同济大学土木工程课件7 结构动载试验

2020/2/101土木工程2020/2/102土木工程§7-1概述结构动载试验通过试验的方法对结构振动进行分析研究动荷载随时间发生变化结构反应与本身动力特性相关动载检测的应用：（1）结构抗震性能评价（2）工业厂房机械设备振动对结构、构件或精密仪表和机床的影响（3）高层结构、高耸构筑物、道路桥梁、堤坝的风水荷载或移动荷载（4）建筑物抗爆2020/2/103土木工程惯性力加载冲击力：重物、钢丝、弹簧离心力：偏心质量起振直线位移惯性力电磁加载：电磁试验台疲劳试验机：多次反复加载液压振动台：地震力运动荷载：汽车、拖拉机、吊车§7-2动载试验的加载方法与设备2020/2/104土木工程§7-3动载试验的加载方法与设备1惯性力加载（1）冲击力加载突然加载法：适用于刚度较大的结构，较小的荷载产生较大的振幅；对结构有影响。突然卸载法：适用于刚度较小的结构，特别是柔性较小的构件。2020/2/105土木工程§7-3动载试验的加载方法与设备1惯性力加载（2）离心力加载2020/2/106土木工程§7-3动载试验的加载方法与设备1惯性力加载（3）其它加载特点：低频条件下可产生较大激振力，按要求控制位移和速度；只适用于低频激振（1Hz以下的激振），设备较笨重。2020/2/107土木工程§7-3动载试验的加载方法与设备2电磁加载特点：频率范围较宽，重量轻，控制方便，可产生各种激振力；激振力不大，仅适用于小型结构。2020/2/108土木工程§7-3动载试验的加载方法与设备3液压加载2020/2/109土木工程一、自由振动法：瞬态激振后的阻尼振荡垂直突加、减荷载水平突加荷载二、共振法：起振机变频激振三、脉动法：环境随机脉动§7-5结构动力特性的试验测定2020/2/1010土木工程§7-5结构动力特性的试验测定1自由振动法瞬态激振后的阻尼振荡垂直突加、减荷载水平突加荷载反冲激振器桥梁加载周期和阻尼比21rTnneaa1ln2nnaarTknnaakln2平均2平均cD2020/2/1011土木工程§7-5结构动力特性的试验测定2共振法共振产生条件：干扰频率与结构固有频率相同使用起振机变频激振2020/2/1012土木工程§7-5结构动力特性的试验测定2共振法阻尼系数212221cD临界阻尼比2020/2/1013土木工程§7-5结构动力特性的试验测定2共振法建筑物的振形图对应于某一频率（共振时）2020/2/1014土木工程§7-5结构动力特性的试验测定2共振法建筑物的振形图对应于某一频率2020/2/1015土木工程§7-5结构动力特性的试验测定3脉动法环境脉动：环境随机激振而引起的结构物微小振动地面脉动气流脉动基本原理固有频率的谐量是脉动图中最主要的成分振幅大、波形光滑处的频率总是多次重复出现主谐量法：频谱分析法：谐量分析法、相关或功率谱分析法特点不需要激振设备，不受结构形式和大小的限制信号弱，有好的记录设备2020/2/1016土木工程§7-5结构动力特性的试验测定3脉动法（1）主谐量法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，此频率就可确定为建筑物的固有频率，通常基频出现的机会最多。2020/2/1017土木工程§7-5结构动力特性的试验测定3脉动法（1）主谐量法2020/2/1018土木工程§7-5结构动力特性的试验测定3脉动法（2）谐量分析法2020/2/1019土木工程§7-5结构动力特性的试验测定3脉动法（3）功率谱分析法脉动的振幅谱的幅值确定建筑物的固有频率和振形。记录信号傅立叶分析2020/2/1020土木工程§7-6结构动力反应的试验测定1结构特定部位动参数的测定测点布置根据结构情况和试验目的布置。分布系数特定结构、特定振源情况下的振动分布情况2020/2/1021土木工程§7-6结构动力反应的试验测定2结构的振动变位图测定振型：结构本身的动力特性，与外荷载无关。变位图：结构在特定荷载作用下的变形曲线。2020/2/1022土木工程§7-6结构动力反应的试验测定3结构动力系数的试验测定动力系数：动挠度与静挠度的比值2020/2/1023土木工程§7-6结构动力反应的试验测定4强震观测地震发生时，用仪器观测地面运动的过程和建筑物的动力反应。结构物在强震过程中的振动记录自动触发启动，蓄电池供电–美国洛衫矶：凡新建六层以上、面积超过6000平方英尺的建筑物必须设置强震仪3台。–杨浦大桥和金茂大厦等十几个重要建筑物上都已安装了强震记录网络，仅金茂就安装了6台。上海计划在十五期间普及更多，通过立法，达到10层以上的建筑都安装。–浦东机场深井群安放了深度不同的地震记录仪，最浅30米，最深300多米，其他还有50米、100多米及200多米，这些井群可以测量到不同深度接收到的不同地震波的强度。2020/2/1024土木工程§7-6结构动力反应的试验测定4强震观测中华人民共和国防震减灾法要求在重大工程和生命线工程等建筑上安装强震动观测设备。一是可以检查建筑物的“健康状况”，根据震动记录数据，及时掌握地震或其他强震动发生时建筑物受损情况；二是从记录数据中总结经验，进而不断改进建筑物抗震设防设计；三是通过已形成的观测网络的强震动观测，可以快速掌握地震裂度分布情况，为地震预测与震后救灾提供可靠的信息。2020/2/1025土木工程§7-6结构动力反应的试验测定4强震观测《地震安全性评价管理条例》国务院令四大工程须进行地震安全性评价。国家重大建设工程受地震破坏后可能引发水灾、火灾、爆炸、剧毒或者强腐蚀性物质大量泄露或者其他严重次生灾害的建设工程，包括水库大坝、堤防和贮油、贮气、贮存易燃易爆、剧毒或者强腐蚀性物质的设施以及其他可能发生严重次生灾害的建设工程受地震破坏后可能引发放射性污染的核电站和核设施建设工程省、区、市认为对本区域有重大价值或者有重大影响2020/2/1026土木工程§7-7结构疲劳试验概念结构物或构件在重复荷载作用下，达到破坏时的应力比其静力强度要低得多。这种现象称为疲劳试验目的了解重复荷载作用下，结构的性能及其变化规律2020/2/1027土木工程§7-7结构疲劳试验1疲劳试验项目（1）鉴定性试验①抗裂性及开裂荷载②裂缝宽度及发展③最大挠度及其变化幅度④疲劳强度（2）科研性疲劳试验①各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律②抗裂性及开裂荷载③裂缝宽度、长度、间距及发展④最大挠度及其变化规律⑤疲劳强度的确定⑥破坏特征分析2020/2/1028土木工程§7-7结构疲劳试验2疲劳试验荷载（1）疲劳试验荷载取值上限荷载：最大标准荷载最不利组合下产生的弯距计算下限荷载：根据疲劳试验设备的要求而定。国内多采用等幅匀速荷载：2020/2/1029土木工程§7-7结构疲劳试验2疲劳试验荷载（2）疲劳试验荷载速度荷载频率影响材料的塑性变形和徐变，频率过高对试验设施有影响使构件在试验时实际工作时受力状态一致，构件与荷载架不能发生共振荷载频率θ与结构固有频率ω之比应满足：3.15.0或2020/2/1030土木工程§7-7结构疲劳试验2疲劳试验荷载（3）疲劳试验的控制次数经受所确定控制次数的疲劳荷载作用后，其抗裂性、刚度、强度等必须满足规范中有关规定。中级工作制吊车梁：2Χ106次重级工作制吊车梁：4Χ106次2020/2/1031土木工程§7-7结构疲劳试验3疲劳试验步骤（1）预加静载消除松动及接触不良，压牢构件，使测试仪表工作正常（2）正式疲劳试验2020/2/1032土木工程§7-7结构疲劳试验3疲劳试验步骤（2）正式疲劳试验2020/2/1033土木工程§7-7结构疲劳试验4疲劳试件的安装（1）严格对中（2）保持平稳（3）安全防护现行的疲劳试验都是采取试验室常幅疲劳试验方法。即疲劳强度是以一定的最小值和最大位重复荷载试验结果而确定。实际上结构构件是任意变化的重复荷载作用，随着测试技术的不断进步，常幅疲劳试验将为符合实际情况的变幅疲劳试验所代替。2020/2/1034土木工程§7-8动力试验的数据处理1振动示波波图的分析（1）简单波形的分析2020/2/1035土木工程幅值时域分析频域分析§7-8动力试验的数据处理2谐量分析：复杂周期振动的示波图分解成若干个单元频率正弦规律的简谐分量。幅值幅值2020/2/1036土木工程§7-8动力试验的数据处理2谐量分析对复杂的振动信号进行分析时，把他分解成若干个单一频率的正弦规律简谐分量的方法。傅立叶级数原理2020/2/1037土木工程§7-8动力试验的数据处理2谐量分析