振动的测量,傅里叶变换,duhamel积分,反应谱

1、8振动的测量8.1 前言有的时候,一些微小的、不显著的振动,会与结构,或者结构的某一局部产生共振,从而将振动放大.共振也会发生在人的身上,人体的自振频率大概为7.5Hz,因此次声20Hz会对人体造成伤害.所以说,对于结构来说,利用适宜的装置或者设计来减小这样的共振是非常有必要的.那么,想要研究如何减小共振,我们首先要知道将要发生的振动的参数.想要知道这些参数,我们就需要一些仪器来测量,这些仪器就是我们这章要了解的.首先来看一下一些概念.在结构工程中常常进行运动量位移、速度或加速度的测量,例如地震动时程的测量；振动台试验中结构模型的动力反响的测量；脉动作用下结构物的振动的测量；大桥、超高层结构风

2、振的测量等.用于测量振动量的仪器拾振仪主要有三种：加速度位移计：测量加速度的时程强震仪.位移计：测量位移时程地震仪.速度计：测量速度.8.2 理论8.2.1 运动方程的建立D'Alembert原理：在质点系的运动的任意瞬间,如果除了实际作用于每一质点的主动力和约束反力外,再加上假想的惯性力,那么在该瞬间质点系将处于假想的平衡状态,称之为动力平衡状态.记?粉?粉别为质点所受的主动力、惯性力和约束反力,那么D'Alembert原理可表示为?+?=0通常主动力泡括外荷载、阻尼力和弹性恢复力.上图质量块m所受的主动力为?=?-c?-?惯性力为?=-?由于该体系是约束反力不做功的理想约束

3、体系,故列运动方程时仅考虑运动方向上的受力,此时的约束反力是没有的.将上面两式代入D'AlemberO理表达式,有?+c?+?=?/?当然,建立运动方程的方法有多种,除了上面介绍的D'Alembert理之外,还有虚位移原理、Hamilton原理和Lagrange方程,这四种方法对建立运动方程是完全等同的,可以推得完全相同的运动方程.8.2.2 Fourier变化法频域分析法最简单的测量仪器模型是一单自由度弹簧-质点-阻尼体系,被封闭在一个刚性盒子里面,如下图单自由度体系运动方程为:其中:c=2?=?%那么1式可以写为:?(2)?+2?夕+?孑=-?使用傅里叶变换法之后补上介绍,

4、正变换,把问题从时间域自变量为t转变到频域自变量为,可得:,2?+?+?2?=?,?(3)?=?2=?(4)?2?',1-工+?2?-?7?彳?21-?-?2?彳2+2?212?2?(5)?=告£三.M3wzq工302.520?:?为复频反响函数,也叫传递函数.相角PrcQuencratio(J?)0000.50«*-,0t70g=】-t)0-?的含义,在动力荷载作用下,有阻尼?(6)一一,一?卜面给出了诉?与关于频率比的图像:体系的动力反响位移、速度、加速度一定要滞后动力荷载一段时间,即存在反响滞后现象.相角校际是反映结构体系位移相对于动力荷载的反响滞后时间,从下

5、列图可以发现,频率比越大,即外荷载作用的越快,动力反响的滞后时间越长.补充：傅立叶变换Fourier变换的定义为oo?=?,?的?-正变换?=12?oo?-?-逆变换-8其中,称为位移勺Fourier谱.根据Fourier变换的性质,速度和加速度的Fourier变换为?>?箪野-8OO?笑?-?2?q?-OO8.3振动测量仪器8.3.1 加速度计强震仪加速度计测量的是加速度,在基底加速度作用下仪器质点的运动方程为式1:?+c?+?=-?/实际要测量的加速度运动时程是任意变化的,包含在一定的频段分布的一系列简谐分量,我们可以先分析仪器对一个简谐分量的测量.仪器基底加速度时程:?=?e?(7

6、)为简谐运动,其中?为地面运动加速度的振幅.带入上式,可得仪器质点的相对位移的?01?=五sin?1-(?初22+2?况2?=-万?)sin?(8)下面仅讨论勺振幅?=市?加?(9)作为一种测量仪器,其测量的对象的单位可以不同,但一定要成比例.由上式可知,仪器记录值与被测量的地面加速度值之间的关系变化由动力放大系数?决定,而动力放大系数?是由勺函数,观察不同阻尼比时动力放大系数曲线图(下列图)可以发现,当N0.7时,在频段0W?W0.5范围内,?=1为常数.口4Qfq再tn相率比制/,oE.SJ虏34324ro.o.ao.o.在'OL0.0.即在以上的频段范围内,仪器反响的振幅,或者说

7、是对于不同的简谐运动,仪器的记录与仪器要测量的加速的振幅成线性关系.这时可以用仪器反响来度量要测量的加速的.为了保证加速的不同简谐分量的频率?TB满足0w?W0.5,可以采用提升?5痢方法来实现,由于?=赤,一般情况下,质量环变,可以采用提升加速度计中的弹簧刚度的方法来实现提升?)甥目的.因此,加速度计或强震仪中的弹簧刚度比拟大,仪器是比拟刚性的.8.3.2 位移计(地震仪)位移计是用来测量仪器基底的位移量,设任意一个简谐位移为其中齐为地面运动位移振幅,将?=-?2?)?动方程式(1),解得仪器的相对位移反响为:?=?另?-?)?=?2?)?(11)相对位移反响的振幅为:与加速度计的原理相同,

8、?2?=?)?(12)?我们希望在所测量的振动频率范围内,对于不同的频率分量均有和?)之间的比例系数?2?接近常量.下列图给出了?2?独频率电变化的曲线.由图可以看出,当阻尼比?=0.5时,在频率范围?>1时,7P?2?獗近于常数,因此可以用位移计来测量频率范围在?>?)撷段范围内的位移量.为了保证被测位移的频率满足?>?r?可通过降低仪器自振频率?甥方法来实现.实际中采取降低弹簧刚度或者增大质量硒方法来实现.因此,位移计一般都是比拟柔的.第十章反响谱10.1 前言地震动引起地面的运动,并通过地面的运动,是结构也产生振动.因此,在地震中,结构上所受的荷载是由于其支座的运动而产

9、生的.地面的运动有三个平动分量和三个转动分量,但是由于测量水平的限制,转动分量很难测得,而平动的分量可以由加速度计测得.相对于平动分量来说,转动分量很小,因此在对结构进行抗震分析的时候,转动分量忽略不计.对一个结构来说,在弹性范围内,它的响应是由于地面的一个平动分量产生的,对于一个结构体系来说,就是这些分量的和.由于结构的自振频率是未知的,在设计的时候需要屡次迭代才能求出来.所以,结构设计者就需要反响谱的帮助了.10.2 傅立叶谱将振动的信号或任意变化的函数分解为简谐振动三角函数的过程称为傅里叶分解.得到振幅和相位随频率变化的关系称为傅里叶谱,包括振幅谱和相位谱,统称为频谱,完成分解的运算称为

10、傅立叶变化.傅里叶谱全面描述了地震动过程的频谱特征,包括了各频率分量的相位及幅值信息.因此,从两个傅里叶谱可以反推出地震动的时程,而功率谱和反响谱那么不行.傅立叶谱是复数,由实部和虚部组成,他的模称为幅值谱,幅角为相位谱.oo?=?/?(13)-OO假设地面运动的加速度在?(0?利,那么上式可以变为叫?=?(14)00那么强震下傅立叶振幅谱和相位谱可以用下式定义?2?2?=?+?(15)00?"?(16)AC-?=_?010.3 反响谱单自由度体系在给定的地震作用下某个最大反响与体系自振周期的关系曲线称为该反响的地震反响谱.反盛讲不问自振周期的握了挥板子刑京反肉及最火值各标大值,索子

11、冏期走系t氏胸谱)10.3.1 Duhamel积分(1)单位脉冲反响函数单位脉冲：作用时间很短,冲量等于1的荷载,实际上就是数学中的特殊函数一函数.?函数的定义为?(17)OO.2?=0,其他oo?10?(18)在?=?时刻一个单位脉冲?=?乍用在单自由度体系上,使结构的质点获得一个单位冲量,在脉冲结束后,质点获得一个初速度,即?=?1?(19)当?0时,1?=一?由于脉冲作用时间很短,当A0时,由单位脉冲引起质点的位移为零,即?=0求体系在单位脉冲下的反响,即是求解单位脉冲作用后的自由振动问题.将初始条件?=?和?=0代入单自由度体系自由振动低阻尼体系一般解式?=?*?0?+?0+?梆劭?需

12、?(20)?3?所以有阻尼体系单位脉冲反响函数为?=?=?少?-?乂>?(21)?2对任意荷载的反响我们可以把荷载分解为一系列脉冲,获得每一个脉冲下结构的反响,最后叠加得到结构的总反响.如果已经将作用于结构体系的外荷载?离散成一系列脉冲,首先计算其中任一脉冲?动力反响.那么该脉冲下结构的反响为?=?,?>?(22)在任意时间结构的反响,就是在之前所有脉冲作用下的反响之和为?=?=0将21式代入上式,可以求解阻尼体系动力反响的?0Duhamel积分公式?(23)1?=?'?»?一?(?(24)?0'?其中?=?1-?为阻尼体系的自振频率.10.3.2 反响谱

13、法前面介绍了一些结构动力反响分析的方法,可以对结构地震反响问题展开分析计算.当地震动较小时,结构处于线弹性范围,可以采用时域的Duhamel积分法,或频域的Fourier变换方法获得地震下结构的反响,并根据得到的结构最大变形最大内力进行抗震设计.当地震动较强时,结构反响可能进入塑性,需要用到时域逐步积分法进行弹塑性反响分析.我们仅讨论结构线弹性地震反响问题,采用Duhamel积分法介绍地震反响谱.地震作用的特点是地震动过程非常复杂,随时间不规那么、快速变化.设地震加速度时程为?,其特点为：第一阶段,振幅快速增长；第二阶段,相对稳定；第三阶段,震荡衰减.地震作用下结构的运动方程为?+c?+?=-

14、?彳地震等效荷载为私?=-?寄(?,应用Duhamel积分,结构地震的位移反响为-1?=?(?(25)?0观察上式可以发现,对于给定的地震动?,结构的地震反响仅与结构的阻尼比和自振频率?,有关.换句话说,对于大小尺寸不同的结构,当结构阻尼比和自振频率相同时,对同一个地震的反响完全相同.当阻尼比拟小时,'=?)?,那么结构地震反响式可以简化为/?-1?=-?一?(?(26)?0那么最大位移反响为：1?=?=?夕?初?-?(?(27)?rrrrrr?质点相对于地面的速度为：?=?,?0?:?-?0?“+?/?-?(?(28)?3?0一,''那么质点相对于地面的最大速度反响为

15、:?=?=?-?-?侬?0?(29)?2?+?29?-?-?(?,?3?0在实际工程中,我们比拟看重的是结构的绝对加速度?+?«?,从单指点体系的在地震作用下的运动方程可以知道:?+?=-2?-?%?+?-?(?(30)?3?0'''将上面求得的?、?(弋入上式：?,?-?磔?0?:?-?(?(31)?+?=2?)?初?-?砥?02?-为?济+?由于低阻尼体系,?"?方那么上式可以简化为?+?=?-?(?(32)0那么点相对于地面的最大加速度反响为：?2=?+?名=?o?2?夕?-?(33)?QQQQQQ?0?瓶加速度反响谱绝利加速度反&谱范

16、ia度计等公式£a二一2的41一网等国尼无阻尼足一者相同行出尼时K独L速窃戒假设恒小于枷加逋度反山名,庄喇月时运相差异并砌县.总配的比拟邮品：荫种反响篇的蛆旗盛都酒回尼增大而域M且炭应港的波动星优变化剧烈性,随阻尼比的喝大而落低工速度仲稔最大的.过度为零.此时芽渔,值上一片相等结应自内商用随读T的鹭心尺后史居不国阻尼比之叮BT差异IfflSfMHn到长周MS段展本重合.随葡T的电大,地对加速度反史诺不同明圮比之间的墓具还年窿h在TTf左右接近先零.而到了洛的拦病期殷这独差早又开始智大,最后趋于平簇.并目岛明尼的反廖80密尼的反府酒才r.T<4s笆运.固期理,两种反亚国的加瘠色鄱

17、硒足增大而减小以上,我们求得了、?>?他们具有如下关系?=?3北?=?%?当阻尼比给定时,结构对任一地震的最大相对位移反响、最大相对速度和最大绝对加速度反响仅由?)?夬定.工程中,一般习惯采用结构的自振周期?=2?代替圆频率,因而工程谱中使用的反响谱一般以自振周期为自变量.ELCFNTRO型O(NE劭一二笨兔2002B=A/必0绝对加速度谱度米/秒相对速度反谱位移反响谱10.3.3 影响地震反响谱的因素影响地震反响谱的因素有两点,一是体系阻尼比,二是地震动.(1)体系阻尼比体系阻尼比越大,地震反响谱加速度反响越小,地震反响谱值也越小.(2)地震动不同的地震动将会有不同的地震反响谱,大家都

18、知道地震动特性的三要素：振幅、频谱、持时.振幅越大,地震反响谱值越大,但是地震动振幅仅对地震反响谱值有影响,且呈线性比例关系.地面运动的各种频率与加速度幅值的对应关系场地越软,地震震中距越大,地震反响谱峰值对应的周期也越长.所以说,地震动频谱对地震反响谱的形状有影响.持时对地震反响谱影响不大.10.3.4 地震反响谱的特点(1)阻尼比对反响谱影响很大,不仅能降低结构反响的幅值,而且可以削平不少峰值,使反响谱曲线变得平缓.(2)对于加速度反响谱,当结构的周期小于某个值时,幅值随周期急剧增大,大于某个值时,快速下降,当?>3?时,加速度反响谱值下降缓慢.(3)对于速度反响谱,当结构周期小于某

19、个值时幅值随周期增大,随后趋于常数.(4)对于位移反响谱,幅值随周期增大.(5)土质条件对反响谱形状有很大的影响,土质越松软,地震反响谱峰值对应的周期也越长.小结：结构的最大地震反响,对于高频结构来说,主要取决于地面运动的加速度；对于中频结构来说,主要取决于地面运动的最大速度；对于低频结构来说,只要取决于地面运动的最大位移.10.3.5设计反响谱地震反响谱直接用于结构的抗震设计有一定的困难,所以需要有专门的可供结构抗震设计用的反响谱,我们称之为设计反响谱.?一?=?=?一也?=?(33)?(1)地震系数?=?可以将地震动振幅对地震反响谱的影响别离出来.根本烈度fl789地震系散k优0511.1

20、0(0.15)0.20(0.30)040烈度每增加一度,地震系数大致增加一倍.(2)体系最大加速度的放大系数?=2?1?2?浮?0?-?(33)?那么,对于给定的加速度记录9?和结构白阻尼比那么可以用上式计算出对应不同的结构自振周期?勺动力系数?直.?2.=?+?2.=?o?2?-?(?(34)?QQQQQQ?0?比照两个公式,可以看出,地面最大加速度?寸于给定的地震是一个常数,所以?-?的曲线形式与拟加速度反响谱的曲线的形状是完全一致的,只是纵坐标的数值不同.?-?釉线的纵坐标为善,而拟加速度反响谱的纵坐标是?0?n?回忆一下,地震反响谱是现阶段计算地震作用的根底,通过反响谱把随时程变化的地震作用转化为等效侧向力.对于单自由度体系,把惯性力看作反映地震对结构体系影响的等效力,用它对结构进行抗震验算.?=?=?=?=?(35)?=?水平地震影响系数.上面讲过,0?勺曲线形式与拟加速度反响谱的曲线的形状是完全一致的,只是纵坐?.?一?标的数值不同,由于对于给定的地震(或者设防烈度),地震系数为常数,所以呢,?勺曲线形式与拟加速度反响谱的曲线的形状是完全一致的,其纵坐标为但是,由于地震的随机性,同一地点、相同地震烈度的前后两次地震记录的地面运动加速度曲线时程我?也有很大