結構試驗之土木工程結構動載試驗-課件

結構試驗之土木工程結構動載試驗五、結構動載試驗一般說來,結構動力測試主要包括如下三方面的內容:(1)動荷載特性的測定;(2)結構動力特性的測定;(3)結構在動荷載作用下的反應的測定自振頻率阻尼系數(shù)振型疲勞抗震抗風5、1概述五、結構動載試驗[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#結構的動力反應除與動荷載有關外,還與結構自身動力特性緊密相關#動荷載所產生的動力效應有時遠大于相應的靜力效應,甚至一個并不大的動荷載即可導致結構嚴重破壞5、1概述五、結構動載試驗[動荷載特性的測定]

不同的振源會引起規(guī)律不同的強迫振動。依據(jù)這點,能夠間接地判定振源的類別及某些特性[見Origin例子]5、1概述5、2振動測量系統(tǒng)五、結構動載試驗簡要回顧如下(P126-130): 慣性式拾振器特點總結:ω/ω0>>1;可測量物體位移、振幅ω/ω0<<1;可反應物體的加速度1、概述2、振動測量系統(tǒng)3、結構動力特性的試驗測定4、結構動力反應測定5、結構疲勞實驗6、抗震、抗風簡介五、結構動載試驗5、3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗每個結構都有其自身的動力特性,它是結構物自身所固有的一種屬性。它取決于結構的組成形式,如材料性質、剛度、質量大小及其分布情況等。

它與外荷載無關,當結構確定后,其自振特性也就隨之確定下來。結構自振特性主要包括:

自振頻率;阻尼;振型五、結構動載試驗一般通過試驗測定結構的動力特性參數(shù)由于結構形式差異特別大,所用的方法、儀器也不同,因此試驗結果會出現(xiàn)較大差異,可進行多次反復試驗,獲得可靠的試驗結果。通常的做法,通過某種方法對結構激振,使結構產生振動,依據(jù)儀器記錄到的振動波形進行分析。人工激振法環(huán)境隨機振動法自由振動法強迫振動法5、3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗測定結構的動力特性,首先應設法讓結構起振,然后測量某種振動參數(shù),以獲得結構動力特性的參數(shù)。早期的迫振方法主要有:振動荷載法(強迫振動法) 撞擊法(自由振動法)

地脈動對結構引起振動的過程或地震引起結構隨機振動的過程是一種較新的技術。通過頻譜分析可得所需動力參數(shù)五、結構動載試驗采納突加載或突卸載的方法,使結構受一沖擊荷載作用而產生有阻尼的自由振動。5、3結構動力特性的試驗測定[強迫振動法、撞擊荷載法]放大器橋盒動態(tài)電阻應變儀記錄設備結構物撞擊拾振器應變式動態(tài)位移傳感器自由振動衰減系數(shù)測系統(tǒng)關于體積過大的結構,采納突加或突卸荷載不足以使結構起振時,可改用初位移法。對小尺度的模型試驗,可采納錘擊法激勵模型產生自由振動五、結構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)五、結構動載試驗周期或頻率:從圖中直截了當讀出,或取若干個周期進行平均,提高精度衰減系數(shù)(η)：阻尼比(ζ)：優(yōu)點:該方法所得到的周期和阻尼系數(shù)是可靠的,試驗結果的整理比較容易五、結構動載試驗5、3結構動力特性的試驗測定[自由振動法、撞擊荷載法]缺點:但往往只能測得一階的固有頻率和振型5、3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗[振動荷載法,強迫振動法]借助按一定規(guī)律振動的荷載,迫使結構產生一個恒定的強迫簡諧振動,通過對結構受迫振動的測定,求得結構動力特性參數(shù)。P139

當結構發(fā)生共振時,用拾振器同時測量結構各部位的振動信號,比較各測點的振幅和相位,即可得到該頻率下的振型圖。5、3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗[振動荷載法]結構頻率掃描時間歷程曲線什么是模態(tài)？模態(tài)是機械結構的固有振動特性,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)能夠由計算或試驗分析取得,如此一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。假如通過模態(tài)分析方法搞清楚了結構物在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態(tài)的特性,就估計預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下實際振動響應。因此,模態(tài)分析是結構動態(tài)設計及設備的故障診斷的重要方法。方形平板的各階模態(tài)及其對應的頻率5、3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗[振動荷載法]共振曲線當采納偏心式激振器時,激振力與其頻率的平方成正比。當偏心塊旋轉頻率逐漸增大,其激振力也隨之增加,如此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更改為A/ω25.3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗[振動荷載法]共振曲線帶寬法、半功率法求結構的阻尼衰減系數(shù)阻尼比5、3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗[振動荷載法]注意:振動荷載(即激勵器)的安裝方向和位置要依照試驗結構的具體情況而定。通常,整體結構(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)點上。優(yōu)點:關于較復雜的動力問題,可得到若干個固有頻率。缺點:需專門的激振器。5、3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗[振動荷載法,強迫振動法]5、3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗[脈動法、環(huán)境隨機振動法]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備,而是通過測量建筑物由于外界不規(guī)則的干擾而產生的微小振動,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、風載荷脈動、車輛和機械振動等。5、3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗[脈動法、環(huán)境隨機振動法]注意:

當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)的分量必定占主導作用。若外界頻率接近二階或三階頻率時,其對應模態(tài)將其主導作用。為得到建筑物整體振動特性,應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)則運動的脈動,儀器應有足夠的頻響范圍。5、3結構動力特性的試驗測定五、結構動載試驗[脈動法、環(huán)境隨機振動法]分析方法:

主諧量法 統(tǒng)計法 頻譜分析法、功率譜分析法5、3結構動力特性的試驗測定[脈動法、環(huán)境隨機振動法]____主諧量法5、3結構動力特性的試驗測定[脈動法、環(huán)境隨機振動法]____頻譜分析法、功率譜分析法五、結構動載試驗研究振動的某個物理量(如幅值)與頻率之間的關系稱之為頻譜分析。它是將振動的時間域信號變換到頻率域上進行分析。(傅立葉變換,FFT)5、3結構動力特性的試驗測定[脈動法、環(huán)境隨機振動法]____頻譜分析法、功率譜分析法五、結構動載試驗通過振幅譜能夠確定各階主頻率的大小,然而對應振動形態(tài)還不清楚。能夠將某一觀測點做為參考信號,其他各點分別與它作互相關分析,求出各測點間的相位關系。[脈動法、環(huán)境隨機振動法]____頻譜分析法、功率譜分析法例子:1、概述2、振動測量系統(tǒng)3、結構動力特性的試驗測定4、結構動力反應測定5、結構疲勞實驗6、抗震、抗風簡介五、結構動載試驗5、4結構動力反應測定五、結構動載試驗在了解了結構動力特性的基礎上,能夠進一步研究結構在動荷載的作用下的動力反應機械振動、車輛運動、風荷載、地振動等動應變、動位移動力系數(shù)等5、4結構動力反應測定五、結構動載試驗動應變的測定:動態(tài)應變儀＋多通道采樣系統(tǒng)P1465、4結構動力反應測定五、結構動載試驗動位移的測定:可通過各個測點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,但兩者有本質上的區(qū)別。有時為了全面了解結構在動荷載下的振動狀態(tài),需要測定結構的振動變位圖。結構振動變位圖與結構的振型有些類似,但在本質上是有區(qū)別的。前者是結構在動荷載作用下的變形曲線;而后者是結構自由振動狀態(tài)下的振動形狀,是結構的自振特性,它與外荷載無關。5、4結構動力反應測定五、結構動載試驗動位移的測定:5、4結構動力反應測定五、結構動載試驗動力系數(shù): 實踐證明,結構構件在移動荷載作用下產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,動荷載效應大于靜荷載效應。 在結構設計時應加大抗力,乘上一個大于1的系數(shù)(以確保在動荷載下結構的安全),該系數(shù)為動力系數(shù)。有軌時測定方法:先使移動荷載以最慢的速度駛過結構,測得結構的最大撓度,然后使移動荷載按某種速度駛過,測得各種速度駛過結構的最大撓度,從中找出最大撓度的某一速度。慢速駛過快速駛過5、4結構動力反應測定五、結構動載試驗動力系數(shù):無軌道時,由于兩次行駛的線路不估計完全一樣,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結構動力反應測定五、結構動載試驗動力系數(shù):1、概述2、振動測量系統(tǒng)3、結構動力特性的試驗測定4、結構動力反應測定5、結構疲勞實驗6、抗震、抗風簡介五、結構動載試驗5、4結構疲勞試驗五、結構動載試驗材料或結構在重復荷載的作用后,物理學性能將發(fā)生變化,其強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。墜入水中的車輛多達50多輛,已造成7人死亡,60多人受傷,其中20多人傷勢嚴重的后果。

Minneapolis橋梁疲勞倒塌當材料和結構受到多次重復變化的載荷作用后,應力值盡管始終沒有超過材料的強度極限,甚至比彈性極限還低的情況下就估計發(fā)生破壞,這種在交變載荷重復作用下材料和結構的破壞現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞現(xiàn)象:結構多次重復荷載作用下,由于結構某一部分局部損傷的遞增和積累,導致裂紋的形成并逐步擴展,材料的極限強度降低,以致結構在低于極限靜力荷載作用情況下被破壞。5、4結構疲勞試驗五、結構動載試驗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載荷作用下的破壞,它不是短期內發(fā)生的,而是要經歷一定的時間,甚至特別長時間才發(fā)生破壞。

當靜應力小于屈服極限或強度極限時,可不能發(fā)生靜力破壞;而交變應力在遠小于靜強度極限,甚至小于屈服極限的情況下,疲勞破壞就估計發(fā)生。

靜力破壞通常有明顯的塑性變形產生;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如此,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結構疲勞試驗五、結構動載試驗5、4結構疲勞試驗五、結構動載試驗關于建筑結構而言,它即有材料疲勞的問題也有結構本身疲勞的問題。結構疲勞試驗的分類:按受力狀況不同:壓力疲勞、彎曲疲勞、扭轉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能夠得到結構不同條件下的疲勞特性。5、4結構疲勞試驗[疲勞試驗的目的]五、結構動載試驗確定結構的疲勞極限;在重復荷載下,測定結構達到疲勞破壞時荷載重復次數(shù)。(１)各時期截面的應力分布狀況,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)疲勞強度的確定;(６)破壞特征分析。關于科研性的疲勞試驗:5、4結構疲勞試驗五、結構動載試驗[疲勞試驗的目的]關于鑒定性的疲勞試驗,在控制疲勞次數(shù)內,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

重級工作制吊車