结构动力特性测定9次课37.

LabofProf.TianShizhu1§2.5结构动力特性测定建筑结构的动力特性指：固有频率，振型及阻尼系数等，是结构本身的固有参数。它们决定于结构的组成形式、刚度，质量分布，材料性质。LabofProf.TianShizhu2§2.5结构动力特性测定对于比较简单的动力问题，一般只注意结构的基本频率。而为了研究结构的振动规律（如复杂的多自由度体系），有时还必须考虑第二、第三甚至更高阶的固有频率以及相应的振型。LabofProf.TianShizhu3§2.5结构动力特性测定结构物的固有频率及相应的振型虽然可由结构动力学原理计算得到。但由于实际结构物的组成和材料性质等因素，经过简化计算得出的理论数据误差比较大。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。LabofProf.TianShizhu4§2.5结构动力特性测定1、自由振动法设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，由此求出基本频率和阻尼系数。LabofProf.TianShizhu5§2.5结构动力特性测定结构产生自由振动的方法:突加荷载和突卸荷载两种方法。突加荷载，是将重物升到某一高度，然后释放，使结构产生自由振动，它的缺点是加上去的重物附结构一起振动，对结构有一定的影响。LabofProf.TianShizhu6§2.5结构动力特性测定突卸荷载，使结构产生一个初位移，然后突然卸去荷载，利用结构的弹性使其产生自动振动。LabofProf.TianShizhu7§2.5结构动力特性测定具体的方法：具有吊车的工业厂房，可利用小车突然刹车产生自由振动。测定桥梁的动力特性，可以采用载重汽车越过障碍物的办法产生一个冲击荷载。用发射反冲小火箭（又称反冲激振器）的方法可以产生脉冲荷载，从而使结构发生自由振动。LabofProf.TianShizhu8量测方法采用自由振动法时，拾振器一般布置在振幅较大处，要避开某些杆件的局部振动。通过测量仪器的记录，可以得到结构的有阻尼自由振动曲线。在振动时程曲线上，根据时间座标，得到振动波形的周期或结构的自振频率。为了消除荷载影响，最初的一个、二个波不用，同时，为了提高准确度，可以取若干波的总时间除以波数得出平均数作为基本周期，其倒数即为基本频率，建筑物的阻尼特性用对数衰减率或临界阻尼比来表示。LabofProf.TianShizhu9§2.5结构动力特性测定实测得到的振动记录图一般没有零线，所以在测量阻尼时应采取从峰到峰的量法，这样比较方便，而且准确度，对数衰减率为knnknnaakaakln2ln12临界阻尼比2LabofProf.TianShizhu10自由振动法的原理：0kxxcxm0xmkxmcxmcccc2mk022xxx)sin(tAext11nnttnnAeAeaaTe＝LabofProf.TianShizhu11自由振动法的原理：11nnttnnAeAeaaTe＝Taann1ln2T1ln21nnaaLabofProf.TianShizhu12§2.5结构动力特性测定2、共振法利用专门的激振器，对结构施加简谐动荷载，使结构产生恒定的强迫简谐振动，借助共振现象来观察结构的自振性质。LabofProf.TianShizhu13将激振器牢固地安装在建筑结构上，不使其跳动，否则将影响试验结果。激振器的激振方向和安装位置要根据所试验结构的情况和试验目的而定。LabofProf.TianShizhu14一般说来，整体建筑物动荷载试验多为水平方向激振，楼板和梁的动荷载试验多为垂直方向激振。激振器的安装位置应选在所要测量的各个振型曲线都不是节点的地方。因此，试验前最好先对结构进行初步的动力分析，做到对所测量的振型曲线的大致形式心中有数。LabofProf.TianShizhu15由结构动力学可知，当干扰力的频率与结构本身固有频率相符时，结构就出现共振。因此，连续改变激振器的频率，达到使结构产生共振，这时记录下的频率，就是结构的固有频率，连续激振下去，应可以得到第一次共振，第二次共振，第三次共振等。LabofProf.TianShizhu16在理论上，结构有无限阶自振频率，但频率越高输出越小，由于受检测仪表灵敏度的限制，一般仅能测到有限阶的自振频率。另外，对结构影响较大的是前几阶，而高阶的影响较小。LabofProf.TianShizhu17测共振频率时，一般总是把激振器的转速由低到高，进行几次连续变换的所谓“频率扫描’’试验，同时记录下振动曲线图。在图上先找到使建筑物发生共振的频率值。然后，再在共振频率附近进行稳定的激振试验，仔细地测定结构的固有频率和振型。LabofProf.TianShizhu18当使用偏心式激振器时，应注意到转速不同，激振力大小也不一样。激振力与激振器转速的平方成正比。为了准确地定出共振曲线，应把振幅折算为单位激振力作用下的振幅，即振幅除以相应的激振力。或者把振幅换算为在相同激振力作用下的振幅。LabofProf.TianShizhu19以为纵座标，ω为横座标作出共振曲线，如图在纵座标最大值Ymax的0.707倍处作一水平线与共振曲线相交于A和B两点，其对应横座标是ω1与ω2。则阻尼比为：2A0122LabofProf.TianShizhu20以其推导过程如下动力放大系数KP02/1222])2()1[(D＝=00121D==002212/1222])2()1[(平方后2222)2()1(1812221221LabofProf.TianShizhu21以其推导过程如下忽略根号内2221221222122121121122221)(21)(210102120122＝LabofProf.TianShizhu22§2.5结构动力特性测定由结构动力学可知，结构按某一固有频率作振动时形成的弹性曲线称为结构按此频率振动的振动形式，简称振型。LabofProf.TianShizhu23§2.5结构动力特性测定对应于基频、第二频率、第三频率分别有基本振型(第一振型)、第二振型、第三振型。用共振法测量振型时，要将若干个拾振器布置在结构的各个部位。当激振器使结构发生共振时，同时记录下结构各部位的振动图，通过比较各点的振幅和相位，即可给出该频率的振型图。LabofProf.TianShizhu24§2.5结构动力特性测定(a)为拾振器和激振器的布置。(b)为共振时记录下的振动曲线图。(c)为振型曲线。绘制振型曲线图时，要规定位移的正负值。在图上规定顶层的拾振器(1)的位移为正，凡与它相位相同的为正，反之则为负。将各点的振幅按一定的比例和正负值画在图上即是振型曲线。LabofProf.TianShizhu25§2.5结构动力特性测定有时由于结构形式比较复杂，测点数超过已有拾振器数量或记录装置能容纳的点数，这时可以逐次移动拾振器，分几次测量，但是必须有一个测点作为参考点，各次测量中位于参考点的拾振器不能移动，而且各次测量的结果部要与参考点的曲线比较相位。参考点也应选在不是节点的部位。LabofProf.TianShizhu26§2.5结构动力特性测定3、脉动法脉动法是通过量测由环境随机激振而产生的建筑物微小振动，即“脉动”来分析建筑物动力特性的方法。这一方法被广泛地应用于建筑物的动力分析研究中。可以从脉动信号中识别出结构物的固有频率、阻尼比、振型等多种模态参数，还可以用脉动法识别扭转空间振型。LabofProf.TianShizhu27§2.5结构动力特性测定建筑物的脉动来自两个方面，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。建筑物的脉动是经常存在的，但及其微弱．一般只有几微米到几十微米。因此为测量这种信号要使用低噪声和高灵敏度的拾振器和放大器，数据采集系统，用这种方法进行实测，不需要专门的激振设备，而且不受结构形式和大小的限制，适用于各种结构。LabofProf.TianShizhu28§2.5结构动力特性测定但是建筑物本身是一个复杂的体系，当振幅增大时，其刚度有所降低，所以，用脉动法在微幅振动条件下所得到的固有频率比用共振法所得要偏大一些，应用试验成果时应注意到这一因素。LabofProf.TianShizhu29§2.5结构动力特性测定从分析建筑物的动力特性这个目的出发，量测建筑物的脉动时必须注意下列几点：1．建筑物的脉动是由于环境随机振动而引起的，这就可能带来各种频率分量，为得到正确的记录，要求记录仪器有足够宽的频带，使所需要的频率分量不失真。LabofProf.TianShizhu30§2.5结构动力特性测定2．根据脉动分析原理，脉动记录中不应有规则的干扰或仪器本身带进的杂音，因此观测时应避开机器或其他有规则的振动影响，以保持脉动记录的“纯洁”性。3．为使每次记录的脉动均能反映建筑物的自振特性，每次观测应持续足够长的时间并且重复几次。LabofProf.TianShizhu31§2.5结构动力特性测定4．布置测点时应将建筑物视为空间体系，沿高度和水平方向同时布置仪器。如仪器数量不足可作多次测量。这时应有一台仪器保持位置不动作为各次测量比较标准。5．每次观测最好能记下当时的天气，风向风速以及附近地面的脉动，以便分析这些因素对脉动的影响。LabofProf.TianShizhu32§2.5结构动力特性测定建筑物脉动记录的分析通常采用以下几种方法：(一)主谐量法建筑物固有频率的谐量是脉动里最主要的成分，在脉动图上可以直接量出来。凡是振幅大，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处的相位和振幅符合振型规律，那么，就可以确定此频率就是建筑物的固有频率。LabofProf.TianShizhu33§2.5结构动力特性测定通常基频出现的机会最多，比较容易确定。对一些较高的建筑物，有时第二、第三频率也可能出现，但比基频少。记录的时间长一些，分析结果的可靠性就大一些。在记录曲线比较规则的部分，确定是某一固有频率后，可以分析出振型来(同共振法)。LabofProf.TianShizhu34例：某高层建筑固有频率和振型实测LabofProf.TianShizhu35§2.5结构动力特性测定(二)谐量分析法将建筑物脉动记录图看成是各种频率的谐量合成的结果。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。因此，用付里叶级数的方法将脉动分解并作出其频率谱，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。一般在基频处是非常突出的，而二频、三频处有时也很明显。但也不是所有峰都是建筑物固有频率，需通过分析判断并区别之。LabofProf.TianShizhu36§2.5结构动力特性测定谐量分析法LabofProf.TianShizhu37§2.5结构动力特性测定(三)相关或功率谱分析法假设建筑物的脉动是一种平稳的各态历经的随机过程，并假设结构各阶阻尼比很小，各阶固有频率相隔较远。在比较平稳的风载和地面脉动的情况下上述假设是成立的。这样就可以利用脉动振幅谱(均方根谱)的峰值确定建筑物固有频率和振型，用各峰值处的半功率带宽确定阻尼比。LabofProf.TianShizhu38§2.5结构动力特性测定LabofProf.TianShizhu39谢谢！