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1、第六章 结构动力试验,主要内容6.1 概述6.2 结构动力荷载特性试验6.3 结构动力特性6.4 结构动力反应试验6.5 结构疲劳试验6.6 结构动力试验实例,6.1 概述,6.1.1 结构动力荷载的类型1.地震作用2.机械设备振动和冲击荷载3.高层建筑和高耸建筑的风振4.环境振动5.爆炸引起的振动,6.1 概述,6.1.2 结构动力试验的内容1.测定结构动力荷载或振源的特性，即测定引起振动的作用力的大小、方向、作用频率及其规律。2.测定结构的动力特性，包括结构的自振频率、阻尼和振型。3.测定结构在动力荷载作用下的反应,位移（振幅）、速度、加速度、动应力。动力系数等,6.2 结构动力荷载特性试
2、验,动力荷载的特性,作用力的大小、方向、频率及其作用规律,6.2 结构动力荷载特性试验,6.2.1 主振源的探测主振源的频率：幅值最大的频率,下列是撞击荷载引起的振动？,6.2 结构动力荷载特性试验,1.直接测定法通过测定动荷载本身的参数以确定其特性。2.间接测定法把动力荷载安装在专用的，有足够变形的弹性结构上，上下是刚性支座3.比较测定法比较振源的承载结构在已知动力荷载作用下的振动情况，得出荷载的特性数据,6.2.2 主振源特性的试验测定,6.3 结构动力特性试验,6.3.1 概述 结构的动力特性包括结构的自振频率、阻尼比、振型等基本参数。动力特性参数，振动模态参数这些参数决定于结构的形式、
3、刚度、质量分布、材料特性及构造连接等因素，而与外载无关。作用？,6.3 结构动力特性试验,结构动力特性试验的方法1.人工振动法 自由振动 强迫振动2.环境随机振动法,6.3.1 概述,6.3 结构动力特性试验,6.3.2 人工振动法测量结构动力特性1、自由振动法 定义：在试验中采用初位移或初速度的突卸或突加荷载的方法，使结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。结构自振频率测量阻尼比测量振型测量,6.3 结构动力特性试验,6.3.2 人工振动法测量结构动力特性2 强迫振动法 强迫振动法也称共振法。一般都采用惯性式机械离心激振器对结构施加周期性的简谐振动，在模型试验时可采用电磁激振器激振，使结构和模型
4、产生强迫振动。由结构动力学可知，当干扰力的频率与结构自振频率相等时，结构产生共振。利用激振器可以连续改变激振频率的特点，当结构产生共振时振幅出现极大值，这时激振器的频率是结构的自振频率。,6.3 结构动力特性试验,6.3.3 环境随即振动法测量结构动力特性脉动明显反映出建筑物的固有频率和自振特性。随机振动过程是一个复杂的过程，每重复一次所取得的每一个样本都是不同的，所以，一般随机振动特性应从全部事件的统计特性的研究中得出，并且必须认为这种随机过程是各态历经的平稳过程。,6.4 结构动力反应试验,6.4.1 结构动态参数的测量结构在动力荷载作用下特定部位的动态参数振幅、频率，速度、加速度、动应变
5、传播系数：各点测得的振幅与振源处的振幅之比（特定结构与特定振源）,6.4 结构动力反应试验,6.4.2 结构振动形态的测量多个测点振动变形图振动形态与振型的区别（P165）,6.4 结构动力反应试验,6.4.3 结构动力系数的测量动力系数动挠度和静挠度的比值称为动力系数。,6.5 结构疲劳试验,6.5.1 概述疲劳（定义）（P166）：结构在等幅等频或变幅等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，导致裂纹形成并逐步发展，材料的强度降低，以致结构低于相同静力荷载情况被破坏。结构疲劳试验的目的就是要了解在重复或反复荷载作用下结构的性能和其变化规律，确定结构疲劳破坏时的强
6、度值和荷载重复作用的次数，即确定疲劳强度和疲劳寿命。,6.5 结构疲劳试验,6.5.1 概述疲劳试验分类等幅值疲劳试验、变幅变频疲劳和随机疲劳,中级工作制吊车梁：200万次疲劳高级工作制吊车梁：400万次疲劳,6.5 结构疲劳试验,6.5.1 概述生产性疲劳试验一般包括以下内容：抗裂性能；开裂荷载、裂缝宽度及开展情况；最大挠度及变化幅度和疲劳极限强度。研究性疲劳试验一般包括以下内容：确定开裂荷载；裂缝的宽度、间距、分布形态及其随荷载重复次数的变化；最大挠度及其变化；测定破坏荷载、疲劳寿命及破坏特征。,6.5 结构疲劳试验,6.5.2 疲劳试验的加载设计1.疲劳试验荷载（一）疲劳试验荷载取值：疲
7、劳试验的上限荷载Qmax是根据构件在标准荷载最大最不利组合下产生的弯矩计算而得 荷载下限根据疲劳试验设备的要求而定。,6.5 结构疲劳试验,6.5.2 疲劳试验的加载设计2.试验荷载频率荷载频率不应使构件和荷载架发生共振，同时应使构件在试验时与实际工作时的受力状态一致，为此荷载频率与构件固有频率应满足一定条件：,结构疲劳试验的方法,1、疲劳试验荷载,荷载取值：上限值根据构件在荷载标准值最不利组合下产生的弯距计算求得；下限值根据疲劳试验机的设备性能而定。,控制次数：中级工作制吊车梁：次；重级工作制吊车梁：次。,频率选择：依据疲劳试验机的性能而定。通常为：,疲劳机的频率,构件固有频率,6.5 结构
8、疲劳试验,6.5.2 疲劳试验的加载程序一种是为了求得疲劳极限而对构件从头到尾施加重复荷载；另一种是静荷载与疲劳荷载交替施加。疲劳试验过程中要进行三种形式的试验（1）静载试验：静载试验先做23次加载、卸载循环的静载试验，加载值为最大荷载的20%，分4级加载。,（2）疲劳试验：（3）破坏试验阶段：,疲劳试验加载程序,变更荷载上限的加载程序,两种：静荷载和疲劳试验。,等幅疲劳加载程序,等幅疲劳加载方案,6.5 结构疲劳试验,6.5.3 结构疲劳试验的观测设计1.荷载最不利组合确定主要受力部位和控制截面2.测试内容荷载的次数、破坏特征和荷载值,1、严格找平。2、侧性移动和倾覆。3、安全防护措施。4、
9、支撑设备，足够刚度 5、自控停机装置,6.5 结构疲劳试验,6.5.4 结构疲劳试验的安全装置,6.6 人工激振法测量结构动力特性,振型测量测振传感器布置：沿结构高度或跨度方向连续布置水平和垂直测振传感器，整体结构布置在各层楼面、屋面。试验按振动记录曲线取某一固有频率结构振动时各个测点同时间位移值，并将位移值连线，得到结构振型曲线。量测注意振动曲线的相位。,6.6 人工激振法测量结构动力特性,实际工程测量：某疾病控制中心实验楼建于1977年，原设计为六层，实际建成七层钢筋混凝土框架结构，基础为整体筏板基础，建筑面积约5880m2，建筑为典型的内廊式办公楼，平面布置规则，结构纵横方向平面尺寸分别
10、为56m，15m，建筑高度约为24m。,6.6 人工激振法测量结构动力特性,该建筑平面较为规则，选择在走廊中部沿二至七层布置纵横两个方向的拾振器，测试时间为中午下班时间，以避免人为的干扰噪声；现场采用50Hz的采样频率对结构的脉动速度反应进行约1小时的采样，抗混滤波器设置20Hz的低通滤波，数据采集仪16通道分别对应X方向二七层的速度反应，712通道分别对应Y方向二七层的速度反应,图2和图3分别为X、Y方向各通道的时域波形。,6.6 人工激振法测量结构动力特性,图1 X方向各楼层速度反应时域波形,6.6 人工激振法测量结构动力特性,图2 Y方向各楼层速度反应时域波形,6.6 人工激振法测量结构
11、动力特性,图4 X方向各楼层与7层速度反应的互谱曲线：,6.6 人工激振法测量结构动力特性,图5 Y方向各楼层与7层速度反应的互谱曲线,6.6 人工激振法测量结构动力特性,图2和图3所反映的楼层X、Y方向各通道的时域波形可以看出,随楼层的增加,结构的脉动反应呈放大趋势;对各楼层时域波形进行傅氏变换,以顶层质点作为参考,得到各楼层相对于顶层质点的互谱结果,具体见图4和图5,由图4和图5可以看出各层的互谱曲线均在结构的主频出现明显的波峰。根据各楼层互谱幅值进行振型拟合,结果见表1和表2。,6.6 人工激振法测量结构动力特性,表1 X方向前2阶测试振型结果：,6.6 人工激振法测量结构动力特性,表2
12、 X方向前2阶测试振型结果：,6.6 人工激振法测量结构动力特性,X方向前2阶测试振型结果 Y方向前2阶测试振型结果,6.6 环境随机振动法测量结构动力特性,该工程为七层钢筋混凝土框架结构，平面布置规则，建筑各层高度分别为23.5m、53.4m，混凝土柱截面尺寸均为300400，混凝土强度为C20，采用SATWE程序对该结构进行计算，计算得到该楼两个方向前两阶振型和周期结果见表3表4，实测周期与计算周期的比较结果见表5。,6.6 环境随机振动法测量结构动力特性,表3 X方向计算振型结果：,6.6 环境随机振动法测量结构动力特性,表4 Y方向计算振型结果,6.6 环境随机振动法测量结构动力特性,
13、表5 实测周期与计算周期的比较：,实测,计算,6.6 环境随机振动法测量结构动力特性,框架结构的计算周期较实测周期偏大甚多，其中一个较主要的因素是，框架结构在计算中，通常抗侧力构件只考虑承重的框架柱遭受破坏前，尤其在脉动反应中，结构整体处于线弹性工作阶段，框架填充墙与框架协同工作且其提供的抗侧刚度很大，这是造成结构计算周期与实测值相比偏大的主要原因。,6.6 环境随机振动法测量结构动力特性,虽然填充墙能协同框架分担水平力，但不易计算。现行规范对框架结构的抗震计算通常采用不考虑填充墙的刚度和强度，只作为惯性重量集中到各楼层，以保证“进行结构抗震强度验算与所确定自振周期采取的计算简图相一致”，这一抗震设计方法是简单的，但须注意的是，对上重下轻（如底部空旷）的房屋，不宜随意把填充墙简化成惯性重量作用到框架上去，这样作容易使底层框架柱的实际剪力较多地超过不计上层填充墙时的计算剪力。,6.6 环境随机振动法测量结构动力特性,从框架结构实测周期与计算周期的对比可以看出，填充墙在实际工作状况中的刚度贡献是客观存在的，在结构计算中虽然可采用不考虑填充墙刚度和强度的简化方法，但从抗震多道设防的观点出发，填充墙提供抗侧刚度，并分担水平地震力，应当采取必要的构造措施来避免其在地震过程中产生次生灾害，并在设计阶段充分考虑填充墙构成的附加刚度及结构体系在竖向刚度的连续性。,
