土木工程振動測試

工程結構的動載試驗1土木工程振動測試5/8/2024概述在工程結構所受的荷載中，除了靜荷載外，往往還會受到動荷載（動力作用）的作用。動荷載：大小、位置和方向隨時間變化的荷載。從動態(tài)角度來講，靜荷載只是動荷載的一種特殊形式。2土木工程振動測試5/8/20241940年，美國華盛頓州的塔科瑪峽谷上花費640萬美元，建造了一座主跨度853.4米的懸索橋。建成4個月后，于同年11月7日碰到了一場風速為19米/秒的風。雖風不算大，但橋卻發(fā)生了劇烈的扭曲振動，且振幅越來越大（接近9米），直到橋面傾斜到45度左右，使吊桿逐根拉斷導致橋面鋼梁折斷而塌毀，墜落到峽谷之中。概述3土木工程振動測試5/8/2024動力作用的主要特點：作用及作用效應隨時間發(fā)生變化。因此考慮動力荷載作用下結構的性能，不僅考慮荷載作用的大小和位置，還應考慮荷載作用的時間及結構響應隨時間變化的關系。例如：地震發(fā)生時由于地面的運動引起建筑物的振動而造成建筑物的破壞；汽車或列車高速駛過橋梁，所造成的振動引起的橋梁的破壞；往復運動造成結構的疲勞破壞；風作用而引起的橋梁破壞。因此，若需要了解結構在整個服役期內的工作狀態(tài)，有必要了解結構在動荷載動荷載作用下的工作性能概述4土木工程振動測試5/8/2024

土木工程中需要解決和研究的動力問題范圍很廣，歸納起來大致有以下幾方面：1、從事抗震理論分析及試驗研究，為地震設防和抗震設 計提供依據(jù)，提高各類工程結構的抗震能力。2、設計和建筑工業(yè)廠房是需要考慮生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的振 動對廠房結構和構件的影響。3、高層結構與高聳構筑物設計是需要解決風荷載所應起 的振動問題。4、橋梁設計與建設中需要考慮車輛動荷載對橋梁的振動 及危害問題。5、海洋采油平臺設計中需要解決海浪的沖擊等不利因素 影響問題。6、研究結構的抗爆問題。7、周圍環(huán)境的隨機振動概述5土木工程振動測試5/8/2024振源：（1）自然振源：地面脈動、氣流所致振動，爆破、動力設備、運輸設備、起重設備等運行中產(chǎn)生的振動；（2）人工振源：有目的的激振。。概述6土木工程振動測試5/8/2024

如何正確模擬結構所受的動力荷載，是結構動載試驗首先要解決的問題。加載方式主要有：1、慣性力加載： 沖擊荷載、離心力荷載（偏心激振器）2、電磁加載3、液壓振動臺4、結構疲勞試驗機5、電液伺服加載系統(tǒng)概述7土木工程振動測試5/8/2024一、慣性力加載原理：利用運動物體質量的慣性力，對結構施加動荷載。按慣性力的方法可分為：沖擊力、離心力及直線位移慣性力加載等。1、沖擊荷載：作用時間短，可用于測定試件在沖擊荷載作用下的承載能力及抗裂性能，也用于結構自振特性的測試。突加荷載：水平加載、垂直加載突卸荷載：使結構產(chǎn)生一初始位移，然后突然卸載，使結構自由振動。8土木工程振動測試5/8/2024一、慣性力加載2、離心力加載：根據(jù)旋轉質量產(chǎn)生離心力的原理對結構施加簡諧振動荷載。偏心式激振器：優(yōu)點：激振力范圍大，可達幾牛至幾兆牛。缺點：頻率范圍較小，一般在100Hz以內。它輸出的激振力與旋轉頻率的平方成正比，因此，它在低頻時激振力不大。9土木工程振動測試5/8/2024二、電磁加載

它是一種頂桿式的電磁激振器，與信號發(fā)生器（通常為低頻信號發(fā)生器）和功率放大器配合使用，電磁激振器體積小，使用方便。電磁式激振器：優(yōu)點：激振力為幾百N至幾十kN，振幅為0~±10mm，頻率范圍為0～200Hz?？梢援a(chǎn)生各種波形的激振力。缺點為：激振力不大，只適合用于小型結構或小模型試驗。10土木工程振動測試5/8/2024三、液壓振動臺

液壓振動臺主要用于模擬地震波振動臺試驗。模擬地震振動臺主要有單向、雙向及三向運動方式。在各種結構模型動力試驗中，模擬地震振動臺是最理想的結構抗震試驗設備。由于其在結構模型試驗中，可以直接測區(qū)結構模型在地震波作用下的加速度、速度、位移及應變反應，因此更接近實際。11土木工程振動測試5/8/2024四、結構疲勞試驗機

結構疲勞試驗機主要是用來對結構做正弦波形荷載的疲勞試驗。當脈動量調至零時也可用來對結構做靜載試驗或長期荷載試驗等。 它主要由控制系統(tǒng)、脈動發(fā)生系統(tǒng)和脈動千斤頂組成。

12土木工程振動測試5/8/2024五、電液伺服加載系統(tǒng)1、主要構成控制系統(tǒng)信號源：給定振幅和頻率電腦控制系統(tǒng)：對參數(shù)進行設置、反饋和處理電液伺服閥：電信號與液壓轉換裝置執(zhí)行系統(tǒng)泵站系統(tǒng)：高壓油泵、供油管路作動器(臺面)：力或位移輸出裝置(雙向千斤頂)冷卻系統(tǒng)：水冷、風冷13土木工程振動測試5/8/2024

動載試驗量測儀器

要獲取動參數(shù)，無疑需要通過測振儀器來測取。為此，了解測振儀器的基本原理、性能及正確使用方法是進行動力試驗的重要環(huán)節(jié)和重要前提。動參數(shù)的測量方法有幾種不同的方式，如機械式儀表測量，光學式儀表測量以及電測量方式。目前多以電測量方式為主，并向著高精度和自動化方向發(fā)展。14土木工程振動測試5/8/2024測振儀器的性能指標由于測量目的和試驗對象的不同，對測振儀器的性能指標也將提出不同的要求。（1）靈敏度：是指輸出信號與輸人信號之比。（2）頻率范圍：是指在靈敏度為一常量或不超過某一允許值時，所對應的儀器可使用的頻率范圍。（3）動態(tài)線性范圍：是指輸出信號與輸人信號呈線性關系時，所對應的輸人信號幅值的范圍。15土木工程振動測試5/8/2024動力試驗測振儀器系統(tǒng)由三部分組成：1、測振傳感器：包含位移、速度、加速度、應變、溫度。2、測振放大器：電荷放大器、電壓放大器、 電阻應變儀等。3、測振記錄、顯示系統(tǒng)。測振儀器的性能指標（1）靈敏度；（2）頻率范圍；（3）相位差；（4）動態(tài)線性范圍；（5）抗干擾能力。測振傳感器測振放大器測振記錄儀

動載試驗量測儀器16土木工程振動測試5/8/2024慣性式測振傳感器

慣性式測振傳感器是實測中應用最多的一種傳感器。 慣性式測振傳感器的力學原理：要測振動，則要找一個“不動點”。其構成方法是在儀器內部設置“質量－彈簧－阻尼”系統(tǒng)。這即所謂的慣性式測振傳感器。17土木工程振動測試5/8/2024慣性式測振傳感器分類磁電式速度傳感器：這是以慣性式拾振器力學模型為基礎，以導線在磁場中運動而切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢為換能原理的磁電式拾振器。壓電式加速度傳感器：

它是以慣性式拾振器力學模型為基礎，以壓電晶體的壓電效應為換能原理的壓電式拾振器。所謂“壓電效應”是指壓電晶體在受到機械作用力時而發(fā)生變形，其表面產(chǎn)生電荷。所受到的機械作用力越大，則產(chǎn)生的電荷越多，而當作用力去掉后，晶體又回到原來不帶電的狀態(tài)。電阻應變式加速度傳感器：內部有微型的梁結構，應變片貼在梁結構上一般用全橋橋路接法。梁的一段配有質量塊。在配合氣體或者液體阻尼，在加速度變化時，質量塊受力=ma。梁產(chǎn)生變形，質量一定，梁的變形（基應變片變形）正比于加速度。從而通過應變測得加速度度。18土木工程振動測試5/8/2024四、測振放大器測振放大器除了有放大（或衰減）功能外，還有模擬運算的功能。1、電壓放大器：磁電式的拾振器的輸出電動勢與被測振動體的振動速度成正比，使用微分電路則可獲得加速度信號；使用積分電路則可獲得位移信號。對于磁電式拾振器，由于其產(chǎn)生電壓量，采用電壓放大器。2、電荷放大器：壓電式加速度拾振器輸出的電荷與被測振動體的加速度成正比，使用積分電路可獲得速度信號，再使用一次積分電路則可獲得位移信號。對于壓電式加速度計，由于其產(chǎn)生電荷量，所以采用電荷放大器。3、動態(tài)電阻應變儀：動態(tài)電阻應變儀主要用來測量數(shù)值或方向隨時間而變化的應變，即動應變。由于動態(tài)應變儀是用橋盒的形式引接應變式傳感器的電阻應變片來組成惠斯頓電橋（其原理與靜態(tài)電阻應變儀一樣），所以，它的前端傳感器，一定要為應變式的傳感器。19土木工程振動測試5/8/2024測振記錄設備1、光線示波器2、X-Y函數(shù)記錄儀3、磁帶記錄儀4、動態(tài)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)（計算機）20土木工程振動測試5/8/2024動態(tài)測試系統(tǒng)配套方式

目前，整個動態(tài)測試儀器系統(tǒng)通常有以下三種測振儀配套方式，21土木工程振動測試5/8/2024概述動力試驗通常包括三方面內容：動荷載特性的測定；（大小、方向、頻率、作用規(guī)律）結構自振特性的測定；（自振頻率、阻尼、振型）結構在動荷載作用下的動力反應的測定。（振幅、頻率、速度、加速度、動應變、動應力）三個內容各有不同的動參數(shù)。本節(jié)闡明它們各自不同的動參數(shù)測量的方法及手段。

22土木工程振動測試5/8/20241、動荷載的特點：這里研究的對象即動荷載，它與靜荷載有著明顯的區(qū)別、有其自身的特點：①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。②結構的動力反應除了與動荷載的大小有關外，還與結構自身動力特性密切相關，在同樣大小的動荷載作用下，不同的結構自振特性其動力反應也不同；③動荷載所產(chǎn)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。這也是我們重視研究動荷載及其特性的意義所在。此外，在對結構進行動力分析和抗振、隔振（震）設計時，必須掌握動荷載的特性。23土木工程振動測試5/8/2024

各種典型的震源

a.間歇型阻尼振動。有明顯尖峰和衰減特點，說明是撞擊振源引起；b.周期性簡諧振動。轉速恒定的機器運轉引起；c.兩個頻率相差兩倍的簡諧振源引起的合成振動波形；d.三個不同頻率的簡諧振源引起的合成波；e.振幅周期性的由大變小，又由小變大。有兩種可能：1.兩個頻率相近的簡諧振源共同作用；2.只有一個振源，其頻率與結構的固有頻率相接近。f.隨機振動波,如地震。24土木工程振動測試5/8/20242、結構動力荷載特性試驗（1）結構動力荷載試驗測定內容試驗測定內容包括：作用力的大小、作用力的方向、作用力的頻率、作用規(guī)律等。

（2）主振源探測

主振源可通過試驗方法探測：當有多臺振動機械設備時，可逐個開動，通過觀察每個振源影響下的振動情況找出主振源。

通過分析實測振動波形，按照不同振源引起不同強迫振動的特點，間接判定振源性質，以此作為主振源探測的依據(jù)。SchoolofCivilEngineering其難度在于它是實測動荷載特性，而不是實測結構在此動荷載作用下的反應。為此在實測中往往會存在難以實施直接實測到動荷載特性的問題。在考慮實測方案時，應十分注意實測的應是動荷載的特性而不是在它作用下的結構反應。

25土木工程振動測試5/8/2024結構動力試驗（3）結構動力荷載特性試驗方法

直接測定法：通過測定動荷載本身的參數(shù)來確定其性質。

間接測定法：將動力機器安裝在專用彈性結構上，下部為剛性支座，通過測試機器靜止和工作兩種狀態(tài)下，彈性結構的動力特性，間接得出機器造成的振動荷載特性。

比較測定法：比較振源的承載結構在已知動荷載作用下的振動情況和待測振源作用下的振動情況，比較得出荷載特性數(shù)據(jù)。SchoolofCivilEngineering26土木工程振動測試5/8/2024結構動力試驗3、結構動力特性試驗（1）結構動力特性試驗內容試驗測定內容包括：自振頻率、阻尼系數(shù)、振型等參數(shù)。可采用人工激振法和環(huán)境隨機振動法。

（2）人工激振法

①自由振動

自振頻率：通過突然加載或卸載的方法，使結構受沖擊荷載作用而產(chǎn)生自由振動。通過測取周期，求得自振頻率f=1/T。SchoolofCivilEngineering27土木工程振動測試5/8/2024結構動力試驗結構阻尼：SchoolofCivilEngineering28土木工程振動測試5/8/2024結構動力試驗振型：通過在結構的不同高度布置傳感器，根據(jù)傳感器測得的同一時刻不同高度處的振幅來確定結構振型。SchoolofCivilEngineering29土木工程振動測試5/8/2024結構動力試驗②強迫振動

自振頻率：當結構產(chǎn)生共振時，振幅出現(xiàn)最大值，此時激振頻率即為結構自振頻率。利用激振器可以連續(xù)改變激振頻率的特點，可求得多自由度體系的自振頻率。SchoolofCivilEngineering30土木工程振動測試5/8/2024結構動力試驗結構阻尼：

振型：通過在結構的不同高度布置傳感器，根據(jù)傳感器測得的同一時刻不同高度處的振幅來確定結構振型。強迫振動法可測得結構的各階振型，當測量高階結構振型時，應布置足夠多的傳感器。SchoolofCivilEngineering31土木工程振動測試5/8/2024結構動力試驗（3）環(huán)境隨機振動法建筑物的脈動源與地面脈動、風或氣壓變化有關，尤其受車輛、機器設備等擾動和附近地殼內部小裂縫及遠地震影響顯著，其脈動周期為0.1~2.0s。

假設脈動源的振動過程為X(w)，結構本身稱為系統(tǒng)H(iw)，當脈動源作用于系統(tǒng)后，結構在外部激勵下將產(chǎn)生建筑脈動響應Y(w)。SchoolofCivilEngineering32土木工程振動測試5/8/2024結構動力試驗在測試時，通過測振傳感器測量地面自由場的脈動源x(t)和結構反應的脈動信號y(t)的記錄，將符合平穩(wěn)隨機過程的樣本經(jīng)專用信號處理機（頻譜分析儀或微機），使用具有傳遞函數(shù)的分析程序進行計算處理，即可得到結構的動力特性（頻率、振幅、相位等）。SchoolofCivilEngineering33土木工程振動測試5/8/20244、結構動力反應試驗

通過動力測試，確定動荷載在結構中引起的附加應力，從而驗算結構的強度；確定動荷載引起的結構的振動位移，從而判斷該結構的剛度能否滿足使用和工作要求；確定移動荷載對結構的動力效應，為設計計算結構物（如吊車梁、橋梁等）提供實測動力系數(shù)。

34土木工程振動測試5/8/2024結構動力試驗4、結構動力反應試驗（1）結構動態(tài)參數(shù)測量

結構動力反應試