力坝断面孔洞模型的应力测量（选修） 附录一DH-3818型静态电阻应变仪操作规程 附录二丝杆加载器的使用说明
目 录 实验项目 1：量测仪器的参观与操作练习（必修） 实验项目 2：电阻应变片的检测和粘贴工艺（必修） 实验项目 3：电阻应变仪的操作及桥路连接（必修） 实验项目 4：模型材料的力学参数测定（必修） 实验项目 5：重力坝断面模型的应力测量（必修） 实验项目 6：重力坝断面孔洞模型的应力测量（选修） 附录一 DH-3818 型静态电阻应变仪操作规程 附录二 丝杆加载器的使用说明
前言 水工结构模型实验是水利水电工程专业的一门专业选修课。其任务是通过介绍水工结构 试验的基本测试技术和试验方法，使学生获得专业所必需的试验基本技能，具备解决一般水 工结构设计和施工中所遇到的结构试验和检验的能力，并对学生进行科学研究试验能力的培 养，是水利水电工程专业高级技术人材所必需的基本训练的一部分。 因此，除了课堂试验理论教学之外，试验课是重要教学环节之一。通过实验，能更好地 掌握试验理论和方法，巩固和充实课堂教学效果，培养试验技能，为将来在实际工作中进行 科学研究和结构检验打下基础。 为了达到预期目的，试验课必须注意以下几方面问题： 一、试验前认真预习指导书和课本有关内容，同时应复习其它己学有关课程的有关章节， 充分了解各个试验的目的要求、试验原理、方法和步骤，并进行一些必要的理论计算。一些 控制值的计算工作，试验前必须做好。 二、较大的小组试验，应选出一名小组长，负责组织和指挥整个试验过程，直至全组试 验报告都上交后卸任，小组各成员必须服从小组长和指导教师的指挥，要明确分工，。 三、试验开始前，必须仔细检查试件和各种仪器仪表是否安装稳妥，荷载是否为零，安 全措施是否有效，各项准备工作是否完成，准备工作完成，要经指导教师检查通过后，试验 才能开始。 四、试验时应严肃认真，密切注意观察试验现象，及时加以分析和记录，要以严谨的科 学态度对待试验的每一步骤和每一个数据。 五、严格遵守实验室的规章制度，非试验中仪器设备不要乱动：试验用仪器、仪表、设 备，要严格按规程进行操作，遇有总是及时向指导教师报告。 六、试验中要小心谨慎，不要碰撞仪器、仪表、试件和仪表架等。 七、试验结束后，要及时卸下荷载，使仪器、设备恢复原始状态，以后小心卸下仪器仪 表、擦净、放妥、清点归还，经教师认可并把试验记录交教师签字后离开。 八、试验资料应及时整理，按时独立完成试验报告，除小组分工由别人记录的原始数据 外，严禁抄袭。 九、试验报告要求原始记录齐全、计算分析正确、数据图表清楚、心得体会深刻。 十、经教师认可，试验也允许采用另外方案进行
前言 水工结构模型实验是水利水电工程专业的一门专业选修课。其任务是通过介绍水工结构 试验的基本测试技术和试验方法，使学生获得专业所必需的试验基本技能，具备解决一般水 工结构设计和施工中所遇到的结构试验和检验的能力，并对学生进行科学研究试验能力的培 养，是水利水电工程专业高级技术人材所必需的基本训练的一部分。 因此，除了课堂试验理论教学之外，试验课是重要教学环节之一。通过实验，能更好地 掌握试验理论和方法，巩固和充实课堂教学效果，培养试验技能，为将来在实际工作中进行 科学研究和结构检验打下基础。 为了达到预期目的，试验课必须注意以下几方面问题： 一、试验前认真预习指导书和课本有关内容，同时应复习其它已学有关课程的有关章节， 充分了解各个试验的目的要求、试验原理、方法和步骤，并进行一些必要的理论计算。一些 控制值的计算工作，试验前必须做好。 二、较大的小组试验，应选出一名小组长，负责组织和指挥整个试验过程，直至全组试 验报告都上交后卸任，小组各成员必须服从小组长和指导教师的指挥，要明确分工，。 三、试验开始前，必须仔细检查试件和各种仪器仪表是否安装稳妥，荷载是否为零，安 全措施是否有效，各项准备工作是否完成，准备工作完成，要经指导教师检查通过后，试验 才能开始。 四、试验时应严肃认真，密切注意观察试验现象，及时加以分析和记录，要以严谨的科 学态度对待试验的每一步骤和每一个数据。 五、严格遵守实验室的规章制度，非试验中仪器设备不要乱动；试验用仪器、仪表、设 备，要严格按规程进行操作，遇有总是及时向指导教师报告。 六、试验中要小心谨慎，不要碰撞仪器、仪表、试件和仪表架等。 七、试验结束后，要及时卸下荷载，使仪器、设备恢复原始状态，以后小心卸下仪器仪 表、擦净、放妥、清点归还，经教师认可并把试验记录交教师签字后离开。 八、试验资料应及时整理，按时独立完成试验报告，除小组分工由别人记录的原始数据 外，严禁抄袭。 九、试验报告要求原始记录齐全、计算分析正确、数据图表清楚、心得体会深刻。 十、经教师认可，试验也允许采用另外方案进行
实验项目1：量测仪器的参观与操作练习 一、试验目的 通过参观、学习，了解各种量测仪器的工作原理、用途，掌握使用方法。 二、试验仪器设备 20点动态应变仪：各种压力传感器；数据采集系统：静态电阻应变仪： 三、实验步骤 1.参观20点动态应变仪，了解20点动态应变仪的工作原理、用途。 2.参观静态电阻应变仪，了解静态电阻应变仪的工作原理、用途。 3.参观丝杆加载器，了解丝杆加载器的工作原理、用途，掌握使用方法。 4.参观重力坝的模型，了解模型的制作方法
实验项目 1：量测仪器的参观与操作练习 一、试验目的 通过参观、学习，了解各种量测仪器的工作原理、用途，掌握使用方法。 二、试验仪器设备 20 点动态应变仪；各种压力传感器；数据采集系统；静态电阻应变仪； 三、实验步骤 1. 参观 20 点动态应变仪，了解 20 点动态应变仪的工作原理、用途。 2.参观静态电阻应变仪，了解静态电阻应变仪的工作原理、用途。 3.参观丝杆加载器，了解丝杆加载器的工作原理、用途，掌握使用方法。 4.参观重力坝的模型，了解模型的制作方法
实验项目2：电阻应变片的检测和粘贴工艺 一、试验目的 了解电阻应变计品质的检查方法：认识电阻应变计的构造及工作原理：初步 掌握常用电阻计的粘贴技术。 二、试验仪器设备 万用表：电阻应变计：应变胶：混凝土试件：有机玻璃试件：钢板钢筋试件 三、实验步骤 1.选择和检测电阻应变片？ 常用的电阻片有纸基和胶基两类，在基底上布设电阻丝栅。丝栅的宽度与长 度是电阻片几何尺寸的标志，电阻片的灵敏系数和电阻值为其主要的电学参数。 同一测区应选用同一参数的电阻片。 首先在同一批电阻片中从从外观上剔除形状有缺陷的，片内有气泡、霉斑、 锈痕的电阻片。再用惠斯顿电桥逐个测量电阻片的阻值，加以编号记录。常用电 阻片的电阻值标称为120Q,然后进行电阻片的选配。要使同一测区中使用的电 阻片阻值相差不超过电阻应变仪可调节的允许范围，一般情况下，阻值差值应小 于0.5Q,才便于应变仪的调平操作。 2.试件测点的表面处理 在试件上各个测点处划出粘贴电阻片的定位线。用细砂纸除去测点处的油漆 或污垢覆盖层。将测点部位磨平并以洁净棉球擦拭干净。 3.电阻应变片粘贴 在已处理的测点表面涂布502快干胶水，要求胶水要涂的均匀，且薄。多用 反而不好。待胶水快要干发粘时，一只手捏电阻片的引线，另一只手将电阻片轻 轻贴到测点处，注意校正电阻片的方位对准定位线。在电阻片上面最好垫以玻璃 纸，后以手指稍加滚压之，能挤出电阻片下多余胶水和气泡，保证胶水均匀的将 电阻片粘贴牢固，不含气泡。注意防止将电阻片的引线也粘在试件上。 4.固定电阻应变片引线和连接导线的固定，以及锡焊的要求。 预先将印刷电路板剧得接线端子小片（每个小片约8×15毫米，中间锯出隔 离槽，以得到两个接线点)。在每只电阻片的外边适当距离处用502胶水粘贴上 一个接线端子，再将电阻片的两引线分别锡焊在接线端子的两接点上，注意引线
实验项目 2：电阻应变片的检测和粘贴工艺 一、试验目的 了解电阻应变计品质的检查方法；认识电阻应变计的构造及工作原理；初步 掌握常用电阻计的粘贴技术。 二、试验仪器设备 万用表；电阻应变计；应变胶；混凝土试件；有机玻璃试件；钢板钢筋试件 三、实验步骤 1.选择和检测电阻应变片？ 常用的电阻片有纸基和胶基两类，在基底上布设电阻丝栅。丝栅的宽度与长 度是电阻片几何尺寸的标志，电阻片的灵敏系数和电阻值为其主要的电学参数。 同一测区应选用同一参数的电阻片。 首先在同一批电阻片中从从外观上剔除形状有缺陷的，片内有气泡、霉斑、 锈痕的电阻片。再用惠斯顿电桥逐个测量电阻片的阻值，加以编号记录。常用电 阻片的电阻值标称为 120Ω，然后进行电阻片的选配。要使同一测区中使用的电 阻片阻值相差不超过电阻应变仪可调节的允许范围，一般情况下，阻值差值应小 于 0.5Ω，才便于应变仪的调平操作。 2.试件测点的表面处理 在试件上各个测点处划出粘贴电阻片的定位线。用细砂纸除去测点处的油漆 或污垢覆盖层。将测点部位磨平并以洁净棉球擦拭干净。 3.电阻应变片粘贴 在已处理的测点表面涂布 502 快干胶水，要求胶水要涂的均匀，且薄。多用 反而不好。待胶水快要干发粘时，一只手捏电阻片的引线，另一只手将电阻片轻 轻贴到测点处，注意校正电阻片的方位对准定位线。在电阻片上面最好垫以玻璃 纸，后以手指稍加滚压之，能挤出电阻片下多余胶水和气泡，保证胶水均匀的将 电阻片粘贴牢固，不含气泡。注意防止将电阻片的引线也粘在试件上。 4.固定电阻应变片引线和连接导线的固定，以及锡焊的要求。 预先将印刷电路板剧得接线端子小片（每个小片约 8×15 毫米，中间锯出隔 离槽，以得到两个接线点）。在每只电阻片的外边适当距离处用 502 胶水粘贴上 一个接线端子，再将电阻片的两引线分别锡焊在接线端子的两接点上，注意引线
的张度适中，以避免引线接触试件，并且引线固定良好，再准备好由试件上电阻 片到电阻应变仪间的连接导线。要求同一测区的每一对测量导线是同一规格型 号、长度相同的，而每对导线的颜色不同（便于区别和编号）。将每一对导线的 一端锡焊在电阻片旁的接线端子上备用，这样可防止连接导线不小心扯坏电阻 片。 对锡焊的点要求焊点牢固光滑，避免虚焊，也要防止两接点之间隔离不良。 为此可以再把导线接上惠斯顿电桥以检查各电阻片的电阻，应当没有明显变化。 也可用万用表检查 四、试验数据整理与结果分析 简述选片的要求和方法，贴片和焊接的注意事项，记录电阻片的电阻测定值， 分析操作过程出现问题和排除方法
的张度适中，以避免引线接触试件，并且引线固定良好，再准备好由试件上电阻 片到电阻应变仪间的连接导线。要求同一测区的每一对测量导线是同一规格型 号、长度相同的，而每对导线的颜色不同（便于区别和编号）。将每一对导线的 一端锡焊在电阻片旁的接线端子上备用，这样可防止连接导线不小心扯坏电阻 片。 对锡焊的点要求焊点牢固光滑，避免虚焊，也要防止两接点之间隔离不良。 为此可以再把导线接上惠斯顿电桥以检查各电阻片的电阻，应当没有明显变化。 也可用万用表检查。 四、试验数据整理与结果分析 简述选片的要求和方法，贴片和焊接的注意事项，记录电阻片的电阻测定值， 分析操作过程出现问题和排除方法
实验项目3：电阻应变仪的操作及桥路连接 一、试验目的 了解静态电阻应变仪的工作原理：掌握静态电阻应变仪的使用方法和步骤： 掌握不同桥路连接方法，认识不同连接方法的特点。 二、试验仪器设备 静态电阻应变仪：等强度梁：温度补偿用试件：标准电阻 三、基本原理 这已知电阻应变仪的读数￡与测量桥路中各桥臂应变片的应变值ε，有以下 关系：G=6-62+6-64 式中6、62、6，、6，分别是图一中各桥臂应变片的应变值。 1.半桥接线方式 采用应变仪内部两个精密电阻作为测量桥路中的R、R,只有R和R需外 接电阻应变片。 按图一接线，即梁上工作应变片为R接于AB接线柱间，温度补偿片为R接 于BC接线柱间，构成半桥单补偿接线方式，则在机内电阻RR的应变均为零， 6=6:=0,补偿片R的应变为零，62=0，所以e=6 如图二接线，即构成半桥互补偿接线方式，电阻片R与R2都是梁上工作应 变片，R在梁的上面，R在梁的下面，故它们感受的应变有8，=-6，而且R与 R互相作为温度补偿，因此e=6一6，=26· 2.全桥接线方式 测量桥梁不采用机内精密电阻，桥路中四桥臂都是外接电阻应变片。 按图三接线，梁上工作应变片接在R和R位置，R和R位置接温度补偿试 件上的应变片，即构成全桥单补偿接线方式，显然62、6，均为零，6，和6，相同。 所以6=261。 按图四接线，R、R、R、R都接梁上工作应变片，而且R与R,R与R互 相为温度补偿，显然62=-61,64=-G,而且6，=6，故E仪=46
实验项目 3：电阻应变仪的操作及桥路连接 一、试验目的 了解静态电阻应变仪的工作原理；掌握静态电阻应变仪的使用方法和步骤； 掌握不同桥路连接方法，认识不同连接方法的特点。 二、试验仪器设备 静态电阻应变仪；等强度梁；温度补偿用试件；标准电阻 三、基本原理 这已知电阻应变仪的读数 仪 与测量桥路中各桥臂应变片的应变值 i 有以下 关系： 1 2 3 4 仪 ＝ − + − 式中 1 、 2 、 3 、 4 分别是图一中各桥臂应变片的应变值。 1. 半桥接线方式 采用应变仪内部两个精密电阻作为测量桥路中的 R3、R4，只有 R1 和 R2需外 接电阻应变片。 按图一接线，即梁上工作应变片为 R1接于 AB 接线柱间，温度补偿片为 R2接 于 BC 接线柱间，构成半桥单补偿接线方式，则在机内电阻 R3 R4的应变均为零， 3 ＝ 4 ＝0，补偿片 R2的应变为零， 2 ＝0，所以 仪 ＝ 1 如图二接线，即构成半桥互补偿接线方式，电阻片 R1与 R2都是梁上工作应 变片，R1在梁的上面，R2在梁的下面，故它们感受的应变有 2 ＝- 1 ，而且 R1与 R2互相作为温度补偿，因此 仪 ＝ 1 － 2 ＝2 1 。 2. 全桥接线方式 测量桥梁不采用机内精密电阻，桥路中四桥臂都是外接电阻应变片。 按图三接线，梁上工作应变片接在 R1和 R3位置，R2和 R4位置接温度补偿试 件上的应变片，即构成全桥单补偿接线方式，显然 2 、 4 均为零， 3 和 1 相同。 所以 仪 ＝2 1 。 按图四接线，R1、R2、R3、R4都接梁上工作应变片，而且 R1与 R2，R3与 R3互 相为温度补偿，显然 2 ＝- 1 ， 4 ＝- 1 ，而且 3 ＝ 1 ，故 仪 ＝4 1
图一半桥单补偿接法 图二半桥互补偿接法 R1 R3 R1 R3 R2 R4 R R1R2) R3 (Ri) 图三全桥单补偿接法 图四全桥互补偿接法
图一 半桥单补偿接法 图二 半桥互补偿接法 图三 全桥单补偿接法 图四 全桥互补偿接法
四、实验步骤 1.按半桥单补偿接线方法连接成电阻应变仪的测量桥路。然后进行电阻应变仪的 预调平衡和测量桥路的预调平衡。 2.对等强度梁逐级施加荷载P、P、P,并分别记录下相应的应变仪读数，然后 卸载。 3.对应变仪和测量桥路再次调平后，在重复步骤1和步骤2，进行第二轮的逐级 加载和读数记录，如读数偏差较大可进行第三轮实验。 4.按半桥互补偿接线方式连接成电阻应变仪的测量桥路并进行桥路的调平，然后 进行步骤2和步骤3的加载和读数记录。 5.按全桥单补偿方式连接成电阻应变仪的测量桥路并进行桥路的调平，重复步骤 2和步骤3的加载和读数记录。 6.按全桥互补偿方式连接成电阻应变仪的测量桥路并进行桥路的调平，重复步骤 2和步骤3的加载和读数记录。 五、试验数据整理与结果分析 在荷载P= N,P2= N,P=N情况下，各种测量桥路的应变仪读数(10)： 次序 2 3 平均 半桥单补 P. P P 半桥互补 P2 全桥单补 P P 全桥互补 P2 Pa 整理各次测量数据，得出梁上测量点的应变值，并做应变仪按半桥和全桥各种接 线方式测量结果的比较，讨论不同接线方法的优缺点和使用条件
四、实验步骤 1.按半桥单补偿接线方法连接成电阻应变仪的测量桥路。然后进行电阻应变仪的 预调平衡和测量桥路的预调平衡。 2.对等强度梁逐级施加荷载 P1、P2、P3，并分别记录下相应的应变仪读数，然后 卸载。 3.对应变仪和测量桥路再次调平后，在重复步骤 1 和步骤 2，进行第二轮的逐级 加载和读数记录，如读数偏差较大可进行第三轮实验。 4.按半桥互补偿接线方式连接成电阻应变仪的测量桥路并进行桥路的调平，然后 进行步骤 2 和步骤 3 的加载和读数记录。 5.按全桥单补偿方式连接成电阻应变仪的测量桥路并进行桥路的调平，重复步骤 2 和步骤 3 的加载和读数记录。 6.按全桥互补偿方式连接成电阻应变仪的测量桥路并进行桥路的调平，重复步骤 2 和步骤 3 的加载和读数记录。 五、试验数据整理与结果分析： 在荷载 P1＝ N，P2＝ N，P3＝ N 情况下，各种测量桥路的应变仪读数（10-6）： 次序 1 2 3 平均 半桥单补 P1 P2 P3 半桥互补 P1 P2 P3 全桥单补 P1 P2 P3 全桥互补 P1 P2 P3 整理各次测量数据，得出梁上测量点的应变值，并做应变仪按半桥和全桥各种接 线方式测量结果的比较，讨论不同接线方法的优缺点和使用条件
实验项目4：模型材料的力学参数测定 一、试验目的 掌握静态电阻应变仪与模型材料的使用方法和接线方式：掌握模型材料的弹 性模量和波松比的测定方法，认识不同模型材料弹性模量和波松比的变化规律。 二、试验仪器设备 静态电阻应变仪：与电阻应变仪配套的予调平衡箱：模型材料的长方体标准 试件：加载设备：温度补偿用试件：标准电阻 三、实验步骤 1.将测定力学参数的模型材料试件在加载架上安装好。 2.将试件两侧面上垂直方向上贴的应变片连接线，按半桥单补偿的接线方 式，接成测量桥路。 3.进行应变仪和测量桥路的预调平衡。 4.对试件施加垂直荷载，每次增加100，即10kg砝码，并测出相应荷载下 试件的垂直应变，记录在表格内。最终砝码达400。 5.进行卸载，每次减少10O砝码，也测出相应的应变值，记下数据，把这 样加载一卸载实验过程重复两次。 6.变更测量桥路的接线，按半桥单补偿的接线方式，把试件上水平方向的应 变片接在桥路上，进行预调平衡。 7.对试件施加垂直荷载，每次增加100，并测出相应荷载下试件的水平应 变，记录在表格内。最终砝码达400N。 8.进行卸载，每次减少100砝码，也测出相应的水平应变值，记下数据 把这样加载一卸载实验过程重复两次。 加载示意图
实验项目 4：模型材料的力学参数测定 一、试验目的 掌握静态电阻应变仪与模型材料的使用方法和接线方式；掌握模型材料的弹 性模量和波松比的测定方法，认识不同模型材料弹性模量和波松比的变化规律。 二、试验仪器设备 静态电阻应变仪；与电阻应变仪配套的予调平衡箱；模型材料的长方体标准 试件；加载设备；温度补偿用试件；标准电阻 三、实验步骤 1.将测定力学参数的模型材料试件在加载架上安装好。 2.将试件两侧面上垂直方向上贴的应变片连接线，按半桥单补偿的接线方 式，接成测量桥路。 3.进行应变仪和测量桥路的预调平衡。 4.对试件施加垂直荷载，每次增加 100N，即 10kg 砝码，并测出相应荷载下 试件的垂直应变，记录在表格内。最终砝码达 400N。 5.进行卸载，每次减少 100N 砝码，也测出相应的应变值，记下数据，把这 样加载－卸载实验过程重复两次。 6.变更测量桥路的接线，按半桥单补偿的接线方式，把试件上水平方向的应 变片接在桥路上，进行预调平衡。 7.对试件施加垂直荷载，每次增加 100N，并测出相应荷载下试件的水平应 变，记录在表格内。最终砝码达 400N。 8. 进行卸载，每次减少 100N 砝码，也测出相应的水平应变值，记下数据， 把这样加载－卸载实验过程重复两次。 加载示意图
