结构试验技术之工程结构动力试验T

1结构试验技术StructuralTestingTechnology

陈再现副教授、博士上课了！！！2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。3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4§4.3

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。5一、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6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7由此得到：其中，8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9

幅频特性曲线

相频特性曲线§4.3

振动测量仪器10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”。11测振仪位位移反应应§4.3振动测量量仪器12加速度传感器的幅频特性曲线也就是质质量块的的相对振振幅和振振动体的的加速度度振幅呈呈线性关关系而相相位基本本相同，，此时测测振仪作作测加速速度使用用，称为为“加速度计计”。§4.3振动测量量仪器13振动测量量时，根根据振动频率率和测振振传感器器自振频频率之间间的关系，，来选择择合适的的传感器器。测量位移移：应应使ω/ωn尽可能大大，可取取5～10。测加速度度：应应使ω/ωn尽可能小小，可取取0.1～0.2。§4.3振动测量量仪器14根据电磁磁感应的的原理制制成：振振动体振振动时，，线圈与与磁钢之之间发生生相对运运动，根根据电磁磁感应定定律，感感应电动动势E的大小为为：E=BLnv即E正比于v。磁电式速度传感器二、磁电电式速度度传感器器原理§4.3振动测量量仪器15原理：利利用压电电晶体受受力后在在其表面面产生电电荷，外外力去掉掉后，晶晶体又重重新回到到不带电电的状态态（压电电效应）），且电电荷与外外力成正正比。通通过测量量压电晶晶体的电电荷量来来得到所所测振动动的加速速度。特点：：稳定定性高高、频频率范范围宽宽，耐耐冲击击及能能在很很宽的的温度度范围围内使使用，，但灵灵敏度度较低低。三、压压电式式加速速度传传感器器原理理§4.3振动测测量仪仪器16一、惯惯性力力加载载法二、电电磁加加载法法三、液液压振振动台台加载载四、其其他加加载方方法：：反冲激激振器器加载载、人人工爆爆炸加加载、、人激激振加加载等等§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备17一、惯惯性性力加加载法法利用物物体质质量在在运动动时产产生的的惯性性力对对结构构施加加动力力荷载载。按按产生生惯性性力的的方法法，可可分为为冲击力力加载载和离心力力加载载两种方方法。。1、冲击击力加加载特点：：作用用时间间极短短，在在它的的作用用下，，结构构将产产生自自由振振动，，适用用于进进行结结构动动力特特性的的试验验。常常用的的方法法有突突然加加载法法和突突然卸卸载法法。§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备181）突然卸卸载法法（初位位移加加载法法）在结构构上拉拉一根根钢丝丝绳，，使结结构产产生一一个初初始强强迫位位移，，然后后突然然释放放，让让结构构作自自由振振动。。这种种方法法的优优点是是结构构自振振时荷荷载已已不存存在于于结构构，没没有附附加质质量的的影响响，但但它仅仅适用用于刚刚度不不大的的结构构。同同时注注意怎怎样牵牵拉和和释放放才能能使结结构仅仅在一一个平平面内内产生生振动动。§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备192）突然加加荷法法（初速速度加加载法法）方法：：利用用落重（落点点处铺铺设100～200mm的砂垫垫层，，小于于结构构自重重的0.1%）或撞撞击进进行加加载§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备202．离心心力加加载根据旋旋转质质量产产生离离心力力的原原理对对结构构施加加简谐谐振动动荷载载。其原理理如图图所示示，离离心力力为P=mw2r。在任任何瞬瞬时产产生的的离心心力均均可分分解成成垂直与水平的二个个分力力。§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备21由二个个或多多个偏偏心质质量旋旋转组组成，，按其其旋转转的相相对位位置，，可形形成垂垂直或或水平平的简简谐振振动垂直振振动水平振振动22二、电电磁加加载法法1、电磁磁式激激振器器根据电电磁感感应原原理，，当磁磁场中中的线线圈通通过简简谐变变化的的交变变电流流时，，顶杆杆作用用于结结构的的激振振力也也按同同样规规律变变化，，且激激振力力与通通过线线圈的的电流流成正正比。。1--外壳2a、2b--弹簧3--动圈4--铁芯5--励磁线线圈6--顶杆§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备23优点：激振振频率率范围围较宽宽（一一般200Hz以内，，个别别可达达1000HZ），推推力较较小（（10kN以内）），重重量轻轻，控控制方方便，，可按按给定定信号号可产产生各各种波波形的的激振振力。。缺点：激振振力不不大，，位移移小。。仅适适合于于小型型结构构及模模型试试验。。2、电磁磁振动动台：：实际上上是利利用电电磁式式激振振器来来推动动一个个活动动台面面构成成的，，但由由于振振动台台的激激振器器输入入励磁磁线圈圈和活活动线线圈的的电流流都比比较大大，工工作时时间长长了易易发热热，故故需附附有冷冷却系系统。。§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备24电磁振振动台台§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备25三、液液压振振动台台§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备26四、其其他加加载方方法1、反冲冲激振振器加加载（（火箭激激振））它适用用于现现场结结构试试验，，但小小冲量量的也也可用用于实实验室室。目目前使使用的的反冲冲激振振器的的反冲冲力为为0.1～0.8kN和1～8kN。§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备272、人工工爆炸炸加载载--人工地地震利用在在地面面或地地下炸炸药爆爆炸的的方法法产生生地面面运动动的瞬瞬时动动力效效应，，模拟拟某一一烈度度的天天然地地震对对结构构的影影响，，称之之为““人工工地震震”。。炸药量量和距距爆心心的距距离：按要要求模模拟的的地震震烈度度，考考虑实实际场场地条条件的的特点点，由由要求求的地地面质质点运运动的的最大大速度度，确确定炸炸药量量和爆爆心至至试验验结构构的距距离。。一般般来说说，要要使人人工爆爆炸接接近于于天然然地震震动，，要求求炸药量量大§4.2动载试试验的的加载载方法法与设设备284.4.1动力荷荷载特特性的的测定定4.4.2结构自自振特特性的的测定定4.4.3结构动动力反反应的的测定定4.4.4结构疲疲劳试试验§4.4动参数数的测测量方方法294.4.1动力荷荷载特特性的的测定定一、动动荷载载特性性的测测定方方法根据不不同的的动荷荷载，，可以以采用用直接测测定法法和比较测测定法法。1、直接接测定定法。。测加速速度规规律：：锚固固在结结构上上的动动力设设备测力传传感器器：将传感感器固固定在在结构构物和和机器器底座座之间间，开开动机机器时时可将将产生生的惯惯性力力用记记录仪仪器记记下来来302、比较较测定定法。。开动振振源，，记录录承载载结构构的振振动情情况，，再开开动激激振器器逐步步调节节其频频率和和作用用力的的大小小，使使结构构产生生同样样振动动，由由于激激振器器的作作用力力和频频率已已知，，这样样也可可以求求得振振源的的特性性。这种方方法对对于产产生简简谐振振动的的振源源效果果最好好。4.4.1动力荷荷载特特性的的测定定31二、动荷荷载特性性分析方方法1、波形分分析：分析实测测振动波波形，按按照不同同振源将将会引起起规律不不同的强强迫振动动这一特特点，可可以间接接判定振振源的某某些性质质。冲击振源源：振动动图形是是间隙性性的阻尼尼振动，，而且有有明显尖尖峰和衰衰减的特特点，说说明是碰碰击性振振源所引引起的振振动。4.4.1动力荷载载特性的的测定32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。这可能是一台机器或多台转速一样的机器所引起的振动4.4.1动力荷载载特性的的测定33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：可可能是由由两个频频率接近近的简谐谐振源共共同作用用；另一一种只有有一个振振源，但但其频率率和结构构的固有有频率相相近。4.4.1动力荷载载特性的的测定342、频谱分分析：对于简谐谐振动可可以直接接在振动动记录图图上量出出振动频频率，而而对于复复杂的合合成振动动则需将将振动信信号进行行频谱分分析（FFT变换），，每个幅幅值对应应的频率率就是振振源的频频率。4.4.1动力荷载载特性的的测定35例：某钢钢混框架架，高17.5m，上面有有一个300吨的化工工容器，，此框架架建成投投产后即即发现水水平横向向振动很很大。于是以探探测主振振源为目目的进行行了实测测。在框框架顶部部、中部部和地面面设置了了测振传传感器，，实测振振动的记记录如图图所示：：实测振动动的记录录可以看看出上、、中、地地面的波波形是一一样的。。可以看看出是拍拍振，通通过频谱谱分析两两个分振振动的频频率分别别为2.09Hz和2.28Hz，相当于于125.4次/分和136.8次/分，经过过调查在在附近有有6台大型卧卧式压缩缩机，其其中4台136转/分和2台125转/分。4.4.1动力荷载载特性的的测定36三、探测测主振源源的方法法作用在结结构上的的动荷载载常常是是复杂的的，许多多情况是是由多个个振源产产生的，，对结构构振动起起主导作作用而危危害最大大振源，，我们称称之为主主振源。。结构发生生振动，，其主振振源并不不总是显显而易见见的，这这时可以以通过试试验方法法测定。。逐台开动动法：逐逐个开动动，观察察结构在在每个振振源影响响下的振振动情况况，从中中找出主主振源波形分析析和频谱谱分析4.4.1动力荷载载特性的的测定374.4.2结构动力力特性试试验一、结构构动力特特性包括结构构的自振频率率、阻尼比、振型等基本参参数，也也称振动动模态参参数。这这些特性性由结构构本身（（质量、、刚度等等）决定定，与外外荷载无无关。自由振动动法共振法脉动法381、自由振振动法设法使结结构产生生自由振振动，通通过记录录仪器记记下有衰衰减的自自由振动动曲线，，由此求求出基本频率率和阻尼系数数。自由振振动法基基本加载载方法：：为使结构构产生自自由振动动，通常常可采用用突加荷载载（初速度度法）和和突卸荷载载（初位移移法）两两种办法法具有吊车车的工业业厂房，，可利用用小车突然然刹车产生自由由振动测定桥梁梁的动力力特性，，可以采采用载重汽车车越过障障碍物的办法产产生一个个冲击荷荷载用发射反冲激振振器（又称反反冲小火火箭）的的方法可可以产生生脉冲荷荷载，从从而使结结构发生生自由振振动4.4.2结构动力力特性试试验39（1）周期测测量通过测量量仪器的的记录，，可以得得到结构构的有阻阻尼自由由振动曲曲线。在在振动时时程曲线线上，可可以根据据记录纸纸带速度度或时间间座标，，量取振振动波形形的周期期，由此此求得结结构的自自振频率率。为了消除除荷载影影响，最最初的一一个、二二个波不不用，同同时，为为了提高高准确度度，可以以取若干干波的总总时间除除以波数数得出平平均数作作为基本本周期4.4.2结构动力力特性试试验40（2）阻尼计计算：对数衰减减率4.4.2结构动力力特性试试验41（2）阻尼测测量采用自由由振动法法得到的的周期和和阻尼系系数均比比较准确确，但只只能测出出基本频频率4.4.2结构动力力特性试试验422、共振法法基本原理理：由结构构动力学学可知，，当干扰扰力的频频率与结结构本身身固有频频率相符符时，结结构就出出现共振。因此，，连续改变激振振器的频率，达到使使结构产产生共振振，这时时记录下下的频率率，就是是结构的的固有频频率，连连续激振振下去，，应可以以得到第第一次共共振，第第二次共共振，第第三次共共振等。。4.4.2结构动力力特性试试验432、共振法法（1）确定固固有频率率：使用激激振器对对结构进进行频率率由低到到高(或由高到到低)的连续“频率扫描描’’试验，同同时记录录下振动动时程曲曲线。在记录图图上找到到各频率率和相应应的振幅幅，从而而做出频频率-振幅关系系曲线或或称共振振曲线。。共振曲曲线的幅幅值点对对应的频频率即为为结构的的固有频频率。4.4.2结构动力力特性试试验44当使用离离心式激激振器时时，应注注意到转转速不同同，激振振力大小小也不一一样（P=mw2r）。为了了准确地地定出共共振曲线线，应把把振幅折折算为单单位激振振力作用用下的振振幅，通通常将实实测振幅幅A除以激振振器圆频频率的平平方w2，以x=A/w2为纵坐标标，w为横坐标标绘制共共振曲线线。4.4.2结构动力力特性试试验45（2）确定阻阻尼比：：半功率法法:如图，在在纵座标标最大值值ymax的0.707倍处作一一水平线线与共振振曲线相相交于A和B两点，其其对应横横座标是是ω1与ω2。则阻尼比比为：4.4.2结构动力力特性试试验46以其推导导过程如如下动力放大大系数D＝=D==平方后4.4.2结构动力力特性试试验47以其推导导过程如如下忽略根号内4.4.2结构动力力特性试试验48（3）确定振振型：由结构动力学学可知，结构构按某一固有有频率作振动动时形成的弹弹性曲线称为为结构按此频率率振动的振动动形式，简称振型。用共振法测测量振型时，，要将若干个个拾振器布置置在结构的各个部位。当激振器使使结构发生共共振时，同时记录下结构各部位位的振动图，，通过比较各各点的振幅和相位，即可给出该该频率的振型型图。4.4.2结构动力特性性试验49测振传感器（（拾振器）的的布置视结构形式而定，同样应应根据振型的大致形形式，在初步分析析获得的振型型曲线上位移较大的部部位布置传感器有时由于结构构形式比较复复杂，测点数数超过已有拾拾振器数量或或记录装置能能容纳的点数数，这时可以以逐次移动拾振振器，分几次测量量，但是必须须有一个测点点作为参考点，各次测量中中位于参考点点的拾振器不能移动，而且各次测测量的结果部部要与参考点点的曲线比较相位。4.4.2结构动力特性性试验50§4.4.3结构动力反应应的测定一、结构特定定部位动参数数的测定实践中经常遇遇到需要测定定结构物在动动荷载作用下下特定部位的的动参数如位移、速度、加速度、动变形等等。这种情情况下，只要要在结构振动动时布置适当当的仪器(如位移传感器、速度传感器、加速度传感器器或电阻应变计等)记录下振动图图即可。测点点布置根据结结构情况和试试验目的而定定：为了校核结构构强度就应将将测点布置在在最危险的部部位即控制断断面上；如果是测定振振动对精密仪仪器的影响，，一般应在精精密仪器基座座处测定振动动参数。51一、结构特定定部位动参数数的测定例：振动在同同一楼层内情情况（影响范围和衰减情况）52二、测定结构构的振动变位位图目的：为了全面了了解结构在动动荷载作用下下的振动状态态，需要测定定结构的振动动变位图。测量方法：将各个测点的的振动图用记记录仪器同时时记录下来，，根据相位关关系确定变位位的正负号，，再按振幅（（即变位）大大小以一定比比例画在变位位图上，最后后连成结构在在实际动荷载载作用下的振振动变位图。。53二、测定结构构的振动变位位图例：双悬臂梁梁振动变形测测量测定方法与振振型测定类似似，二者差别别：振动变形图：：结构在特定定动荷载下的的变形曲线，，一般是由多个振型的合成。振型：结构按按固有频率振振动时的弹性性变形曲线，，属于结构的的自振特性，，与外荷载无无关，是特殊情况下的的振动变形图图三、结构动力力系数测定承受移动荷载载的结构如吊吊车梁、桥梁梁等，常常需需要确定它的的动力系数，，以判定结构构的工作情况况。移动荷载作用用于结构上所所产生的动挠挠度，往往比比静荷载时产产生的挠度大大。动挠度和静挠挠度的比值称称为动力系数数：测定方法：有轨的和无轨的三、结构动力力系数测定有轨时测定方方法：先使移移动荷载以最最慢的速度驶驶过结构，测测得结构的最最大挠度，然然后使移动荷荷载按某种速速度驶过，测测得各种速度度驶过结构的的最大挠度，，从中找出最最大挠度。慢速驶过快速驶过三、结构动力力系数测定无轨轨的的：：由由于于两两次次行行驶驶的的线线路路不不可可能能完完全全一一样样，，故故将将移移动动荷荷载载一一次次性性高高速速通通过过，，取取振振动动挠挠度度曲曲线线之之中中线线的的最最大大值值yj，振振动动挠挠度度曲曲线线最最大大值值yd57§4.4.4结构构疲疲劳劳试试验验一、、结结构构疲疲劳劳试试验验的的目目的的和和分分类类结构构疲疲劳劳试试验验的的直直接接目目的的是是确定定结结构构的的疲疲劳劳极极限限，为为了了获获得得结结构构疲疲劳劳极极限限值值，，必必须须对对结结构构施施加加重重复复荷荷载载，，并并测测定定结结构构达达到到疲疲劳劳破破坏坏时时荷荷载载的的重重复复次次数数。。结构构的的疲疲劳劳极极限限？？经历历无无限限次次循循环环下下不不发发生生疲疲劳劳时时交交变变应应力力的的最最大大应应力力称称之之为为疲劳劳极极限限应应力力，对对应应的的荷荷载载值值称称之之为为疲劳劳极极限限荷荷载载58研究究表表明明，，疲劳劳作作用用次次数数取决决于于交变变应应力力的的最最大大值值及应变变幅幅度度，在在一一定定应应力力变变化化幅幅度度下下，，交交变变应应力力的的最最大大值值与与重重复复荷荷载载作作用用次次数数的的关关系系如如图图。。可以以看看出出，，当当疲劳劳应应力力小小于于某一一应应力力值值以以后后，，荷荷载载重重复复次次数数的的增增加加不不再再会会引引起起结结构构的的疲疲劳劳破破坏坏。。该该疲疲劳劳应应力力值值称称疲疲劳劳极极限限应应力力。。是否否存存在在疲疲劳劳极极限限呢呢？？？？nσnσmax59一、、结结构构疲疲劳劳试试验验的的目目的的和和分分类类受力力状状况况不不同同压力力疲疲劳劳、、弯弯曲曲疲疲劳劳和和扭扭转转疲疲劳劳试试验验加载载制制度度不不同同：：等幅幅疲疲劳劳和和变变幅幅疲疲劳劳环境境疲疲劳劳试试验验：：腐蚀蚀环环境境下下的的疲疲劳劳试试验验；；高高温温或或低低温温下下的的疲疲劳劳试试验验；；加加压压或或真真空空条条件件下下的的疲疲劳劳试试验验60二、、结结构构疲疲劳劳试试验验的的内内容容生产产鉴鉴定定性性疲疲劳劳试试验验，，包包括括：：①抗抗裂裂性性及及开开裂裂荷荷载载；；②裂裂缝缝宽宽度度及及其其发发展展；；③最最大大挠挠度度及及其其变变化化幅幅度度；；④疲疲劳劳极极限限强强度度。。对于于科科研研性性的的疲疲劳劳试试验验，，还还应应包包括括：：⑤各各阶阶段段截截面面应应力力分分布布状状况况，，中中和和轴轴变变化化规规律律。。⑥疲疲劳劳破破坏坏特特征征分分析析⑦疲疲劳劳破破坏坏荷荷载载及及承承受受疲疲劳劳荷荷载载的的重重复复次次数数⑧裂裂缝缝的的宽宽度度、、长长度度、、间间距距及及其其随随荷荷载载重重复复次次数数的的变变化化。。⑨钢钢筋筋及及混混凝凝土土的的应应力力随随荷荷载载重重复复次次数数的的变变化化。。61三、、结结构构疲疲劳劳试试验验的的荷荷载载1、疲疲劳劳测测试试的的上限限荷荷载载Qmax是根根据据构构件件在在标标准准荷荷载载下下最最不不利利组组合合计计算算而而得得，，荷载载下下限限Qmin则根根据据疲疲劳劳试试验验机机性性能能要要求求而而定定。。62三、、结结构构疲疲劳劳试试验验的的荷荷载载2、疲疲劳劳测测试试的的荷荷载载频频率率（（速速度度））为了了保保证证构构件件在在疲疲劳劳测测试试时时不不产产生生共共振振，，构构件件的的稳稳定定振振动动范范围围应应远离离共共振振区区，即即使使疲疲劳劳测测试试荷荷载载频频率率的的