中南大学结构试验课件-第5章-动载试验

结构试验中南大学土木工程学院2012五、结构静载试验5.1

概述5.2测量系统（已讲）5.3结构动力特性测定5.4结构动力响应测定5.5结构疲劳试验强烈的振动将使结构的内力和变形均很大，从而使其发生严重的破坏。

桥梁、高层建筑、屋盖、冷却塔等引起结构振动的动力源一般可分为三种:固定源：机械设备等（风机、机床…)移动源：车辆等特殊源：风、地震、爆炸…各种振动源所带来的振动荷载也是复杂多样的，可概况为三种：撞击荷载、振动荷载、复杂荷载四、结构动载试验5.1

概述一般说来，结构动力测试主要包括如下三方面的内容：（1）动荷载特性的测定；（2）结构动力特性的测定；（3）结构在动荷载作用下的反应的测定自振频率阻尼系数振型疲劳抗震抗风四、结构动载试验5.1

概述五、结构静载试验5.1

概述5.2测量系统（已讲）5.3结构动力特性测定5.4结构动力响应测定5.5结构疲劳试验每个结构都有其自身的动力特性，它是结构物自身所固有的一种属性。它取决于结构的组成形式，如材料性质、刚度、质量大小及其分布情况等。它与外荷载无关，当结构确定后，其自振特性也就随之确定下来。结构自振特性主要包括：自振频率；阻尼；振型四、结构动载试验5.3

结构动力特性一般通过试验测定结构的动力特性参数由于结构形式差异很大，所用的方法、仪器也不同，因此试验结果会出现较大差异，可进行多次反复试验，获得可靠的试验结果。通常的做法，通过某种方法对结构激振，使结构产生振动，依据仪器记录到的振动波形进行分析。人工激振法环境随机振动法自由振动法强迫振动法四、结构动载试验5.3

结构动力特性对于体积过大的结构，采用突加或突卸荷载不足以使结构起振时，可改用初位移法。5.3

结构动力特性（1）自由振动法四、结构动载试验对小尺度的模型试验，可采用锤击法激励模型产生自由振动5.3

结构动力特性（1）自由振动法四、结构动载试验四、结构动载试验5.3

结构动力特性（1）自由振动法自由振动时间历程曲线η为衰减系数周期或频率：从图中直接读出，或取若干个周期进行平均，提高精度衰减系数(η)：阻尼比(ζ)：（1）自由振动法优点：该方法所得到的周期和阻尼系数是可靠的，试验结果的整理比较容易缺点：但往往只能测得一阶的固有频率和振型5.3

结构动力特性（1）自由振动法四、结构动载试验四、结构动载试验5.3

结构动力特性（1）强迫振动法借助按一定规律振动的荷载，迫使结构产生一个恒定的强迫简谐振动，通过对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性参数。P139

当结构发生共振时，用拾振器同时测量结构各部位的振动信号，比较各测点的振幅和相位，即可得到该频率下的振型图。结构频率扫描时间历程曲线5.3

结构动力特性（1）振动荷载法___“强迫振动法”四、结构动载试验当采用偏心式激振器时，激振力与其频率的平方成正比。当偏心块旋转频率逐渐增大，其激振力也随之增加，这样就破坏了共振所引起被测物振动幅值增大的“纯洁”性。解决的方法是在绘制共振曲线时将其纵坐标更改为A/ω25.3

结构动力特性（2）强迫振动法四、结构动载试验共振曲线带宽法、半功率法求结构的阻尼衰减系数阻尼比5.3

结构动力特性（2）强迫振动法四、结构动载试验优点：对于较复杂的动力问题，可得到若干个固有频率。缺点：需专门的激振器。5.3

结构动力特性（2）强迫振动法四、结构动载试验5.3

结构动力特性（3）脉动法、环境随机振动法四、结构动载试验注意：

当外界脉动的卓越频率接近建筑物一阶频率时，建筑物的脉动图中，一阶模态的分量必然占主导作用。若外界频率接近二阶或三阶频率时，其对应模态将其主导作用。为得到建筑物整体振动特性，应沿高度或水平方向同时布置测量仪器。若仪器数量不足，可固定一台，作相位参考。为全面反映地面不规则运动的脉动，仪器应有足够的频响范围。分析方法：

主谐量法

统计法 频谱分析法、功率谱分析法5.3

结构动力特性（3）脉动法、环境随机振动法四、结构动载试验五、结构静载试验5.1

概述5.2测量系统（已讲）5.3结构动力特性测定5.4结构动力响应测定5.5结构疲劳性能在了解了结构动力特性的基础上，可以进一步研究结构在动荷载的作用下的动力反应机械振动、车辆运动、风荷载、地振动等动应变、动位移动力系数等四、结构动载试验5.4

结构动力响应四、结构动载试验5.4

结构动力响应（1）动应变的测量（2）动位移的测量 由动位移的测量确定结构振动形态。 注意这种振动变位与结构振型（模态）的区别。（3）动力系数的测量动位移的测定：可通过各个测点上的位移得到动荷载作用下的振动变位图。注意：该方法与确定振型的方法类似，但两者有本质上的区别。四、结构动载试验5.4

结构动力响应有时为了全面了解结构在动荷载下的振动状态，需要测定结构的振动变位图。结构振动变位图与结构的振型有些类似，但在本质上是有区别的。前者是结构在动荷载作用下的变形曲线；而后者是结构自由振动状态下的振动形状，是结构的自振特性，它与外荷载无关。动位移的测定：四、结构动载试验5.4

结构动力响应动力系数的测定：四、结构动载试验5.4

结构动力响应 实践证明，结构构件在移动荷载作用下产生的挠度比在同样大小的静荷载作用下的挠度要大，即同样荷载大小的情况下，动荷载效应大于静荷载效应。 在结构设计时应加大抗力，乘上一个大于1的系数（以确保在动荷载下结构的安全），该系数为动力系数。慢速驶过快速驶过有轨时测定方法：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，从中找出最大挠度的某一速度。动力系数的测定：四、结构动载试验5.4

结构动力响应无轨道时，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yd

动力系数的测定：四、结构动载试验5.4

结构动力响应五、结构静载试验5.1

概述5.2测量系统（已讲）5.3结构动力特性测定5.4结构动力响应测定5.5结构疲劳试验材料或结构在重复荷载的作用后，物理学性能将发生变化，其强度极限将低于相同静荷载作用下的极限值，这种现象称为疲劳。生活中、工程中，疲劳破坏的例子随处可见。四、结构动载试验5.5

结构疲劳试验坠入水中的车辆多达50多辆，已造成7人死亡，60多人受伤，其中20多人伤势严重的后果。

Minneapolis桥梁疲劳倒塌/wiki/I-35W_Mississippi_River_bridge当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象称为疲劳。疲劳现象：结构多次重复荷载作用下，由于结构某一部分局部损伤的递增和积累，导致裂纹的形成并逐步扩展，材料的极限强度降低，以致结构在低于极限静力荷载作用情况下被破坏。四、结构动载试验5.5

结构疲劳试验静力破坏与疲劳破坏的区别静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏，它不是短期内发生的，而是要经历一定的时间，甚至很长时间才发生破坏。

当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏；而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。

静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，哪怕是塑性良好的金属也这样，就像脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。

四、结构动载试验5.5

结构疲劳试验5.4结构疲劳试验[疲劳试验的目的]确定结构的疲劳极限；在重复荷载下，测定结构达到疲劳破坏时荷载重复次数。（１）各阶段截面的应力分布状况，中和轴变化规律；（２）抗裂性及开裂荷载；（３）裂缝宽度、长度、间距及其发展；（４）最大挠度及其变化规律；（５）疲劳强度的确定；（６）破坏特征分析。对于科研性的疲劳试验：四、结构动载试验对于鉴定性的疲劳试验，在控制疲劳次数内，测量：（１）抗裂性及开裂荷载；（２）裂缝宽度及其发展；（３）最大挠度及其变化幅度；（４）疲劳强度及其疲劳寿命。疲劳次数的规定：中级工作制吊车梁2*106次

重级工作制吊车梁4*106次5.4结构疲劳试验[疲劳试验的目的]四、结构动载试验5.4结构疲劳试验[疲劳试验的方法]疲劳荷载的取值：荷载上限值Qmax：按试件在荷载标准值的最不利组合产生的效应值计算而得的。荷载下限值Qmin

：根据疲劳试验机性能而定，但不应小于液压脉动加载器最大动荷载的3％。四、结构动载试验5.4结构疲劳试验[疲劳试验的方法]疲劳荷载的频率：尚无统一规定，主要依据疲劳试验机的性能而定，但为了保证构件在疲劳试验中不发生共振，荷载频率应远离共振区θ/ω<0.5或>1.3四、结构动载试验5.4结构疲劳试验[疲劳试验的方法]加载程序P163,

通常依据“混凝土构件质量检验与评定标准GBJ321-90”所推荐的“等幅疲劳加载程序”进行。四、结构动载试验5.4结构疲劳试验

[疲劳试验的方法]加载程序－－－等幅疲劳加载程序（1）静载试验阶段（2）疲劳试验阶段（3）破坏试验阶段P164四、结构动载试验5.4结构疲劳试验[疲劳试验的方法]加载程序－－－其他加载程序带裂缝的疲劳试验，静载可不分级缓慢地加到第一条可见裂缝出现为止，然后开始做疲劳试验变荷载上限的疲劳试验四、结构动载试验5.4结构疲劳试验[疲劳试验的破坏标志]配筋率正常或较低时： 截面中纵向受拉主筋可能发生疲劳断裂破坏配筋率较高或为倒T形截面时：