建築結構試驗設計這章的內容是介紹試驗的前期準備工作，它包括試件設計、荷載設計、觀測設計、人員的組織，以及安全設施等內容。
一、結構試驗的試件及模型設計
（一）結構試驗的試件設計
1．試件的形狀
在序論裡介紹過，結構試驗有真型試驗和模型試驗。在真型試驗裡，不存在試件的形狀設計，因為它的形狀和結構的形狀是一致的。在模型試驗裡，可以是結構的整體，這個模型和結構整體是一致的，所以這個形狀也沒什麼變化。
在做試驗的試件的時候，除了可以和結構的整體一樣之外，還可以是結構的一部分。當取出結構中的一部分做試驗的時候，最關鍵的就是在試驗中，形成和實際工作中相一致的應力狀態。因此，這樣就提出乙個問題，就是說，試件取什麼形狀才能滿足這個要求。
典型例項。
教材圖5—2。下面來看這個圖，這個圖是書上的圖，這是在框架分析當中，框架的一部分。（a）圖畫的是它的內力圖。
在作框架試驗的時候，可以取框架的整體。但是取框架整體的時候，存在乙個問題，要觀測的截面很多，試驗需要觀測的內容太多，就可能顧此失彼，那就不如把中間的某一部分取出來，集中來做試驗，這樣就可以來集中精力。這個彎矩圖大家都是很熟悉的，這裡要觀測的框架梁、柱截面各個部位的受力狀況是不同的，要想做不同的截面的試驗，就可以取做不同的試件。
例如我們要觀測a－a這個截面，這個截面的受力特點是什麼呢？它是個柱截面，它受有軸力，這是不言而喻的，另外還有彎矩和剪力，因為柱中間有個反彎點，所以這個彎矩和剪力之間存在相互關係的。這個彎矩和剪力的大小不是互相獨立的，那麼我們做a－a這個截面的試件，就可以做成（b）圖這種形式。
（b）圖就是乙個柱，它受有軸力，同時，側向力基本上就是個簡直梁的形式，就是說在中間加上個力，兩邊是簡支的，這樣就構成在a－a截面產生內力，就和它實際在框架中的內力是一致的。同時，因為a－a截面靠近結點，結點剛度很大，所以做試件的時候，要把結點同時做出來。這樣就只做乙個試件，就反應了a－a截面的特點。
同樣，我們要研究b－b截面也一樣，b－b截面因為它是個反彎點，所以它沒有彎矩，只有剪力和軸力，所以這個試件就做成圖（c）這種形式。加上軸力，兩面是有一面是加力的，一面實際上是加上支座。這樣就可以造成中間是個反彎點，這個受力狀況，就和框架中柱的中部受力狀況是一致的。
試驗起來，試驗裝置也比較簡單。
同樣道理，如果要做結點區的試件，分析結點內部的受力狀況，就可以單獨取出乙個結點，從柱的反彎點和梁的反彎點來取出來乙個十字型的試件，這樣來進行組合。對於結點就有兩種做法。
一種是像（f）圖，這種十字型的試件。它載入的時候，柱要加有軸力，同時要加上它的水平剪力，在梁上主要是豎直的彎矩，這樣就構成乙個試件的形狀，就是十字型的試件。這個試件，因為你在載入的時候，上面這個軸力可以隨著截面的變形來移動，所以它可以充分的考慮這個結點的邊界條件。
為了簡單起見，結點區的試件也可以做成x型的。如（g）圖。這樣的話，只要把它底下放到支座上，上面加兩個力，那麼也近似於這個結點受力的情況，但這個和實際工作情況有些出入。
框架梁也一樣。c－c截面是梁靠近結點的截面，這個截面主要是剪力，可以做成（d）圖這種形式。一般框架梁，就不考慮軸力的作用，所以這個實際上是個簡支梁的性質,不過中間要有結點。
要考慮框架梁d－d截面，實際它主要是靠近反彎點，有一定的剪力，一定的彎矩，那麼也可以做成（e）圖試件的形狀。它相當於乙個懸臂的簡支梁，中間形成乙個反彎點，這樣觀測d－d截面的時候，它就可以有彎矩的作用，也有剪力的作用，與框架內的d－d截面的受力狀態，可以模擬成完全一樣的。
上面通過乙個典型的例子來說明，可以從整體構架或者結構當中取出一部分試件，來模擬結構的某乙個截面的受力狀態和它的標準條件，這就是設計試件形狀時乙個很重要原則。
（二）試件的數量
在設計試件數量時，對於生產檢驗性的試驗，它的數量在序論裡已經提到。它是靠抽樣的規定，抽樣有規定，比如說一千件抽乙個，這個數量就定了。這裡所說的試件數量主要是對於科研性試驗而言。
1．試件的數量主要取決於兩個因素，乙個是引數（分析因子）的多少和相應的各種狀態（水平數）。乙個因素抽象成因子，把這些影響因素都叫成因子，可能是截面，也可能是鋼筋配筋量，也可能是混凝土強度等等，這些因素假如說都影響你要研究的結果，那麼把這個叫做因子。
另乙個就是水平數，所謂水平數就是每個因子你要有不同的取值，以便研究某乙個因子的變化對結果的影響。比如說鋼筋的配筋量，就要取不同的配筋的構件來做試驗，才能反應鋼筋配筋量的影響，把這個叫做水平數。根據因子和水平數的不同搭配，把試驗分成兩種。
一種叫全因子試驗，一種叫正交試驗。
（1）全因子試驗
所謂全因子試驗，就是某幾種因素和它的水平數都要完全的組合到一起，組合成不同的試件，這種叫全因子試驗。
大家作為實際例子，看這麼乙個表，就是書上的表5.2。
它是磚砌體抗剪強度試驗的乙個資料。那麼磚砌體抗剪強度和什麼有關係呢？當然它與磚砌體的截面有關係，這就是它的乙個因子，同時和砌注砂漿也有關係，再乙個和它垂直應力有關係。
那麼這樣就構成三種，這是三個因子。每乙個因子裡面它可以取不同的資料，比如說這裡的截面它取了兩種，乙個是0.2,乙個是0.
7，這說明它的水平數是2。砂漿強度也取了兩種，一種是0.5兆帕，一種是2.
5兆帕，也是取兩個水平數。垂直應力，乙個取成0.064，乙個取成0.
302，這也是兩個水平數。我們把低的這個水平叫做第一水平，把高的這個水平叫做第二水平。比如說截面第一水平是0.
2，第二水平是0.7。砂漿強度第一水平是0.
5,第二水平是2.5。垂直應
力，第一水平是0.064，第二水平是0.302。
那麼對於全因子試驗，就是表5.2表示是乙個全因子試驗，那麼它對於不同的因子的不同水平，都要完全搭配到一起，最後組合成三個因子，每個因子兩個水平，那麼要完全組合的話，需要做八次試驗。
（2）正交試驗
按照正交試驗來做的話，就可以把八次試驗，縮減成四次。實際上是在八次試驗中抽出四次有特點的一些試驗。
（3）這兩種試驗的特點
先看全因子試驗。全因子試驗我們觀察截面的變化，比如說我們先看2，2裡面截面是採用第一水平，而砂漿也是第一水平，垂直應力是第二水平，所以它得出乙個抗剪強度的結果。6裡面，它的截面積就是第二水平，而砂漿強度還是第一水平，垂直應力是第二水平，那麼抗剪強度又得出乙個結果。
那麼第2個試件的試驗抗剪強度和第6個試件的抗剪強度，它有什麼不同呢？就是截面積乙個取第一水平，乙個取第二水平。砂漿強度是第一水平，而垂直應力是第二水平，也就是說砂漿強度和垂直應力不變的條件下，僅改變截面，對抗剪強度影響，就從2和6這兩個試驗結果反應出來。
而這個時候，它的砂漿強度都取的是第一水平。
我們再看試件1和5。現在試件1，截面積仍然取第一水平，砂漿也取第一水平，但是垂直應力變了，它取的是第一水平0.064。
而試件5，截面積取第二水平，砂漿強度還是第一水平，垂直應力也是第一水平。也就是說試件1和5是在沙漿強度和垂直應力都在第一水平的時候，由截面變化引起的變化。而試件2和6是垂直應力都在第二水平下，砂漿強度都在第一水平下引起的變化。
那麼可見，全因子試驗實際反應出兩個問題，乙個是在其它因素都不變的條件下，單單變乙個因素，可以看到它結果的變化。對於其它的因素不變，可以在第一水平下不變，看它的影響，也可以看它第二水平下不變，看它的影響，那麼這個就反應兩個因素的互動作用。因為有的時候，兩種因素是完全獨立的影響，比如說只是截面有影響，垂直應力在多大的時候它的影響都是不變的，有的時候你這個因素的變化不同水平了，那麼和另外因素在不同的水平下它的影響是不同的，把這種作用叫做互動作用。
所以全因子試驗是這兩個都能夠很清楚的表示出來，就是乙個因素的單獨變化有什麼影響。下面再看正交試驗。
正交試驗的試驗次數是明顯減少，比如說全因子試驗需要做八次，正交試驗只要做四個試驗就夠了，它的排法有乙個什麼特點呢？比如說我們看截面積，試件1和4的截面積都是第一水平，那麼在這個條件下，其它兩個呢？砂漿強度其中乙個是第一水平，乙個是第二水平，它垂直應力也是乙個是第一水平，乙個是第二水平。
如果取這兩個抗剪強度的平均值，那當然就反映，截面積是在第一水平下的，而沙漿強度是兩個水平的平均的影響下的，垂直應力也是在兩個水平平均影響下得到平均值。
同樣，我們再看試件5和7，5和7的截面面積都是第二水平，同時它的砂漿強度乙個是第一水平，乙個是第二水平，垂直應力也是乙個是第二水平，乙個是第一水平。所以，這兩個試件的平均抗剪強度是反應垂直應力在平均影響下，砂漿強度也是在兩個水平的平均影響下，截面是第二水平的作用下的兩個平均值的變化，實際它反應了截面的變化對抗剪強度的影響。它和全因子試驗得到的截面變化對抗剪強度影響不同，它是在垂直應力和砂漿強度都在平均水平條件下，得到的截面面積對它的影響，而全因子試驗是完全是在沙漿強度或垂直應力不變的條件下，截面面積對它的影響。
同樣我們看教材表5—3正交表的第二項，砂漿強度。我們看第1個試驗和第5個試驗，它的砂漿強度都是第一水平的時候，我們觀察截面面積，其中乙個是第一水平，乙個是第二水平；垂直應力也一樣，乙個是第一水平，乙個是第二水平。我們假如說要統計砂漿強度對抗剪強度的影響，就把砂漿強度第一水平的這兩個抗剪強度取平均值，把砂漿強度第二水平這兩個抗剪強度取平均值，那麼就看出是砂漿強度對抗剪強度的影響。
同樣垂直應力也一樣，比如說垂直應力都取第一水平都是0.06 4這兩個，那麼相對於其它兩個因子，比如說沙漿強度，也是乙個是第一水平，乙個是第二水平，截面面積也是乙個第一水平，乙個第二水平。
正交表種類很多，它所有正交表都有這個特點。也就是說，對乙個因子，假如說是乙個水平數，那麼對其它因子，各個水平都取到了，最後取平均，其它因子都是平均的影響。正交表專門有互動作用的項。
可見正交表試驗比全因子試驗有它的優點，就是可以大大的減少次數，而且隨著因子和水平數的增加，它的效果是越來越好。
正交表試驗與全因子試驗使用當中各有特點。假如說你是用來優化，比如優化截面面積，砂漿強度和垂直應力，用來優化這三個因素的時候，那就正交表試驗比較好，因為它經過很少的試驗就可以選出各個因素，哪個因素最好的。但是，它對於建立抗剪強度和這三個因素的理論關係來講，一般說還是用全因子試驗比較確切。
所以這兩種試驗你決定試件的數量各有各自用處,也各自有各自的優點。
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