第五章工程结构动载试验 (NXP)

1、1/87 2/87 5.1 概 述 结构动载试验是结构试验工作的一个重要组成 部分。通过动力加载设备直接对结构施加动力荷载， 可以了解结构的动力特性，测试结构在一定动荷载 下的动力反应，评估结构在动荷载作用下的承载力 及疲劳寿命等特性。 3/87 土木工程中需要研究和解决的动力问题包括以下几个方面： 1、抗震理论分析和研究，为地震设防和抗震设计提供 依据，提高各类工程结构的抗震能力。 2、设计和建筑工业厂房时要考虑生产过程中产生的振 动对厂房结构或构件的影响。 3、高层建筑和高耸构筑物设计时要解决风荷载所引起 的振动问题。 4、桥梁设计与建设中需要考虑车辆运动对桥梁的振动 及危害问题。 5、海

2、洋采油平台设计中需要解决海浪的冲击对海洋采 油平台等不利影响问题。 6、研究建筑物如何抵抗爆炸等所产生的瞬时冲击荷载 对结构的影响。 4/87 结构工程事故 5/87 结构振动的动荷载是随时间而改变的； 美国塔科马美国塔科马(Tacoma)大桥大桥,1940年毁于风振！年毁于风振！ 从此将航空风洞技术引入了桥梁工程、建筑工程的应用！从此将航空风洞技术引入了桥梁工程、建筑工程的应用！ 6/87 动荷载产生的动力效应，有时远远大于相应的静力效应； 但有时可能小于相应的静力效应。 7/87 结构在动荷载的作用下的反应与结构本身动力特性有密切 关系； 8/87 结构动载试验的基本内容 1、结构动力特性

3、测试 结构的自身动力特性包括结构的自振频率、阻尼、振 型等参数。这些参数决定与结构的形式、刚度、质量分布、 材料特性及构造连接等因素，而与外载无关。结构的动力特 性是进行结构抗震计算、解决工程共振问题及诊断结构累积 损伤的基本依据。 2、动力荷载或振源特性测试 测量引起振动的作用力大小、方向、频率及其规律。 9/87 2）振动台模型试验。 地震对结构的作用是由于地面运动引起的一种惯性力。 通过振动台对结构输入正弦波或实测地震波，可以较准确 地模拟结构的地震反应。 3、结构动力反应测试 1）测定实际结构在实际工作时的振动水平（振幅、频 率）及性状，例如： 动力机器作用厂房结构的振动反应 移动荷载

4、作用下桥梁的振动反应 地震时建筑结构的振动反应 10/87 4、结构构件的疲劳试验 确定结构构件在多次重复荷载作用下的疲劳强度。 土木工程结构中遇到的振动形式有些是确定 性振动，但大多数情况则属于随机振动。 5、风洞试验 研究结构的风致振动及风振控制。 11/87 5.2 动载试验荷载模拟技术 5.2.1 惯性力加载 惯性力加载是利用运动物体的惯性力，对结构施加动 荷载。 按产生惯性力的方法可分为冲击力、离心力及直线位 移惯性力加载等。 1、冲击荷载 冲击荷载作用于试件上的时间较短，属于突然加载， 一般用于测定试验在冲击荷载作用下的承载力、抗裂性 能等；也用于测定结构本身的各种动力特性，如固有

5、频 率等。 12/87 优点：用较小的荷载可以产生较大的振幅。 缺点：加上的重物随结构一起振动，对结构产生一 定影响；重物落下时的撞击也会引起结构的局部破坏。 q 突加荷载法（初始速度法） 13/87 q 突卸荷载法（初始位移法） 14/87 2、离心力加载 离心力加载是根据旋转质量产生离心力的原理对结构施 加简谐振动。 trmP trmP rmP H V cos sin 2 2 2 trmPVsin2 2 trmPHcos2 2 (a) (b) (c) 15/87 3、曲柄连杆式机械振动台 机械振动台结构简单，容易产生较大的振动力和振 幅；缺点是频率范围较小，振幅调节比较困难，机械摩 擦影响

6、大，波形失真也大。 曲柄连杆 带动台面作水 平振动，台面 振幅由偏心距 e 的大小调节， 台面振动频率 由变速箱调整， 因而振动台的 台幅与频率变 化无关。 16/87 4、落锤式冲击试验机 XJL-300B型落锤式冲击试验机 最大冲击能量：300J 最大冲击高度：2m 锤体质量：0.25-15kg 17/87 5.2.2 电磁加载 通电导体在磁场中，会受到与磁场方向相垂直的作用 力。根据这一原理，在磁场中放入动圈，通以交变电流， 则可以使固定于动圈上的顶杆等部件往复运动，产生动载。 目前常见的电磁加载设备为电磁式激振器与振动台电磁式激振器与振动台。 电磁式激振器电磁式激振器 频率范围较宽；重

7、频率范围较宽；重 量轻，控制方便，量轻，控制方便， 按给定信号可产生按给定信号可产生 各种波形的激振力。各种波形的激振力。 但激振力不大，仅但激振力不大，仅 适用于小型结构或适用于小型结构或 小模型试验。小模型试验。 18/87 电磁式振动台 是利用电磁式激振 器来推动一个活动 台面构成的。但由 于振动台的激振器 输入励磁线圈和活 动线圈的电流都比 较大，工作时间长 了易发热，故附有 冷却系统。 电磁式振动台操作方便；振动波形好，频率范围广，电磁式振动台操作方便；振动波形好，频率范围广， 但激振力较小，仅几百但激振力较小，仅几百N至几十至几十kN。 19/87 5.2.3 液压振动台 液压振动

8、台有单向运动、双向运动和三向运动等几种， 振动台多采用电液伺服系统推动。在各种结构模型（或足 尺）动力试验中，模拟地震振动台是最理想的结构抗震设 备。 振动台实验室位于中国建筑科学研究院 研发基地，建筑面积3300平米，实验室 内拥有全国最大的6m6m三向六自由 度大型高性能模拟地震振动台。 新闻:中国建筑科学研究院 工程抗震研究所承接的中央 电视台新台址CCTV主楼模 拟地震振动台试验项目顺利 完成。2005.11 20/87 模拟地震振动台系统包括：台面及基础、泵源及油压分 配系统、加振器、模控、数据采集和处理系统；此外还有与 模控及数据采集系统相接的计算机。 21/87 5.3 动载试验

9、量测设备 振动参量量测方法有振动测量法振动测量法、光学测量法光学测量法 和和电测法电测法等。 电测法将振动参量（位移、速度、加速度）振动参量（位移、速度、加速度）转 换成电量，而后用电子仪器放大、显示或记录。电 测法灵敏度高，且便于遥控、遥测，是目前最常用 的方法。 振动测量系统由拾振器、测振放大器和记录仪 等部分组成。 22/87 5.3.1 测振传感器的力学原理 tXxsin 0 0)( mmm kxxxxm )sin()cos( 0 22 tXtnBex m nt m 设被测振动物体规律 质量块m的振动微分方程为 上式通解为 其中：mk / 2 mn/2 23/87 2 2 2 2 0

10、0 21 nn n m X X 2 1 2 n n arctg 2 2 2 2 0 0 21 nn n m X X n n/ 其中：阻尼比 24/87 1）当）当 ， 时时1/ n 1 1 21 2 2 2 2 nn n 180 满足此条件的测振满足此条件的测振 仪称位移计。一般位移仪称位移计。一般位移 计的体积较大也较重，计的体积较大也较重， 使用时对被测系统有一使用时对被测系统有一 定影响，特别对于一些定影响，特别对于一些 质量较小的振动体不太质量较小的振动体不太 适用。适用。 25/87 2）当）当 ， 时时1/ n 1 1 21 1 2 2 2 nn 0tg 满足此条件的满足此条件的

11、测振仪称加速度计。测振仪称加速度计。 0 2 2 0 XX n m xx n m 2 1 26/87 5.3.2 测振传感器 拾振器除应正确反映振动体的振动反映振动体的振动外，尚应不失真 地将位移、速度及加速度等振动参量转换为电量振动参量转换为电量，以便 用量电器进行测量。 27/87 磁电式速度传感器的特点是灵敏度高、性能稳定、 输出阻抗低、频率响应范围有一定宽度，通过对质量弹 簧系统参数的不同设计，可以使传感器既能量测非常微 弱的振动，也能量测较强的振动，是工程振动测量中最 常用的拾振仪器。 感应电动势可表达为感应电动势可表达为： 1、磁电式速度传感器 BLnvE q 右图为一典型的磁右图

12、为一典型的磁 电式速度传感器。此类电式速度传感器。此类 传感器惯性质量块的位传感器惯性质量块的位 移反映所测振动的位移，移反映所测振动的位移， 而传感器输出的电压与而传感器输出的电压与 振动速度成正比，又称振动速度成正比，又称 惯性式速度传感器。惯性式速度传感器。 28/87 q 建筑工程中常需 10Hz以下甚至1Hz以 下的低频振动，这时 常采用摆式测振传感 器，这种类型的传感 器将质量弹簧系统设 计成转动的形式，因 而可以获得更低的仪 器固有频率。 根据所测振动是 垂直方向还是水平方 向，摆式传感器有垂 直摆、倒立摆和水平 摆等。输出电压也与 振动速度成正比。 摆式传感器的构造原理摆式传感

13、器的构造原理 29/87 q 磁电式传感器的主要技术指标有磁电式传感器的主要技术指标有： （1）固有频率：传感器质量弹簧系统本身的固有频率 是传感器的一个重要参数。 （2）灵敏度：传感器的拾振方向感受到一个单位振动 速度时，传感器的输出电压。 （3）频率响应：灵敏度随所测频率不同有所变化，这 个变化的规律就是传感器的频率响应。对于阻尼值固定的 传感器，频率响应曲线只有一条。如传感器阻尼可选择和 调整，则阻尼不同，传感器频率响应曲线也不同。 （4）阻尼系数：磁电式测振传感器质量弹簧系统的阻 尼比，通常磁电式测振传感器的阻尼比设计为0.50.7。 30/87 2、压电式加速度传感器 压电式拾振器是

14、利用压电晶体材料具有的压电效应制成。 当压电晶片电轴方向受到外力而产生压缩或拉伸变形时，内 部会产生极化现象，同时在其相应的两个表面上出现异号电相应的两个表面上出现异号电 荷，形成电场荷，形成电场。当外力去掉后，又重新回到不带电状态。这 种将机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。压电 晶体受外力产生的荷载为： AGQ 压电材料中，石英晶体压电材料中，石英晶体 具有较高的稳定性、高机械具有较高的稳定性、高机械 强度和很宽的工作温度，但强度和很宽的工作温度，但 灵敏度较低；压电陶瓷可得灵敏度较低；压电陶瓷可得 到较高的灵敏度和很宽的工到较高的灵敏度和很宽的工 作温度，易于制成所需形状。作温度

15、，易于制成所需形状。 31/87 q 压电式加速传感器具有动态范围大、频率范围宽、重压电式加速传感器具有动态范围大、频率范围宽、重 量轻、体积小等特点。其主要技术指标有：灵敏度、安装量轻、体积小等特点。其主要技术指标有：灵敏度、安装 谐振频率、频率响应、横向灵敏度比和幅值范围等。谐振频率、频率响应、横向灵敏度比和幅值范围等。 32/87 5.3.3 记录设备 q 光线示波器光线示波器 33/87 q XY函数记录仪函数记录仪q 磁带记录仪磁带记录仪 q 瞬态记录仪瞬态记录仪 34/87 5.4 结构动力特性试验 结构的动力特性包括结构的自振频率、阻尼、自振频率、阻尼、 振型振型等参数。这些参数

16、是结构的固有参数，决定 与结构的形式、刚度、质量分布、材料特性及构 造连接等因素，而与外载无关与外载无关。 结构物的固有频率固有频率及相应的振型虽然可以由 结构动力学原理计算动力学原理计算，但经过简化计算简化计算得出的理 论数值一般误差较大误差较大，而阻尼系数则只能通过试而阻尼系数则只能通过试 验来确定。验来确定。因此，采用试验手段研究各种结构物 的动力特性具有重要的实际意义。 35/87 5.4.1 自由振动法 使结构产生自由振动，通过使结构产生自由振动，通过 记录仪器记下有衰减的自由振动记录仪器记下有衰减的自由振动 曲线，由此求出结构的基本频率曲线，由此求出结构的基本频率 和阻尼系数。和阻

17、尼系数。 2 ln 1 n n a a n T/2基本频率： )sin()( tAetx nt 阻尼系数： 36/87 5.4.2 简谐强迫振动法 利用专门的激振器，对结构施加简谐动荷载，使结构 产生稳态的简谐强迫振动，借助对结构受迫振动的测定， 求得结构动力特性的基本参数。 0 n 2 12 n衰减系数：阻尼比： 37/87 38/87 5.4.3 脉动法 工程结构脉动来自两个方面，一方面是地面脉动；另 一方面是大气变化即风和气压等引起的微幅振动。脉动能 够明显反映出结构的固有频率。从脉动信号中可识别出结 构物的固有频率、阻尼比、振型等多种模态参数。 测量脉动信号要使用低噪声、高灵敏度的拾振

18、器和放 大器，并应配有记录仪器和信号分析仪。 脉动法测量的记录波形图分析通常采用以下几种方法： 主谐量法主谐量法 频谱分析法频谱分析法 功率谱分析法功率谱分析法 统计法统计法 39/87 1、主谐量法 建筑物的固有频率的谐量是脉动信号中最主要的成份， 在实测脉动波形记录上可直接反映出来。凡是振幅大， “拍” 现象尤为明显，其波形光滑处的频率总是多次重复 出现。如果建筑物各部位在同一频率的相位和振幅符合振 型规律，就可以确定该频率就是建筑物的固有频率。基频 出现的机会最多，比较容易确定。 40/87 图图 主谐量和频谱分析法分析脉动记录曲线主谐量和频谱分析法分析脉动记录曲线 对一些较高的建筑、斜

19、拉桥等，有时第二、第三频率 也可能出现，但相对基频出现次数少。在记录比较规则的 部分，确定是某一固有频率后，就可分析出频率对应的振 型。 41/87 42/87 2、频谱分析法 一般工程结构的脉动记录波形应看成是各种频率的谐 量的合成的结果，而建筑物固有频率的谐量和脉动源卓越 频率处的谐量为其主要成分。应用傅里叶级数积分傅里叶级数积分方法将 脉动信号分解并作出其频谱图，在频谱图上建筑物固有频 率处和脉动源的振动频率处必然出现突出的峰，一般基频 处更为突出，第二、第三频率处有时也较明显。 43/87 2、频谱分析法 44/87 3、功率谱分析法 如果建（构）筑物的脉动是一种平稳的各态历经的 随机

20、过程，且结构各阶阻尼比很小，各阶固有频率相隔 较远。则可以利用脉动振幅谱确定建（构）筑物的固有 频率和振型，并用各峰值处的半功率带宽确定阻尼比。 45/87 3、功率谱分析法 46/87 例例: 用应变测试，测试压缩上铜管的工作状态。用应变测试，测试压缩上铜管的工作状态。 在现场做振动测试时在现场做振动测试时, 看到时域曲线以为是有噪声干扰，后来将曲看到时域曲线以为是有噪声干扰，后来将曲 线放大及线放大及FFT变换后，应该是振动测试曲线反应机器的不同工作频率。变换后，应该是振动测试曲线反应机器的不同工作频率。 是是 47/87 曲线放大图 48/87 FFT图 49/87 FFT放大图 50/

21、87 51/87 5.5 动力荷载或振源特性试验 5.5.1 常见振源的振动波 形 动荷载或振源特性包括： 作用力的大小、方向、频率及其作用规律等。 间歇性的阻尼振动， 有明显的尖峰和衰减， 说明是撞击性振源引 起的振动 有周期性的简谐振 动，一台或多台转 速一样的机器运转 所引起的振动； 两频率相差两倍 的简谐振源引起 的合成振动； 三简谐振源引 起的更为复杂 的合成振动； 符合“拍振”的规律，振幅周期 性地由小变大，又由大变小，这 有两种可能，一种是由两个频率 接近的简谐振源共同作用；另外 一种是只有一个振源，但其频率 和结构的自振频率相近； 是随机振动的记录图形， 它是由随机性动荷载引起

22、 的，例如液体或气体的压 力脉冲及地震波。 52/87 5.5 动力荷载或振源特性试验 5.5.2 探测主振源的方法 结构周围存在多个振源时，有必要找出对结构影响 最大的，起主导作用的振源，称为主振源。 探测方法有两种： 1.有周围环境振源资料时，只需测出结构被强迫振 动的频率，通过比较找出与结构频率相同或接近的振源， 则可能是主振源； 2.无周围环境振源资料时，通过实测结构受迫振动 的波形分析，若是单一简谐波形，此振动波形的频率即为 主振源的频率；若是复杂的合成波形，则可用谐量分析法 将复杂波形分解出来，从中找出幅值较大的波形所对应的 频率即为主振源的频率 53/87 5.5 动力荷载或振源

23、特性试验 5.5.3 主振源特性的测定方法 测定难度在于要注意将它与实测结构动力反应严格 区分开来。搞不好测得的是结构在振源作用下的反应。 探测方法有两种：直接法、比较法 1.直接法，是最好的方法。同时也是实施起来难度 较大的一种方法。它原则上是让传感器直接感受其振动荷 载。 直接法虽在有些时候不易实现，但在可能的情况和 条件下优先选用。 下面看看几种直接法的具体做法： 54/87 5.5 动力荷载或振源特性试验 5.5.3 主振源特性的测定方法 1.直接法： 直接法虽在有些时候不易实现，但在可能的情况和 条件下优先选用！ 55/87 5.5 动力荷载或振源特性试验 5.5.3 主振源特性的测

24、定方法 2.比较法： 采用此种方法需要激振设备，且被测的动荷载（振 源）必须是可以开启和关闭。 通过开闭振源和激振器，使得结构的动力反应波形 所显示的特性与振源作用该结构所显示的波形特性一致时， 该激振设备所显示的各项数据如激振力的大小、方向、作 用频率、作用规律等即为振源动荷载的特性。 56/87 5.6 结构动力反应试验 1、动应变测定 5.6.1 动力反应 测定方法 57/87 2、动位移测定 58/87 承受移动荷载的结构如吊车梁、桥梁等，常常要确定其动力系数， 以判定结构的工作情况。 5.6.2 结构的动力系数的试验测定 d i y y 动挠度和静挠度的比值称 为动力系数。 59/8

25、7 地震发生时，特别是强地震发生时，以仪器为手段观测地面运动 过程中工程结构的动力反应的工作称为强震观测。 强震观测能够为地震工程科学研究和抗震设计提供确切数据，并 用来验证抗震理论和抗震措施是否符合实际。 强震观测一般采用加速度计测量。 5.6.3 强震观测 5.6.4 模拟地震振动台试验 试验可以再现各种形式地震波输入后的反应和地震震害发生的过 程，观测试验结构在相应各个阶段的力学性能，进行随机振动分析， 研究新型结构计算理论的正确性，有助于建立力学计算模型。 1、试验模型基本要求 2、输入地震波。常见输入波：强震实际记录、人工地震波。 3、试验方法 （1）输入运动的选择：一般采用加速度控

26、制振动台面的运动。 （2）加载过程：分一次性加载和多次性加载。 60/87 东营黄河公路大桥: 位于山东省东营市，南北跨越垦利县和利津县，距黄河入海口约70km，是目 前黄河下游最后一座桥梁。该项目是国家规划的“五纵”、“四横”干线公路网及 山东省综合运输网主框架的重要组成部分。东营黄河公路大桥按高速公路标准建设， 全长2743.1m，为双向4车道，桥宽26m，设计行车速度100km/h，设计荷载汽 一超20，挂一120；主桥为116+200+220+200+116m预应力混凝土刚构一连续 组合梁，主墩为壁厚1.8m、中心距8m的双薄壁墩，其他各墩均为矩形截面实体墩， 全桥均为钻孔灌注桩基础。

27、目前该桥已通车运行。 该桥在施工过程中经历多次体系转换，施工过程复杂，且影响因素较多，这些 不确定性因素可能引起结构主要参数如梁重、结构刚度等的变化，进而导致结构内 力状态与设计理想状态偏离，且这些参数误差具有累计性，必须在施工过程中不断 地进行监测、识别、控制。该桥的服役环境相当恶劣，加之疲劳效应、腐蚀效应、 材料老化和超载等不利因素的影响，结构不可避免地要产生损伤累积、抗力衰减。 在该桥运营期间，对结构内力及变形必须进行适时健康监测。另外新桥在通车前必 须进行荷载实验，以验证本桥设计与施工质量、了解桥梁结构的实际承载能力。从 监测信息衔接的完整性角度，该桥是目前世界上唯一集施工监测、成桥试

28、验、健康该桥是目前世界上唯一集施工监测、成桥试验、健康 监测三位一体的大桥。监测三位一体的大桥。 61/87 62/87 63/87 5.7 结构疲劳试验 5.7.1 结构疲劳试验的目的 结构或材料受重复荷载作用后，其强度极限将低于相同荷载作用结构或材料受重复荷载作用后，其强度极限将低于相同荷载作用 下的极限值，这种现象称为结构或材料的疲劳。下的极限值，这种现象称为结构或材料的疲劳。 直接目的：确定结构的疲劳极限，测定结构达到疲劳破坏时荷载的 重复次数。 结构所能承受的荷载重复次数及应力达到的最大值均与应力的变化 幅度有关。当疲劳应力小于某一应力值后，荷载重复次数的增加不会在当疲劳应力小于某一

29、应力值后，荷载重复次数的增加不会在 引起结构的疲劳破坏。该疲劳应力值称疲劳极限应力，引起结构的疲劳破坏。该疲劳应力值称疲劳极限应力，结构设计时必须 严格按照疲劳极限应力设计。 64/87 1、鉴定性疲劳试验。在重复荷载标准值作用下，在规定的荷载重复次 数内，对下列内容进行检验： （1）抗裂性及其开裂荷载； （2）裂缝宽度及其发展； （3）最大挠度及其变化幅度； （4）疲劳极限强度。 2、科研性疲劳试验。一般有以下内容： （1）钢筋及混凝土的应力随荷载重复次数的变化； （2）开裂荷载及开裂情况； （3）裂缝的宽度、长度、间距及其随荷载重复次数的变化； （4）疲劳破坏荷载及承受疲劳的重复次数； （

30、5）最大挠度及其变化规律； （6）疲劳破坏特征。 65/87 5.7.2 疲劳试验的步骤 1、疲劳试验前预加静载试验、疲劳试验前预加静载试验 荷载：不大于上限荷载的20 次数：12次 2、正式疲劳试验、正式疲劳试验 第一步：疲劳前的静载试验。荷载分级加到疲劳上限荷载。分 级荷载可取上限荷载的20，临近开裂荷载时适当加密，每级荷载 加完后停歇1015分钟， 加满后分两次或一次卸 载。 第二步：疲劳试验。 第三步：破坏试验。 两种方法：一种是继续 施加疲劳荷载直至破坏， 得到承受疲劳荷载的次 数；另一种是作静载破 坏试验。 66/87 疲劳试验的试验步骤，随试验的目的和要求可有所不同。疲劳试验的试

31、验步骤，随试验的目的和要求可有所不同。 静载不分级缓慢 地加到第一条可 见裂缝出现为止， 然后开始疲劳试 验。 提高疲劳荷载上 限，可在达到疲 劳次数之前，也 可在达到要求疲 劳次数之后。 67/87 5.8 风洞试验 1、流体力学 是力学的一门分支，是研究流体现象以及相关力 学行为的科学。可按研究对象的运动方式分为流体 静力学和流体动力学，还可按应用范围分为水力学， 空气动力学等等。理论流体力学的基本微分方程是 所谓“纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equation）”，简称N-S方程。 68/87 2、风洞，是指在一个管道内，用动力 设备驱动一股速度可控的气流，用以对 模型

32、进行空气动力实验的一种设备。最 常见的是低速风洞。最近位于四川绵阳 的中国空气动力学研究和发展中心已建 成具有世界水平的2.4米跨声速风洞(风 洞常以试验段尺度命名)。这样大尺度 的跨声速风洞，世界上只有美国和俄罗 斯等少数国家才有。风洞是发展航空航 天事业的关键设备，研制任何飞机，包 括军用飞机、民用飞机以及航天飞机， 都必须首先在风洞中进行大量试验，试 验飞机能不能飞起来，能飞多高多快和 多远以及其他各项飞行性能等。 69/87 3、风洞研制飞行器的先行官 决定一架飞机或其他飞行器的飞 行性能，如速度、高度等，除飞机重 量、发动机推力等要素外，最重要的 因素是作用于飞机的空气动力。 70/

33、87 p 5.81 风洞试验发展风洞试验发展 1、世界上公认的第一个风洞是英国人于1871年建成的。美国 的莱特兄弟(O.Wright和W.wright)于1901年制造了试验段 0.56米见方，风速12/s的风洞，从而于1903年发明了世界上 第一架实用的飞机。风洞的大量出现是在20世纪中叶。 2、为了试验炮弹的气动力作用和研究超声速流动，瑞士阿克 雷特(G.Ackttet)于1932年建成了世界第一座超声速风洞，试 验段面积0.4米04米，马赫数(风速与声速之比）为2，适应 跨超声速飞行器的发展，1956年美国建成世界最大的跨超声 速风洞，试验段面积488米4.88米，马赫数0.8-4.8

34、8，功率 为16.1万kW。1958年，美国航天局建成试验段直径0.56米， 马赫数可高达18-22的高超声速风洞。 71/87 p 5.81 风洞试验发展风洞试验发展 3、为了提高风洞实验的雷诺数(模拟尺度或粘性效应的相 似准则)，1980年，美国将一座旧的低速风洞改造成为世界 最大的全尺寸风洞(可以直接把原形飞机放进试验段中吹风)， 试验段面积24.4米12.2米，风速150m/s，功率10万kW。 1975年，英国建成一座低速压力风洞，试验段5米4.2米， 风速95-110m/s，压力3个大气压，功率1.4万kW，试验雷 诺数(它是一个无量纲数)8106。80年代，美国建成一座 低温风洞

35、，以氮气(氮气凝固点低，适于低温下工作)为工作 介质，温度范围340-78K，压力可达9个大气压，试验段2.5 米2.5米，马赫数0.2-1.2，雷诺数高达120106。 72/87 p 5.81 风洞试验发展风洞试验发展 我国的风洞建设发展迅速： 1977年，中国空气动力研究与发展中心建成亚洲最大 的低速风洞，串联双试验段：8米6米和16米l2米，风 速100m/s，功率7800kW。1999年，又建成具有世界规模 的跨声速风洞，试验段口径2.4米，马赫数0.6-1.2。 73/87 p 5.81 风洞试验发展风洞试验发展 一般工业部门： 反映各行各业的发展越来越需要空气动力学和风洞试验的参

36、与，已 经形成了新的学科：“工业空气动力学”和“风工程学”。 例如，当汽车速度达到180km/h时，空气阻力可占总阻力的1/3。对小 汽车模型进行风洞试验，合理修形。可使气动阻力减小75%。对建筑 物模型进行风载荷试验，从根本上改变了传统的设计方法和规范，大 型建筑物如大桥、电视塔、大型水坝、高层建筑群等，己规定必须要 进行风洞试验，而且模型必纲模拟实物的刚度(即弹性模型)，测量“风 振特性“。这方面已有教训。1940年，美国塔科马年，美国塔科马(Tacoma)大桥，一大桥，一 座大型钢索吊桥，因为并不很大的风载荷，导致桥体强迫振动和共振，座大型钢索吊桥，因为并不很大的风载荷，导致桥体强迫振动

37、和共振， 引起断塌，因而受到学界广泛重视。引起断塌，因而受到学界广泛重视。对于大型工厂、矿山群，也要做 成模型，在风洞中进行防止污染和扩散的试验。为此，应运而生出现 了许多“大气边界层风洞“。在这种风洞中，试验段的气流并不是均 匀的，从风洞底板向上，速度逐渐增加，模拟地面“风“的运动情况 (称为大气边界层)。国内已出现了十几座这样的风洞。 74/87 p 5.81 风洞试验发展风洞试验发展 75/87 p 5.82 风洞试验操作风洞试验操作 76/87 p 5.82 风洞试验操作风洞试验操作 77/87 p 5.82 风洞试验操作风洞试验操作 78/87 p 5.82 风洞试验操作风洞试验操作

38、 79/87 p 5.82 风洞试验操作风洞试验操作 80/87 5.83 风洞试验的科学研究风洞试验的科学研究 一、重庆大剧院模型风洞试验与分析研究重庆大剧院模型风洞试验与分析研究 1、风压测量试验风压测量试验 n中国空气动力研究与发展中心低速气动力研究所中国空气动力研究与发展中心低速气动力研究所4m3m风洞风洞 81/87 6、风洞试验 5.83 风洞试验的科学研究风洞试验的科学研究 82/87 6、风荷载数值模拟风荷载数值模拟 0方向来流时风压云图方向来流时风压云图 5.83 风洞试验的科学研究风洞试验的科学研究 83/87 6、风荷载数值模拟风荷载数值模拟 90方向来流时风压云方向来流时风压云 图图 5.83 风洞试验的科学研究风洞试验的科学研究 84/87 、刚性模型刚性模型 5.83 风洞试验的科学