结构试验技术之工程结构动力试验

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测振仪位移反应§4.3

振动测量仪器12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13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，来选择合适的传感器。

测量位移：

应使ω/ωn尽可能大，可取5～10。

测加速度：

应使ω/ωn尽可能小，可取0.1～0.2。§4.3

振动测量仪器14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15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理§4.3

振动测量仪器16一、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17一、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181）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192）突然加荷法（初速度加载法）方法：利用落重（落点处铺设100～200mm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202．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21由二山个或雁多个困偏心储质量些旋转生组成蓄，按朗其旋初转的考相对势位置犬，可宁形成颠垂直钻或水额平的签简谐历振动垂直瞎振动水平分振动22二、电鬼磁加载猪法1、电磁宫式激振艰器根据搅电磁娘感应师原理博，当蒸磁场勇中的纱线圈富通过榨简谐锁变化您的交致变电贤流时草，顶管杆作涛用于炒结构蛇的激司振力坦也按多同样舟规律存变化骡，且陕激振题力与巩通过靠线圈榜的电元流成喇正比材。1-序-外壳2a、2b-印-弹簧3--动圈4--铁芯5-迫-励磁线宵圈6-匠-顶杆§4.糕2动载使试验哈的加余载方瞎法与龙设备23优点：激振煮频率范峡围较宽携（一般20证0H烧z以内孩，个晌别可则达100站0HZ），盆推力编较小疼（10猜kN以内窝），眼重量矮轻，疑控制抵方便死，可笔按给哀定信姻号可么产生玩各种源波形法的激愉振力只。缺点：激振庸力不大伍，位移亏小。仅伍适合于资小型结辱构及模杂型试验饶。2、电磁案振动台休：实际樱上是该利用荒电磁掘式激尖振器但来推程动一远个活换动台羊面构虑成的丛，但胁由于粉振动征台的中激振衡器输驻入励骑磁线并圈和绪活动顾线圈糟的电全流都争比较班大，诵工作稼时间拳长了府易发伟热，馆故需员附有恒冷却惊系统吨。§4.蓬2动载漂试验醒的加耽载方晋法与罚设备24电磁共振动绿台§4.积2动载距试验满的加两载方建法与宵设备25三、液雄压振动谜台§4.灿2动载试碗验的加颠载方法伞与设备26四、其想他加载动方法1、反喝冲激机振器献加载膨（火箭激债振）它适译用于弯现场丽结构草试验归，但熔小冲玻量的此也可果用于素实验粱室。酸目前者使用珠的反侵冲激道振器酒的反躬冲力返为0.切1～0.8kN和1～8kN。§4马.2动载试免验的加联载方法号与设备272、人敲工爆杯炸加敢载--人工地丙震利用在乡丰地面或价地下炸姓药爆炸讲的方法押产生地孩面运动眼的瞬时伴动力效视应，模码拟某一傅烈度的本天然地连震对结仅构的影嫌响，称抖之为“否人工地悼震”。炸药尾量和殖距爆知心的剩距离：按要程求模拟兔的地震京烈度，遍考虑实室际场地和条件的拒特点，扶由要求戚的地面是质点运椒动的最角大速度愿，确定挪炸药量贪和爆心樱至试验锋结构的昂距离。赛一般来土说，要肺使人工罚爆炸接松近于天攀然地震蔬动，要膊求炸药量挣大§4晒.2动载试让验的加字载方法茄与设备284.4幅.1动力荷奔载特性脊的测定4.4得.2结构银自振哥特性尼的测愿定4.瘦4.城3结构动氏力反应嗽的测定4.规4.毁4结构逝疲劳场试验§4炎.4动参数呈的测量概方法294.稼4.亩1动力颈荷载底特性霸的测锅定一、动虹荷载特械性的测稳定方法根据导不同宣的动朽荷载页，可坦以采堪用直接荡测定做法和比较佩测定依法。1、直接太测定法拔。测加冈速度菠规律钥：锚奔固在搁结构模上的车动力纵设备测力传只感器：将传感业器固定匆在结构振物和机坦器底座闲之间，歼开动机嚼器时可韵将产生扩的惯性哨力用记级录仪器思记下来302、比较与测定法雨。开动篮振源剂，记搞录承阴载结产构的请振动暖情况克，再既开动职激振庭器逐尺步调泄节其谨频率编和作凭用力含的大敬小，替使结南构产友生同累样振迁动，督由于仿激振电器的辽作用怒力和当频率筒已知丘，这爱样也抱可以惜求得茅振源失的特烈性。这种方小法对于设产生简矿谐振动夫的振源械效果最潮好。4.4回.1动力荷抄载特性层的测定31二、身动荷乱载特禾性分匙析方挨法1、波形音分析：分析实蹄测振动悠波形，献按照不末同振源千将会引没起规律早不同的娱强迫振煮动这一除特点，喊可以间队接判定跳振源的园某些性坐质。冲击薯振源盼：振送动图娇形是刘间隙居性的时阻尼抓振动吼，而联且有忧明显笔尖峰格和衰弱减的帆特点箱，说挖明是察碰击州性振晕源所命引起嚼的振蜘动。4.4芒.1动力荷即载特性已的测定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.臂4.位1动力荷抛载特性固的测定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；拍振很：可霜能是觉由两晶个频释率接款近的槐简谐释振源孤共同辉作用挂；另视一种界只有晚一个忧振源添，但渴其频痛率和榨结构顽的固夏有频享率相擦近。4.4讽.1动力德荷载觉特性效的测四定342、频谱借分析：对于宣简谐旦振动长可以柄直接孝在振付动记恩录图桨上量惜出振茄动频章率，倡而对跌于复蜻杂的伪合成思振动共则需驴将振浪动信田号进严行频南谱分主析（FF驶T变换）滑，每个崖幅值对偏应的频银率就是砌振源的该频率。4.4见.1动力荷援载特性鸽的测定35例：某为钢混框咏架，高17歼.5六m，上遇面有狼一个300吨的涂化工趣容器钞，此吸框架典建成堤投产姨后即包发现酒水平矮横向弯振动雾很大守。于是枪以探砍测主旗振源坏为目零的进射行了裂实测场。在聋框架棚顶部粥、中土部和夕地面零设置鱼了测蔽振传蒸感器皆，实饶测振浪动的抱记录陪如图转所示淡：实测睡振动油的记衬录可犁以看棚出上胳、中姜、地觉面的部波形偏是一监样的苹。可隐以看桐出是案拍振色，通裁过频滨谱分限析两种个分供振动逼的频鞠率分繁别为2.0坐9Hz和2.咐28艳Hz，相也当于125塞.4次/分和13兴6.墓8次/分，垮经过快调查龟在附井近有6台大型剑卧式压阶缩机，作其中4台136转/分和2台12币5转/分。4.4咽.1动力荷裳载特性汪的测定36三、探低测主振悟源的方株法作用在结结构上盒的动荷珍载常常权是复杂兔的，许元多情况捐是由多溪个振源第产生的核，对结宵构振动爹起主导源作用而痰危害最北大振源哥，我们回称之为物主振源谢。结构茎发生走振动子，其肥主振泊源并张不总蜡是显丸而易轧见的产，这创时可重以通堡过试族验方门法测就定。逐台开弓动法：脊逐个开词动，观政察结构周在每个吗振源影犹响下的柱振动情锣况，从妄中找出武主振源波形宰分析炮和频辰谱分俊析4.4馆.1动力荷冠载特性嘴的测定374.踪蝶4.完2结构予动力膀特性肚试验一、结望构动力那特性包括锹结构板的自振软频率、阻尼吃比、振型等基本叨参数，饭也称振蔑动模态忙参数。是这些特别性由结俱构本身茶（质量劫、刚度是等）决悬定，与摔外荷载奏无关。自由辰振动加法共振逆法脉动法381、自万由振筹动法设法称使结存构产习生自魔由振察动，皆通过赏记录慢仪器锡记下爷有衰拖减的签自由废振动包曲线兴，由化此求蛇出基本副频率和阻尼杏系数。自由遥振动法类基本加茶载方法胡：为使结傅构产生续自由振纲动，通辉常可采甩用突加夹荷载（初速汉度法）夜和突卸荷伏载（初位隆移法）获两种办武法具有吊叉车的工集业厂房础，可利啊用小车突织然刹车产生拼自由田振动测定桥朗梁的动屑力特性恼，可以丘采用载重汽片车越过土障碍物的办法乎产生一尿个冲击骨荷载用发获射反冲冲激振杏器（又许称反梳冲小拐火箭察）的清方法私可以铁产生已脉冲而荷载父，从篮而使牙结构败发生这自由位振动4.4担.2结构撤动力杯特性遇试验39（1）周辫期测触量通过用测量是仪器境的记玻录，潜可以榴得到图结构睡的有音阻尼番自由陆振动按曲线雷。在群振动屠时程划曲线前上，巷可以胳根据静记录折纸带潜速度袭或时次间座丑标，侄量取秃振动坚波形序的周牺期，涂由此哗求得午结构畅的自镰振频钩率。为了役消除岭荷载妈影响恋，最报初的偶一个削、二明个波蜡不用室，同小时，镜为了跟提高犁准确碍度，碧可以队取若偶干波尊的总字时间服除以猎波数懒得出客平均番数作俊为基犯本周愚期4.4押.2结构优动力钩特性险试验40（2）阻尼亏计算：对数衰添减率4.4酷.2结构懂动力惹特性浇试验41（2）阻尼被测量采用管自由育振动嫁法得短到的港周期愿和阻恢尼系营数均理比较拦准确仪，但声只能应测出技基本妇频率4.4解.2结构动机力特性暮试验422、共端振法基本原川理：由结疼构动力上学可知朴，当干亭扰力的环频率与州结构本崇身固有绩频率相裹符时，香结构就引出现共振。因惨此，连续改变激乞振器的频率，达酷到使依结构厉产生泛共振搜，这妙时记涨录下啊的频机率，仙就是跃结构灶的固播有频革率，彼连续顺激振珍下去烘，应磨可以维得到酸第一至次共碗振，航第二帮次共躺振，洽第三窗次共涨振等造。4.4询.2结构动法力特性短试验432、共振森法（1）确齿定固摩有频乒率：使想用激杆振器爆对结班构进活行频笼率由扔低到裂高(或由高吧到低)的连续“频率盾扫描’’试验，瓣同时记佳录下振扒动时程饲曲线。在记录肺图上找报到各频余率和相或应的振完幅，从场而做出详频率-振幅关雹系曲线且或称共碎振曲线挠。共振赌曲线的芹幅值点往对应的称频率即街为结构桶的固有翁频率。4.4口.2结构链动力泛特性碎试验44当使用瓣离心式义激振器泥时，应颈注意到株转速不蚂同，激煎振力大衡小也不期一样（P=mw2r）。为鲜了准确宰地定出典共振曲携线，应穴把振幅市折算为冤单位激臂振力作房诚用下的盖振幅，龟通常将坊实测振下幅A除以雹激振翅器圆将频率灵的平钳方w2，以x=A/w2为纵坐限标，w为横利坐标粥绘制凑共振魔曲线陈。4.待4.忘2结构赶动力疾特性现试验45（2）确定俱阻尼比盈：半功集率法:如图傻，在粗纵座样标最吉大值ymax的0.7畅07倍处作灵一水平蚀线与共奴振曲线覆相交于A和B两点叙，其零对应阔横座租标是ω1与ω2。则阻宁尼比鸣为：4.4愧.2结构昨动力萌特性寻试验46以其祝推导飘过程增如下动力妨放大协系数D＝=D==平方待后4.免4.冲2结构动搂力特性讯试验47以其推溉导过程译如下忽略根号内4.4撞.2结构泉动力释特性市试验48（3）确定棕振型：由结扶构动僚力学针可知絮，结上构按羡某一葬固有劣频率奔作振菌动时唇形成利的弹件性曲板线称故为结构按逝此频率战振动的音振动形录式，简称振型。用共局振法测费量振型秃时，要纵将若干倦个拾振颗器布置竹在结构痛的各个部冶位。当刃激振坦器使舱结构局发生渔共振磨时，同时漫记录下结构卸各部位晋的振动颤图，通娘过比较吹各点的振幅和相位，即可盘给出该接频率的比振型图潜。4.膜4.肃2结构动酱力特性篇试验49测振传移感器（兄拾振器言）的布贺置视结构忠形式而定穷，同趣样应轿根据振型照的大辱致形侮式，在漠初步三分析柜获得柏的振耍型曲授线上位移较践大的部刃位布置忠传感腿器有时浴由于溉结构夺形式曲比较此复杂缠，测南点数奏超过影已有棍拾振晓器数纷量或稻记录街装置翼能容兴纳的切点数寨，这番时可庙以逐次焦移动谈拾振茫器，分几钉次测量圣，但是渗必须有闲一个测吸点作为参考罗点，各下次测光量中窝位于纠参考春点的伪拾振依器不能移胖动，而炕且各卖次测彻量的哲结果轧部要虾与参株考点册的曲汇线比较相押位。4.皱4.撤2结构字动力另特性海试验50§4出.4近.3结构愧动力输反应面的测男定一、结淋构特定屋部位动航参数的聪测定实践中常经常遇盾到需要嗓测定结啄构物在莲动荷载姿作用下退特定部卡位的动悲参数如位移、速度、加速度、动变形等等起。这说种情向况下童，只算要在磨结构糠振动妇时布基置适仓当的荣仪器(如位移扇传感抖器、速度传倦感器、加速战度传肠感器或电阻恼应变枕计等)记录下唯振动图风即可。国测点布字置根据送结构情贼况和试帖验目的永而定：为了世校核压结构臂强度欲就应弯将测料点布木置在亲最危浪险的双部位巷即控丑制断叫面上仗；如果艺是测宁定振门动对气精密搏仪器锣的影宅响，画一般干应在筛精密坐仪器哲基座胃处测来定振梳动参跃数。51一、结枕构特定燃部位动宗参数的渠测定例：错振动即在同荐一楼辩层内若情况渡（影响范仰围和衰减傍情况）52二、测贼定结构扩的振动殖变位图目的：为了拒全面了卷解结构嗽在动荷易载作用版下的振陶动状态文，需要茄测定结肃构的振扰动变位坊图。测量斗方法地：将各个挑测点的踪蝶振动图民用记录老仪器同款时记录信下来，珠根据相险位关系商确定变躬位的正燃负号，晶再按振摆幅（即刘变位）珍大小以描一定比顷例画在践变位图皂上，最鹊后连成沉结构在驴实际动拼荷载作粗用下的漠振动变联位图。53二、测挎定结构罢的振动考变位图例：员双悬潜臂梁环振动完变形咐测量测定中方法俯与振嚼型测省定类夺似，苹二者室差别邪：振动变坏形图：以结构在露特定动锦荷载下臣的变形串曲线，拼一般是交由多个壶振型的合成赵。振型奶：结柱构按已固有兼频率娃振动描时的象弹性勾变形毅曲线稻，属多于结辈构的征自振发特性味，与楼外荷孤载无愁关，妄是特殊情耗况下的你振动变那形图三、杏结构钥动力悬系数东测定承受引移动肌荷载障的结世构如虚吊车拦梁、筹桥梁屿等，丑常常萄需要右确定所它的昨动力温系数鹅，以惧判定参结构毒的工游作情积况。移动荷翠载作用绘于结构值上所产抬生的动橡挠度，洽往往比险静荷载靠时产生赶的挠度斑大。动挠锁度和碰静挠焦度的脉比值宽称为渐动力辽系数：测定方更法：有轨的和无轨酸的三、话结构胀动力焰系数由测定有轨时湾测定方欲法：先名使移动豪荷载以菜最慢的某速度驶拍过结构恨，测得呼结构的坛最大挠卷度，然煌后使移首动荷载侵按某种慎速度驶仁过，测末得各种薪速度驶悲过结构悲的最大钢挠度，冰从中找墨出最大挤挠度。慢速驶过快速驶过三、结淹构动力构系数测挠定无轨的就：由于碍两次行爸驶的线吗路不可缴能完全鸡一样，责故将移怠动荷载作一次性震高速通士过，取汇振动挠烦度曲线境之中线伟的最大薪值yj，振怜动挠啦度曲速线最踢大值yd57§4鲜.4钻.4结构饼疲劳困试验一、结归构疲劳太试验的糠目的和墨分类结构舞疲劳维试验象的直搞接目暮的是确定慌结构桶的疲炼劳极熊限，为岁了获穗得结造构疲骄劳极涉限值萌，必罪须对河结构部施加亭重复广荷载稳，并则测定你结构辰达到碌疲劳棉破坏来时荷夜载的而重复内次数叫。结构的艇疲劳极蛋限？经历无厨限次循缝环下不叉发生疲腐劳时交杠变应力姨的最大代应力称轧之为疲劳极医限应力，对应圆的荷载乐值称之暂为疲劳短极限藏荷载58研究棉表明湖，疲劳逃作用锅次数取决于交变辆应力劫的最吼大值及应变掘幅度，在一谈定应力剖变化幅肠度下，喜交变应倍力的最督大值与惠重复荷农载作用烛次数的末关系如蜻图。可以看请出，当疲劳应垃力小于某一应烟力值以搜后，荷肠载重复映次数的楚增加不遣再会引通起结构尝的疲劳棍破坏。其该疲劳逆应力值雕称疲劳颈极限应导力。是否斩存在签疲劳珠极限变呢？蜻？nσnσmax59一、疑结构患疲劳左试验托的目弹的和租分类受力论状况坝不同压力缴疲劳血、弯随曲疲酱劳和峡扭转蒸疲劳才试验加载头制度恼不同帝：等幅疲丢劳和变妈幅疲劳环境疲籍劳试验咽：腐蚀钳环境见下的州疲劳柳试验卖；高俩温或蜻低温寒下的稿疲劳控试验擦；加栗压或冷真空奶条件遍下的缘瑞疲劳鲁试验60二、帝结构谋疲劳包试验溜的内段容生产描鉴定搅性疲字劳试祥验，苦包括滩：①偶抗裂焦性及尘开裂们荷载魔；②裂暑缝宽度王及其发鼻展；③最城大挠度恨及其变眨化幅度志；④兵疲劳亿极限修强度位。对于绵科研私性的蒙疲劳踏试验恰，还嘉应包绿括：⑤只各阶腐段截毙面应逐力分检布状侍况，倒中和补轴变少化规银律。⑥疲燃劳破坏女特征分冤析⑦疲涌劳破坏女荷载及矩承受疲锦劳荷载富的重复客次数⑧裂胞缝的宽蛋度、长馅度、间再距及其眉随荷载刻重复次踪蝶数的变破化。⑨掠钢筋央及混管凝土川的应垄力随携荷载辨重复貌次数降的变先化。61三、结钢构疲劳浮试验的床荷载1、疲附劳测撑试的上限折荷载Qma呼x是根据桃构件在益标准荷款载下最漠不利组袭合计算枯而得，荷载下棍限Qmin则根据购疲劳试丑验机性塔能要求团而定。62三、郊结构雄疲劳孙试验砖的荷明载2、疲缝劳测枣试的铺荷载闹频率戴（速千度）为了辉保证娱构件陵在疲锡劳测娃试时须不产旷生共超振，览构件拨的稳斯定振皆动范郊围应远离关共振晓区，即旅使疲罗劳测尺试荷碰载频搅率的补满足吐条件蚂。或>1.捷3ω为构床件固渣有频存率；θ为荷载朴频率。63三、袄结构镜疲劳驴试验萄的荷殊载3、疲陷劳循丝式环次禁数应按叮现行督规范版中的释有关丙规定钳。中级浴工作粱制吊档车梁n=2×基106次重级工产作制吊狐车梁n=4×先106次64四、筝结构溪疲劳嚼试验陪的步哄骤疲劳府试验熊加载袄程序昌包括静载挨试验、疲劳试晕验和破坏试族验三个阶升段：1、静载吵试验阶值段：