第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)

第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)2023/2/61SchoolofUrbanConstructionandManagement2023/2/626.1概述在工程結(jié)構(gòu)所受的荷載中，除了靜荷載外，往往還會(huì)受到動(dòng)荷載（動(dòng)力作用）的作用。動(dòng)荷載：大小、位置和方向隨時(shí)間變化的荷載。從動(dòng)態(tài)角度來講，靜荷載只是動(dòng)荷載的一種特殊形式。動(dòng)力作用的主要特點(diǎn)：作用及作用效應(yīng)隨時(shí)間發(fā)生變化。因此考慮動(dòng)力荷載作用下結(jié)構(gòu)的性能，不僅考慮荷載作用的大小和位置，還應(yīng)考慮荷載作用的時(shí)間及結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時(shí)間變化的關(guān)系。例如：地震發(fā)生時(shí)由于地面的運(yùn)動(dòng)引起建筑物的振動(dòng)而造成建筑物的破壞；汽車或列車高速駛過橋梁，所造成的振動(dòng)引起的橋梁的破壞；往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞；風(fēng)作用而引起的橋梁破壞。因此，若需要了解結(jié)構(gòu)在整個(gè)服役期內(nèi)的工作狀態(tài)，有必要了解結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載動(dòng)荷載作用下的工作性能2023/2/636.1概述1940年，美國華盛頓州的塔科瑪峽谷上花費(fèi)640萬美元，建造了一座主跨度853.4米的懸索橋。建成4個(gè)月后，于同年11月7日碰到了一場風(fēng)速為19米/秒的風(fēng)。雖風(fēng)不算大，但橋卻發(fā)生了劇烈的扭曲振動(dòng)，且振幅越來越大（接近9米），直到橋面傾斜到45度左右，使吊桿逐根拉斷導(dǎo)致橋面鋼梁折斷而塌毀，墜落到峽谷之中。2023/2/646.1概述動(dòng)力荷載作用下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)不僅與動(dòng)力荷載的大小、位置、作用方式、變化規(guī)律有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性有關(guān)。因此一般將結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)分為結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)：研究與外荷載無關(guān)的結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力學(xué)特性。包括：結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼特性等。結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)：研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下位移、速度、加速度及變形、內(nèi)力變化情況。如疲勞試驗(yàn)。2023/2/656.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試試驗(yàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是反映結(jié)構(gòu)本身所固有的動(dòng)力性能。結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)不僅與荷載的大小和荷載的形式有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)自身特性關(guān)系密切。例如，在收到?jīng)_擊荷載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)開始振動(dòng)，荷載停止作用后，結(jié)構(gòu)仍然會(huì)繼續(xù)振動(dòng)很長時(shí)間，振動(dòng)的形式與結(jié)構(gòu)自身特性密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性包括：自振周期、自振頻率、振型、阻尼等。這些特性是結(jié)構(gòu)自身固有的振動(dòng)參數(shù)，取決于結(jié)構(gòu)的組成形式、質(zhì)量及剛度分布、構(gòu)造及連接方式等。2023/2/666.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試試驗(yàn)用試驗(yàn)法測定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，首先應(yīng)設(shè)法使結(jié)構(gòu)起振，通過分析記錄到的結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)，獲得結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的基本參數(shù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)的方法：迫振法：對(duì)被測結(jié)構(gòu)施加外界機(jī)理，強(qiáng)迫結(jié)構(gòu)起振。通過分析記錄得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)，獲得結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的基本參數(shù)。分為振動(dòng)荷載法（共振法）和撞擊荷載法（自由振動(dòng)法）脈動(dòng)試驗(yàn)法：利用地脈動(dòng)對(duì)建筑物引起的振動(dòng)過程進(jìn)行記錄分析得到結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法。2023/2/676.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試試驗(yàn)一、振動(dòng)荷載法（共振法）共振：結(jié)構(gòu)在受到與其自振周期一致的周期荷載激勵(lì)時(shí)，若結(jié)構(gòu)的阻尼為零，則結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨著時(shí)間的增加為無窮大。若結(jié)構(gòu)的阻尼不為零，則結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也較大。利用結(jié)構(gòu)的共振特性，迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)恒定的強(qiáng)迫簡譜運(yùn)動(dòng)（簡諧振動(dòng)），通過對(duì)結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)的測定，求得結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的基本參數(shù)。通過改變信號(hào)發(fā)生器的頻率，可測的一階、二階、三階及更高的自振頻率。固支梁一階、二階、三階自振頻率對(duì)應(yīng)的一、二、三階振型2023/2/686.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試試驗(yàn)應(yīng)用共振法還測量結(jié)構(gòu)振型。結(jié)構(gòu)若按某一個(gè)固有頻率作振動(dòng)時(shí)形成的泰興曲線成為對(duì)應(yīng)此頻率的振型。將若干拾振器（接收信號(hào)的裝置）布置在結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部位，當(dāng)激振器使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí)，同事記錄下結(jié)構(gòu)各部位的振動(dòng)過程，用過比較個(gè)各點(diǎn)的振幅和相位，也可以得到與共振頻率相應(yīng)的振型。2023/2/696.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試試驗(yàn)二、撞擊荷載法（自由振動(dòng)法）自由振動(dòng)法師設(shè)法使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)快通過分析記錄儀記錄下的有衰減的自由振動(dòng)曲線，獲得結(jié)構(gòu)的基本頻率和阻尼系數(shù)。常用方法是對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)加初位移。試驗(yàn)時(shí)，突然釋放預(yù)加的初位移，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)。也可采用突加荷載法和突卸荷載法。還可以使用反沖激振器對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊荷載，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)。用自由振動(dòng)法得到的周期和阻尼系數(shù)均比較準(zhǔn)確，但其缺點(diǎn)是只能測得基本頻率。2023/2/6106.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試試驗(yàn)三、脈動(dòng)法利用環(huán)境隨即激振測定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法稱為脈動(dòng)發(fā)。該方法不用專門的激振設(shè)備而是通過建筑物由于外界不規(guī)則的干擾而產(chǎn)生的微小振動(dòng)即“脈動(dòng)”來確定建筑物的特性。微小的地震機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)車輛來往等認(rèn)為擾動(dòng)具體方法主諧量法統(tǒng)計(jì)法頻譜分析法功率譜分析法2023/2/6116.3疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)或材料受重復(fù)荷載作用后其物理力學(xué)性能將發(fā)生變化，其強(qiáng)度極限將低于相同靜荷載作用下的極限值，這種現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)或材料的疲勞。疲勞破壞是材料損傷累積而導(dǎo)致的一種破壞形態(tài)。金屬疲勞的特征：交變荷載作用下，在構(gòu)件的交變應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料靜力強(qiáng)度的條件下有可能發(fā)生的疲勞破壞在單調(diào)靜載實(shí)驗(yàn)中變現(xiàn)為脆性或塑性的材料，發(fā)生疲勞破壞時(shí)，宏觀上均表現(xiàn)為脆性斷裂，疲勞破壞的預(yù)兆不明顯。疲勞破壞具有顯著的局部特征，疲勞裂紋擴(kuò)展和破壞過程發(fā)生在局部區(qū)域。疲勞破壞是一個(gè)累計(jì)損傷的過程，要精力足夠多次導(dǎo)致?lián)p傷的交變應(yīng)力才會(huì)發(fā)生疲勞破壞。2023/2/6126.3疲勞試驗(yàn)2023/2/6136.3疲勞試驗(yàn)一、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的目的結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的直接目的是確定結(jié)構(gòu)的疲勞極限，為了獲得結(jié)構(gòu)的疲勞極限，必須對(duì)結(jié)構(gòu)施加重復(fù)荷載，并測定結(jié)構(gòu)達(dá)到疲勞破壞時(shí)的荷載循環(huán)次數(shù)。結(jié)構(gòu)所能承受的荷載重復(fù)次數(shù)及應(yīng)力達(dá)到的最大值均與應(yīng)力的變化幅度有關(guān)。研究表明，在一定應(yīng)力變化幅度下，應(yīng)力與重復(fù)荷載作用次數(shù)的增加不會(huì)再引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。該疲勞應(yīng)力值成為疲勞極限應(yīng)力。2023/2/6146.3疲勞試驗(yàn)根據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的目的可以將試驗(yàn)分為研究性試驗(yàn)和檢驗(yàn)性試驗(yàn)。研究性試驗(yàn)一般應(yīng)包括：應(yīng)力隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化情況抗裂性及開裂荷載裂縫寬度、長度、間距及其發(fā)展與荷載重復(fù)次數(shù)關(guān)系最大撓度及其變化規(guī)律疲勞強(qiáng)度的確定破壞特征分析循環(huán)次數(shù)裂縫長度2023/2/6156.3疲勞試驗(yàn)根據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的目的可以將試驗(yàn)分為研究性試驗(yàn)和檢驗(yàn)性試驗(yàn)。鑒定性試驗(yàn)一般應(yīng)包括：抗裂性及開裂荷載裂縫寬度及其發(fā)展最大撓度及其變化規(guī)律疲勞強(qiáng)度的確定2023/2/6166.3疲勞試驗(yàn)二、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的方法一般均在專門疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。疲勞試驗(yàn)荷載由三個(gè)參量構(gòu)成：最大荷載最小荷載平均荷載2023/2/6176.3疲勞試驗(yàn)疲勞荷載的頻率選擇疲勞試驗(yàn)荷載在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)作用的次數(shù)稱為荷載的頻率。目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，主要依據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)的性能而定。但應(yīng)避免構(gòu)件共振?？紤]到試驗(yàn)時(shí)間，應(yīng)在疲勞試驗(yàn)機(jī)容許的加載頻率范圍內(nèi)選用較快的加載頻率。2023/2/6186.3疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)加載程序靜荷載試驗(yàn)階段預(yù)加載至20%Qmax，消除連接之間的不良接觸，檢查測試儀表是否正常工作。靜荷載試驗(yàn)同一般靜力試驗(yàn)，荷載等級(jí)按20%Qmax分5級(jí)加至Qmax，然后按同樣等級(jí)卸載。經(jīng)過Qmin時(shí)應(yīng)增設(shè)一個(gè)級(jí)次。疲勞試驗(yàn)極端保持荷載上、下限穩(wěn)定，誤差不超過最大荷載的3%。試驗(yàn)過程中有計(jì)劃的停機(jī)進(jìn)行靜態(tài)測點(diǎn)讀數(shù)（靜荷載試驗(yàn)）。破壞試驗(yàn)極端打到要求疲勞次數(shù)后，進(jìn)一步講試件家合作至破壞。a.繼續(xù)施加疲勞荷載直至破壞，得出承受荷載的極限次數(shù)；b.做靜荷載破壞試驗(yàn)，得出其極限承載力2023/2/6196.3疲勞試驗(yàn)三、疲勞試驗(yàn)測試內(nèi)容疲勞強(qiáng)度構(gòu)件所能承受疲勞荷載作用次數(shù)，取決于最大應(yīng)力值smax（或最大荷載Qmax）及應(yīng)力變