土木工程實驗原理結(jié)構(gòu)動載試驗

土木工程實驗原理結(jié)構(gòu)動載試驗第1頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗

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(fēng)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(chǎn)生的動力影響微乎其微的一種特殊形式而已。第2頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗

要尋求結(jié)構(gòu)在任意動荷載作用下隨時間而變化的響應(yīng)：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(jié)果的有效方法。

結(jié)構(gòu)動力檢測主要包括如下三方面的內(nèi)容：

(1)動荷載特性的測定；

(2)結(jié)構(gòu)自振特性的測定；

(3)結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的動力反應(yīng)的測定。第3頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)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改變；（2）結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)與結(jié)構(gòu)自振特性密切相關(guān)；（3）動荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)有時遠(yuǎn)大于相應(yīng)的靜力效應(yīng)，甚至一個并不大的動荷載就能使結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)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4頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗6.2.1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5頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)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(fù)式運動部件所產(chǎn)生的慣性力（如牛頭刨床、曲柄連桿機械等）可測得該運動部件的加速度、慣性力、作用頻率及作用規(guī)律等。第6頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗(2)對于錨固在結(jié)構(gòu)物上的動力設(shè)備，可以將加速度傳感器直接固定在振動設(shè)備的振動體下方。使加速度傳感器直接感受振動設(shè)備的動荷載，以測得其動荷載特性的相關(guān)參數(shù)。第7頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗(3)當(dāng)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(guān)參數(shù)?？紤]到?jīng)_擊荷載的沖擊力，應(yīng)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(jù)失效。第8頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗(4)實測高層建筑的風(fēng)壓，則可在高層建筑物外墻表面安裝風(fēng)壓盒來感受風(fēng)荷載，從而測得風(fēng)荷載特性的相關(guān)參數(shù)。第9頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗2.比較法需要激振設(shè)備且被測振源是可以開啟和關(guān)閉的。具體方法是：1）振源打開，記錄下振動波形；2）關(guān)閉振源，打開激振設(shè)備，調(diào)節(jié)激振設(shè)備使之特性于前相同。第10頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗6.3結(jié)構(gòu)自振特性的測定

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自振特性是結(jié)構(gòu)自身所固有的屬性。它取決于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度，僅與結(jié)構(gòu)自身材料的組成有關(guān)，與外荷載無關(guān)。第11頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗實測結(jié)構(gòu)自振特性的意義：

（1）設(shè)計受動力作用的結(jié)構(gòu)物時，力圖避開共振區(qū)，從而減少動力影響；（2）如結(jié)構(gòu)必須在共振區(qū)工作，則阻尼可以抑制動力反應(yīng)；（3）當(dāng)用振型分解法計算結(jié)構(gòu)振動時，結(jié)構(gòu)的自振特性必須預(yù)先確定。第12頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗

此外，結(jié)構(gòu)的自振特性特別是阻尼比是很難用計算方法確定的。結(jié)構(gòu)的自振特性除與結(jié)構(gòu)重量及其分布、主體結(jié)構(gòu)的剛度及其分布有關(guān)外，還與非承重構(gòu)件及其與主體結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)有關(guān)。以上這些都十分復(fù)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(chǔ)上才能提出合理的計算假定、計算簡圖及計算方法。為此，結(jié)構(gòu)自振特性的實測是十分重要和有意義的。第13頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗6.3.1

自由振動法

自由振動法即是借助于外荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一初位移（或初速度），使結(jié)構(gòu)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）突然加載法（初速度法）第14頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生一初始位移，然后突然卸載，利用結(jié)構(gòu)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15頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗(1)開動絞盤，通過鋼絲繩牽拉被測結(jié)構(gòu)物使其產(chǎn)生一初位移，當(dāng)拉力足夠大時，脆性棒突然拉斷，使其突然卸載，結(jié)構(gòu)由于彈性而自由振動。第16頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗(2)對于小型構(gòu)件，可采用剪斷懸掛質(zhì)量塊的鉛絲來突然卸載，使其自由振動起來。第17頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)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(dāng)推力使結(jié)構(gòu)達(dá)到一定位移時，脆性材料突然斷開而突然卸載，使結(jié)構(gòu)自由振動起來。第18頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗2.突然加載法

此法又稱之為初速度法。它是對被測結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生一沖擊力，使得結(jié)構(gòu)或構(gòu)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19頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)或構(gòu)件上，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)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(nèi)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件自重的0.1%。此外，為防止重物在結(jié)構(gòu)上彈跳或砸損結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，須在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上墊上10～20㎝砂墊層。并規(guī)定落物高度在2.5m以下。第20頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗

2）.水平加載：它是針對質(zhì)量和剛度不是很大的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件而言的，可采用撞擊的方法，使其自由振動起來。第21頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗

最簡單的方法即是利用重錘敲擊結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。如空框架，則可在其頂部敲擊。第22頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)錨固在一起。當(dāng)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(jié)構(gòu)一個反沖擊力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一初速度，而自由振動起來。第23頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗6.3.2共振法共振法即是利用激振設(shè)備，對被測結(jié)構(gòu)物施加一簡諧荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一恒定的強迫簡諧振動，借助共振原理來得到結(jié)構(gòu)自振特性的方法。此激振設(shè)備即電磁式激振器和偏心式激振器。由激振器對結(jié)構(gòu)物施加簡諧荷載，并作由低到高的頻率掃描，使被測結(jié)構(gòu)物發(fā)生周期性強迫振動。當(dāng)激振器的頻率由低到高（掃頻）時，即可得到一組振幅與頻率的關(guān)系曲線。第24頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗第25頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗6.3.3脈動法

脈動法它是借助于被測結(jié)構(gòu)物周圍的不規(guī)則微弱干擾（如地面脈動、空氣流動等）所產(chǎn)生的微弱振動作為激勵來測定結(jié)構(gòu)物自振特性的方法。脈動法它有個重要的性質(zhì)即是能明顯反應(yīng)被測結(jié)構(gòu)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(shè)備且不受結(jié)構(gòu)物大小的限制。因而得到了廣泛的應(yīng)用。第26頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗

通常在用脈動法實測結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物相同或相接近的脈動頻率。因此“拍振”是脈動實測波形中的一個重要的標(biāo)志。第27頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗6.3.4振型實測的特殊要求

1拾振器的標(biāo)定振型是結(jié)構(gòu)物按其自身的某階自振頻率振動的各質(zhì)點振動幅值相對大小的形狀。因此，即要使得各質(zhì)點（測點）上的拾振器的靈敏度相同。由于拾振器生產(chǎn)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(jìn)行標(biāo)定。第28頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗

具體的標(biāo)定方法是：（1）將若干個拾振器集中放在同一質(zhì)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(jù)處理時進(jìn)行修正。第29頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗2.橫向、縱向及空間振型由于實際的結(jié)構(gòu)物是三維的。因此應(yīng)分為橫向、縱向及空間振型。結(jié)構(gòu)物振動的縱向橫向及空間振型拾振器的安放：第30頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)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(dāng)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(zhì)點的拾振器固定不動，而使其它質(zhì)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(zhì)點幅值之比的振型圖。第31頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗6.4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的測定

6.4.1結(jié)構(gòu)特定部位動參數(shù)的測定在結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)試驗中，經(jīng)常會遇到對結(jié)構(gòu)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(yīng)變、動應(yīng)力等等的測定。所謂特定部位如：校核結(jié)構(gòu)強度時，結(jié)構(gòu)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32頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗6.4.2結(jié)構(gòu)振動變位圖測定為全面了解結(jié)構(gòu)在動荷載下的振動狀態(tài)，需要測定結(jié)構(gòu)的振動變位圖來進(jìn)行描述。它是結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的變形曲線。測定結(jié)構(gòu)變位圖的方法與測定結(jié)構(gòu)振型的方法類似。如圖所示。第33頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗6.4.3結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)其計算方法是以靜力計算為基礎(chǔ)的，因而需要在靜力計算中引入動力系數(shù)來判斷結(jié)構(gòu)的工作情況。動力系數(shù)的定義為：在移動荷載作用下，結(jié)構(gòu)動撓度與靜撓度之比。第34頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗動力系數(shù)的測定方法：將撓度計（可采用應(yīng)變式機電百表）布置在被測結(jié)構(gòu)的跨中處，并連線于動態(tài)電阻應(yīng)變儀及記錄儀。

機電百分表

動態(tài)電阻應(yīng)變儀記錄儀第35頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗（1）有軌的：先使移動荷載慢行通過，測量被測結(jié)構(gòu)跨中然后按檢測要求的不同種速度通過，測量被測結(jié)構(gòu)各種速度通過時的跨中第36頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)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37頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗6.5檢測數(shù)據(jù)處理6.5.1結(jié)構(gòu)自振特性各參數(shù)的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)自振特性主要包括三個參數(shù)：自振頻率、阻尼、振型。1自振頻率求取結(jié)構(gòu)的自振頻率又稱之為結(jié)構(gòu)的固有頻率。它是結(jié)構(gòu)自身所固有的頻率。頻率即單位時間里周期的個數(shù)：第38頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)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(yīng)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39頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗2阻尼比求取1）.采用自由振動法求阻尼由于結(jié)構(gòu)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40頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)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41頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗依據(jù)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42頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗兩邊取對數(shù)則有：在此考慮結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自振圓頻率；為有阻尼的結(jié)構(gòu)圓頻率。第43頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗2）.采用共振法求阻尼由結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(jié)構(gòu)的自振圓頻率。第44頁/共50頁第六章結(jié)構(gòu)動載試驗