建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課件第七章結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)

建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課件第七章結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.1概述

建筑結(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。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(dòng)力特性參數(shù)或振動(dòng)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(dòng)力特性試驗(yàn)量測結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)是結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)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(dòng)荷載的性能和能力時(shí)，都必須要進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)，了解結(jié)構(gòu)的自振特性。

第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.1概述1．在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)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(duì)于已建建筑的震后加固修復(fù)，也需了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算模型，才能進(jìn)行地震反應(yīng)分析。2．測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，了解結(jié)構(gòu)的自振頻率，可以避免和防止動(dòng)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(jì)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(dòng)力特性對(duì)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(jìn)行防震，隔震或消震。3．結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)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(dòng)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(shí)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(jì)提供依據(jù)。

第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.1概述建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性可按結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的理論進(jìn)行計(jì)算。但由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的組成，材料和連接等因素，經(jīng)簡化計(jì)算得出的理論數(shù)據(jù)往往會(huì)有一定誤差。對(duì)于結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)一般只能通過試驗(yàn)來加以確定。因此，建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)就成為動(dòng)力試驗(yàn)中的一個(gè)極為重要的組成部分。

第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.1概述結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)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(yàn)下求得，不會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的振動(dòng)和損壞，因此經(jīng)?？梢栽诂F(xiàn)場進(jìn)行結(jié)構(gòu)的實(shí)物試驗(yàn)，正如本章所介紹的試驗(yàn)實(shí)例。隨著對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)研究的需要，目前較多的結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)，特別是研究地震，風(fēng)震反應(yīng)的抗震動(dòng)力試驗(yàn)，也可以通過試驗(yàn)室內(nèi)的模型試驗(yàn)來測量它的動(dòng)力特性。

第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.1概述人工激振法是一種早期使用的方法，試驗(yàn)得到的資料數(shù)據(jù)直觀簡單，容易處理；環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法是一種建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理數(shù)據(jù)的新方法，由于它是利用環(huán)境脈動(dòng)的隨機(jī)激振，不需要激振設(shè)備，對(duì)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)。

第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性7.2.1結(jié)構(gòu)自振頻率測量1、自由振動(dòng)法定義：在試驗(yàn)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(dòng)?，F(xiàn)場試驗(yàn)：反沖激振器對(duì)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(dòng)產(chǎn)生垂直或水平的自由振動(dòng)；橋梁：載重汽車越過障礙物或突然制動(dòng)產(chǎn)生沖擊荷載。模型試驗(yàn)：錘擊法激勵(lì)模型產(chǎn)生自由振動(dòng)。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(dòng)曲線。振動(dòng)時(shí)程曲線，據(jù)記錄紙帶速度或時(shí)間座標(biāo)，量取振動(dòng)波形的周期，由此求得結(jié)構(gòu)的自振頻率f＝1／T。

第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性7.2.1

結(jié)構(gòu)自振頻率測量2、強(qiáng)迫振動(dòng)法

強(qiáng)迫振動(dòng)法也稱共振法。一般都采用慣性式機(jī)械離心激振器對(duì)結(jié)構(gòu)施加周期性的簡諧振動(dòng)，在模型試驗(yàn)時(shí)可采用電磁激振器激振，使結(jié)構(gòu)和模型產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。由結(jié)構(gòu)動(dòng)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(shí)，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(diǎn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振時(shí)振幅出現(xiàn)極大值，這時(shí)激振器的頻率是結(jié)構(gòu)的自振頻率。

第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性7.2.2

結(jié)構(gòu)阻尼的測量阻尼對(duì)振動(dòng)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(jì)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(dòng)法確定阻尼；2、按強(qiáng)迫振動(dòng)共振曲線確定結(jié)構(gòu)的阻尼；3、由動(dòng)力系數(shù)求組你比。第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性7.2.3

振型測量結(jié)構(gòu)各個(gè)點(diǎn)的位移、速度、加速度是時(shí)間和空間的函數(shù)。單自由度對(duì)應(yīng)頻率有一個(gè)，只有一個(gè)振型；多自由度對(duì)應(yīng)固有頻率和若干個(gè)振型；多自由度振型：稱為第一振型、第二振型、、、、第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)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(yàn)按振動(dòng)記錄曲線取某一固有頻率結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)各個(gè)測點(diǎn)同時(shí)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(dòng)曲線的相位。第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)際工程測量：某疾病控制中心實(shí)驗(yàn)樓建于1977年，原設(shè)計(jì)為六層，實(shí)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。第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)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(gè)方向的拾振器，測試時(shí)間為中午下班時(shí)間，以避免人為的干擾噪聲；現(xiàn)場采用50Hz的采樣頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)速度反應(yīng)進(jìn)行約1小時(shí)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(duì)應(yīng)X方向二～七層的速度反應(yīng)，7～12通道分別對(duì)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(shí)域波形。

第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性圖1X方向各樓層速度反應(yīng)時(shí)域波形第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性圖2Y方向各樓層速度反應(yīng)時(shí)域波形第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性圖4X方向各樓層與7層速度反應(yīng)的互譜曲線：

第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性圖5Y方向各樓層與7層速度反應(yīng)的互譜曲線

第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性圖2和圖3所反映的樓層X、Y方向各通道的時(shí)域波形可以看出,隨樓層的增加,結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)反應(yīng)呈放大趨勢;對(duì)各樓層時(shí)域波形進(jìn)行傅氏變換,以頂層質(zhì)點(diǎn)作為參考,得到各樓層相對(duì)于頂層質(zhì)點(diǎn)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(jìn)行振型擬合,結(jié)果見表1和表2。第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性表1X方向前2階測試振型結(jié)果：樓層相對(duì)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第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)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第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.2人工激振法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)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

第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.3環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)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(qiáng)度為C20，采用SATWE程序?qū)υ摻Y(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到該樓兩個(gè)方向前兩階振型和周期結(jié)果見表3～表4，實(shí)測周期與計(jì)算周期的比較結(jié)果見表5。第二十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.3環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性表3X方向計(jì)算振型結(jié)果：樓層相對(duì)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第二十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期六7.3環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法測量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性表4Y方向計(jì)算振型結(jié)果樓層相對(duì)幅值振型1階TY1=1.4268S2階TY2=0.4695S71160.9770.63850.880.00640.743-0.62330.571-0.98820.374-0.93710.16