建筑結(jié)構(gòu)試驗第七章結(jié)構(gòu)動力特性試驗

建筑結(jié)構(gòu)試驗課件第七章結(jié)構(gòu)動力特性試驗第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.1概述建筑結(jié)構(gòu)動力特性是反映結(jié)構(gòu)本身所固有的動力性能。它的主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等一些基本參數(shù)，也稱動力特性參數(shù)或振動模態(tài)參數(shù)。這些特性是由結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度、材料性質(zhì)，構(gòu)造連接等因素決定，但與外荷載無關(guān)。建筑結(jié)構(gòu)動力特性試驗量測結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)是結(jié)構(gòu)動力試驗的基本內(nèi)容，在研究建筑結(jié)構(gòu)或其他工程結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)或抗御其它動荷載的性能和能力時，都必須要進行結(jié)構(gòu)動力特性試驗，了解結(jié)構(gòu)的自振特性。

第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.1概述1．在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，為了確定地震作用的大小，必須了解各類結(jié)構(gòu)的自振周期。同樣，對于已建建筑的震后加固修復(fù)，也需了解結(jié)構(gòu)的動力特性，建立結(jié)構(gòu)的動力計算模型，才能進行地震反應(yīng)分析。2．測量結(jié)構(gòu)動力特性，了解結(jié)構(gòu)的自振頻率，可以避免和防止動荷載作用所產(chǎn)生的干擾與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振或拍振現(xiàn)象。在設(shè)計中可以使結(jié)構(gòu)避開干擾源的影響，同樣也可以設(shè)法防止結(jié)構(gòu)自身動力特性對于儀器設(shè)備的工作產(chǎn)生干擾的影響，可以幫助尋找采取相應(yīng)的措施進行防震，隔震或消震。3．結(jié)構(gòu)動力特性試驗可以為檢測、診斷結(jié)構(gòu)的損傷積累提供可靠的資料和數(shù)據(jù)。由于結(jié)構(gòu)受動力作用，特別是地震作用后，結(jié)構(gòu)受損開裂使結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化，剛度的減弱使結(jié)構(gòu)自振周期變長，阻尼變大。由此，可以從結(jié)構(gòu)自身固有特性的變化來識別結(jié)構(gòu)物的損傷程度，為結(jié)構(gòu)的可靠度診斷和剩余壽命的估計提供依據(jù)。

第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.1概述建筑結(jié)構(gòu)的動力特性可按結(jié)構(gòu)動力學(xué)的理論進行計算。但由于實際結(jié)構(gòu)的組成，材料和連接等因素，經(jīng)簡化計算得出的理論數(shù)據(jù)往往會有一定誤差。對于結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)一般只能通過試驗來加以確定。因此，建筑結(jié)構(gòu)動力特性試驗就成為動力試驗中的一個極為重要的組成部分。

第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.1概述結(jié)構(gòu)動力特性試驗是以研究結(jié)構(gòu)自振特性為主，由于它可以在小振幅試驗下求得，不會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的振動和損壞，因此經(jīng)常可以在現(xiàn)場進行結(jié)構(gòu)的實物試驗，正如本章所介紹的試驗實例。隨著對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)研究的需要，目前較多的結(jié)構(gòu)動力試驗，特別是研究地震，風(fēng)震反應(yīng)的抗震動力試驗，也可以通過試驗室內(nèi)的模型試驗來測量它的動力特性。

第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.1概述人工激振法是一種早期使用的方法，試驗得到的資料數(shù)據(jù)直觀簡單，容易處理；環(huán)境隨機振動法是一種建立在計算機技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上采用數(shù)理統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)的新方法，由于它是利用環(huán)境脈動的隨機激振，不需要激振設(shè)備，對于現(xiàn)場測試特別有利。以上任何一種方法都能測得結(jié)構(gòu)的各種自振特性參數(shù)。

第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性7.2.1結(jié)構(gòu)自振頻率測量1、自由振動法定義：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。現(xiàn)場試驗：反沖激振器對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊荷載；工業(yè)廠房：鍛錘、沖床或利用行車的縱橫向制動產(chǎn)生垂直或水平的自由振動；橋梁：載重汽車越過障礙物或突然制動產(chǎn)生沖擊荷載。模型試驗：錘擊法激勵模型產(chǎn)生自由振動。通過測量儀器的記錄，可以得到結(jié)構(gòu)的有阻尼自由振動曲線。振動時程曲線，據(jù)記錄紙帶速度或時間座標(biāo)，量取振動波形的周期，由此求得結(jié)構(gòu)的自振頻率f＝1／T。

第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性7.2.1

結(jié)構(gòu)自振頻率測量2、強迫振動法

強迫振動法也稱共振法。一般都采用慣性式機械離心激振器對結(jié)構(gòu)施加周期性的簡諧振動，在模型試驗時可采用電磁激振器激振，使結(jié)構(gòu)和模型產(chǎn)生強迫振動。由結(jié)構(gòu)動力學(xué)可知，當(dāng)干擾力的頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相等時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。

利用激振器可以連續(xù)改變激振頻率的特點，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振時振幅出現(xiàn)極大值，這時激振器的頻率是結(jié)構(gòu)的自振頻率。

第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性7.2.2

結(jié)構(gòu)阻尼的測量阻尼對振動效應(yīng)影響較大，與結(jié)構(gòu)形式、材料性質(zhì)、連接、支座有關(guān)。計算振幅考慮阻尼影響。結(jié)構(gòu)體系阻尼大，結(jié)構(gòu)的彈性小，消耗地震荷載能量，結(jié)構(gòu)有利。1、自由振動法確定阻尼；2、按強迫振動共振曲線確定結(jié)構(gòu)的阻尼；3、由動力系數(shù)求組你比。第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性7.2.3

振型測量結(jié)構(gòu)各個點的位移、速度、加速度是時間和空間的函數(shù)。單自由度對應(yīng)頻率有一個，只有一個振型；多自由度對應(yīng)固有頻率和若干個振型；多自由度振型：稱為第一振型、第二振型、、、、第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性7.2.3

振型測量測振傳感器布置：沿結(jié)構(gòu)高度或跨度方向連續(xù)布置水平和垂直測振傳感器，整體結(jié)構(gòu)布置在各層樓面、屋面。試驗按振動記錄曲線取某一固有頻率結(jié)構(gòu)振動時各個測點同時間位移值，并將位移值連線，得到結(jié)構(gòu)振型曲線。量測注意振動曲線的相位。第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性實際工程測量：某疾病控制中心實驗樓建于1977年，原設(shè)計為六層，實際建成七層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為整體筏板基礎(chǔ)，建筑面積約5880m2，建筑為典型的內(nèi)廊式辦公樓，平面布置規(guī)則，結(jié)構(gòu)縱橫方向平面尺寸分別為56m，15m，建筑高度約為24m。第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性該建筑平面較為規(guī)則，選擇在走廊中部沿二至七層布置縱橫兩個方向的拾振器，測試時間為中午下班時間，以避免人為的干擾噪聲；現(xiàn)場采用50Hz的采樣頻率對結(jié)構(gòu)的脈動速度反應(yīng)進行約1小時的采樣，抗混濾波器設(shè)置20Hz的低通濾波，數(shù)據(jù)采集儀1～6通道分別對應(yīng)X方向二～七層的速度反應(yīng)，7～12通道分別對應(yīng)Y方向二～七層的速度反應(yīng),圖2和圖3分別為X、Y方向各通道的時域波形。

第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性圖1X方向各樓層速度反應(yīng)時域波形第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性圖2Y方向各樓層速度反應(yīng)時域波形第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性圖4X方向各樓層與7層速度反應(yīng)的互譜曲線：

第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性圖5Y方向各樓層與7層速度反應(yīng)的互譜曲線

第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性圖2和圖3所反映的樓層X、Y方向各通道的時域波形可以看出,隨樓層的增加,結(jié)構(gòu)的脈動反應(yīng)呈放大趨勢;對各樓層時域波形進行傅氏變換,以頂層質(zhì)點作為參考,得到各樓層相對于頂層質(zhì)點的互譜結(jié)果,具體見圖4和圖5,由圖4和圖5可以看出各層的互譜曲線均在結(jié)構(gòu)的主頻出現(xiàn)明顯的波峰。根據(jù)各樓層互譜幅值進行振型擬合,結(jié)果見表1和表2。第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性表1X方向前2階測試振型結(jié)果：樓層相對幅值振型1階TX1=1.7509S2階TX2=0.5810S71-160.958-0.64450.871-0.0340.7420.59430.5770.96920.3850.93510.1740.509000第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性表2X方向前2階測試振型結(jié)果：樓層第1階f1=2.002Hz第2階f2=5.956Hz振型7F(6#)10.315386F(5#)0.86755-0.350965F(4#)0.65894-0.790384F(3#)0.49139-13F(2#)0.36225-0.840382F(1#)0.23444-0.498081F00第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動力特性X方向前2階測試振型結(jié)果Y方向前2階測試振型結(jié)果

第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.3環(huán)境隨機振動法測量結(jié)構(gòu)動力特性該工程為七層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面布置規(guī)則，建筑各層高度分別為2×3.5m、5×3.4m，混凝土柱截面尺寸均為300×400，混凝土強度為C20，采用SATWE程序?qū)υ摻Y(jié)構(gòu)進行計算，計算得到該樓兩個方向前兩階振型和周期結(jié)果見表3～表4，實測周期與計算周期的比較結(jié)果見表5。第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.3環(huán)境隨機振動法測量結(jié)構(gòu)動力特性表3X方向計算振型結(jié)果：樓層相對幅值振型1階TX1=1.7509S2階TX2=0.5810S71-160.958-0.64450.871-0.0340.7420.59430.5770.96920.3850.93510.1740.509000第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.3環(huán)境隨機振動法測量結(jié)構(gòu)動力特性表4Y方向計算振型結(jié)果樓層相對幅值振型1階TY1=1.4268S2階TY2=0.4695S71160.9770.63850.880.00640.743-0.62330.571-0.98820.374-0.93710.163-0.493000第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.3環(huán)境隨機振動法測量結(jié)構(gòu)動力特性表5實測周期與計算周期的比較：

實測計算固有周期(秒)方向階次X1階0.52521.69260.312階0.17810.57690.31Y1階0.49951.38300.362階0.16790.46760.36第25頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一7.3環(huán)境隨機振動法測量結(jié)構(gòu)動力特性框架結(jié)構(gòu)的計算周期較實測周期偏大甚多，其中一個較主要的因素是，框架結(jié)構(gòu)在計算中，通?？箓?cè)力構(gòu)件只考慮承重的框架柱遭受破壞前，尤其在脈動反應(yīng)中，結(jié)構(gòu)整體處于線彈性工作階段，框架填充墻與框架協(xié)同工作且其提供的抗側(cè)剛度很大，這是造成結(jié)構(gòu)計算周期與實測值相比偏大的主要原因。

第26頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一