第5章結構動力特性試驗

1、第五章第五章 結構動力特性試驗結構動力特性試驗2014.9現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering第五章 結構動力特性試驗n1結構動載試驗概述n2人工激振法測量結構動力特性n3環(huán)境隨機振動法測量結構動力特性現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College

2、 of Civil Science and Engineering動載試驗n通過試驗的方法對結構振動進行分析研究。振動問題研究手段為抗震設計提供依據生產中產生的振動對廠房結構的影響高層、高聳結構的風振問題防震、隔震、消震措施的研究抗爆理論分析實驗研究內容1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering動載試驗n特點：1.造成結構振動的動荷載是隨時間而改變的2.加載周期結構自振周期3.結構在動載作用下的反應與結構本身的動力特性密切相關1結構動載試驗概述現代

3、結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.1動載試驗研究內容1.動載特性的試驗測定動載特性的試驗測定內容A.探測主振源方法：a.逐臺開動振源 b.分析實測振動波形 c.分析結構振動頻率B.作用力的大小、方向、頻率、作用規(guī)律方法：a.直接測定法 b.間接測定法 c.比較測定法1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.1

4、動載試驗研究內容2.結構動力特性的試驗測定結構動力特性的試驗測定n內容：結構的自振頻率、阻尼系數、振型n影響因素：結構形式、質量分布、結構剛度、材料性質、構造因素1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.1動載試驗研究內容3.結構動力反應的試驗測定結構動力反應的試驗測定n內容：測定結構特定部位的動參數測定結構的振動變位圖測定結構的動力系數強震觀測1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程

5、學學 院院College of Civil Science and Engineering測定結構特定部位的動參數n測定特定結構、特定振源情況下的振動分布情況1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering測定結構的振動變位圖n變位圖變位圖：結構在特定荷載作用下的變形曲線。1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineer

6、ing測定結構的動力系數 動力系數動力系數：動撓度與靜撓度的比值jdyy1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering強震觀測n地震發(fā)生時，用儀器觀測地面運動的過程。n結構物在強震過程中的振動過程的記錄n自動觸發(fā)啟動，蓄電池供電n美國洛衫磯：凡新建六層以上、面積超過6000平方英尺的建筑物必須設置強震儀3臺。n楊浦大橋和金茂大廈等十幾個重要建筑物上都已安裝了強震記錄網絡，僅金茂就安裝了6臺。上海計劃在十五期間普及更多，通過立法，達到10層以上的建筑都安

7、裝。n浦東機場深井群安放了深度不同的地震記錄儀，最淺30米，最深300多米，其他還有50米、100多米及200多米，這些井群可以測量到不同深度接收到的不同地震波的強度。基本任務揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering強震觀測n中華人民共和國防震減災法n要求在重大工程和生命線工程等建筑上安裝強震動觀測設備。n一是可以檢查建筑物的“健康狀況”，根據震動記錄數據，及時掌握地震或其他強震動發(fā)生時建筑物受損情況；n二是從記錄數據中總結經驗，進而不斷改進建筑物抗震設防設計；n三是通過已形成的

8、觀測網絡的強震動觀測，可以快速掌握地震烈度分布情況，為地震預測與震后救災提供可靠的信息。揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering強震觀測n地震安全性評價管理條例國務院令n四大工程須進行地震安全性評價。n國家重大建設工程n受地震破壞后可能引發(fā)水災、火災、爆炸、劇毒或者強腐蝕性物質大量泄露或者其他嚴重次生災害的建設工程，包括水庫大壩、堤防和貯油、貯氣、貯存易燃易爆、劇毒或者強腐蝕性物質的設施以及其他可能發(fā)生嚴重次生災害的建設工程n受地震破壞后可能引發(fā)放射性污染的核電站和核設施建設工程

9、n省、區(qū)、市認為對本區(qū)域有重大價值或者有重大影響揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.1動載試驗研究內容4.結構疲勞試驗結構疲勞試驗疲勞：結構物或構件在重復荷載作用下，達到破壞時的應力比其靜力強度要低得多。這種現象稱為疲勞。目的：研究結構在重復荷載作用下的性能及其變化規(guī)律。1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering結構疲勞試驗

10、疲勞試驗項目疲勞試驗項目（1）鑒定性試驗抗裂性及開裂荷載裂縫寬度及發(fā)展最大撓度及其變化幅度疲勞強度（2）科研性疲勞試驗各階段截面應力分布狀況，中和軸變化規(guī)律抗裂性及開裂荷載裂縫寬度、長度、間距及發(fā)展最大撓度及其變化規(guī)律疲勞強度的確定破壞特征分析1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering結構疲勞試驗 疲勞試驗荷載取值疲勞試驗荷載取值上限荷載：上限荷載：最大標準荷載最不利組合下產生的彎距計算下限荷載下限荷載：根據疲勞試驗設備的要求而定。國內多采用等幅勻

11、速荷載：1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering結構疲勞試驗疲勞試驗荷載速度疲勞試驗荷載速度 荷載頻率影響材料的塑性變形和徐變，頻率過高對試驗設施有影響 使構件在試驗時實際工作時受力狀態(tài)一致， 構件與荷載架不能發(fā)生共振荷載頻率與結構固有頻率之比應滿足：3.15.0或1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineer

12、ing結構疲勞試驗疲勞試驗的控制次數疲勞試驗的控制次數 經受所確定控制次數的疲勞荷載作用后，其抗裂性、剛度、強度等必須滿足規(guī)范中有關規(guī)定。中級工作制吊車梁：2106 次重級工作制吊車梁：4106 次1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering結構疲勞試驗 疲勞試驗步驟疲勞試驗步驟（1）預加靜載消除松動及接觸不良，壓牢構件，使測試儀表工作正常（2）正式疲勞試驗1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工

13、程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering結構疲勞試驗 疲勞試件的安裝疲勞試件的安裝（1）嚴格對中（2）保持平穩(wěn)（3）安全防護現行的疲勞試驗都是采取試驗室常幅疲勞試驗方法。即疲勞強度是以一定的最小值和最大值重復荷載試驗結果而確定。實際上結構構件是任意變化的重復荷載作用，隨著測試技術的不斷進步，常幅疲勞試驗將為結合實際情況的變幅疲勞試驗所代替。1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.2動載試

14、驗的加載方法和設備1.1.慣性力加載慣性力加載（1）沖擊力加載初位移加載法初速度加載法反沖激振法1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering初位移加載法(張拉突卸法)n優(yōu)點：結構自振時荷載不附加在結構上。n缺點：由于加載作用點的偏差而使結構在另一平面內同時振動產生干擾。1結構動載試驗概述揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering初速度加載

15、法（突加荷載法） 1結構動載試驗概述揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering反沖激振法（火箭激振） n一般裝在建筑物頂部；質心的軸線上；n進行扭振試驗；n多振型測量（布置多個）n反沖力：0.10.8kN，18kN 共8種；1結構動載試驗概述揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.2動載試驗的加載方法和設備1.1.慣性力加載慣性力加載（2）離心力加載根據旋轉質量產

16、生的離心力對結構施加簡諧振動荷載。特點:運動具有周期性，作用的大小和頻率按一定規(guī)律變化，使結構產生強迫振動。1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering離心力加載A一個偏心質量：n由偏心質量產生的離心力為：n使用時將激振器底座固定在被測結構物上，由底座把激振力傳遞給結構，致使結構受到簡諧變化激勵作用。偏心塊旋轉角速度r/s 1結構動載試驗概述揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil

17、Science and Engineering離心力加載B兩個偏心質量 n改變質量或調整帶動偏心質量運轉電機的轉速（角速度），即可調整激勵力的大小。一般1結構動載試驗概述揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.2動載試驗的加載方法和設備1.1.慣性力加載慣性力加載（3）直線位移慣性力加載特點：適用于現場結構動力加載，在低頻條件下各項性能較好，可產生較大的激振力。1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院Col

18、lege of Civil Science and Engineering1.2動載試驗的加載方法和設備2.2.電磁加載電磁加載1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.2動載試驗的加載方法和設備3.3.液壓加載液壓加載1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.2動載試驗的加載方法和設備4.4.

19、其他激振方法其他激振方法n人激振動加載法n環(huán)境隨機振動激振法1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering人激振動加載法n一個體重約70kg的人使其質量中心作頻率約為1Hz、雙振幅為15cm的前后運動時，將產生大約0.2kN的慣性力。加上在1%臨界阻尼的情況下共振時的動力放大系數為50，意味著作用于建筑物上的有效作用力大約為10kN。n國外用這種方法曾在一座15層鋼筋混凝土建筑上取得振動記錄，獲得結構自振周期和阻尼系數。 1結構動載試驗概述揚揚 州州

20、大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering環(huán)境隨機振動激振法n也稱脈動法脈動法。建筑物經常處于微小的而不規(guī)則的振動中。這種微小而不規(guī)則的振動來源于微小的地震活動以及諸如機器運轉，車輛來往等人為擾動的原因，使地面存在著連續(xù)不斷的運動，其運動幅值極為微小，而它所包含的頻譜是相當豐富的，故稱為地面脈動。由地面脈動激起建筑物經常處于微小而不規(guī)則的振動中，通常稱為建筑物脈動脈動?？梢岳眠@種脈動現象來分析測定結構的動力特性。1結構動載試驗概述揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程

21、程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.3動載試驗的量測技術1.1.量測系統量測系統： 振動參數 傳振器：把振動信號(參數)變換成電訊號；放大器：把輸入的微弱電訊號放大；記錄器：把放大后的電訊號顯示或記錄下來數據處理儀：對電訊號進行分析和數據處理傳振器傳振器放大器放大器記錄器記錄器數據處理儀數據處理儀1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering量測系統1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州

22、州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.3動載試驗的量測技術2.2.慣性式測振傳感器慣性式測振傳感器將振動信號轉變?yōu)殡娏俊?基本原理 由慣性質量、阻尼和彈簧組成一個動力系統，將之固定在振動體上（即傳感器的外殼固定在振動體上），與振動體一起振動，通過測量慣性質量相對于傳感器外殼的運動，就可以得到振動體的振動。1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engine

23、ering慣性式測振傳感器參考不動點質量塊m慣性力阻尼力彈性力0m(x”十y”)十y十ky0若xx0sint m y”十y十kym2x0sint特征方程是mr2十r十k0mmkr24221、tmmkCeytm24sin22齊次方程的解1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering慣性式測振傳感器tmmkCeytm24sin22時間因子分析tme2一個隨時間而衰減的伴生自由振動。系統的阻尼愈大，振幅衰減愈快設計拾振器時需人為地使其具有足夠的阻尼，使之急劇

24、衰減，可視為瞬態(tài)振動忽略不計。1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering慣性式測振傳感器非齊次方程的特解阻尼比相位角：振幅：mkDDarctgxDytyycnnnnn2/1/2/2/1/)sin(202222001結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering慣性式測振傳感器n頻率特性2222220041nn

25、nDxyA.位移拾振器 2112nnDtg1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering慣性式測振傳感器A.位移拾振器 分析:y0/x0,隨D而變化當/n遠大于時，不管D如何變化，y0/x0，揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering慣性式測振傳感器n頻率特性B.加速度拾振器 202222220202022011411sinsinnsnnn

26、nsssAYDAYXAtXdtxdatXx時，當則1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering慣性式測振傳感器n儀器A.磁電式速度傳感器 根據電磁感應的原理制成的，特點為靈敏度高，性能穩(wěn)定，輸出阻抗低，頻率響應范圍有一定寬度。 1結構動載試驗概述現代結構試驗方法BLnvE 揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering慣性式測振傳感器n儀器B

27、.壓電式加速度傳感器 壓電效應：壓電效應：一些晶體材料當受到壓力并產生機械變形時，在其相應的兩個表面上出現異號電荷，當外力去掉后，晶體又重新回到不帶電的狀態(tài)。特點：特點：穩(wěn)定性高，機械強度高及能在很寬的溫度范圍內使用，但靈敏度較低。1結構動載試驗概述現代結構試驗方法電荷靈敏系數壓電系數QxQxxSCaSmaCFCQ揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering1.3動載試驗的量測技術3.3.記錄設備記錄設備記錄器將量測得到的電信號按一定的方式，記錄在 某種介質上，需要時可以把這些數據讀

28、出、 或輸出給其他分析處理儀器。記錄方式模擬式 數字式1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering記錄設備nXY函數記錄儀（模擬式）函數記錄儀（模擬式） 用記錄筆把試驗數據以 平面坐標系中的曲線形式記錄在紙上。 1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering記錄設備n光線示波器（模擬式）：光線示波器（模擬式）

29、：將電信號轉換為光信號并記錄在感光紙或膠片上，得到試驗變量與時間的關系曲線。 1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering記錄設備n磁帶記錄儀（數字式磁帶記錄儀（數字式/模擬式）：模擬式）：將電信號轉換成磁信號并記錄在磁帶上，得到試驗變量與時間的變化關系。 1結構動載試驗概述現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering2.1

30、結構自振頻率測量n自由振動法 即設法使結構產生自由振動，通過記錄儀器記下有衰減的自由振動曲線，由此求出基本頻率和阻尼系數。1.加載方法：突加荷載 突卸荷載 反沖激振器 2.測點布置振幅較大處2人工激振法測量結構動力特性現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering2.1結構自振頻率測量n自由振動法3.求基本頻率f=1/T2人工激振法測量結構動力特性現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil

31、 Science and Engineering2.1結構自振頻率測量n強迫振動法（共振法 ）利用專門的激振器，對結構施加簡諧動荷載，使結構產生恒定的強迫簡諧振動，借助共振現象來觀察結構的自振性質。1.激振方向A.整體動載試驗水平方向激振B.樓板、梁等垂直方向激振2.測點各個振型曲線都不是節(jié)點的地方。2人工激振法測量結構動力特性現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering2.1結構自振頻率測量n強迫振動法（共振法 ）3.測試方法頻率掃描4.振幅值換算2人工激振法測量結

32、構動力特性現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering2.2結構阻尼的測量 tAetAexxxnxkxxcxmtntsin sin0202nn為衰減系數n為有阻尼時的圓頻率n為不考慮阻尼時的圓頻率n阻尼比mcn2mk21n參數：對數衰減率 、阻尼比 揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering2.2結構阻尼的測量n自由振動法 參數：對數衰減率 、阻尼比 1.

33、用振幅表示2ln1Txxnn22人工激振法測量結構動力特性現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering2.2結構阻尼的測量n自由振動法2.用峰-峰值表示knnknnaakaakln2ln1222人工激振法測量結構動力特性現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering2.2結構阻尼的測量n強迫振動法（共振法 ）2212n2221n衰減系數：阻尼比

34、： 2人工激振法測量結構動力特性現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering2.2結構阻尼的測量n動力系數法當=時，結構共振動力系數：jdyy21阻尼比：212人工激振法測量結構動力特性現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院College of Civil Science and Engineering2.3結構振型的測量n振型：結構按某一固有頻率作振動時形成的彈性曲線，即結構按此頻率振動的振動形式。方法：1.連續(xù)布置拾振器 2.在一點或幾點上用激振器激振 3.同時記錄各點的位移，注意相位振型：振型：結構本身的動力特性，與外荷載無關。變位圖：變位圖：結構在特定荷載作用下的變形曲線。2人工激振法測量結構動力特性現代結構試驗方法揚揚 州州 大大 學學 建建 筑筑 科科 學學 與與 工工 程程 學學 院院Colle