建筑结构结构动力试验

第5章结构动力试验5.1概述5.2结构动荷载特性试验5.3结构动力特性试验5.4结构动力反应试验5.5结构风洞试验本章目录第5.1节概述

建筑结构在使用过程中除了承受静载作用外，还常常承受各种动荷载的作用，如风荷载、地震作用、动力设备对工业建筑的作用、冲击及爆炸荷载等。动荷载除了增大结构受力外，还会引起结构的振动，甚至会引起结构发生疲劳、共振破坏。为了确定动荷载的特性、结构的动力特性、结构的动力反应以及结构的疲劳特性等，常常需要进行结构动力试验。动力与静力试验明显的区别在于荷载随时间连续变化、结构反应与自身动力特性相关。第5.2节结构动荷载特性试验动荷载的特性：作用力、方向、频率和阻尼等参数。在研究风荷载、地震作用、工业建筑内的动力设备响应时，需要确定振源的大小和作用规律，这些振源虽然可以根据统计值进行动力荷载特性计算，但有时实际动力特性与统计值有较大的差距，用计算方法往往不能获得振源的实际动力特性，因此，需要借助试验的方法进行确定。对于动荷载特性的测定，可以采用直接测定法、间接测定法和比较测定法等。（1）直接测定法直接测定法是指在测量对象上直接安装传感器，通过传感器的反应来测定动荷载的各项参数。这种方法简单可靠，随着现代量测技术的不断发展，各种传感器性能的逐步完善和提高，使其应用范围也愈来愈广。（2）间接测定法间接测定法是把要测定动力的设备安装在有足够弹性变形的专用结构上（3）比较测定法当振源是可以开启、停止的情况下，可以采用比较测定法。先开动振源，记录结构的振动情况，再开动激振器逐渐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，这样可求得振源的特性。第5.3节结构动力特性试验1自由振动法2共振法3脉动法本节目录结构动力特性是结构本身固有的动态参数，包括固有频率、振型和阻尼系数等，它们取决于结构的组成形式、刚度、质量分布、材料形式等，与外荷载无关。结构的动力特性是进行结构抗震计算、解决结构共振问题的基本依据。常用的结构动力特性试验方法有自由振动法、共振法和脉冲法等。5.3.1自由振动法自由振动法是使结构产生一初位移或初速度，然后释放使其产生自由振动，通过记录仪获得有衰减的自由振动曲线（图5.1），由此可以利用动力学知识求出结构的基本频率和阻尼系数。图5.1自由振动时程曲线如果时程曲线上在时间内包含若干个完整波形时，频率为：

(Hz)(5.1)由动力学可知，结构自由振动时，

时刻的振幅：

(5.2)式中：

―

时刻的振动位移；－振幅；

－阻尼比；

―被测振动的圆频率。

时刻的振幅：(5.3)则有：(5.4)两边取自然对数，则有：(5.5)阻尼比：(5.6)阻尼系数：(5.7)为了提高计算的精度，实际阻尼比计算取k个周期的衰减进行计算：(5.8)对于实际测试曲线无零线的情形：(5.9)常用方法：1突加荷载法突加荷载法也称初速度加载法，原理是利用锤击或落重物的方法使结构在瞬间受到冲击，产生一个初速度，使结构产生振动。2突然卸载法突然卸载法也称为初位移加载法，如图5.2（a）所示在结构上拉一钢丝绳，使结构产生人为的初始位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位置附近作自由振动。（a）

（b）图5.2用张拉突卸法对结构施加冲击力荷载1-结构物；2-钢拉杆；3-保护索；4-钢丝绳；5-铰车；6-模型；7-钢丝；8-滑轮；9-支架；10-重物；11-减振垫层对于结构小模型可采用图5.2（b）的方法，通过悬挂的重物对模型施加水平拉力，剪断钢丝绳产生突然卸荷，使结构产生振动。优点：结构自振时荷载已不存在，重物本身对结构不会产生附加影响。利用自由振动法一般只能获得结构的基本频率及其阻尼。5.3.2共振法共振法采用能够产生稳态简谐振动的起振机或激振器作为振源，使结构产生强迫简谐振动，借助对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性的基本参数。实验时，把激振器安装在结构的适当位置，加大激振器输出力量，可以迫使结构产生周期性强迫振动。当干扰力的频率与结构本身自振频率相等时，结构就会出现共振。因此，通过改变激振器的频率，可促使结构产生共振反应，记录共振时共振曲线（图5.3）和振型曲线（图5.5），通过曲线分析，可以获得结构的自振频率和振型阻尼比。0图5.3为对建筑物进行频率扫描试验时所得到的时间历程曲线。在共振频率附近逐渐调节激振器的频率，同时记录结构的振幅，就可做出频率—振幅关系曲线（共振曲线）。曲线上峰值所对应的频率值即为结构的自振频率。

图5.3共振时的振动图形和共振曲线

从共振曲线上可以得到结构的阻尼系数，在图5.4中，在纵坐标最大值0.707处画出一条水平线与共振曲线相交，交点对应的频率为、，则可求得该阶频率阻尼比为：(5.10)

图5.4由共振曲线求阻尼系数和阻尼比用共三振法三也可三以测三定结三构的三振型三。振型:三结构三在某三一频三率下三做振三动时三形成三的弹三性曲三线。基频三--三--三--三-第三一振三型第二三频率三--三--三--三-第三二振三型第三三频率三--三--三--三--三第三三振型将若三干个三测振三传感三器沿三结构三的高三度或三跨度三方向三连续三布置三(至三少5三个)三，当三结构三自由三振动三或共三振时三，同三时记三录下三结构三各部三位的三振动三情况三，通三过比三较各三点的三振幅三和相三位，三并将三各测三点同三一时三刻的三位移三值连三接成三一条三曲线三，即三可绘三出该三频率三的振三型图三。5.三3.三3脉三动法脉动三实验：建三筑物三由于三受外三界干三扰而三处于三微小三而不三规则三的振三动中三。通三过测三量建三筑物三的脉三动反三应波三形来三确定三建筑三物的三动力三特性三。当采三用高三灵敏三度的三传感三器、三借助三放大三记录三设备三，由三数据三采集三仪采三集，三可以三清楚三地观三测和三记录三这种三振动三信号三。由三于环三境引三起的三振动三是随三机的三，因三而又三把这三种方三法称三为环境三随机三激励三法。优点：测三量中三可以三不用三任何三激振三设备三，对三建筑三物没三有任三何损三伤，三不影三响建三筑物三的正三常使三用，三在自三然环三境条三件下三，即三可测三量建三筑结三构的三响应三，经三过数三据分三析确三定其三动力三特性三。该方三法适三用于三测量三整体三结构三的动三力特三性，三是目三前现三场动三力特三性测三试中三广泛三应用三的一三种方三法。第5三.4三节三结构三动力三反应三试验本节三目录1动应三变测三量2动位三移测三量3动力三系数三测量在实三际工三程中三，经三常需三要对三动荷三载作三用下三结构三产生三的动三力反三应进三行测三定，三包括三测定三结构三在实三际工三作时三的动三力参三数（三振幅三、频三率、三速度三、加三速度三）、三动应三变、三动位三移等三。与动三荷载三特性三试验三和结三构动三力特三性试三验不三同：三动荷三载特三性试三验测三定的三对象三是产三生动三荷载三的振三源；三结构三动力三特性三试验三测定三的是三结构三自身三的动三力特三性；三结构三动力三反应三试验三测试三的是三动荷三载和三结构三相互三作用三下结三构产三生的三响应三。5.三4.三1三动应三变测三量测量三结构三在动三力荷三载作三用下三的动三应变三，确三定动三荷载三在结三构中三引起三的动三应力三，从三而对三结构三强度三验算三。一三般采三用动三态电三阻应三变仪三配合三高速三记录三仪(三磁带三记录三仪或三计算三机)三测试三记录三动态三应变三。基本三要求三：①选用三疲劳三寿命三长的三应变三片；②选用三小标三距应三变片三用以三进行三高频三测量三；③连接三应变三片的三导线三捆扎三成束三，消三除电三容；④仪器三的工三作频三率范三围大三于被三测动三应变三信号三频率三；⑤若测三试时三间较三长，三试验三前后三要对三仪器三进行三标定三。5.三4.三2三动位三移测三量在结三构控三制断三面或三在有三特殊三生产三工艺三要求三的位三置布三置位三移测三点，三测点三的布三置原三则与三静挠三度测三量相三同，三测量三动挠三度的三传感三器可三以选三用电三阻应三变式三传感三器，三采用三动态三应变三仪进三行测三量和三记录三。电三阻应三变式三传感三器的三数据三处理三与应三变转三换和三动应三力测三量相三同。三图5三.6三所示三为一三桥梁三在动三荷载三作用三下的三动应三变和三动挠三度测三量布三置。1314121图5.6桥梁动应变和动挠度测量示意图1－计算机；2－位移计；3－应变计；4－动态数据采集仪5.三4.三3三动力三系数三测量承受三移动三荷载三的结三构如三桥梁三、吊三车梁三等，三试验三检测三时常三常需三要确三定其三动力三系数三，以三判定三结构三的工三作情三况。三移动三荷载三作用三于结三构上三所产三生的三动挠三度，三往往三比静三荷载三时产三生的三挠度三大。动挠三度和三静挠三度的三比值三称为三动力三系数三。结构三动力三系数三一般三用试三验方三法实三测确三定。三为了三求得三动力三系数三，先三使移三动荷三载以三最慢三的速三度驶三过结三构，三测得三挠度三图如三图5.三6（a），三然后三使移三动荷三载按三某种三速度三驶过三，这三时结三构产三生最三大挠三度三如三图5.三6（b）。三图上三最大三静挠三度三和最三大动三挠度三，即三可求三得动三力系三数。（5.三10）图5.三6移动三荷载三作用三下荷三载变三形结三构图（a）有三轨慢三速行三驶变三形记三录；三(b)有三轨按三一定三速度三行驶三变形三记录三；（c）无三轨高三速行三驶变三形记三录第5三.5三节三结构三风洞三试验风对三人类三造成三的灾三害，三有相三当一三部分三是通三过构三筑物三的破三坏而三产生三的，三仅就三建筑三物而三言，三人类三在挑三战高三度和三跨度三的实三践中三取得三了显三著的三成就三，但三在这三一过三程也三存在三着失三败或三事故三时有三发生三，事三实上三，也三正是三这些三失败三或事三故反三过来三促使三人们三进行三进一三步的三创新三研究三。在对三风荷三载进三行研三究的三早起三，风三对结三构的三作用三一直三仅被三当作三静力三作用三来处三理，三直到三19三40三年美三国塔三科马三海峡三大桥三（T三ac三om三a三Na三rr三ow三B三ri三dg三e）三发生三风振三坍塌三后人三们才三开始三逐步三研究三并认三识风三对结三构的三动力三作用三，塔三科马三海峡三大桥三倒塌三前后三对比三见图三5.三7。图5三.7三塔三科马三海峡三大桥三风毁三前后三对比三图20三世纪三50三年代三开始三，结三构风三洞试三验开三始成三为结三构抗三风设三计和三检验三的重三要手三段。20三世纪三70三年代三初开三始对三实际三高层三建筑三物进三行风三压观三测，三从1三98三4年三北京三大学三建成三了我三国首三座风三洞以三来，三国内三比较三著名三的土三木工三程风三洞试三验室三有同三济大三学风三洞试三验室三、湖三南大三学风三洞试三验室三、哈三尔滨三工业三大学三风洞三与波三浪模三拟实三验室三和汕三头大三学风三洞实三验室三等。风荷三载是三建筑三结构三设计三荷载三之一三，对三于超三高层三建筑三、大三跨度三结构三和高三耸结三构而三言，三风荷三载是三主要三的作三用，例如三在结三构抗三风设三计时三需要三结构三的体三形系三数和三风振三系数三，但三仅依三靠荷三载规三范，三往往三很难三精确三得到三。在三实际三中，三常采三用风三洞试三验来三准确三获得三体形三复杂三结构三的体三型系三数和三风振三系数三。我国《高三层建三筑混三凝土三结构三技术三规程三》(三JG三J3三-2三01三0)三中4三.2三.8三条也三规定三：房三屋高三度大三于2三00三m或三有下三列情三况之三一时三，宜三进行三风洞三试验三确定三建筑三物的三风荷三载：①平三面形三状不三规则三，立三面形三状复三杂；②立面三开洞三或连三体建三筑；③周围三地形三和环三境较三复杂三。确定三风荷三载的三手段三主要三有风三洞试三验、三现场三实测三和数三值模三拟等三，风洞三试验是目三前较三为准三确、三可靠三且应三用最三为广三泛的三研究三方法三。从流三动方三式来三看，三风洞三试验三总体三上可三划分三为两三个基三本类三型：三即开三口直三流式三风洞三（图三5.三8、三图5三.9三）和三闭口三回流三式风三洞（三图5三.1三0、三图5三.1三1）三。从风三洞试三验段三的构三造来三看又三有封三闭式三和敞三开式三之分三。封三闭式三试验三段以三矩形三断面三常见三，是三由顶三板、三底板三、两三侧板三面围三成的三与四三周隔三离的三封闭三试验三空间三。敞三开式三试验三段四三周没三有隔三离板三，试三验空三间与三外界三相通三。图5三.8三典三型开三口直三流边三界层三风洞三示意三图（三同济三大学三TJ三-1三风洞三）图5三.9三中三国建三筑科三学研三究院三直流三式风三洞图5三.9三典三型水三平布三置闭三口回三流边三界层三风洞三示意三图（三同济三大学三TJ三-2三风洞三）图5三