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1、第三章 工程结构动力试验,3.1 概 述一、结构动力荷载的类型1）地震作用：对地震进行观测和预报，对建筑结构进行抗震试验研究。2）设备振动：如锻锤、吊车制动力，多层工业厂房机器等。3）风振：风载在高层和高耸结构设计中控制作用，影响舒适度4）环境振动：对精密机床、集成电路制造等设备将产生不良影响。为此，需对地脉动进行测试，根据振动能量的分布确定防振、隔振或消能措施。5）爆炸振动：研究建筑物的抗爆问题，研究如何抵抗核爆炸所产生的瞬时冲击荷载对结构的影响。,加载方法：惯性力、电磁激振、疲劳机和液压振动台、爆炸冲击测定振源特性：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
2、和振型。测定结构的动力反应：位移（振幅）、速度、加速度、动应力、动力系数,二、结构动载试验的内容,3.2 动载试验加载方法一、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。,1）初位移加载法（张拉突卸法）,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
3、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。,2）初速度加载法（突加荷载法）,方法：利用摆锤或落重（落点处铺设1OO2OO mm的砂垫层，小于结构自重的0.1%），作用力的总持续时间应小于结构的自振周期。,2、离心力加载,离心力加载是根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。其特点是运动具有周期性，作用力的大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。,二、电磁加载法,1、电磁式激振器 根据电磁感应原理，当磁场中的线圈通过简谐变化的交变电流时，顶杆作用于结构的激振力也按同样规律变化，且激振力与通过线圈的电流成正比。,1-外壳 2a、2b-弹簧 3-动圈 4-铁芯 5-励磁线圈 5
4、-顶杆,优点：激振频率范围较宽（一般200Hz以内，个别可达 1000HZ），推力较小（10kN以内），重量轻，控制方便，可按给定信号可产生各种波形的激振力。缺点：激振力不大，位移小。仅适合于小型结构及模型试验。2、电磁振动台：由信号发生器、振动自动控制仪、功率放大器、电磁激振器和台面组成。,电 磁 激 振 台,三、结构疲劳试验机,主要用于对各种结构构件（如梁、行架等）进行单向负荷的压力及弯曲疲劳试验。在一定范围内产生周期性的单向脉动荷载，实现正弦波的动态疲劳试验。疲劳试验机由控制系统（脉动负荷的上下限、脉动频率和疲劳次数的设定与控制）、液压脉动器（产生正弦脉动油压）和液压脉动加载器（施加脉动
5、负荷）三部分组成。目前国内一般情况下只能做单向（拉或压）应力疲劳试验，如附有蓄力器系统，还可以进行拉压交变应力的疲劳试验。,结构疲劳试验机,结构疲劳试验机脉动器原理,四、液压振动台加载,地震模拟振动台是再现各种地震波对结构进行动力试验的一种先进试验设备，其特点是具有自动控制和数据采集及处理系统，采用了计算机和闭环伺服液压控制技术，并配合先进的振动测量仪器，可以在实验室内进行结构物的地震模拟试验，以求得地震反应对结构的影响。地震模拟振动台由台面、液压驱动系统、控制系统、测试和分析系统组成。,地震模拟振动台组成,三向地震模拟振动台,五、其他加载方法,1、反冲激振器加载（火箭激振）它适用于现场结构试
6、验，但小冲量的也可用于实验室。目前使用的反冲激振器的反冲力为 0.10.8 kN 和18kN。,2、人工爆炸加载-人工地震,利用在地面或地下炸药爆炸的方法产生地面运动的瞬时动力效应，模拟某一烈度的天然地震对结构的影响，称之为“人工地震”。炸药量和离距爆心的距离：按要求模拟的地震烈度，考虑实际场地条件的特点，由要求的地面质点运动的最大速度，确定炸药量和爆心至试验结构的距离。一般来说，要使人工爆炸接近于天然地震波，要求炸药量大，试验对象离爆心距离远。,3、人激振加载,利用人在结构物上的有规律的活动，即人的身体作与结构自振周期同步的前后运动，使其产生足够大的惯性力，对结构激振加载。适合于自振频率比较
7、低的大型结构。例如：利用这种方法曾在一座15层的钢筋混凝土建筑上取得了振动记录。,4、环境随机激振加载,环境随机振动：由于受到海潮、风浪、气压变动和地球内部活动等自然原因或交通运输、工业生产以及其他各种人为活动等影响，大地在没有地震时也会出现微动（地面脉动），称为环境随机振动。利用它可以测量建筑物的动力特性，而不需要任何的激振设备，又不受结构型式和大小的限制。脉动反应：在地面脉动影响下，建筑物也会出现类似的微幅振动，称之为建筑物的脉动反应。通过量测仪器可以测得脉动反应的波形，波形中近似“拍”振的区段的振动频率就是结构的自振频率。,多层房屋脉动反应记录曲线,单层工业厂房脉动反应记录曲线,3.3
8、振动测量仪器,一、测振传感器原理 质量弹簧阻尼系统。把它固定在振动体上，通过测量惯性质量相对于传感器外壳的运动，来获得振动体的振动。,二、幅频特性和相频特性,1位移传感器：/n1(5)时，Y0/X01,180。,2）加速度传感器,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/n尽可能大，可取510。测加速度：应使/n尽可能小，可取0.10.2。,加速度传感器的幅频特性曲线,三、磁电式速度传感器,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。,磁电式速度速度传感器
9、,特 点：低频性能较好0.5-100Hz；灵敏度高。既能测量非常微弱的振动，也能测量比较强的振动主要技术指标有：1）量 程 2）灵敏度，mV/(cm/s)3）传感器固有频率。4）频率响应。（幅频特性曲线）适调器：配接电压放大器。,四、压电式加速度传感器,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。,技术指标：1）灵敏度。有电荷灵敏度Sq（pCg）和电压灵敏 度Sv(mVg）。传感器几何尺寸愈大，灵敏度愈
10、高，但使用频率愈窄。反之：灵敏度也减小，使用频率范围加宽。2）安装谐振频率f。3）频率响应。取传感器安装谐振频率的1/51/10为测量频率的上限，测量频率的下限可以很低。4）幅值范围。适调器：有电压放大器和电荷放大器两种。,五、记录仪,一）数据采集仪 A/D转换器：核心是多路电子开关、A/D转换器和采样保持器。（模拟量转换为数字量）计算机：数据采集与分析软件（控制数据采集）二）磁带记录仪 类似于录音机。,3.4 动参数的测量方法 动力荷载特性的测定一、主振源的探测1、波形分析：分析实测振动波形，按照不同振源将会引起规律不同的强迫振动这一特点，可以间接判定振源的某些性质，作为探测主振源的参考依据
11、。冲击振源：振动图形是间隙性的阻尼振动，而且有明显尖峰和衰减的特点，类似于有阻尼自由衰减振动。,转速恒定的机器设备振源：具有周期性的振动，波形具有接近正弦规律。,随机振动波形,拍振：当两个频率接近的简谐振源共同作用时，将会引起拍振,三个简谐振源引起的复杂的合成振动波形,两个频率相差两倍的简谐振源引起的合成振动图形,2、频率分析：根据结构强迫振动的频率和作用力的频率相同的原则来确定主振源。对于简谐振动可以直接在振动记录图上量出振动频率，而对于复杂的合成振动则需将振动信号进行频谱分析（FFT变换），幅值最大的频率就是主振源的频率。,二、动力荷载特性测定直接测定法：通过测定动荷载本身参数以确定其特性
12、。间接测定法：1）把机器安装在钢梁上，机器静止，测定结构的静力和动力特性；2）开动机器，测定结构的振动情况，确定机器振动造成的振动荷载。3）振源可以移动，适用于产品检验和标定。比较测定法：1）先开振动源，测量结构振动波形；2）停机后，开启激振设备，逐渐调整激振设备的频率和激振力等参数，使结构的振动波形与振动源产生的一样。此时激振设备的参数即为振动源的动荷载参数。结构动力特性试验 一、结构动力特性 包括结构的自振频率、阻尼比、振型等基本参数，也称振动模态参数。这些特性由结构本身（质量、刚度等）决定，与外荷载无关。,二、测定方法 自由振动法、共振动法、脉动法1自由振动法自振频率和阻力比：采用初位移
13、或初速度的突卸荷载或突加荷载的方法，使结构产生自由振动，并记录振动波形。自振频率和阻力比确定方法如下。,振型测量振型：指在结构某一固有频率下，结构振动形式即变形曲线，称为频率的振型。方法：可在结构的不同楼层布置传感器，根据传感器测得的同一时刻不同楼层的振动幅值来确定结构的振型。（用自由振动法测量结构的自振特性时，一般只能测得结构的一阶振型。）,2、共振动法 它利用专门的起振机（一般采用离心激振器）对结构施加周期性的简谐振动，使结构产生强迫振动，记录各个激振频率及对应振幅，并作A。利用干扰力频率与结构自振频率相等时，结构产生共振的原则确定结构自振频率，利用半功率法确定结构的阻尼比。振型测量与自由
14、振动相同。,3、脉动法脉动法：利用被测建筑物周围不规则微弱干扰（如地面脉动、空气流动等）所产生的微弱振动作为激励来测定建筑物自振特性的一种方法。该法的最大优点是不用专门的激振设备。简便易行，且不受结构物大小的限制。测试方法：采用测振传感器测量地面自由场的脉动源和结构的脉动反应，将获得的波形进行频谱分析（FFT,时域向频率的转换），可得到结构的动力特性。频率确定：频谱曲线上的每一个峰值对应于结构的一阶固有频率。,阻力确定：利用半功率法可得到结构的各阶阻尼比。,4.4.3 结构动力反应的测定1、动态参数：在测试部位布置适当的测振仪器，测定结构的振幅、频率（频率谱）、速度、加速度、动应变等。2、振动
15、形态：结构在动荷载作用下的振动变形图，测量和分析方法与振型确定方法相同。注意振动变形与振型的区别：,振型：结构按其固有频率振动时，由惯性力引起的弹性变形曲线，属于结构的动力特性，与外荷载无关。振动变形图：结构在特定荷载下的变形曲线，一般不与结构的某一振型一致。根据振动变形图，可以确定结构的动内力。,3、结构动力系数的承受移动荷载的结构如吊车梁、桥梁等，常常需要确定它的动力系数，以判定结构的工作情况。动挠度与静挠度的比值称为动力系数：无轨时测定方法：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。,慢
16、速驶过,快速驶过,无轨时测量方法,无轨的：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,结构疲劳试验,一、疲劳试验的目的和内容1、疲劳现象：结构在等幅等频或变幅变频的多次重复和反复荷载作用下，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，以致结构在低于相同静力荷载作用情况下被破坏，这就是结构或材料的疲劳现象。如工业厂房中的吊车梁。2、疲劳试验目的：研究结构的结构性能及其变化规律，确定疲劳极限（疲劳破坏时的强度值）和疲劳寿命（荷载重复作用的次数）。3、疲劳试验分类：等幅等频疲劳、变幅变
17、频疲劳和随机疲劳。4、疲劳试验内容：生产性疲劳试验：结构构件疲劳抗裂性能、裂缝宽度及发展情况、结构构件最大挠度及变化幅度和疲劳极限强度等。中级：2E6，重级4E6。,研究性疲劳试验：1）测定结构构件的开裂荷载。2）量测裂缝宽度、间距、分布形态及随荷载重复次数的变化情况。3）量测结构构件挠度及其变化规律。4）测定破坏荷载、疲劳寿命（荷载重复作用次数）及破坏特征。必要时，试验前尚需作钢筋和混凝土材料的疲劳试验。二、疲劳试验加载设计1、荷载大小取值荷载上限值：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：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。计算荷载值时
18、，应考虑构件和加载器运动部件的惯性力影响。,2、荷载频率选择试验荷载频率一般不大于 10HZ，并位于试件和加载装置自振频率的80130之外。（避免共振、减小动力效应）3、试验加载程序 等幅疲劳试验加载程序包括静载试验、疲劳试验和破坏试验三个阶段。l）静载试验阶段 在预载后，先作两次或三次加载、卸载循环的静载试验，每级荷载值取最大荷载的20，分五级加载。在加载过程中，当分级加载经过Qmin时，应增设一个级次。对于允许出现裂缝的试件，应在临近开裂阶段加密荷载分级。2）疲劳试验阶段 荷载加至Qmin时，调节加载频率，施加Qmax，保持荷载稳定，误差不大于士3。对于混凝土构件，宜在重复加载一定次数时，
19、测读动应变和动挠度；并停机进行一个循环的静载试验，测读应变、挠度，观测裂缝。,3）破坏试验阶段 在试验加载次数达到要求后，采用静载或疲劳试验的方法，进行试件破坏试验。,三、观测设计按荷载作用下的最不利组合确定试件主要受力部位和内力控制截面。梁式试件：主要检测其正截面和斜截面的疲劳强度、抗裂性和挠度。屋架疲劳试验：主要量测其杆件内力、抗裂性和屋架挠度、承受悬挂吊车作用的节点和支座节点的疲劳性能。预应力构件：量测预应力锚具和受预应力作用影响的受力部位的疲劳性能。四、安全装置 疲劳试验是较长时间的动态试验（如中级吊车梁2E6，按500次/min计算需70h），试验过程中振动较大，因此应设置专门的安全保护措施。,
