第五章工程结构动载试验(NXP)

1/872/875.1概述结构动载试验是结构试验工作的一个重要组成部分。通过动力加载设备直接对结构施加动力荷载，可以了解结构的动力特性，测试结构在一定动荷载下的动力反应，评估结构在动荷载作用下的承载力及疲劳寿命等特性。3/87土木工程中需要研究和解决的动力问题包括以下几个方面：1、抗震理论分析和研究，为地震设防和抗震设计提供依据，提高各类工程结构的抗震能力。2、设计和建筑工业厂房时要考虑生产过程中产生的振动对厂房结构或构件的影响。3、高层建筑和高耸构筑物设计时要解决风荷载所引起的振动问题。4、桥梁设计与建设中需要考虑车辆运动对桥梁的振动及危害问题。5、海洋采油平台设计中需要解决海浪的冲击对海洋采油平台等不利影响问题。6、研究建筑物如何抵抗爆炸等所产生的瞬时冲击荷载对结构的影响。4/87结构工程事故5/87结构振动的动荷载是随时间而改变的；美国塔科马(Tacoma)大桥,1940年毁于风振！从此将航空风洞技术引入了桥梁工程、建筑工程的应用！6/87动荷载产生的动力效应，有时远远大于相应的静力效应；但有时可能小于相应的静力效应。7/87结构在动荷载的作用下的反应与结构本身动力特性有密切关系；8/87结构动载试验的基本内容1、结构动力特性测试结构的自身动力特性包括结构的自振频率、阻尼、振型等参数。这些参数决定与结构的形式、刚度、质量分布、材料特性及构造连接等因素，而与外载无关。结构的动力特性是进行结构抗震计算、解决工程共振问题及诊断结构累积损伤的基本依据。2、动力荷载或振源特性测试测量引起振动的作用力大小、方向、频率及其规律。9/872）振动台模型试验。地震对结构的作用是由于地面运动引起的一种惯性力。通过振动台对结构输入正弦波或实测地震波，可以较准确地模拟结构的地震反应。3、结构动力反应测试1）测定实际结构在实际工作时的振动水平（振幅、频率）及性状，例如：动力机器作用厂房结构的振动反应移动荷载作用下桥梁的振动反应地震时建筑结构的振动反应10/874、结构构件的疲劳试验确定结构构件在多次重复荷载作用下的疲劳强度。土木工程结构中遇到的振动形式有些是确定性振动，但大多数情况则属于随机振动。5、风洞试验研究结构的风致振动及风振控制。11/875.2动载试验荷载模拟技术5.2.1惯性力加载惯性力加载是利用运动物体的惯性力，对结构施加动荷载。按产生惯性力的方法可分为冲击力、离心力及直线位移惯性力加载等。1、冲击荷载冲击荷载作用于试件上的时间较短，属于突然加载，一般用于测定试验在冲击荷载作用下的承载力、抗裂性能等；也用于测定结构本身的各种动力特性，如固有频率等。12/87优点：用较小的荷载可以产生较大的振幅。缺点：加上的重物随结构一起振动，对结构产生一定影响；重物落下时的撞击也会引起结构的局部破坏。突加荷载法（初始速度法）13/87突卸荷载法（初始位移法）14/872、离心力加载离心力加载是根据旋转质量产生离心力的原理对结构施加简谐振动。trmPtrmPrmPHVcossin222trmPVsin22trmPHcos22(a)(b)(c)15/873、曲柄连杆式机械振动台机械振动台结构简单，容易产生较大的振动力和振幅；缺点是频率范围较小，振幅调节比较困难，机械摩擦影响大，波形失真也大。曲柄连杆带动台面作水平振动，台面振幅由偏心距e的大小调节，台面振动频率由变速箱调整，因而振动台的台幅与频率变化无关。16/874、落锤式冲击试验机XJL-300B型落锤式冲击试验机最大冲击能量：300J最大冲击高度：2m锤体质量：0.25-15kg17/875.2.2电磁加载通电导体在磁场中，会受到与磁场方向相垂直的作用力。根据这一原理，在磁场中放入动圈，通以交变电流，则可以使固定于动圈上的顶杆等部件往复运动，产生动载。目前常见的电磁加载设备为电磁式激振器与振动台。电磁式激振器频率范围较宽；重量轻，控制方便，按给定信号可产生各种波形的激振力。但激振力不大，仅适用于小型结构或小模型试验。18/87电磁式振动台是利用电磁式激振器来推动一个活动台面构成的。但由于振动台的激振器输入励磁线圈和活动线圈的电流都比较大，工作时间长了易发热，故附有冷却系统。电磁式振动台操作方便；振动波形好，频率范围广，但激振力较小，仅几百N至几十kN。19/875.2.3液压振动台液压振动台有单向运动、双向运动和三向运动等几种，振动台多采用电液伺服系统推动。在各种结构模型（或足尺）动力试验中，模拟地震振动台是最理想的结构抗震设备。振动台实验室位于中国建筑科学研究院研发基地，建筑面积3300平米，实验室内拥有全国最大的6m╳6m三向六自由度大型高性能模拟地震振动台。新闻:中国建筑科学研究院工程抗震研究所承接的中央电视台新台址CCTV主楼模拟地震振动台试验项目顺利完成。2005.1120/87模拟地震振动台系统包括：台面及基础、泵源及油压分配系统、加振器、模控、数据采集和处理系统；此外还有与模控及数据采集系统相接的计算机。21/875.3动载试验量测设备振动参量量测方法有振动测量法、光学测量法和电测法等。电测法将振动参量（位移、速度、加速度）转换成电量，而后用电子仪器放大、显示或记录。电测法灵敏度高，且便于遥控、遥测，是目前最常用的方法。振动测量系统由拾振器、测振放大器和记录仪等部分组成。22/875.3.1测振传感器的力学原理tXxsin00)(mmmkxxxxm)sin()cos(022tXtnBexmntm设被测振动物体规律质量块m的振动微分方程为上式通解为其中：mk/2mn/223/8722220021nnnmXX212nnarctg22220021nnnmXXnn/其中：阻尼比24/871）当，时1/n11212222nnn180满足此条件的测振仪称位移计。一般位移计的体积较大也较重，使用时对被测系统有一定影响，特别对于一些质量较小的振动体不太适用。25/872）当，时1/n11211222nn0tg满足此条件的测振仪称加速度计。0220XXnmxxnm2126/875.3.2测振传感器拾振器除应正确反映振动体的振动外，尚应不失真地将位移、速度及加速度等振动参量转换为电量，以便用量电器进行测量。27/87磁电式速度传感器的特点是灵敏度高、性能稳定、输出阻抗低、频率响应范围有一定宽度，通过对质量弹簧系统参数的不同设计，可以使传感器既能量测非常微弱的振动，也能量测较强的振动，是工程振动测量中最常用的拾振仪器。感应电动势可表达为：1、磁电式速度传感器BLnvE右图为一典型的磁电式速度传感器。此类传感器惯性质量块的位移反映所测振动的位移，而传感器输出的电压与振动速度成正比，又称惯性式速度传感器。28/87建筑工程中常需10Hz以下甚至1Hz以下的低频振动，这时常采用摆式测振传感器，这种类型的传感器将质量弹簧系统设计成转动的形式，因而可以获得更低的仪器固有频率。根据所测振动是垂直方向还是水平方向，摆式传感器有垂直摆、倒立摆和水平摆等。输出电压也与振动速度成正比。摆式传感器的构造原理29/87磁电式传感器的主要技术指标有：（1）固有频率：传感器质量弹簧系统本身的固有频率是传感器的一个重要参数。（2）灵敏度：传感器的拾振方向感受到一个单位振动速度时，传感器的输出电压。（3）频率响应：灵敏度随所测频率不同有所变化，这个变化的规律就是传感器的频率响应。对于阻尼值固定的传感器，频率响应曲线只有一条。如传感器阻尼可选择和调整，则阻尼不同，传感器频率响应曲线也不同。（4）阻尼系数：磁电式测振传感器质量弹簧系统的阻尼比，通常磁电式测振传感器的阻尼比设计为0.5～0.7。30/872、压电式加速度传感器压电式拾振器是利用压电晶体材料具有的压电效应制成。当压电晶片电轴方向受到外力而产生压缩或拉伸变形时，内部会产生极化现象，同时在其相应的两个表面上出现异号电荷，形成电场。当外力去掉后，又重新回到不带电状态。这种将机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。压电晶体受外力产生的荷载为：AGQ压电材料中，石英晶体具有较高的稳定性、高机械强度和很宽的工作温度，但灵敏度较低；压电陶瓷可得到较高的灵敏度和很宽的工作温度，易于制成所需形状。31/87压电式加速传感器具有动态范围大、频率范围宽、重量轻、体积小等特点。其主要技术指标有：灵敏度、安装谐振频率、频率响应、横向灵敏度比和幅值范围等。32/875.3.3记录设备光线示波器33/87X－Y函数记录仪磁带记录仪瞬态记录仪34/875.4结构动力特性试验结构的动力特性包括结构的自振频率、阻尼、振型等参数。这些参数是结构的固有参数，决定与结构的形式、刚度、质量分布、材料特性及构造连接等因素，而与外载无关。结构物的固有频率及相应的振型虽然可以由结构动力学原理计算，但经过简化计算得出的理论数值一般误差较大，而阻尼系数则只能通过试验来确定。因此，采用试验手段研究各种结构物的动力特性具有重要的实际意义。35/875.4.1自由振动法使结构产生自由振动，通过记录仪器记下有衰减的自由振动曲线，由此求出结构的基本频率和阻尼系数。2ln1nnaanT/2基本频率：)sin()(tAetxnt阻尼系数：36/875.4.2简谐强迫振动法利用专门的激振器，对结构施加简谐动荷载，使结构产生稳态的简谐强迫振动，借助对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性的基本参数。0n212n衰减系数：阻尼比：37/8738/875.4.3脉动法工程结构脉动来自两个方面，一方面是地面脉动；另一方面是大气变化即风和气压等引起的微幅振动。脉动能够明显反映出结构的固有频率。从脉动信号中可识别出结构物的固有频率、阻尼比、振型等多种模态参数。测量脉动信号要使用低噪声、高灵敏度的拾振器和放大器，并应配有记录仪器和信号分析仪。脉动法测量的记录波形图分析通常采用以下几种方法：主谐量法频谱分析法功率谱分析法统计法39/871、主谐量法建筑物的固有频率的谐量是脉动信号中最主要的成份，在实测脉动波形记录上可直接反映出来。凡是振幅大，“拍”现象尤为明显，其波形光滑处的频率总是多次重复出现。如果建筑物各部位在同一频率的相位和振幅符合振型规律，就可以确定该频率就是建筑物的固有频率。基频出现的机会最多，比较容易确定。40/87图主谐量和频谱分析法分析脉动记录曲线对一些较高的建筑、斜拉桥等，有时第二、第三频率也可能出现，但相对基频出现次数少。在记录比较规则的部分，确定是某一固有频率后，就可分析出频率对应的振型。41/8742/872、频谱分析法一般工程结构的脉动记录波形应看成是各种频率的谐量的合成的结果，而建筑物固有频率的谐量和脉动源卓越频率处的谐量为其主要成分。应用傅里叶级数积分方法将脉动信号分解并作出其频谱图，在频谱图上建筑物固有频率处和脉动源的振动频率处必然出现突出的峰，一般基频处更为突出，第二、第三频率处有时也较明显。43/872、频谱分析法44/873、功率谱分析法如果建（构）筑物的脉动是一种平稳的各态历经的随机过程，且结构各阶阻尼比很小，各阶固有频率相隔较远。则可以利用脉动振幅谱确定建（构）筑物的固有频率和振型，并用各峰值处的半功率带宽确定阻尼比。45/873、功率谱分析法46/87例:用应变测试，测试压缩上铜管的工作状态。在现场做振动测试时,看到时域曲线以为是有噪声干扰，后来将曲线放大及FFT变换后，应该是振动测试曲线反应机器的不同工作频率。是47/87曲线放大图48/8