振动疲劳试验系统机械装置的设计翻译--刁海洋

1、Chen, G., X. Yang and H. Mu, “ 裂纹混凝土结构非线性振动的稳定性 ”。振动理论及应用高级问题的国际会议中国，西安， 2000 年 6 月 1922 日，科学出版社， pp.457-462 。裂纹混凝土结构非线性振动的稳定性G. D. Chen, X. B. Yang and H. M. Mu密苏里大学罗拉分校土木工程系罗拉 , MO 65409-0030 美国摘要钢筋混凝土（ RC）结构往往要经受打击甚至是超额负载。在他们的寿命中，由于人为或自然意外的负载，如卡车相撞，地震事件，裂纹可能会扩张。当裂缝达到足够的宽度和深度， 足以造成明显的软化时， 钢筋混凝土结构在

2、非线性的方式来回应动态负载， 即使是在弱振动水平。 这种软化有时会导致不稳定的结构振动。在本文中，两个钢筋混凝土梁的试验结果提出在谐波负载下研究破裂结构的瞬态和固定属性。 通过一系列试验测试， 变形和加速度传递函数都获得了。 一些现象与非线性振动在测试过程中被观察到， 物理的见解也被获得。 关于非线性特性额外自重的作用是实验研究的目的。1 引言基于振动的损伤检测技术已被广泛应用于机械和航空航天工程结构。 其钢筋混凝土（RC）结构的应用程序有一个最近的起源。 在这一领域的主要发展已经被报导在几个审查文件中。 在这些应用中的关键问题之一是了解钢筋混凝土结构的动态特性，当严重时会由裂痕。模型试验经常

3、被用来研究这个问题 .在理想的边界条件下，声发射已被用来研究一个小规模的钢筋混凝土梁的动态行为。本文报导了两个完整的大型钢筋混凝土梁在实验室的测试结果。 这项研究的目的是了解破获钢筋混凝土在瞬态和固定属性动态载荷下的结构。 重点是放在附加费意见和钢筋混凝土结构的振动的不稳定与稳定的物理解释。 额外的自重对结构动态特性的影响被广泛的研究。2检验标本和安装2.1测试标本两个相同的钢筋混凝土梁被投出并在实验室测试。他们长 6.1 米（20 英尺），截面宽 38 厘米（15 英寸）深 47 厘米（18.5 英寸）。所用的混凝土材料具有 39.8 兆帕（ 5,770 psi ）的抗压强度和 0.0038

4、 的极限应变。混凝土梁被两个 5 号与两个 6 号在底部的钢筋增强。 在实验室的热轧带肋钢筋测试表明， 五号和六号分别增援屈服强度 345 兆帕（ 50,000 psi ）及 6 号 552 兆帕（ 80,000 磅）。无压缩加固梁且每一个在韧性特性上都设计失败。弹性模量钢筋是200 帕（ 29'106PSI ）。2.2测试装置每个混凝土梁都被安置在两辊 5.79 中号（ 19 英尺）中。两个横梁进一步支持了辊锚入螺纹杆的坚硬地板。为了保持在横向稳定性， 4 个支架被用在两个梁的两端，以防止在测试过程中的任何横向移动。 筋混凝土梁还被绑在强地板的两端，利用其支撑以消除潜在隆起，如图 1

5、 所示。图1对于静态和动态测试，均采用集中力量在跨中。静态负载提供30 吨的液压千斤顶，在 30 吨甜甜圈称重传感器的系列连接，被安装在反应框架和混凝土梁之间，如图 2 所示。每个静态测试后，称重传感器都被拆除为安装机械振荡器（摇床）腾出空间。动态负载是振动筛所产生的， 该振动筛被连接到一个电动马达作为轴，如图 3 所示。图 23 测试计划和程序3.1测试计划在密苏里州，每个钢筋混凝土梁代表一个坚实状态板桥。 梁截面开裂和最终的时刻分别等于到 53.3 KN.M（39.3 kip.ft ）和 176.3 KN.M（130 kip.ft ）。他们在跨中相应的点负载分别为 PCR=36.6千牛（8

6、.22 窑子）和 PU=121.0 千牛（27.2窑子）。根据大桥上的交通负荷即梁所表示的，梁在跨中相当于受到 Pser=40.5 千牛（ 9.1 服务负载窑子）。图 3通过动态测试得到的梁在添加辅助自重的概念用于稳定梁的振动。 这两个标准被设置用以确定最大的死重， 这两个标准被称为该文件中的预紧力。 一是要避免任何潜在堆载预压加动态测试梁开裂加载自动态试验不应该施加任何额外的裂缝。由于现有混凝土板梁桥的负载服务 , 二是要限制的最大预紧内在跨中的等效点负载。根据这些标准，最大的预紧力估计是 19.8 千牛（ 4.45 窑子）其提供的阻尼比梁被假定为开始开裂时为 1。对于梁测试，采用预紧高达

7、11.9 千牛（ 2.68 窑子）在动态测试中， 它代表的总重量约钢筋混凝土梁的 50%。这些负荷的身体紧紧附加在梁顶部的钢板上，如图 3 所示。有两个因素被认为是确定梁试验的动态负载峰值。一是要避免任何梁的运动，在其支持下。另一种是考虑软化效应对频率裂缝中束和一个预置效果 （质量）的发展，这大约相当于自然频率减少 50。第一个因素是考虑限制束加速不到一个 g（重力加速度）。二是实施估计最低的自然频率破获了一个完整的预压束。在遵守上述两个标准的条件下，动态负载的大小被确定为： P0 =413 氮（ 92.9 磅）。3.2测试程序同时进行静态和动态试验。 每个钢筋混凝土梁测试失败的七个阶段的状态

8、。对于每个阶段，梁逐渐在跨中分别加载到 35.6 千牛（窑子）， 44.5 千牛（ 10 窑子）， 62.3 千牛（ 14 窑子）， 80.1 千牛（ 18 窑子），97.9 千牛（ 22 窑子） 115.7千牛（ 26 窑子），或 124.6 千牛（ 28 窑子）。在此之后，梁连续加载失败。一系列动态测试在其原始状态， 两对光束进行测试连续静力试验。 具体来说， 每个周期的静态动态测试 ?包括两个步骤：1 ） 静态加载和卸载跨中梁至预定的水平。 梁第一次测试， 一次负载在上一个周期的水平， 研究上的动态效果梁属性， 然后在预定水平的两倍确保测试数据的重复性。2 ）动态测试在跨中正弦负载的梁。

9、钢作为动态测试前的预载板。一套房被选定为迫使频率谐波测试。 每次运行都进行了一个频率和动态测试， 在负载序列中完成的增加或减少频率， 。4 测试结果和分析4.1荷载 -挠度关系为了简化分析，一束损害的严重性代表最大静负荷。两束光的载荷-位移关系介绍图 4 和图 5。据观察，裂纹在负载启动两束约 35.6 千牛（窑子）。最大的时刻在这个级别的梁等于 51.5 KN.M （ 38 硖英尺），符合理论分析。头梁倒塌在 133.5 千牛（ 30 窑子）左右，大约 115.7 千牛（ 26 窑子）第二。它们分别对应到 193.32 KN.M的最终时刻（ 142.5 硖英尺）和 167.4 KN.M的（

10、123.5 千磅英尺）。都非常接近理论预测亩 =176.3 KN.M（130 基普英尺）。图 4图 54.2 刚度退化和动态效果有趣的是，在测试过程中明显知道梁刚度降低。 图 4 和图 5 表明刚度退化不太可能发生。在这个问题上细看是由两个周期在梁的静力试验研究图所示的相同的负荷水平，如图 6 所示。可以看出，斜坡荷载 - 挠度曲线有两个差别不大的连续的测试周期。这证实了早期整个荷载 - 挠度曲线的观测。图 6虽然在测试中使用的动态负载要比静载荷小得多， 它仍可能会改变一个响应裂纹梁。图 7 显示的荷载 - 挠度曲线 1 束负荷在 115.7 千牛（ 26 窑子）一级。显然，在斜坡的荷载 -

11、挠度曲线在动态测试前后保持不变，表明其对刚度的影响不大。负载偏转曲线似乎已经转移到右侧较大变形处。 得出的结论是从偏转移位结果不相关的动态测试之前和之后的挠度记录。 然而，磁滞回线的面积由于在动态测试中摇晃而略微减少。 这意味着， 裂纹表面状况已经改变， 因此一个重要部分内部的摩擦力消耗的能量损失了。图 74.3 裂纹混凝土梁的振动失稳据观察在 1 梁梁振动的测试开始时为一定幅度， 然后突然下降到小得多的激励频率在一定范围内的幅度。这种看法反映在非线性系统振动的跳跃现象. 图 8显示了跨中振幅作为一个功能的静力试验后的第5 阶段的偏转（DMAX）激励频率。这种关系被称为传递函数。 可以看出，四

12、个功能显着彼此不同谐波测试时进行激励频率序列的增加或减少 . 传递函数表示显著性差异的功能上装载的依赖历史。此外，这些功能都没有响应“共振”的频率域的峰值。类似挠度和加速度传递函数的性质从梁 2 试验观察反应，如图 9 及图 10 所示。歪斜左右的峰值的传递函数响应低频一方。 虽然这种现象代表了典型的非线性振动问题， 但在测试过程中会发现这些功能最终会收敛为一个经过长时间振动， 代表梁振动的瞬态特性。 由于静载荷沿裂缝，可能会导致不稳定的表面状况（松散颗粒） 。然而，表面状况松散颗粒坠毁后表现稳定。 这种看法是验证动态测试后滞环变得更小的事实， 如图5所示。图 8图 94.4 预压的影响与预压

13、（ PP）的弹性梁的基本频率跨中可以使用微扰理论推导，并表示为F = f P0/ 1+2 PP /w（1）其中， W代表梁的总重量 ; f和 FP0 分别表示为频率的光束和没有预置。由公式计算，梁之间并没有预置频率比（1）与图 11 实验结果相比。可以看出，理论曲线与实验数据非常符合，因此它可以用来转换频共振测试与预紧力的光束，成单独的光束，无论是否静态负荷水平。图11 可以复制显示在图 12 中，频率比加载和处女束（ FS0）可作为静态载荷的功能。正如人们可以看到，频率比保持在弹性范围内的恒定当梁开始开裂时迅速减小。 频率比和静载荷之间的独特的关系，使人们有可能量化在钢筋混凝土梁的破坏的严重

14、性。图 10图 11预压也影响传递函数的幅度和形状， 如图 13 和 14 所示。假设以往任何时候梁都静态承受极限荷载的 81或 96。最大动态无预载梁的响应略微不同发生在不同的激励频率下， 如果梁分别从低到高和高到低的频率。 然而，峰值响应的差异，频移尽可能抑制，预紧梁重量的 30应用在横梁上，如图 14 所示。这是因为预紧可以保持在微裂打开的尖端。 人们相信微裂导致频移， 并在相应的峰值变化反应。图 14 清楚地表明，共振频率容易识别通过预压测试。此观察在测试过程中被确认。事实上，它需要大约 10或更少的时间来确定共振频率比较，如图 13 所示。图 12图 135 结论本文提出了两个完整规

15、模的横梁 RC静态和动态试验的实验结果。在钢筋混凝土的破坏的严重性束可以很好地与基本频率结构联系起来。 根据这项研究， 可以得出以下结论：1 ）动态测试中预压的概念可以应用于提高收集试验数据的质量，并节省了很多时间在确定的基本频率上破获 RC结构。这是因为预载能保持微裂纹始终开放，使梁和预紧系统线性振动时受到动态载荷。2 ）钢筋混凝土梁的频率可以根据确定预压系统时梁直接共振试验来确定。梁频率与无预载之间的理论关系适用于所有情况无论发生在结构上损伤程度如何。3) 一些独特的功能在谐波测试的期间被观察。 他们有关破获的钢筋混凝土结构的非线性振动与结构宽带的动态负载通常不能被捕获测试。由于开裂软化效

16、果，获得传递函数这项研究通常偏向低频方面。 高峰功能发生在不同的激励频率时，谐波进行测试频率的增加和递减顺序。 在测试过程中著名非线性振动的跳跃现象也在测试中观察到。这些观测暗示，表面状况不稳定随裂缝存在。4 ）破裂的钢筋混凝土结构的振动在稳态方面的瞬态和平稳特性响应。传递函数在谐波的测试后开始变化， 在结构损害后立刻变化， 但最终收敛随着动态测试的数量增加。相应地，跳跃现象消失。致谢这项研究是在安东尼南尼博士的指导下， 部分赞助密苏里罗拉大学密苏里州部运输和基础设施工程研究中心提供的。 这些支持被极大的赞赏。 作者同样感谢吴静宁，塔里克 Alkhrdaji 和曹强陈他们在两个钢筋混凝土化验梁

17、下的协助。参考文献1 Doebling, S.W., Farrar, C.R. and Prime, M.B., A summary reviewof vibration-based damageidentification methods. The shock and vibration digest. Vol.30. No.2. pp.91-105. 1988.2 Doebling, S.W., Farrar,C.R., Prime, M.B. and Shevitz,D.W.,Damage identificationand healthmonitoringofstructuralandmechanical systems from changes in their vibration characteristics: a literature rev