結構動載試驗和作用

1、結構動載試驗和作用 所謂動荷載，通俗地講，即是隨時間而變化的荷載。如沖擊荷載、隨機荷載（如風荷載、地震荷載）等。 從動態(tài)的角度來講，靜荷載只是荷載隨時間變化得十分緩慢以至它所產生的動力影響微乎其微的一種特殊形式而已。第六章 結構動載試驗 要尋求結構在任意動荷載作用下隨時間而變化的響應：一是理論計算，二是試驗測量。顯然試驗測量則是最為直接，最為接近于實際結果的有效方法。 結構動力檢測主要包括如下三方面的內容： (1)動荷載特性的測定； (2)結構自振特性的測定； (3)結構在動荷載作用下的動力反應的測定。第六章 結構動載試驗6.2 動荷載特性的測定 動荷載特點：（1）它的大小、方向或位置隨時間而

2、改變；（2）結構的動力反應與結構自振特性密切相關；（3）動荷載所產生的效應有時遠大于相應的靜力效應，甚至一個并不大的動荷載就能使結構造成嚴重的破壞。 動荷載特性包括：動荷載的作用力的大小、方向、頻率及其作用規(guī)律等。第六章 結構動載試驗常見振源的振動波形 （a）撞擊型振動 （b）簡諧振動振源 （c）兩個頻率相差兩倍的簡諧振源引起的合成振動 （d）三個不同頻率的簡諧振源引起的合成振動（e）呈“拍振”規(guī)律是由兩個頻率相接近的簡諧振源共同作用（f）隨機振動 第六章 結構動載試驗6.2.2 動荷載特性的測定方法 1 直接法 (1)對于往復式運動部件所產生的慣性力（如牛頭刨床、曲柄連桿機械等）可測得該運動

3、部件的加速度、慣性力、作用頻率及作用規(guī)律等。第六章 結構動載試驗 (2)對于錨固在結構物上的動力設備，可以將加速度傳感器直接固定在振動設備的振動體下方。使加速度傳感器直接感受振動設備的動荷載，以測得其動荷載特性的相關參數(shù)。第六章 結構動載試驗 (3)當動荷載是一種沖擊荷載，如氣浪，氣流等，可讓傳感器直接感受沖擊荷載，直接測得其動荷載特性的相關參數(shù)?？紤]到沖擊荷載的沖擊力，應注意其傳感器要有足夠的剛度，以免造成傳感器的損壞或數(shù)據失效。第六章 結構動載試驗 (4)實測高層建筑的風壓，則可在高層建筑物外墻表面安裝風壓盒來感受風荷載，從而測得風荷載特性的相關參數(shù)。第六章 結構動載試驗2. 比較法 需要

4、激振設備且被測振源是可以開啟和關閉的。 具體方法是：1）振源打開，記錄下振動波形；2）關閉振源，打開激振設備，調節(jié)激振設備使之特性于前相同。第六章 結構動載試驗6.3 結構自振特性的測定 結構自振特性主要包括三個參數(shù)：（1）自振頻率（或周期）；（2）阻尼（阻尼比）；（3）振型。 結構自振特性是結構自身所固有的屬性。它取決于結構的質量、剛度，僅與結構自身材料的組成有關，與外荷載無關。第六章 結構動載試驗實測結構自振特性的意義： （1）設計受動力作用的結構物時，力圖避開共振區(qū)，從而減少動力影響； （2）如結構必須在共振區(qū)工作，則阻尼可以抑制動力反應； （3）當用振型分解法計算結構振動時，結構的自振

5、特性必須預先確定。第六章 結構動載試驗 此外，結構的自振特性特別是阻尼比是很難用計算方法確定的。 結構的自振特性除與結構重量及其分布、主體結構的剛度及其分布有關外，還與非承重構件及其與主體結構的聯(lián)結有關。 以上這些都十分復雜。特別是有些計算簡圖是不明確的，只有在大量實測的基礎上才能提出合理的計算假定、計算簡圖及計算方法。 為此，結構自振特性的實測是十分重要和有意義的。第六章 結構動載試驗 自由振動法 自由振動法即是借助于外荷載使結構產生一初位移（或初速度），使結構由于彈性而自由振動起來，由此記錄振動波形，從而獲得自振特性的方法。 自由振動法又按如下分類：自由振動法突然卸載法（初位移法）突然加載

6、法（初速度法）第六章 結構動載試驗1. 突然卸載法 此法又稱之為初位移法。它是先使結構產生一初始位移，然后突然卸載，利用結構的彈性使其自由振動起來的方法。具體做法可有以下幾種。第六章 結構動載試驗 (1) 開動絞盤，通過鋼絲繩牽拉被測結構物使其產生一初位移，當拉力足夠大時，脆性棒突然拉斷，使其突然卸載，結構由于彈性而自由振動。第六章 結構動載試驗 (2)對于小型構件，可采用剪斷懸掛質量塊的鉛絲來突然卸載，使其自由振動起來。第六章 結構動載試驗 (3)在著力點上附加一脆性材料，用千斤頂施加一推力，當推力使結構達到一定位移時，脆性材料突然斷開而突然卸載，使結構自由振動起來。 第六章 結構動載試驗2

7、. 突然加載法 此法又稱之為初速度法。它是對被測結構或構件產生一沖擊力，使得結構或構件獲得一初速度而自由振動起來。 此種方法可分為垂直加載和水平加載兩種。第六章 結構動載試驗 1）.垂直加載：它是將重物提升到一定的高度，使重物自由落體到結構或構件上，使結構或構件產生一初速度而自由振動起來。 一般要求重物的重量不大于試件跨度內結構或構件自重的0.1%。此外，為防止重物在結構上彈跳或砸損結構或構件，須在結構或構件上墊上1020砂墊層。并規(guī)定落物高度在以下 。第六章 結構動載試驗 2）.水平加載：它是針對質量和剛度不是很大的結構或構件而言的，可采用撞擊的方法，使其自由振動起來。 第六章 結構動載試驗

8、 最簡單的方法即是利用重錘敲擊結構或構件。如空框架，則可在其頂部敲擊 。第六章 結構動載試驗 另外，利用反沖擊振器的反沖擊振器法，也屬于初速度法。它的原理類似于火箭。其底座與結構錨固在一起。當火藥燃燒后，氣體膨脹，高壓氣體由噴嘴高速噴出。其反作用力給結構一個反沖擊力，使結構產生一初速度，而自由振動起來。第六章 結構動載試驗6.3.2 共振法 共振法即是利用激振設備，對被測結構物施加一簡諧荷載使結構產生一恒定的強迫簡諧振動，借助共振原理來得到結構自振特性的方法。 此激振設備即電磁式激振器和偏心式激振器。由激振器對結構物施加簡諧荷載，并作由低到高的頻率掃描，使被測結構物發(fā)生周期性強迫振動。當激振器

9、的頻率由低到高（掃頻）時，即可得到一組振幅與頻率的關系曲線。第六章 結構動載試驗第六章 結構動載試驗6.3.3 脈動法 脈動法它是借助于被測結構物周圍的不規(guī)則微弱干擾（如地面脈動、空氣流動等）所產生的微弱振動作為激勵來測定結構物自振特性的方法。 脈動法它有個重要的性質即是能明顯反應被測結構物的固有頻率，甚至高次頻率。它的最大優(yōu)點是簡便易行，不用專門的激振設備且不受結構物大小的限制。因而得到了廣泛的應用。第六章 結構動載試驗 通常在用脈動法實測結構自振特性時，其記錄的時間需長些，直至出現(xiàn)“拍振”波形。此外，記錄的時間長，測得高次頻率的幾率也就會大些。出現(xiàn)“拍振”才表明出現(xiàn)與被測結構物相同或相接近

10、的脈動頻率。因此“拍振”是脈動實測波形中的一個重要的標志。第六章 結構動載試驗6.3.4 振型實測的特殊要求 1 拾振器的標定 振型是結構物按其自身的某階自振頻率振動的各質點振動幅值相對大小的形狀。 因此，即要使得各質點（測點）上的拾振器的靈敏度相同。 由于拾振器生產廠家不可能將每個拾振器做成完全一樣的靈敏度。故在實測振型時必須對各拾振器進行標定。第六章 結構動載試驗 具體的標定方法是：（1）將若干個拾振器集中放在 同一質點上。（2）用脈動法測得各拾振器在 同一時刻同一位置上的振 動幅值。（3）記錄下此時各拾振器的幅 值，以便數(shù)據處理時進行 修正。第六章 結構動載試驗2 .橫向、縱向及空間振型

11、 由于實際的結構物是三維的。因此應分為橫向、縱向及空間振型。 結構物振動的縱向橫向及空間振型拾振器的安放：第六章 結構動載試驗3 拾振器數(shù)量少于實際測點數(shù)時的處理方法 當拾振器數(shù)量少于實際測點數(shù)時，可以采取分幾次測量的方法（但至少要有兩臺拾振器）。 其具體方法是：將某一質點的拾振器固定不動， 而使其它質點的拾振器于該臺固定不動的拾振器在同一時刻測定其振動幅值。即得到各質點幅值之比的振型圖。第六章 結構動載試驗6.4 結構動力反應的測定 結構特定部位動參數(shù)的測定 在結構動力反應試驗中，經常會遇到對結構物在動荷載作用下特定部位的動參數(shù)測定如：振幅、頻率、速度、加速度、動應變、動應力等等的測定。 所

12、謂特定部位如：校核結構強度時，結構最薄弱最危險的部位即為特定部位。又如：測定振動對精密儀器的影響時，精密儀器的基座處即為特定部位。第六章 結構動載試驗6.4.2 結構振動變位圖測定 為全面了解結構在動荷載下的振動狀態(tài)，需要測定結構的振動變位圖來進行描述。它是結構在動荷載作用下的變形曲線。 測定結構變位圖的方法與測定結構振型的方法類似。如圖所示。第六章 結構動載試驗6.4.3 結構動力系數(shù)測定 由于承受移動荷載（如：桁車、列車、汽車等）的結構其計算方法是以靜力計算為基礎的，因而需要在靜力計算中引入動力系數(shù)來判斷結構的工作情況。 動力系數(shù)的定義為：在移動荷載作用下，結構動撓度與靜撓度之比。第六章

13、結構動載試驗動力系數(shù)的測定方法： 將撓度計（可采用應變式機電百表）布置在被測結構的跨中處，并連線于動態(tài)電阻應變儀及記錄儀。 機電百分表 動態(tài)電阻應變儀記錄儀第六章 結構動載試驗（1）有軌的： 先使移動荷載慢行通過，測量被測結構跨中 然后按檢測要求的不同種速度通過，測量被測結構各種速度通過時的跨中 第六章 結構動載試驗（2）無軌的：由于兩次行駛的線路不可能完全一樣，可將移動荷載按檢測要求的不同種速度一次性通過，取振動撓度曲線之中線最大值為 ，振動撓度曲線最大值為 。第六章 結構動載試驗6.5 檢測數(shù)據處理6.5.1 結構自振特性各參數(shù)的數(shù)據處理結構自振特性主要包括三個參數(shù)：自振頻率、阻尼、振型。

14、1自振頻率求取結構的自振頻率又稱之為結構的固有頻率。它是結構自身所固有的頻率。頻率即單位時間里周期的個數(shù)：第六章 結構動載試驗 為了便于計算，在實測波形中選取恰好是 個周期。 由于 個周期所對應的時間不一定恰好是某個時間單位的整倍數(shù)，這時可引入速度 ，則有：第六章 結構動載試驗2 阻尼比求取1）.采用自由振動法求阻尼 由于結構物的自由振動是有阻尼的衰減振動，且是以對數(shù)形式衰減，其衰減系數(shù)稱之為對數(shù)衰減率，它定義為： 第六章 結構動載試驗 由于要有足夠的樣本，故要拓寬到 。故作如下變換：兩邊取對數(shù):則：第六章 結構動載試驗依據粘滯理論，如圖所示單自由度體系振動時程曲線：兩相鄰振幅之比為：第六章

15、結構動載試驗兩邊取對數(shù)則有：在此考慮結構為有阻尼的振動周期則有：而在通常情況下， 由于：如果 ： 則 ： 故有 ： 為結構自振圓頻率 ； 為有阻尼的結構圓頻率。第六章 結構動載試驗2）.采用共振法求阻尼 由結構動力學可知：有阻尼的單自由度體系在簡諧荷載作用下的動力放大系數(shù)為：式中： 為頻率比。其中， 為簡諧荷載（激振荷載）的圓頻率； 為被測結構的自振圓頻率。第六章 結構動載試驗 在如圖的動力放大系數(shù) 與激振頻率 的關系曲線（共振曲線）上，共 振峰所對應的頻率即是被測結構的自振頻率。在共振曲線上作一直線 與共振曲線相交，即將 代入 以上方程。第六章 結構動載試驗 第六章 結構動載試驗則有： ； 。將兩者相減則有：故有： 第六章 結構動載試驗 在采用共振法對結構激振，施加簡諧荷載時，結構在不同頻率荷載作用下它的共振曲線的幅值：式中： 為激振力；