土木工程结构试验：第四章工程结构动力试验

1、1第四章 工程结构动力试验 4.1 概述振动的危害：汽车、火车驶过桥梁，引起桥梁的振动，飞机飞行过程中，遇到气流的变化，机翼和机身也会产生较剧烈的振动。风、地震、爆炸、撞击，移动荷载（移动的车过桥梁的振动）均可对敏感结构形成破坏。研究振动的目的就是消除或减少不利的振动，合理利用振动效应为我们服务。2结构动载试验的主要内容：测定振源特性：测定振动的大小、方向、频率及其规律。测定结构动力特性：结构自振频率、阻尼比和振型。测定结构动力反应：位移（振幅）、速度、加速度、动应力、动力系数量测方法：惯性式、磁电式、压电式加载方法：惯性力、电磁激振、疲劳机和液压振动台、爆炸冲击动荷载确定不确定风荷载地震荷载

2、其他无法确定变化规律的荷载周期非周期简谐荷载非简谐荷载冲击荷载突加荷载其他确定规律的动荷载34.3 振动测量仪器振动参量（位移、速度、加速度）可以通过各种不同方法进行量测，有惯性式测振传感器、磁电式速度传感器、还有压电式加速度传感器。4一、惯性式测振传感器原理 工作原理：由一个刚度为K的弹簧和一个阻尼系数为 的阻尼器联结在仪器的外壳上，测振时仪器的外壳框架固定在振动体上，并和振动体一起振动，如图所示。我们直接测量得到是质量块的相对于仪器外壳的振动获得被测振动体振动。4.3 振动测量仪器5其中，拾振器系统带入运动方程可以写成：求解，可以得到拾振器位移反应：4.3 振动测量仪器6由此得到：其中，7

3、以 为横坐标，以 和 为纵坐标，并使用不同的阻尼作图。4.3 振动测量仪器8 幅频特性曲线 相频特性曲线 4.3 振动测量仪器9分析：当 增加时，也就是振动体振动频率较之仪器的固有频率大很多时，不管阻尼比大还是小， 趋近于1，而 趋近固定值，也就是质量块的相对振幅和振动体的振幅趋近于相等而相位相反，此时测振仪作测位移使用，称为“位移计”。10测振仪位移反应4.3 振动测量仪器11加速度传感器的幅频特性曲线也就是质量块的相对振幅和振动体的加速度振幅呈线性关系而相位基本相同，此时测振仪作测加速度使用，称为“加速度计”。4.3 振动测量仪器12振动测量时，根据振动频率和测振传感器自振频率之间的关系，

4、来选择合适的传感器。 测量位移： 应使/n尽可能大，可取510。 测加速度： 应使/n尽可能小，可取0.10.2 。4.3 振动测量仪器13根据电磁感应的原理制成：振动体振动时，线圈与磁钢之间发生相对运动，根据电磁感应定律，感应电动势E的大小为：E=BLnv 即E正比于v。磁电式速度传感器二、磁电式速度传感器原理4.3 振动测量仪器14原理：利用压电晶体受力后在其表面产生电荷，外力去掉后，晶体又重新回到不带电的状态（压电效应），且电荷与外力成正比。通过测量压电晶体的电荷量来得到所测振动的加速度。特点：稳定性高、频率范围宽，耐冲击及能在很宽的温度范围内使用，但灵敏度较低。三、压电式加速度传感器原

5、理4.3 振动测量仪器15一、惯性力加载法二、电磁加载法三、液压振动台加载四、其他加载方法：反冲激振器加载、人工爆炸加载、人激振加载等4.2 动载试验的加载方法与设备16一、 惯性力加载法 利用物体质量在运动时产生的惯性力对结构施加动力荷载。按产生惯性力的方法，可分为冲击力加载和离心力加载两种方法。1 、冲击力加载 特点：作用时间极短，在它的作用下，结构将产生自由振动，适用于进行结构动力特性的试验。常用的方法有突然加载法和突然卸载法。4.2 动载试验的加载方法与设备171）突然卸载法（初位移加载法）在结构上拉一根钢丝绳，使结构产生一个初始强迫位移，然后突然释放，让结构作自由振动。这种方法的优点

6、是结构自振时荷载已不存在于结构，没有附加质量的影响，但它仅适用于刚度不大的结构。同时注意怎样牵拉和释放才能使结构仅在一个平面内产生振动。4.2 动载试验的加载方法与设备182）突然加荷法（初速度加载法）方法：利用落重（落点处铺设100200mm的砂垫层，小于结构自重的0.1%）或撞击进行加载4.2 动载试验的加载方法与设备192离心力加载 根据旋转质量产生离心力的原理对结构施加简谐振动荷载。其原理如图所示，离心力为 P=mw2r。在任何瞬时产生的离心力均可分解成垂直与水平的二个分力。 4.2 动载试验的加载方法与设备20 由二个或多个偏心质量旋转组成，按其旋转的相对位置，可形成垂直或水平的简谐

7、振动垂直振动水平振动21二、电磁加载法1、电磁式激振器 根据电磁感应原理，当磁场中的线圈通过简谐变化的交变电流时，顶杆作用于结构的激振力也按同样规律变化，且激振力与通过线圈的电流成正比。 1-外壳 2a、2b-弹簧 3-动圈 4-铁芯 5-励磁线圈 6-顶杆 4.2 动载试验的加载方法与设备22优点：激振频率范围较宽（一般200Hz以内，个别可达 1000HZ），推力较小（10kN以内），重量轻，控制方便，可按给定信号可产生各种波形的激振力。缺点：激振力不大，位移小。仅适合于小型结构及模型试验。 2、电磁振动台：实际上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

8、和活动线圈的电流都比较大，工作时间长了易发热，故需附有冷却系统。4.2 动载试验的加载方法与设备23电磁振动台 4.2 动载试验的加载方法与设备24三、液压振动台4.2 动载试验的加载方法与设备25四、其他加载方法1、反冲激振器加载（火箭激振）它适用于现场结构试验，但小冲量的也可用于实验室。目前使用的反冲激振器的反冲力为 0.10.8 kN 和18kN。4.2 动载试验的加载方法与设备262、人工爆炸加载-人工地震利用在地面或地下炸药爆炸的方法产生地面运动的瞬时动力效应，模拟某一烈度的天然地震对结构的影响，称之为“人工地震”。炸药量和距爆心的距离：按要求模拟的地震烈度，考虑实际场地条件的特点，

9、由要求的地面质点运动的最大速度，确定炸药量和爆心至试验结构的距离。一般来说，要使人工爆炸接近于天然地震动，要求炸药量大4.2 动载试验的加载方法与设备274.4.1 动力荷载特性的测定4.4.2 结构自振特性的测定4.4.3 结构动力反应的测定4.4.4 结构疲劳试验4.4 动参数的测量方法284.4.1 动力荷载特性的测定一、动荷载特性的测定方法根据不同的动荷载，可以采用直接测定法和比较测定法。1、直接测定法。测加速度规律：锚固在结构上的动力设备测力传感器：将传感器固定在结构物和机器底座之间，开动机器时可将产生的惯性力用记录仪器记下来29 2、比较测定法。开动振源，记录承载结构的振动情况，再

10、开动激振器逐步调节其频率和作用力的大小，使结构产生同样振动，由于激振器的作用力和频率已知，这样也可以求得振源的特性。这种方法对于产生简谐振动的振源效果最好。4.4.1 动力荷载特性的测定30二、动荷载特性分析方法1、波形分析：分析实测振动波形，按照不同振源将会引起规律不同的强迫振动这一特点，可以间接判定振源的某些性质。冲击振源：振动图形是间隙性的阻尼振动，而且有明显尖峰和衰减的特点，说明是碰击性振源所引起的振动。4.4.1 动力荷载特性的测定31是三个简谐振源引起的更为复杂的合成振动图形。是两个频率相差两倍的简谐振源引起的合成振动图形。具有单一简谐振源的接近正弦规律的振动图形。这可能是一台机器

11、或多台转速一样的机器所引起的振动4.4.1 动力荷载特性的测定32随机振动波形：它是由随机荷载所引起的，如地震动、风荷载；拍振：可能是由两个频率接近的简谐振源共同作用；另一种只有一个振源，但其频率和结构的固有频率相近。4.4.1 动力荷载特性的测定332、频谱分析：对于简谐振动可以直接在振动记录图上量出振动频率，而对于复杂的合成振动则需将振动信号进行频谱分析（FFT变换），每个幅值对应的频率就是振源的频率。4.4.1 动力荷载特性的测定34例：某钢混框架，高17.5m，上面有一个300吨的化工容器，此框架建成投产后即发现水平横向振动很大。于是以探测主振源为目的进行了实测。在框架顶部、中部和地面

12、设置了测振传感器，实测振动的记录如图所示：实测振动的记录可以看出上、中、地面的波形是一样的。可以看出是拍振，通过频谱分析两个分振动的频率分别为2.09Hz和2.28Hz，相当于125.4次/分和136.8次/分，经过调查在附近有6台大型卧式压缩机，其中4台136转/分和2台125转/分。4.4.1 动力荷载特性的测定35 三、探测主振源的方法作用在结构上的动荷载常常是复杂的，许多情况是由多个振源产生的，对结构振动起主导作用而危害最大振源，我们称之为主振源。结构发生振动，其主振源并不总是显而易见的，这时可以通过试验方法测定。逐台开动法：逐个开动，观察结构在每个振源影响下的振动情况，从中找出主振源

13、波形分析和频谱分析4.4.1 动力荷载特性的测定36 4.4.2 结构动力特性试验 一、结构动力特性 包括结构的自振频率、阻尼比、振型等基本参数，也称振动模态参数。这些特性由结构本身（质量、刚度等）决定，与外荷载无关。自由振动法共振法脉动法371、自由振动法 设法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曲线，由此求出基本频率和阻尼系数。自由振动法基本加载方法：为使结构产生自由振动，通常可采用突加荷载（初速度法）和突卸荷载（初位移法）两种办法具有吊车的工业厂房，可利用小车突然刹车产生自由振动测定桥梁的动力特性，可以采用载重汽车越过障碍物的办法产生一个冲击荷载用发射反冲激振器（又称反冲

14、小火箭）的方法可以产生脉冲荷载，从而使结构发生自由振动4.4.2 结构动力特性试验38（1）周期测量通过测量仪器的记录，可以得到结构的有阻尼自由振动曲线。在振动时程曲线上，可以根据记录纸带速度或时间座标，量取振动波形的周期，由此求得结构的自振频率。为了消除荷载影响，最初的一个、二个波不用，同时，为了提高准确度，可以取若干波的总时间除以波数得出平均数作为基本周期4.4.2 结构动力特性试验39（2）阻尼计算： 对数衰减率4.4.2 结构动力特性试验40（2）阻尼测量 采用自由振动法得到的周期和阻尼系数均比较准确，但只能测出基本频率4.4.2 结构动力特性试验412、共振法基本原理：由结构动力学可

15、知，当干扰力的频率与结构本身固有频率相符时，结构就出现共振。因此，连续改变激振器的频率，达到使结构产生共振，这时记录下的频率，就是结构的固有频率，连续激振下去，应可以得到第一次共振，第二次共振，第三次共振等。4.4.2 结构动力特性试验422、共振法（1）确定固有频率：使用激振器对结构进行频率由低到高(或由高到低)的连续“频率扫描试验，同时记录下振动时程曲线。在记录图上找到各频率和相应的振幅，从而做出频率-振幅关系曲线或称共振曲线。共振曲线的幅值点对应的频率即为结构的固有频率。4.4.2 结构动力特性试验43当使用离心式激振器时，应注意到转速不同，激振力大小也不一样（ P=mw2r ）。为了准

16、确地定出共振曲线，应把振幅折算为单位激振力作用下的振幅，通常将实测振幅A除以激振器圆频率的平方w2，以x= A/ w2为纵坐标，w为横坐标绘制共振曲线。4.4.2 结构动力特性试验44（2）确定阻尼比：半功率法:如图，在纵座标最大值ymax的0.707倍处作一水平线与共振曲线相交于A和B两点，其对应横座标是1与2。则阻尼比为：4.4.2 结构动力特性试验45以其推导过程如下动力放大系数 D= D= 平方后4.4.2 结构动力特性试验46以其推导过程如下 忽略根号内 4.4.2 结构动力特性试验47（3）确定振型： 由结构动力学可知，结构按某一固有频率作振动时形成的弹性曲线称为结构按此频率振动的

17、振动形式，简称振型。用共振法测量振型时，要将若干个拾振器布置在结构的各个部位。当激振器使结构发生共振时，同时记录下结构各部位的振动图，通过比较各点的振幅和相位，即可给出该频率的振型图。4.4.2 结构动力特性试验48 测振传感器（拾振器）的布置视结构形式而定，同样应根据振型的大致形式，在初步分析获得的振型曲线上位移较大的部位布置传感器 有时由于结构形式比较复杂，测点数超过已有拾振器数量或记录装置能容纳的点数，这时可以逐次移动拾振器，分几次测量，但是必须有一个测点作为参考点，各次测量中位于参考点的拾振器不能移动，而且各次测量的结果部要与参考点的曲线比较相位。4.4.2 结构动力特性试验494.4

18、.3 结构动力反应的测定一、结构特定部位动参数的测定 实践中经常遇到需要测定结构物在动荷载作用下特定部位的动参数如位移、速度、加速度、动变形等等。这种情况下，只要在结构振动时布置适当的仪器(如位移传感器、速度传感器、加速度传感器或电阻应变计等)记录下振动图即可。测点布置根据结构情况和试验目的而定：为了校核结构强度就应将测点布置在最危险的部位即控制断面上；如果是测定振动对精密仪器的影响，一般应在精密仪器基座处测定振动参数。50一、结构特定部位动参数的测定 例：振动在同一楼层内情况（影响范围和衰减情况）51二、测定结构的振动变位图目的：为了全面了解结构在动荷载作用下的振动状态，需要测定结构的振动变

19、位图。测量方法：将各个测点的振动图用记录仪器同时记录下来，根据相位关系确定变位的正负号，再按振幅（即变位）大小以一定比例画在变位图上，最后连成结构在实际动荷载作用下的振动变位图。52二、测定结构的振动变位图 例：双悬臂梁振动变形测量测定方法与振型测定类似，二者差别：振动变形图：结构在特定动荷载下的变形曲线，一般是由多个振型的合成。振型：结构按固有频率振动时的弹性变形曲线，属于结构的自振特性，与外荷载无关，是特殊情况下的振动变形图三、结构动力系数测定承受移动荷载的结构如吊车梁、桥梁等，常常需要确定它的动力系数，以判定结构的工作情况。移动荷载作用于结构上所产生的动挠度，往往比静荷载时产生的挠度大。

20、动挠度和静挠度的比值称为动力系数：测定方法：有轨的和无轨的三、结构动力系数测定有轨时测定方法：先使移动荷载以最慢的速度驶过结构，测得结构的最大挠度，然后使移动荷载按某种速度驶过，测得各种速度驶过结构的最大挠度，从中找出最大挠度。慢速驶过快速驶过三、结构动力系数测定无轨的：由于两次行驶的线路不可能完全一样，故将移动荷载一次性高速通过，取振动挠度曲线之中线的最大值yj，振动挠度曲线最大值yd564.4.4 结构疲劳试验一、结构疲劳试验的目的和分类 结构疲劳试验的直接目的是确定结构的疲劳极限，为了获得结构疲劳极限值，必须对结构施加重复荷载，并测定结构达到疲劳破坏时荷载的重复次数。 结构的疲劳极限？

21、经历无限次循环下不发生疲劳时交变应力的最大应力称之为疲劳极限应力，对应的荷载值称之为疲劳极限荷载57研究表明，疲劳作用次数取决于交变应力的最大值及应变幅度，在一定应力变化幅度下，交变应力的最大值与重复荷载作用次数的关系如图。可以看出，当疲劳应力小于某一应力值以后，荷载重复次数的增加不再会引起结构的疲劳破坏。该疲劳应力值称疲劳极限应力。 是否存在疲劳极限呢？nnmax58一、结构疲劳试验的目的和分类受力状况不同 压力疲劳、弯曲疲劳和扭转疲劳试验加载制度不同： 等幅疲劳和变幅疲劳环境疲劳试验： 腐蚀环境下的疲劳试验；高温或低温下的疲劳试验；加压或真空条件下的疲劳试验59二、结构疲劳试验的内容生产鉴

22、定性疲劳试验，包括： 抗裂性及开裂荷载； 裂缝宽度及其发展； 最大挠度及其变化幅度； 疲劳极限强度。对于科研性的疲劳试验，还应包括： 各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律。 疲劳破坏特征分析 疲劳破坏荷载及承受疲劳荷载的重复次数 裂缝的宽度、长度、间距及其随荷载重复次数的变化。 钢筋及混凝土的应力随荷载重复次数的变化。60三、结构疲劳试验的荷载 1、疲劳测试的上限荷载Qmax是根据构件在标准荷载下最不利组合计算而得，荷载下限Qmin则根据疲劳试验机性能要求而定。 61三、结构疲劳试验的荷载2、疲劳测试的荷载频率（速度） 为了保证构件在疲劳测试时不产生共振，构件的稳定振动范围应远离共振区，即使疲劳测试荷载频率的满足条件。 或1.3为构件固有频率；为荷载频率。62三、结构疲劳试验的荷载3、疲劳循环次数 应按