土木工程結(jié)構(gòu)動載試驗

關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)動載試驗第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日五、結(jié)構(gòu)動載試驗強(qiáng)烈的振動將使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形均很大，從而使其發(fā)生嚴(yán)重的破壞。

橋梁、高層建筑、屋蓋、冷卻塔等引起結(jié)構(gòu)振動的動力源一般可分為三種:固定源：機(jī)械設(shè)備等（風(fēng)機(jī)、機(jī)床…)移動源：車輛等特殊源：風(fēng)、地震、爆炸…各種振動源所帶來的振動荷載也是復(fù)雜多樣的，可概況為三種：撞擊荷載、振動荷載、復(fù)雜荷載5.1概述第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日五、結(jié)構(gòu)動載試驗一般說來，結(jié)構(gòu)動力測試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)動力特性的測定；（3）結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的反應(yīng)的測定自振頻率阻尼系數(shù)振型疲勞抗震抗風(fēng)5.1概述第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日五、結(jié)構(gòu)動載試驗[動荷載特性的測定]#動荷載的大小、方向（位置）、作用規(guī)律等都是隨時間的變化而變化的#結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)除與動荷載有關(guān)外，還與結(jié)構(gòu)自身動力特性密切相關(guān)#動荷載所產(chǎn)生的動力效應(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即可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞5.1概述第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日五、結(jié)構(gòu)動載試驗[動荷載特性的測定]

不同的振源會引起規(guī)律不同的強(qiáng)迫振動。依據(jù)這點(diǎn)，可以間接地判定振源的類別及某些特性[見Origin例子]5.1概述第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.2振動測量系統(tǒng)五、結(jié)構(gòu)動載試驗簡要回顧如下（P126-130）： 慣性式拾振器特點(diǎn)總結(jié)：ω/ω0>>1；可測量物體位移、振幅ω/ω0<<1；可反應(yīng)物體的加速度第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日1、概述2、振動測量系統(tǒng)3、結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定4、結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定5、結(jié)構(gòu)疲勞實驗6、抗震、抗風(fēng)簡介五、結(jié)構(gòu)動載試驗第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗每個結(jié)構(gòu)都有其自身的動力特性，它是結(jié)構(gòu)物自身所固有的一種屬性。它取決于結(jié)構(gòu)的組成形式，如材料性質(zhì)、剛度、質(zhì)量大小及其分布情況等。

它與外荷載無關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)確定后，其自振特性也就隨之確定下來。結(jié)構(gòu)自振特性主要包括：

自振頻率；阻尼；振型第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日五、結(jié)構(gòu)動載試驗一般通過試驗測定結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)由于結(jié)構(gòu)形式差異很大，所用的方法、儀器也不同，因此試驗結(jié)果會出現(xiàn)較大差異，可進(jìn)行多次反復(fù)試驗，獲得可靠的試驗結(jié)果。通常的做法，通過某種方法對結(jié)構(gòu)激振，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，依據(jù)儀器記錄到的振動波形進(jìn)行分析。人工激振法環(huán)境隨機(jī)振動法自由振動法強(qiáng)迫振動法第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗測定結(jié)構(gòu)的動力特性，首先應(yīng)設(shè)法讓結(jié)構(gòu)起振，然后測量某種振動參數(shù)，以獲得結(jié)構(gòu)動力特性的參數(shù)。早期的迫振方法主要有：振動荷載法（強(qiáng)迫振動法） 撞擊法（自由振動法）

地脈動對結(jié)構(gòu)引起振動的過程或地震引起結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動的過程是一種較新的技術(shù)。通過頻譜分析可得所需動力參數(shù)第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日五、結(jié)構(gòu)動載試驗采用突加載或突卸載的方法，使結(jié)構(gòu)受一沖擊荷載作用而產(chǎn)生有阻尼的自由振動。5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定[強(qiáng)迫振動法、撞擊荷載法]第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日放大器橋盒動態(tài)電阻應(yīng)變儀記錄設(shè)備結(jié)構(gòu)物撞擊拾振器應(yīng)變式動態(tài)位移傳感器自由振動衰減系數(shù)測系統(tǒng)第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日對于體積過大的結(jié)構(gòu)，采用突加或突卸荷載不足以使結(jié)構(gòu)起振時，可改用初位移法。第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日對小尺度的模型試驗，可采用錘擊法激勵模型產(chǎn)生自由振動第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日五、結(jié)構(gòu)動載試驗自由振動時間歷程曲線有阻尼的自由振動方程為：η為衰減系數(shù)第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日五、結(jié)構(gòu)動載試驗周期或頻率：從圖中直接讀出，或取若干個周期進(jìn)行平均，提高精度衰減系數(shù)(η)：阻尼比(ζ)：第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日優(yōu)點(diǎn)：該方法所得到的周期和阻尼系數(shù)是可靠的，試驗結(jié)果的整理比較容易五、結(jié)構(gòu)動載試驗5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定[自由振動法、撞擊荷載法]缺點(diǎn)：但往往只能測得一階的固有頻率和振型第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗[振動荷載法，強(qiáng)迫振動法]借助按一定規(guī)律振動的荷載，迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個恒定的強(qiáng)迫簡諧振動，通過對結(jié)構(gòu)受迫振動的測定，求得結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)。P139

當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時，用拾振器同時測量結(jié)構(gòu)各部位的振動信號，比較各測點(diǎn)的振幅和相位，即可得到該頻率下的振型圖。第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗[振動荷載法]結(jié)構(gòu)頻率掃描時間歷程曲線第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日什么是模態(tài)？模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備的故障診斷的重要方法。第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日方形平板的各階模態(tài)及其對應(yīng)的頻率第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗[振動荷載法]共振曲線當(dāng)采用偏心式激振器時，激振力與其頻率的平方成正比。當(dāng)偏心塊旋轉(zhuǎn)頻率逐漸增大，其激振力也隨之增加，這樣就破壞了共振所引起被測物振動幅值增大的“純潔”性。解決的方法是在繪制共振曲線時將其縱坐標(biāo)更改為A/ω2第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗[振動荷載法]共振曲線帶寬法、半功率法求結(jié)構(gòu)的阻尼衰減系數(shù)阻尼比第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗[振動荷載法]注意：振動荷載（即激勵器）的安裝方向和位置要根據(jù)試驗結(jié)構(gòu)的具體情況而定。通常，整體結(jié)構(gòu)（高層建筑等）的動荷載試驗在水平方向上激振，板和梁的動荷載在垂直方向激振。激振器不能布置在某階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)上。第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日優(yōu)點(diǎn)：對于較復(fù)雜的動力問題，可得到若干個固有頻率。缺點(diǎn)：需專門的激振器。5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗[振動荷載法，強(qiáng)迫振動法]第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗[脈動法、環(huán)境隨機(jī)振動法]脈動法通常用于測量整體建筑物的動力特性，這種方法不用專門的激振設(shè)備，而是通過測量建筑物由于外界不規(guī)則的干擾而產(chǎn)生的微小振動，即“脈動”，來確定建筑物的動力特性。脈動信號極其微弱，一般只有幾微米到幾百微米環(huán)境帶來的脈動，影響因素眾多：地面脈動、風(fēng)載荷脈動、車輛和機(jī)械振動等。第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗[脈動法、環(huán)境隨機(jī)振動法]注意：

當(dāng)外界脈動的卓越頻率接近建筑物一階頻率時，建筑物的脈動圖中，一階模態(tài)的分量必然占主導(dǎo)作用。若外界頻率接近二階或三階頻率時，其對應(yīng)模態(tài)將其主導(dǎo)作用。為得到建筑物整體振動特性，應(yīng)沿高度或水平方向同時布置測量儀器。若儀器數(shù)量不足，可固定一臺，作相位參考。為全面反映地面不規(guī)則運(yùn)動的脈動，儀器應(yīng)有足夠的頻響范圍。第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗[脈動法、環(huán)境隨機(jī)振動法]分析方法：

主諧量法 統(tǒng)計法

頻譜分析法、功率譜分析法第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定[脈動法、環(huán)境隨機(jī)振動法]____主諧量法第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定[脈動法、環(huán)境隨機(jī)振動法]____頻譜分析法、功率譜分析法五、結(jié)構(gòu)動載試驗研究振動的某個物理量（如幅值）與頻率之間的關(guān)系稱之為頻譜分析。它是將振動的時間域信號變換到頻率域上進(jìn)行分析。（傅立葉變換，F(xiàn)FT）第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定[脈動法、環(huán)境隨機(jī)振動法]____頻譜分析法、功率譜分析法五、結(jié)構(gòu)動載試驗通過振幅譜可以確定各階主頻率的大小，但是對應(yīng)振動形態(tài)還不清楚。可以將某一觀測點(diǎn)做為參考信號，其他各點(diǎn)分別與它作互相關(guān)分析，求出各測點(diǎn)間的相位關(guān)系。第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日[脈動法、環(huán)境隨機(jī)振動法]____頻譜分析法、功率譜分析法例子:第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日1、概述2、振動測量系統(tǒng)3、結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定4、結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定5、結(jié)構(gòu)疲勞實驗6、抗震、抗風(fēng)簡介五、結(jié)構(gòu)動載試驗第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗在了解了結(jié)構(gòu)動力特性的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)在動荷載的作用下的動力反應(yīng)機(jī)械振動、車輛運(yùn)動、風(fēng)荷載、地振動等動應(yīng)變、動位移動力系數(shù)等第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗動應(yīng)變的測定：動態(tài)應(yīng)變儀＋多通道采樣系統(tǒng)P146第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗動位移的測定：可通過各個測點(diǎn)上的位移得到動荷載作用下的振動變位圖。注意：該方法與確定振型的方法類似，但兩者有本質(zhì)上的區(qū)別。第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日有時為了全面了解結(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。結(jié)構(gòu)振動變位圖與結(jié)構(gòu)的振型有些類似，但在本質(zhì)上是有區(qū)別的。前者是結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的變形曲線；而后者是結(jié)構(gòu)自由振動狀態(tài)下的振動形狀，是結(jié)構(gòu)的自振特性，它與外荷載無關(guān)。5.4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗動位移的測定：第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗動力系數(shù)： 實踐證明，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在移動荷載作用下產(chǎn)生的撓度比在同樣大小的靜荷載作用下的撓度要大，即同樣荷載大小的情況下，動荷載效應(yīng)大于靜荷載效應(yīng)。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)加大抗力，乘上一個大于1的系數(shù)（以確保在動荷載下結(jié)構(gòu)的安全），該系數(shù)為動力系數(shù)。第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日有軌時測定方法：先使移動荷載以最慢的速度駛過結(jié)構(gòu)，測得結(jié)構(gòu)的最大撓度，然后使移動荷載按某種速度駛過，測得各種速度駛過結(jié)構(gòu)的最大撓度，從中找出最大撓度的某一速度。慢速駛過快速駛過5.4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗動力系數(shù)：第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日無軌道時，由于兩次行駛的線路不可能完全一樣，故將移動荷載一次性高速通過，取振動撓度曲線之中線的最大值yj，振動撓度曲線最大值yd

5.4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定五、結(jié)構(gòu)動載試驗動力系數(shù)：第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日1、概述2、振動測量系統(tǒng)3、結(jié)構(gòu)動力特性的試驗測定4、結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定5、結(jié)構(gòu)疲勞實驗6、抗震、抗風(fēng)簡介五、結(jié)構(gòu)動載試驗第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗五、結(jié)構(gòu)動載試驗材料或結(jié)構(gòu)在重復(fù)荷載的作用后，物理學(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)象稱為疲勞。生活中、工程中，疲勞破壞的例子隨處可見。第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日墜入水中的車輛多達(dá)50多輛，已造成7人死亡，60多人受傷，其中20多人傷勢嚴(yán)重的后果。

Minneapolis橋梁疲勞倒塌/wiki/I-35W_Mississippi_River_bridge第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)材料和結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復(fù)作用下材料和結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞現(xiàn)象：結(jié)構(gòu)多次重復(fù)荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)某一部分局部損傷的遞增和積累，導(dǎo)致裂紋的形成并逐步擴(kuò)展，材料的極限強(qiáng)度降低，以致結(jié)構(gòu)在低于極限靜力荷載作用情況下被破壞。5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗五、結(jié)構(gòu)動載試驗第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日靜力破壞與疲勞破壞的區(qū)別靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞；疲勞破壞是多次反復(fù)載荷作用下的破壞，它不是短期內(nèi)發(fā)生的，而是要經(jīng)歷一定的時間，甚至很長時間才發(fā)生破壞。

當(dāng)靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時，不會發(fā)生靜力破壞；而交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。

靜力破壞通常有明顯的塑性變形產(chǎn)生；疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形跡象，哪怕是塑性良好的金屬也這樣，就像脆性破壞一樣，事先不易覺察出來，這就表明疲勞破壞具有更大的危險性。

5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗五、結(jié)構(gòu)動載試驗第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗五、結(jié)構(gòu)動載試驗對于建筑結(jié)構(gòu)而言，它即有材料疲勞的問題也有結(jié)構(gòu)本身疲勞的問題。結(jié)構(gòu)疲勞試驗的分類：按受力狀況不同：壓力疲勞、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞按試驗信號類型：等幅疲勞、變幅疲勞按環(huán)境條件不同：腐蝕環(huán)境下的疲勞、高溫/低溫下的疲勞等不同的疲勞試驗可以得到結(jié)構(gòu)不同條件下的疲勞特性。第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗[疲勞試驗的目的]五、結(jié)構(gòu)動載試驗確定結(jié)構(gòu)的疲勞極限；在重復(fù)荷載下，測定結(jié)構(gòu)達(dá)到疲勞破壞時荷載重復(fù)次數(shù)。（１）各階段截面的應(yīng)力分布狀況，中和軸變化規(guī)律；（２）抗裂性及開裂荷載；（３）裂縫寬度、長度、間距及其發(fā)展；（４）最大撓度及其變化規(guī)律；（５）疲勞強(qiáng)度的確定；（６）破壞特征分析。對于科研性的疲勞試驗：第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗五、結(jié)構(gòu)動載試驗[疲勞試驗的目的]對于鑒定性的疲勞試驗，在控制疲勞次數(shù)內(nèi)，測量：（１）抗裂性及開裂荷載；（２）裂縫寬度及其發(fā)展；（３）最大撓度及其變化幅度；（４）疲勞強(qiáng)度及其疲勞壽命。疲勞次數(shù)的規(guī)定：中級工作制吊車梁2*106次

重級工