第六章结构动力试验

1、第六章 结构动力试验Zhengzhou University1 1、概述、概述 （1）结构动力荷载的类型）结构动力荷载的类型 建筑物承受的动力荷载主要有：建筑物承受的动力荷载主要有：地震作用地震作用；机械设备机械设备振动和冲击荷载振动和冲击荷载；高层建筑和高耸结构物的风振高层建筑和高耸结构物的风振；环境环境振动振动；爆炸振动爆炸振动。 （2）结构试验的内容）结构试验的内容 结构动力试验的内容包括：结构动力试验的内容包括：测定动力荷载或振源特性测定动力荷载或振源特性（作用力大小、方向、频率等）；（作用力大小、方向、频率等）；测定结构动力特性测定结构动力特性（自振频率、阻尼、振型）；自振频率、阻尼

2、、振型）；测定结构在动力作用下的反测定结构在动力作用下的反应应（位移、速度、加速度、动应力等）。（位移、速度、加速度、动应力等）。结构动力试验School of Civil Engineering结构动力试验2 2、结构动力荷载特性试验、结构动力荷载特性试验 （1）结构动力荷载试验测定内容）结构动力荷载试验测定内容 试验测定内容包括：试验测定内容包括：作用力的大小作用力的大小、作用力的方向作用力的方向、作用力的频作用力的频率率、作用规律作用规律等。等。 （2）主振源探测）主振源探测 主振源可通过试验方法探测：当有多台振动机械设备时，可逐个主振源可通过试验方法探测：当有多台振动机械设备时，可逐个

3、开动，通过观察每个振源影响下的振动情况找出主振源。开动，通过观察每个振源影响下的振动情况找出主振源。 通过分析实测振动波形，按照不同振源引起不同强迫振动的特点通过分析实测振动波形，按照不同振源引起不同强迫振动的特点，间接判定振源性质，以此作为主振源探测的依据。，间接判定振源性质，以此作为主振源探测的依据。School of Civil Engineering结构动力试验School of Civil Engineering结构动力试验 （3）结构动力荷载特性试验方法）结构动力荷载特性试验方法 直接测定法直接测定法：通过测定动荷载本身的参数来确定其性：通过测定动荷载本身的参数来确定其性质。质。

4、间接测定法间接测定法：将动力机器安装在专用弹性结构上，下：将动力机器安装在专用弹性结构上，下部为刚性支座，通过测试机器静止和工作两种状态下，部为刚性支座，通过测试机器静止和工作两种状态下，弹性结构的动力特性，间接得出机器造成的振动荷载特弹性结构的动力特性，间接得出机器造成的振动荷载特性。性。 比较测定法比较测定法：比较振源的承载结构在已知动荷载作用：比较振源的承载结构在已知动荷载作用下的振动情况和待测振源作用下的振动情况，比较得出下的振动情况和待测振源作用下的振动情况，比较得出荷载特性数据。荷载特性数据。School of Civil Engineering结构动力试验3 3、结构动力特性试验

5、、结构动力特性试验 （1）结构动力特性试验内容）结构动力特性试验内容 试验测定内容包括：试验测定内容包括：自振频率自振频率、阻尼系数阻尼系数、振型振型等参数。可采用人工等参数。可采用人工激振法和环境随机振动法。激振法和环境随机振动法。 （2）人工激振法）人工激振法 自由振动自由振动 自振频率自振频率：通过突然加载或卸载：通过突然加载或卸载的方法，使结构受冲击荷载作用而产的方法，使结构受冲击荷载作用而产生自由振动。通过测取周期，求得自生自由振动。通过测取周期，求得自振频率振频率f=1/T。School of Civil Engineering结构动力试验 结构阻尼结构阻尼：22(ln)nn Kx

6、KxSchool of Civil Engineering结构动力试验 振型振型：通过在结构的不同高度布置传感器，根据传感：通过在结构的不同高度布置传感器，根据传感器测得的同一时刻不同高度处的振幅来确定结构振型。器测得的同一时刻不同高度处的振幅来确定结构振型。School of Civil Engineering结构动力试验 强迫振动强迫振动 自振频率自振频率：当结构产生共振时，振幅出现最大值，此时激振频率：当结构产生共振时，振幅出现最大值，此时激振频率即为结构自振频率。即为结构自振频率。 利用激振器可以连续改变激振频率的特点，可求得多自由度体系利用激振器可以连续改变激振频率的特点，可求得多自

7、由度体系的自振频率。的自振频率。School of Civil Engineering结构动力试验 12 2222114 结构阻尼结构阻尼： 振型振型：通过在结构的不同高度布置传感器，根据传感：通过在结构的不同高度布置传感器，根据传感器测得的同一时刻不同高度处的振幅来确定结构振型。强器测得的同一时刻不同高度处的振幅来确定结构振型。强迫振动法可测得结构的各阶振型，当测量高阶结构振型时迫振动法可测得结构的各阶振型，当测量高阶结构振型时，应布置足够多的传感器。，应布置足够多的传感器。School of Civil Engineering结构动力试验 （3）环境随机振动法）环境随机振动法 建筑物的脉动

8、源与地面脉动、风或气压变化有关，尤其受车辆、建筑物的脉动源与地面脉动、风或气压变化有关，尤其受车辆、机器设备等扰动和附近地壳内部小裂缝及远地震影响显著，其脉动机器设备等扰动和附近地壳内部小裂缝及远地震影响显著，其脉动周期为周期为0.12.0s。 假设脉动源的振动过程为假设脉动源的振动过程为X(w)，结构本身称为系统，结构本身称为系统H(iw)，当脉，当脉动源作用于系统后，结构在外部激励下将产生建筑脉动响应动源作用于系统后，结构在外部激励下将产生建筑脉动响应Y(w)。School of Civil Engineering结构动力试验 在测试时，通过测振传感器测量地面自由场的脉动源在测试时，通过测

9、振传感器测量地面自由场的脉动源x(t)和结构反应的脉动信号和结构反应的脉动信号y(t)的记录，将符合平稳随机过的记录，将符合平稳随机过程的样本经专用信号处理机（频谱分析仪或微机），使程的样本经专用信号处理机（频谱分析仪或微机），使用具有传递函数的分析程序进行计算处理，即可得到结用具有传递函数的分析程序进行计算处理，即可得到结构的动力特性（频率、振幅、相位等）。构的动力特性（频率、振幅、相位等）。2001(i)12HiSchool of Civil Engineering结构动力试验4 4、结构动力反应试验、结构动力反应试验 （1）结构动态参数测量）结构动态参数测量 结构动力反应试验测量的参数包

10、括：振幅、频率、速度、加速度结构动力反应试验测量的参数包括：振幅、频率、速度、加速度、动应变等。、动应变等。 在测试时，需根据结构情况和试验目的布置适当的仪器，包括位在测试时，需根据结构情况和试验目的布置适当的仪器，包括位移传感器、速度传感器、加速度传感器、电阻应变计等，并记录振移传感器、速度传感器、加速度传感器、电阻应变计等，并记录振动波形。动波形。 （2）结构振动形态测量）结构振动形态测量 结构振动形态以结构振动形态以振动变形图振动变形图表示。通过记录仪器将测点的振动波表示。通过记录仪器将测点的振动波形形 记录下来，根据相位关系确定变形的正负号，再根据振幅大小按记录下来，根据相位关系确定变

11、形的正负号，再根据振幅大小按一定比例绘制在图上，最后将其连接构成结构在动荷载作用下的振一定比例绘制在图上，最后将其连接构成结构在动荷载作用下的振动变形图。动变形图。School of Civil Engineering结构动力试验School of Civil Engineering结构动力试验 （3）结构动力系数测量）结构动力系数测量 对于承受动荷载作用的结构，如交通工程中的桥梁，对于承受动荷载作用的结构，如交通工程中的桥梁，工业建筑中的吊车梁等，需要确定其工业建筑中的吊车梁等，需要确定其动力系数动力系数，用以判，用以判定结构的工作情况。定结构的工作情况。 动力系数：动挠度与静挠度的比值。动

12、力系数：动挠度与静挠度的比值。dsyydy构件最大动挠度；构件最大动挠度；sy构件最大静挠度；构件最大静挠度；School of Civil Engineering结构动力试验School of Civil Engineering结构动力试验5 5、结构疲劳试验、结构疲劳试验 （1）结构疲劳试验的内容）结构疲劳试验的内容 测定结构构件的开裂荷载；测定结构构件的开裂荷载； 测量裂缝宽度、间距、分布形态以及随荷载重复次测量裂缝宽度、间距、分布形态以及随荷载重复次数的变化情况；数的变化情况； 测量结构构件的挠度及变化规律；测量结构构件的挠度及变化规律； 测定破坏荷载、疲劳寿命和破坏特征。测定破坏荷载

13、、疲劳寿命和破坏特征。School of Civil Engineering结构动力试验 （2）结构疲劳试验加载设计）结构疲劳试验加载设计 试验荷载取值试验荷载取值 疲劳试验荷载为重复荷载，荷载上限是按试件在荷载疲劳试验荷载为重复荷载，荷载上限是按试件在荷载标准值的最不利组合产生的效应值计算得到的，荷载下标准值的最不利组合产生的效应值计算得到的，荷载下限不应小于液压脉动加载器最大动荷载的限不应小于液压脉动加载器最大动荷载的3%。 试验荷载频率试验荷载频率 试验荷载的频率即单位时间内荷载重复次数，一般要试验荷载的频率即单位时间内荷载重复次数，一般要求不大于求不大于10Hz。为避免共振，加载频率应

14、小于试件和加。为避免共振，加载频率应小于试件和加载装置自振频率的载装置自振频率的80%或大于自振频率的或大于自振频率的130%。School of Civil Engineering结构动力试验 试验加载程序试验加载程序 疲劳试验加载程序包括疲劳试验加载程序包括静载试验静载试验、疲劳试验疲劳试验和和破坏阶破坏阶段段。 静载阶段静载阶段：疲劳试验前，做两至三次加、卸载循环静：疲劳试验前，做两至三次加、卸载循环静载试验，每级荷载值取最大荷载的载试验，每级荷载值取最大荷载的20%，分五级加载。，分五级加载。 疲劳试验疲劳试验：疲劳试验时，荷载加至最小荷载值，调节：疲劳试验时，荷载加至最小荷载值，调节

15、频率，再加至最大荷载值，反复调节使荷载保持稳定。频率，再加至最大荷载值，反复调节使荷载保持稳定。 破坏阶段破坏阶段：重复荷载达到预定次数后，采用静载或疲：重复荷载达到预定次数后，采用静载或疲劳荷载进行试件破坏试验。劳荷载进行试件破坏试验。School of Civil Engineering结构动力试验School of Civil Engineering结构动力试验 （3）结构疲劳试验的观测设计）结构疲劳试验的观测设计 梁式试件梁式试件：正截面和斜截面的疲劳强度、抗裂性、：正截面和斜截面的疲劳强度、抗裂性、挠度；挠度； 屋架屋架：杆件内力、抗裂性、屋架挠度、节点疲：杆件内力、抗裂性、屋架挠度

16、、节点疲劳性能；劳性能； 预应力构件预应力构件：预应力锚具和受预应力影响部：预应力锚具和受预应力影响部位的疲劳性能。位的疲劳性能。 试件发生疲劳破坏后，应记录重复荷载作用次数、试试件发生疲劳破坏后，应记录重复荷载作用次数、试件破坏特征及荷载值，如钢筋发生疲劳断裂，应对试件件破坏特征及荷载值，如钢筋发生疲劳断裂，应对试件破型观测钢筋断裂情况。破型观测钢筋断裂情况。School of Civil Engineering结构动力试验 （4）结构疲劳试验的安全措施）结构疲劳试验的安全措施 疲劳试验时，试件安装就位应严格找平，支座边疲劳试验时，试件安装就位应严格找平，支座边界条件应与计算简图一致，支座应具有防滑、防脱落的界条件应与计算简图一致，支座应具有防