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1、1,第七章 动载检测 对于那些在实际使用中直接承受移动荷载或经常性振动的结构或构件，除了基本的静载检测以外，常常须要作动载检测。因为动荷载产生的动力效应有时远远大于相应的静力效应，甚至一个不太大的动荷载能使结构遭受严重破坏。近年来，随着我国高层建筑物的增多和国防建设的需要、以及西南水电开发的进行，有关建筑物抗震抗爆研究的动载检测就显得愈来愈重要了。,2,一、动载检测内容,振源动力特性检测,结构动力特性检测(自振频率、阻尼系数、振型),主振源探测,振源动力特性测试,逐台开动法,波形分析法,直接测定法,间接测定法,结构动力反应检测（振幅、频率、加速度、动应力等）,结构、构件的疲劳试验,3,（一）、
2、振源动力特性检测 振源动力特性包括振动力的大小、方向、振型、频率及其作用规律等。测定振源的动力特性为建筑物的隔振和减振设计提供依据。1、主振源探测 如果作用在结构上的动荷载是由多个振源产生的，则应首先找出对结构振动起主导用且危害最大的主振源然后再测定其动力特性。确定主振源的方法有两种：(1)逐台开动法 将建筑物内的机器逐一地使之单独运转，观测结构所发生的振动情况，从中确定哪是主振源。这种方法简单，但是往往由于影响生产而难以实行。,4,(2)波形分析法 在正常生产的情况下实测建筑物的振动波形图，然后对波形图进行分析，按照不同振源将会引起规律不同的强迫振动这一特点，间接判断出合成振动是由哪些频率成
3、分组成的，哪一种频率成分具有较大的幅值，从而判断哪一种振源是主振源。2、振源动力特性测试 对于地震、风力、海浪力等特殊的动荷载可以利用已有的长期观测资料分析其特性。这种分析具有一定的代表性和概括性，但是要充分考虑到这种由统计资料分析出的平均结果可能与要解决的具体工程问题不相适合，具体问题要作具体的分析。,5,对于动力设备，一般采用下述方法测定动力特性：(1)直接测定法 此法是应用传感器直接测定振源特性例如，将加速度传感器装在机器的往复运动部位上，可以直接测出往复运动部件的加速度变化规律，已知运动部件的质量，就可求得惯性力，将测力传感器安装在设备底座和结构之间，可以直接测出机器传给结构的振动力。
4、(2)间接测定法 此法是比较振源的承载结构（楼板、框架或基础）在已知动荷裁作用下的振动情况和待测振源作用下的振动情况，从而间接得出待测振源的特性数据。,6,测定时，在振源旁设置一台激振器，先开动振源，记录承载结构振动情况，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，由于激振器的频率和作用力已知，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。,7,（二）、结构动力特性检测 结构的动力特性又称为结构自振特性 建筑结构的动力特性主要包括三个参数（1）固有频率（或周期）；（2）振型；（3）阻尼（阻尼比）每个结构都有他的自振特性，它是结构自身固有的一种属性。它主要取
5、决于结构的组成形式、刚度、质量分布、材料性质等，与外荷载无关。不同的外荷载，并不改变结构的自振特性。相反，同样的外荷载，不同的结构自振特性，它的动力反应是不一样的。例如：同一地震荷载，不同的建筑物由于他们各自的自振特性不同，其动力反应可以相差几倍或十几倍之多。常用的测定方法有三种：自由振动法 共振法 脉动法,8,(1)自由振动法 采用突然加载、突然卸载、发射小火箭或爆炸等方法。使结构产生自由振动，通过记录的自由振动曲线可以求出结构的基本频率和阻尼系数;如下图所示。,9,.求结构的基本频率:如下图所示，为了消除冲击力的影响，最初的一、二个波的振幅不用，取若干个波的总时间除以波数得出的平均数，即为
6、基本周期其倒数即为基本频率。,T=8/4=2(秒)f=1/T=1/2=0.5(Hz),10,.结构的阻尼比:用对数衰减率或临界阻尼比来表示。根据动力学公式，在有阻尼的自由振动中相邻两振幅按指数曲线规律递减。,式中an为第n个波的峰峰值；an+1为第n+1个波的峰峰值；r为衰减系数,11,对两边同时取对数，得,在整个衰减过程中，衰减系数g不一定保持不变，因此在实际工作中，常采用平均对数衰减率，这时就在振动记录图上量取k个波，则:,a.对数衰减率,则,12,b.临界阻尼比为,式中an+k为第n+k个波的振幅。,13,(2)共振法 共振法是利用专门的激振器（电磁式激振器和偏心式激振器），对结构施加变
7、频简谐动荷载，使结构产生稳定的强迫简谐振动，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。由结构动力学可知当干扰力频率等于结构本身的固有频率时，结构就会发生共振。因此，连续改变激振器的频率，使结构产生共振，则记录下的频率，即结构的固有频率。工程结构都是具有连续分布质量的系统，严格说来，其固有频率不是一个，而有无限多个。对于一般的动力问题，了解其最低的基本频率最重要。对于较复杂的动力问题，也只需要了解若干个固有频率即可满足要求。使结构发生第一次共振、第二次共振、第三次共振.，就可得到结构的第一频率、第二频率、第三频率等图。从共振曲线中可以分析出结构的动力特性。,14,15,测试时，将起振
8、机牢固地安装在结构物上，整体建筑物沿水平方向激振，梁、板等构件沿垂直方向激振。在共振频率附近逐渐调节起振机的频率，同时记录下结构的振幅，就可以作出频率振幅关系曲线(共振曲线)，如图所示。,16,在共振曲线上，从纵坐标最大值ymax的0.707倍处作一水平线与共振曲线相交于A、B两点，其对应的横坐标记为 与，则有阻尼系数:,临界阻尼比,17,用共振法测定振型时，要把若干个抬振器布置在结构的各个部位，当起振机使结构发生共振时，记录下结构各部分的振动图，将各点的振幅按一定比例和正负值画在图上，即为该频率时的振型图，如下图所示。,18,振型:是结构共振时形成的弹性变形曲线。对应于第一次共振、第二次共振
9、、.的频率称为基频、.，对应于基频、第二基频、.的振型称为第一振型、第二振型、.。,19,当测点数超过已有拾振器数量或记录器所能观测的点数时，则可以逐次移动拾振器，几次测量，但以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都要与参考点的曲线比较相位。参考点不得选在节点的部位。,20,(3)脉动法 脉动法是通过测量建筑物由于外界环境脉动(如地面脉动、气流脉动等)而产生的微幅振动，来确定建筑物的动力特性。进行脉动观测时，应避开机器等有规则振动的影响；记录仪器应有较宽的频带，且观测时间要足够长；观测点应沿建筑物的高度和水平方向布置，如果测点较多，拾振器数量不够或超过记
10、录装置能容纳的观测点数时，可分批观测，但必须使一个拾振器固定不动，作为各次观测的比较标准。建筑物脉动反应记录的分析常采用以下方法：主谐量法 统计法 频谱分析法,21,三、结构动力反应检测 在生产和科研中，有时须要确定动荷载在结构中引起的附加动应力，从而验算结构的强度；有时须要确定动荷载引起结构物的振动位移，从而判断该结构的刚度能否满足使用和工艺要求；有时须要确定移动的动荷载对结构物的动力效应，为设计计算结构物(如吊车梁等)提供实测动力系数等等。1动应力的测定 动应力测定的过程是先记录下应变随时间变化的波形图然后依据虎克定律将动应变换算成动应力。,22,如图所示.从动应变波形图可以测取如下动参数
11、：,应变频率,应变周期,最大正应变,最大负应变,瞬时正应变,瞬时负应变,23,在开始测量前，首先进行标定(前标定)，它由动态电阻应变仪（或动态应变测试系统）给出一个标准应变0，在分析（或记录系统）系统显示屏上得到标准应变的幅高H1、H2。在测量后，应再次标定，这样在动应变曲线后，又可得一标定值H3、H4(后标定)。在进行动态应变曲线分析时，就以此为标准尺度来确定被测动态应变之振幅。L0：时标的周期记录长度L：被测信号的周期记录长度 f0:为时标讯号频率，时间同步使时间信号在时刻上或频率信号在相位上保持某种严格的特定关系，一般把时间同步到准确的时标上，把频率同步到标准频率上。,24,应变频率(次
12、/s),应变周期(s),25,最大正应变,瞬时正应变,0:为标准应变，,26,最大负应变,瞬时负应变,27,2、动位移的测定 动位移的测点应布置在结构的控制断面或在生产工艺上有特殊要求的地方。有时为了全面了解结构在动荷载作用下的振动状态须要测定结构的振动变位图。测定振动变位图的方法与测定振型的方法类似，在结构物上设置多个测点，将各测点的动位移波形同时记录在同一记录纸带上，各路仪器的时标公共根据位移的正负、大小，按一定比例画在图纸上，然后连成结构的振动变位图，如图所示。,28,29,3动力系数的测定 结构的动挠度与静挠度的比值称为动力系数。在移动荷载作用下，结构产生的动挠度大于静荷载作用下产生的
13、静挠度，所以动力系数总是大于1。动力系数的测定方法如下：对于有轨的动荷载(如火车、吊车等)，先使移动荷载很缓慢地驶过结构，测出结构的最大静挠度，然后再使移动荷载以各种速度驶过结构，由仪器记录各次振动位移曲线，从记录图上量出最大动挠度，则结构的实测动力系数为,30,对于无轨的动荷载(如汽车、拖拉机等)，两次行驶的路线不可能完全相同，则可以采用一次高速通过结构物，记录动位移波形如图所示。此种情况 的取曲线最大值，以相应于 处曲线中线的纵坐标为,31,四、结构疲劳检测 工程结构中存在着许多疲劳现象，如承受吊车荷载作用的吊车梁，直接承受悬挂吊车作用的屋架。这些结构物或构件在重复荷载作用下达到破坏时的力
14、比其静力强度要低的多，这种现象称为疲劳。目的：了解在重复荷载作用下结构的性能及其变化规律。疲劳问题涉及的范围比较广，对某一种结构而言，它材料的疲劳和结构构件的疲劳。如钢筋混凝土结构中钢筋的疲劳、混凝土的疲劳和组成构件的疲劳等。近年来，国内外对结构构件-特别是钢筋混凝土构件的疲劳性能的研究比较重视。其原因在于：（1）普遍采用极限状态设计和高强材料，以至许多结构处于高应力状态工作。（2）正在扩大钢筋混凝土构件在各种重复荷载作用下的应力范围，如吊车梁、桥梁、轨枕、海洋结构、压力机架等等。（3）使用荷载作用下采用允许截面受拉开裂设计。（4）为使重复荷载作用下构件具有良好的使用性能，改进设计方法，防止重
15、复荷载导致过大垂直裂缝和提前出现斜裂缝。,32,结构构件疲劳试验一般均在专门的疲劳试验机上进行，大部分采用脉冲千斤顶施加重复荷载，也有采用偏心轮式振动设备。下面就钢筋混凝土结构为例介绍疲劳试验的主要内容和方法：1、疲劳测试项目 鉴定性的疲劳试验（1）抗裂性及开裂荷载。（2）裂缝宽度及其发展。（3）最大挠度以及变化幅度。（4）疲劳极限值。科研型的疲劳试验，按研究目的和要求而定。如果是正截面的疲劳性能试验，应包括：,33,（1）各阶段截面应力分布情况，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2、疲劳测试荷
16、载（1）疲劳测试荷载取值 疲劳试验的上限荷载是根据构件在最大标准荷载最不利组合下产生的弯矩计算而得，下限荷载根据疲劳测试设备的要求而定。,34,（2）疲劳测试的荷载频率 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满足条件 测试荷载频率；结构的固有频率:（3）疲劳循环次数 对于鉴定性检测，构件经过下列控制循环次数的疲劳荷在作用后，抗裂度、刚度、强度必须满足设计规范中的有关规定:中级工作制吊车梁 n=2106次重级工作制吊车梁 n=4106次,35,3、疲劳试验的步骤（1）疲劳试验前预加静载试验 对构件施加不大于上限荷载20%的预加静载12次，消除松动
17、及接触不良，压牢构件并使仪表运动正常（2）正式疲劳试验 第一步先做疲劳前的静载试验，其目的主要是为了对比构件经受反复荷载后受力性能有何变化。荷载分级加到疲劳上限荷载。每次荷载可取上限荷载的20%，临近开裂荷载时应适当加密，每级荷载加完后停歇1015分钟，记取读数.(在经过荷载最小值时应增加一级)第二步进行疲劳试验，首先调节疲劳机上下限荷载，待示值稳定后读取第一次动载读数，以后每隔一定次数（3050万次）读取数据。第三步做破坏试验，达到要求的疲劳次数后进行破坏试验时有两种情况，一种是继续施加疲劳荷载直至破坏，得到承受疲劳荷载的次数。另一种是作静载破坏试验，荷载分级可以加大。,36,4、疲劳试验的
18、观测（1）疲劳强度（2）疲劳应变测量（3）疲劳试验的裂缝观测（4）疲劳试验的挠度测量5、疲劳试验试件安装要求（1）严格对中（2）保持平稳（2）安全防护,37,伪静力检测：低周循环加载，检测结构在非弹性荷载变形特征，即恢复力特征，在实验室常采用一对使结构能够来回产生变形的水平集中力来代替结构地震所产生的力，把这对水平集中力叫做结构试验抗震静力荷载本质是静力。（了解定义和四种基本形态）地震模拟振动台检测：了解拟动力检测：拟动力是模拟某地震力慢动作作用于试验对象上的过程。荷载本质是失真的动力。在拟动力试验中，首先是通过计算机将实际基底地震加速度转换成作用在结构上的位移以及与位移相应的加振力。随着地震
19、波加速度时程曲线的变化，作用在结构上的位移和加振力也跟着变化，这样就可以得出在失真情况下某一实际地震波作用后结构连续反应的全过程。,38,五、分析振波曲线、评定结构性能简单波形的近似处理,如图(a)所示，对于接近正弦波的曲线，在基线不易确定而波形比较对称时，读取波形峰峰值(2A)。如图(b)所示，若波形图在基线两边很不对称，可分别读取基线两边的振幅A1和A2，频率值可通过读取半周期T/2来确定。,39,（二）包络线法 某些合成波的包络线有一定的趋向，这种波形可用包络线法进行分析处理。1组成合成波的两种频率值相差5倍以上如图所示的波形，有如下特点：,40,(1)上、下包络线形状相同，都是正弦波；
20、(2)上、下包络线间距，即包络带宽为一恒值；,(3)上、下包络线之间较高频率的波，近似于正弦波，包络线带宽2A2代表它的振幅峰峰值，T2为其周期；(4)上下包络线本身代表波形中较低频率的波，其峰到谷的幅值为2A1，为低频率波形的振幅峰峰值，T1为其周期。,41,2组成合成波的两种频率相近 当组成合成波的两种频率相近时，振动台成波会呈现“拍振”现象(如火车通过桥梁时，在火车的强迫频率接近于桥梁自振频率时所产生的情况)，这时两种频率的关系一般为：这种合成波(图示)有如下特点,42,(I)上、下包络线近似正弦波，但相位相反，呈反对称；(2)拍频为其组成波频率之差，包络线峰与峰之间的距离Tp是拍振的周
21、期，拍频,43,(3)组成“拍”的两种正弦波它们的频率和振幅由下列各式确定:,式中T1、f1、A1振幅较大的组成波的周期、频率和振幅。,44,式中T1、f1、A1振幅较大的组成波的周期、频率和振幅。,高频波的频率为，振幅为。当：,(4)包络线最大带宽等于两组成波振幅之和；最小带宽为两组成波振幅之差。,设低频波的频率为,振幅为,45,3、若上、下包络线形状和相位都不一致时，可通过小波之峰谷中点连线作出包络线中线，如图示意。包络中线近似为正弦曲线时，包络中线代表低频分量，小波形代表高频分量。,46,三、迭加法能把较复杂的周期波形有规律的进行简化。四、频谱分析 一个复杂的振动讯号往往由很多频率成分组
22、成，其中有一个或几个主要的频率成分，不同的频率成分对人体、结构和设备的影响有显著的差别。频谱分析可以求的振动讯号的各种频率成分和他们的幅值及相位。可以用傅立叶级数分解法进行分解,47,六、结构动载性能评定 结构动载性能可以从三方面进行评定。1.强度和稳定性方面 在静、动载共同作用下，结构的强度应有可靠的保证，实测的应力、位移等均应小于结构设计规范的允许值。2.变形方面 在动荷载作用下，结构的变形表现为振幅。结构的振幅不应影响人的身体健康，同时还要满足生产工艺上的要求。3.抗裂和裂缝宽度方面 对于那些在防止或限制开裂方面有特殊要求的结构物，应该检验振动作用的影响。如果结构物不能满足上述三方面的要求则应采取减振和隔振措施，必要时应加强或改变结构。,
