土木工程結(jié)構(gòu)動載試驗祥解課件

（1）熟悉結(jié)構(gòu)動力試驗常用的荷載模擬技術(shù)；（2）熟悉動載試驗量測儀器的工作原理及技術(shù)指標；（3）掌握結(jié)構(gòu)動力特性的各種測試方法；（4）掌握結(jié)構(gòu)動力反應的各種測試方法；（5）了解地震模擬振動臺試驗、強震觀測和人工爆破模擬地震試驗等；（6）了解結(jié)構(gòu)疲勞試驗的方法。

1工程結(jié)構(gòu)在動荷載下的振動影響問題：1.實側(cè)工程結(jié)構(gòu)物在實際動荷載下的振動反應(振幅、頻率、加速度、動應力等)。通過量測得到的數(shù)據(jù)和資料，研究由于受振動影響的結(jié)構(gòu)性能是否安全可靠、存在什么問題。2.采用各種類型的激振手段，對原型結(jié)構(gòu)或模型結(jié)構(gòu)進行動力特性試驗。主要測定工程結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等，動力性能參數(shù)亦稱自振特性參數(shù)或振動模態(tài)參數(shù)。這是研究結(jié)構(gòu)的抗震、抗風性能和能力的基本參數(shù)。3.工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(橋梁等)的疲勞試驗。研究和實測移動荷載及重復荷載作用下的結(jié)構(gòu)疲勞強度。6.1概述工程結(jié)構(gòu)在動荷載下的振動影響問題：1.實側(cè)工程結(jié)2定義：

工程結(jié)構(gòu)的動力特性又稱結(jié)構(gòu)的自振特性，是反映結(jié)構(gòu)本身所固有的動態(tài)參數(shù)，主要包括結(jié)構(gòu)的自振頻率，阻尼系數(shù)和振型等一些基本參數(shù)。

6.2工程結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定

方法：

結(jié)構(gòu)動力性能試驗的激振方法主要有人工激振法和環(huán)境隨機激振法。人工激振法又可分為自由振動法和強迫振動法定義：6.2工程結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定方法：31.自由振動法

在試驗中采用初位移或初速度的突卸或突加荷載的方法，使結(jié)構(gòu)受一沖擊荷載作用而產(chǎn)生自由振動。試驗時一般將測振傳感器布置在結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生最大振幅的部位，但要避開某些桿件可能產(chǎn)生的局部振動。

(a)—突卸荷載產(chǎn)生的自由振動；(b)—撞擊荷載位置與拾震器布置較遠時的振動記錄圖；(c)—是吊車剎車時的制動力引起的廠房自由振動圖形；(d)—是結(jié)構(gòu)作整體激振時，其組成構(gòu)件也作振動，它們之間頻率相差較大，從而形成兩種波形合成的自由振動圖。各種類型的振動記錄

人工激振法1.自由振動法在試驗中采用初位移或初速度的突卸4（1）振動頻率的測定（2）結(jié)構(gòu)的阻尼特性測定阻尼特性用對數(shù)衰減率或阻尼比來表示：對數(shù)衰減率為：在實際工程測量中，常采用平均對數(shù)衰減率，在實測振動圖中量取k個波，其平均值為：阻尼比：有阻尼的結(jié)構(gòu)自由振動圖（1）振動頻率的測定（2）結(jié)構(gòu)的阻尼特性測定阻尼特性用對數(shù)衰52.強迫振動法（1）結(jié)構(gòu)的固有頻率(第一頻率或基本頻率)測定：

利用激振器可以連續(xù)改變激振頻率的特點，使結(jié)構(gòu)發(fā)生第一次共振，第二次共振……當結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振時振幅出現(xiàn)最大值，這時候記錄下振動波形圖，在圖上可以找到最大振幅對應的頻率就是結(jié)構(gòu)的第一自振頻率(即基本頻率)。然后，再在共振頻率附近進行穩(wěn)定的激振試驗，仔細地測定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。

共振時的振動圖形和共振曲線2.強迫振動法（1）結(jié)構(gòu)的固有頻率(第一頻率或基本頻率)測定6（2）由共振曲線確定結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)和阻尼比和

按照結(jié)構(gòu)動力學原理，采用半功率法由共振曲線圖求得結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)和阻尼比。具體作法如下：共振曲線的縱坐標最大值的0．707倍處作一水平線與共振曲線相交于A和B兩點，則半功率點帶寬為：阻尼系數(shù)：

阻尼比：

共振曲線（2）由共振曲線確定結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)和阻尼比和按7⑶結(jié)構(gòu)的振型測量測量結(jié)構(gòu)振型是最常用的基本試驗方法是共振法。

(a)(b)(c)(a)-為測振傳感器的布置；(b)-為共振時記錄下的振動波形圖；(c)-為建筑物的振型曲線。

用共振法測量建筑物振型⑶結(jié)構(gòu)的振型測量測量結(jié)構(gòu)振型是最常用的基本試驗方法是共振法。8

環(huán)境隨機振動法又稱為脈動法，即利用脈動來測量和分析結(jié)構(gòu)動力特性的方法。人們在試驗觀測中發(fā)現(xiàn)，建筑物由于受外界環(huán)境的干擾而經(jīng)常處于微小而不規(guī)則的振動之中，其振幅一般在0.01mm以下，這種環(huán)境隨機振動稱之為脈動。波形圖的分析通常采用以下幾種方法：1.主諧量法2.頻譜分析法3.功率譜分析法環(huán)境隨機振動法環(huán)境隨機振動法又稱為脈動法，即利用脈動來測量和91.尋找主振源的試驗測定方法

（1）逐臺開動法當有多臺動力機械設備同時工作時，可以逐臺開動，實測結(jié)構(gòu)在每個振源影響下的振動反應，從中找出影響最大的主振源。

（2）實測波形識別法根據(jù)不同振源將會引起規(guī)律不同的強迫振動這一特點，其實測振動波形一定有明顯的不同特征，如下圖所示。因此可采用波形識別法判定振源的性質(zhì)，作為探測主振源的參考依據(jù)。6.3工程結(jié)構(gòu)的動力反應試驗測定

各種振源的振動記錄圖1.尋找主振源的試驗測定方法（1）逐臺開動法102.結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)的量測對結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)的量測就是在現(xiàn)場實測結(jié)構(gòu)的動力反應。3.工程結(jié)構(gòu)動力系數(shù)的試驗測定

移動荷載作用于結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的動撓度，往往比靜荷載時產(chǎn)生的撓度大。動撓度和靜撓度的比值稱為動力系數(shù)。

動力系數(shù)測定2.結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)的量測對結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)的量測就是在現(xiàn)場實測結(jié)構(gòu)11

在工程結(jié)構(gòu)中，有一些結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件，如承受吊車荷載作用的吊車梁，直接承受懸掛吊車作用的屋架等，它們主要承受重復性的荷載作用。而這些結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件在重復荷載作用下達到破壞時的強度比其靜力強度要低得多，這種現(xiàn)象稱為疲勞。結(jié)構(gòu)疲勞試驗的目的就是要了解在重復荷載作用下結(jié)構(gòu)的性能及其變化規(guī)律。

疲勞試驗一般均在專門的疲勞試驗機上進行，對構(gòu)件施加等幅勻速脈動荷載，借以模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用階段不斷反復加載和卸載的受力狀態(tài)。

6.4工程結(jié)構(gòu)疲勞試驗

疲勞試驗荷載簡圖在工程結(jié)構(gòu)中，有一些結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件，如承受吊車荷121.疲勞試驗項目

（1）對于鑒定性疲勞試驗

⑴抗裂性及開裂荷載；⑵裂縫寬度及其發(fā)展；⑶最大撓度及其變化幅度；⑷疲勞強度。（2）對于科研性的疲勞試驗

⑴各階段截面應力分布狀況，中和軸變化規(guī)律；⑵抗裂性及開裂荷載；⑶裂縫寬度、長度、間距及其發(fā)展；⑷最大撓度及其變化規(guī)律；⑸疲勞強度的確定；⑹破壞特征分析。1.疲勞試驗項目（1）對于鑒定性疲勞試驗⑴抗裂性及開裂荷132.疲勞試驗荷載（1）疲勞試驗荷載取值

疲勞試驗的上限荷載根據(jù)構(gòu)件在最大標準荷載最不利組合下產(chǎn)生的彎矩計算而得，荷載下限根據(jù)疲勞試驗設備的要求而定。

（2）疲勞試驗速度

荷載頻率不應使構(gòu)件及荷載架發(fā)生共振，同時，應使構(gòu)件在試驗時與實際工作時的受力狀態(tài)一致或（3）疲勞試驗的控制次數(shù)中級工作制吊車梁：重級工作制吊車梁：2.疲勞試驗荷載（1）疲勞試驗荷載取值疲勞試143.疲勞試驗的步驟變更荷載上限帶裂縫構(gòu)件一般構(gòu)件3.疲勞試驗的步驟變更荷載上限帶裂縫構(gòu)件一般構(gòu)件154.疲勞試驗的觀測（1）疲勞強度

構(gòu)件是以疲勞極限強度和疲勞極限荷載作為最大的疲勞承載能力，構(gòu)件達到疲勞破壞時的荷載上限值為疲勞極限荷載，構(gòu)件達到疲勞破壞時的應力最大值為疲勞極限強度。

（2）疲勞試驗的應變測量

一般采用電阻應變片測量動應變，測點布置依試驗具體要求而定。

（3）疲勞試驗的裂縫測量

目前測裂縫的方法還是利用光學儀器目測或利用應變傳感器電測裂縫等

（4）疲勞試驗的撓度測量

疲勞試驗中動撓度測量可采用接觸式測振儀、差動變壓器式位移計和電阻應變式位移傳感器等。4.疲勞試驗的觀測（1）疲勞強度構(gòu)件是以疲165.疲勞試驗試件的安裝⑴嚴格對中。荷載架上的分布梁、脈沖千斤頂、試驗構(gòu)件、支座以及中間墊板都要對中，特別是千斤頂軸心一定要同構(gòu)件斷面縱軸在一條直線上。⑵保持平穩(wěn)。疲勞試驗的支座最好是可調(diào)的，即使構(gòu)件不夠平直也能調(diào)整安裝水平，另外千斤頂與試件之間、支座與文墩之間、構(gòu)件與支座之間都要確實找平，用砂漿找平時不宜鋪厚，因為厚砂漿層易壓酥。⑶安全防護。疲勞破壞通常是脆性斷裂、事先沒有明顯預兆。為防止發(fā)生事故，對人身安全、儀器安全均應很好注意。5.疲勞試驗試件的安裝⑴嚴格對中。荷載架上的分布梁、176.5試驗資料的整理與分析1.合成波形的諧量分析

（1）典型合成波形的簡化分析法：拍振波形分析包絡線法（2）復雜周期振動波形分解法復雜周期振動波形的近似積分法6.5試驗資料的整理與分析1.合成波形的諧量分析（1）典型182.工程結(jié)構(gòu)自振特性的數(shù)據(jù)處理方法

（1）自振頻率的求取實測波形的頻率計算法計算公式如下：2.工程結(jié)構(gòu)自振特性的數(shù)據(jù)處理方法（1）自振頻率的求取實測19（2）阻尼的求取采用自由振動法求阻尼

實測波形的阻尼比算法（2）阻尼的求取采用自由振動法求阻尼實測波形的阻尼比算法20在共振法的共振曲線上求取阻尼

動力放大系數(shù)的曲線在共振法的共振曲線上求取阻尼動力放大系數(shù)的曲線213.結(jié)構(gòu)疲勞試驗的目的就是了解在重復荷載作用下結(jié)構(gòu)的性能和變化規(guī)律，結(jié)構(gòu)的疲勞試驗包括試驗項目、試驗荷載、試驗步驟和試驗觀測以及試驗試件的安裝。本章小結(jié)1.工程結(jié)構(gòu)的動力特性又稱結(jié)構(gòu)的自振特性，是反映結(jié)構(gòu)本身所固有的動態(tài)參數(shù)。工程結(jié)構(gòu)動力特性的測試方法包括人工激振法和環(huán)境隨機振動法，人工激振法可分為自由振動法和強迫振動法。2.對于工程結(jié)構(gòu)的動力反應試驗測定包括尋找主振源和結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)和動力系數(shù)的測定。4.動載試驗數(shù)據(jù)的整理與分析。3.結(jié)構(gòu)疲勞試驗的目的就是了解在重復荷載作用下結(jié)構(gòu)22

（1）熟悉結(jié)構(gòu)動力試驗常用的荷載模擬技術(shù)；（2）熟悉動載試驗量測儀器的工作原理及技術(shù)指標；（3）掌握結(jié)構(gòu)動力特性的各種測試方法；（4）掌握結(jié)構(gòu)動力反應的各種測試方法；（5）了解地震模擬振動臺試驗、強震觀測和人工爆破模擬地震試驗等；（6）了解結(jié)構(gòu)疲勞試驗的方法。

23工程結(jié)構(gòu)在動荷載下的振動影響問題：1.實側(cè)工程結(jié)構(gòu)物在實際動荷載下的振動反應(振幅、頻率、加速度、動應力等)。通過量測得到的數(shù)據(jù)和資料，研究由于受振動影響的結(jié)構(gòu)性能是否安全可靠、存在什么問題。2.采用各種類型的激振手段，對原型結(jié)構(gòu)或模型結(jié)構(gòu)進行動力特性試驗。主要測定工程結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等，動力性能參數(shù)亦稱自振特性參數(shù)或振動模態(tài)參數(shù)。這是研究結(jié)構(gòu)的抗震、抗風性能和能力的基本參數(shù)。3.工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(橋梁等)的疲勞試驗。研究和實測移動荷載及重復荷載作用下的結(jié)構(gòu)疲勞強度。6.1概述工程結(jié)構(gòu)在動荷載下的振動影響問題：1.實側(cè)工程結(jié)24定義：

工程結(jié)構(gòu)的動力特性又稱結(jié)構(gòu)的自振特性，是反映結(jié)構(gòu)本身所固有的動態(tài)參數(shù)，主要包括結(jié)構(gòu)的自振頻率，阻尼系數(shù)和振型等一些基本參數(shù)。

6.2工程結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定

方法：

結(jié)構(gòu)動力性能試驗的激振方法主要有人工激振法和環(huán)境隨機激振法。人工激振法又可分為自由振動法和強迫振動法定義：6.2工程結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定方法：251.自由振動法

在試驗中采用初位移或初速度的突卸或突加荷載的方法，使結(jié)構(gòu)受一沖擊荷載作用而產(chǎn)生自由振動。試驗時一般將測振傳感器布置在結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生最大振幅的部位，但要避開某些桿件可能產(chǎn)生的局部振動。

(a)—突卸荷載產(chǎn)生的自由振動；(b)—撞擊荷載位置與拾震器布置較遠時的振動記錄圖；(c)—是吊車剎車時的制動力引起的廠房自由振動圖形；(d)—是結(jié)構(gòu)作整體激振時，其組成構(gòu)件也作振動，它們之間頻率相差較大，從而形成兩種波形合成的自由振動圖。各種類型的振動記錄

人工激振法1.自由振動法在試驗中采用初位移或初速度的突卸26（1）振動頻率的測定（2）結(jié)構(gòu)的阻尼特性測定阻尼特性用對數(shù)衰減率或阻尼比來表示：對數(shù)衰減率為：在實際工程測量中，常采用平均對數(shù)衰減率，在實測振動圖中量取k個波，其平均值為：阻尼比：有阻尼的結(jié)構(gòu)自由振動圖（1）振動頻率的測定（2）結(jié)構(gòu)的阻尼特性測定阻尼特性用對數(shù)衰272.強迫振動法（1）結(jié)構(gòu)的固有頻率(第一頻率或基本頻率)測定：

利用激振器可以連續(xù)改變激振頻率的特點，使結(jié)構(gòu)發(fā)生第一次共振，第二次共振……當結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振時振幅出現(xiàn)最大值，這時候記錄下振動波形圖，在圖上可以找到最大振幅對應的頻率就是結(jié)構(gòu)的第一自振頻率(即基本頻率)。然后，再在共振頻率附近進行穩(wěn)定的激振試驗，仔細地測定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。

共振時的振動圖形和共振曲線2.強迫振動法（1）結(jié)構(gòu)的固有頻率(第一頻率或基本頻率)測定28（2）由共振曲線確定結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)和阻尼比和

按照結(jié)構(gòu)動力學原理，采用半功率法由共振曲線圖求得結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)和阻尼比。具體作法如下：共振曲線的縱坐標最大值的0．707倍處作一水平線與共振曲線相交于A和B兩點，則半功率點帶寬為：阻尼系數(shù)：

阻尼比：

共振曲線（2）由共振曲線確定結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)和阻尼比和按29⑶結(jié)構(gòu)的振型測量測量結(jié)構(gòu)振型是最常用的基本試驗方法是共振法。

(a)(b)(c)(a)-為測振傳感器的布置；(b)-為共振時記錄下的振動波形圖；(c)-為建筑物的振型曲線。

用共振法測量建筑物振型⑶結(jié)構(gòu)的振型測量測量結(jié)構(gòu)振型是最常用的基本試驗方法是共振法。30

環(huán)境隨機振動法又稱為脈動法，即利用脈動來測量和分析結(jié)構(gòu)動力特性的方法。人們在試驗觀測中發(fā)現(xiàn)，建筑物由于受外界環(huán)境的干擾而經(jīng)常處于微小而不規(guī)則的振動之中，其振幅一般在0.01mm以下，這種環(huán)境隨機振動稱之為脈動。波形圖的分析通常采用以下幾種方法：1.主諧量法2.頻譜分析法3.功率譜分析法環(huán)境隨機振動法環(huán)境隨機振動法又稱為脈動法，即利用脈動來測量和311.尋找主振源的試驗測定方法

（1）逐臺開動法當有多臺動力機械設備同時工作時，可以逐臺開動，實測結(jié)構(gòu)在每個振源影響下的振動反應，從中找出影響最大的主振源。

（2）實測波形識別法根據(jù)不同振源將會引起規(guī)律不同的強迫振動這一特點，其實測振動波形一定有明顯的不同特征，如下圖所示。因此可采用波形識別法判定振源的性質(zhì)，作為探測主振源的參考依據(jù)。6.3工程結(jié)構(gòu)的動力反應試驗測定

各種振源的振動記錄圖1.尋找主振源的試驗測定方法（1）逐臺開動法322.結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)的量測對結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)的量測就是在現(xiàn)場實測結(jié)構(gòu)的動力反應。3.工程結(jié)構(gòu)動力系數(shù)的試驗測定

移動荷載作用于結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的動撓度，往往比靜荷載時產(chǎn)生的撓度大。動撓度和靜撓度的比值稱為動力系數(shù)。

動力系數(shù)測定2.結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)的量測對結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)的量測就是在現(xiàn)場實測結(jié)構(gòu)33

在工程結(jié)構(gòu)中，有一些結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件，如承受吊車荷載作用的吊車梁，直接承受懸掛吊車作用的屋架等，它們主要承受重復性的荷載作用。而這些結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件在重復荷載作用下達到破壞時的強度比其靜力強度要低得多，這種現(xiàn)象稱為疲勞。結(jié)構(gòu)疲勞試驗的目的就是要了解在重復荷載作用下結(jié)構(gòu)的性能及其變化規(guī)律。

疲勞試驗一般均在專門的疲勞試驗機上進行，對構(gòu)件施加等幅勻速脈動荷載，借以模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用階段不斷反復加載和卸載的受力狀態(tài)。

6.4工程結(jié)構(gòu)疲勞試驗

疲勞試驗荷載簡圖在工程結(jié)構(gòu)中，有一些結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件，如承受吊車荷341.疲勞試驗項目

（1）對于鑒定性疲勞試驗

⑴抗裂性及開裂荷載；⑵裂縫寬度及其發(fā)展；⑶最大撓度及其變化幅度；⑷疲勞強度。（2）對于科研性的疲勞試驗

⑴各階段截面應力分布狀況，中和軸變化規(guī)律；⑵抗裂性及開裂荷載；⑶裂縫寬度、長度、間距及其發(fā)展；⑷最大撓度及其變化規(guī)律；⑸疲勞強度的確定；⑹破壞特征分析。1.疲勞試驗項目（1）對于鑒定性疲勞試驗⑴抗裂性及開裂荷352.疲勞試驗荷載（1）疲勞試驗荷載取值

疲勞試驗的上限荷載根據(jù)構(gòu)件在最大標準荷載最不利組合下產(chǎn)生的彎矩計算而得，荷載下限根據(jù)疲勞試驗設備的要求而定。

（2）疲勞試驗速度

荷載頻率不應使構(gòu)件及荷載架發(fā)生共振，同時，應使構(gòu)件在試驗時與實際工作時的受力狀態(tài)一致或（3）疲勞試驗的控制次數(shù)中級工作制吊車梁：重級工作制吊車梁：2.疲勞試驗荷載（1）疲勞試驗荷載取值疲勞試363.疲勞試驗的步驟變更荷載上限帶裂縫構(gòu)件一般構(gòu)件3.疲勞試驗的步驟變更荷載上限帶裂縫構(gòu)件一般構(gòu)件374.疲勞試驗的觀測（1）疲勞強度

構(gòu)件是以疲勞極限強度和疲勞極限荷載作為最大的疲勞承載能力，構(gòu)件達到疲勞破壞時的荷載上限值為疲勞極限荷載，構(gòu)件達到疲勞破壞時的應力最大值為疲勞極限強度。

（2）疲勞試驗的應變測量

一般采用電阻應變片測量動應變，測點布置依試驗具體要求而定。

（3）疲勞試驗的裂縫測量

目前測裂縫的方法還是利用光學儀器目測或利用應變傳感器電測裂縫等

（4）疲勞試驗的撓度測量

疲勞試驗中動撓度測量可采用接觸式測振儀、差動變壓器式位移計和電阻應變式位移傳感器等。4.疲勞試驗的觀測（1）疲勞強度構(gòu)件是以疲385.疲勞試驗試件的安裝⑴嚴格對中。荷