第6章 土木工程結(jié)構(gòu)動載試驗

第6章土木工程結(jié)構(gòu)動載試驗

6.1

概述

6.2工程結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定

6.3工程結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)試驗測定

6.4工程結(jié)構(gòu)疲勞試驗

6.5試驗資料的整理與分析

（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(biāo)；（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(yīng)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。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(yīng)(振幅、頻率、加速度、動應(yīng)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(fēng)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(fù)荷載作用下的結(jié)構(gòu)疲勞強度。6.1概述定義：

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1.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）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：

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(dāng)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(yīng)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）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(xué)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(biāo)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。

(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

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1.尋找主振源的試驗測定方法

（1）逐臺開動法當(dāng)有多臺動力機械設(shè)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(yīng)，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(yīng)試驗測定

各種振源的振動記錄圖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)的動力反應(yīng)。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

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(fù)性的荷載作用。而這些結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件在重復(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)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。2.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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備的要求而定。

（2）疲勞試驗速度

荷載頻率不應(yīng)使構(gòu)件及荷載架發(fā)生共振，同時，應(yīng)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：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4.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(yīng)力最大值為疲勞極限強度。

（2）疲勞試驗的應(yīng)變測量

一般采用電阻應(yīng)變片測量動應(yīng)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(xué)儀器目測或利用應(yīng)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(yīng)變式位移傳感器等。5.疲勞試驗試件的安裝⑴嚴(yán)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(yù)兆。為防止發(fā)生事故，對人身安全、儀器安全均應(yīng)很好注意。6.5試驗資料的整理與分析1.合成波形的諧量分析

（1）典型合成波形的簡化分析法：拍振波形分析包絡(luò)線法（2）復(fù)雜周期振動波形分解法復(fù)雜周期振動波形的近似積分法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波形的頻率計算法計算公式如下：（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在共振法的共振曲線上求取阻尼

動力放大系數(shù)的曲線3.結(jié)構(gòu)疲勞試驗的目的就是了解在重復(fù)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、