第4章结构动力试验

第4章结构动力试验主要内容◆概述◆振动测量系统及加载方法◆结构动力特性测定试验◆结构动力反应测定试验◆结构疲劳试验§4-1概述振源：引起结构振动的动力源。振源分类：固定振源、移动振源和特殊振源。动荷载：随时间而变化的荷载，如：冲击荷载、地震荷载、风荷载。一、动力试验的几个概念二、动力试验的分类1、结构动力特性测定试验2、结构动力反应测定试验3、结构疲劳试验三、振动试验系统组成振动试验系统原理框图功放激振器信号源放大器记录仪振动台模型拾振器§4-2振动测量系统拾振器是将机械振动信号变换成电参量的一种敏感元件。按测量参数：位移式、速度式和加速度式。按构造原理：磁电式、压电式、应变式、电感式。从使用角度:绝对式、相对式。振动测量系统的测量仪表，包括拾振器、测振放大器和记录仪。拾振器的分类:拾振器的性能指标：灵敏度:输出信号与输入信号之比。频率范围：灵敏度保持不变或者不超过某一允许值时，所对应的仪器可使用的频率范围。动态线性范围：输出信号与输入信号保持线性关系时，所对应的输入信号幅值范围。相位差：输出信号与输入信号波形的相位差。抗干扰能力：仪器对外界环境的抗干扰能力。一、惯性式拾振器振动体拾振器0)(kyycyxmtxxsin0质量块m的运动微分方程：解之：)sin(]2[])(1[)()sin(22202txtBeynnnnt2nmkcccncmc2；其中：；nmc2n:衰减系数ωn：拾振器自振圆频率yy022220]2[])(1[)(xynnn2)(12nnarctg振幅：相位角：幅频特性曲线(测位移)相频特性曲线00xy1)当，时，11n1]2[])(1[)(2222nnn00xy则：满足此条件的测振仪称位移计。1n12)当，时，nnnn2]2[])(1[)(2222000021,2xyxynn则：这时拾振器反应的示值与振动体的速度成正比称速度计。00xy11n3)当，时，1]2[])(1[1222nn02002201,xyxynn则：拾振器反应的位移与振动体的加速度成正比称加速度计。020xyn幅频特性曲线(测加速度)二、磁电式拾振器原理：BLnvE磁电式拾振器换能原理质量块磁钢线圈弹簧外壳三、压电式拾振器压电式加速度计原理质量块绝缘垫压电晶体片基座原理：利用压电晶体材料具有压电效应制成。qCmaFxSq参数：灵敏度()频率范围：0-10KHzSu使用时要定期标定。Cx：压电系数auSaqSuq电荷灵敏度系数电压灵敏度系数四、测振配套仪器微积分放大器：与位移、速度传感器相配。电荷放大器：与压电式拾振器相配。2、动态电阻应变仪主要用于测动应变，还可以测位移、速度、加速度、振幅等参数的变化过程。常用的有数据采集仪。1、放大器3、记录仪器4、频普分析仪压电式加速度计电荷放大器等光线示波器或磁带记录仪应变传感器动态应变仪光线示波器A/D磁带记录仪分析仪专用计算机通用计算机数值计算法磁电式拾振器微积分放大器记录仪器磁电式测振系统压电式测振系统应变式测振系统5、仪器配套4-3动载试验的加载方法冲击力加载离心力加载电磁加载法地震模拟振动台结构疲劳试验机一、冲击力加载特点：荷载作用时间极为短促，在它的作用下使被加载结构产生自由振动，适于进行结构动力特性试验。常用的加载方法：初位移加载法、初速度加载法。(1)初位移加载法也称“张拉突卸法”。优点：结构自振时荷载不附加在结构上。缺点：由于加载作用点的偏差而使结构在另一平面内同时振动产生干扰。初位移加载法施加方式a：在结构上拉一钢丝缆绳，使结构变形而产生一个人为的初始位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位置附近作自由振动。在加载过程中当拉力达到足够大时，事先连接在钢丝绳上的断开装置自动或人为断开而形成突然卸载。初位移加载法施加方式b：对于小型试件，使悬挂的重物通过钢丝绳对试件施加水平拉力，剪断钢丝绳造成突然卸荷。用初位移加载法施加冲击力荷载(2)初速度加载法利用摆锤或落重的方法使结构在瞬间受到水平或垂直的冲击荷载，并产生初速度。二、离心力加载根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。其特点是运动具有周期性，作用的大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。离心力加载：机械式激振器机械式激振器使一对偏心块按相反方向运转，便由离心力产生一定方向的加振力。改变质量或调整带动偏心质量运转的电机的转速，可调整激振力的大小。使用时将激振器底座固定在被测结构物上，由底座把激振力传递给结构，致使结构受到简谐变化激励作用。三、电磁加载法电磁加载的原理：在磁场中通电的导体要受到与磁场方向相垂直的作用力。常见的加载设备：电磁式激振器、电磁振动台。电磁式激振器电磁式激振器是由磁系统(包括励磁线圈、铁芯、磁极板)、动圈(工作线圈)、弹簧、顶杆等部件组成。当激振器工作时，在励磁线圈中通入稳定的直流电，使在铁芯与磁极板的空隙中形成一个强大的磁场。与此同时，由低频信号发生器输出一交变电流．并经功率放大器放大后输入工作线圈。这时工作线圈即按交变电流谐振规律在磁场中运动并产生一电磁力F，使顶杆推动试件振动。电磁振动台四、地震模拟振动台60年代开始，地震模拟振动台就出现在抗震试验中，其中日本最多；地震模拟振动台可以很好的再现各种地震过程，是结构进行动力试验的一种先进试验设备。河北工程大学从英国Servotest公司引进3m×3m的振动台。河北工程大学地震模拟振动台一、振源作用在结构上的动荷载在许多情况下是由多个振源产生的，应首先找出对结构振动起主导作用而危害最大的主振源，然后测定其特性。1、主振源探测逐台开动法波形分析法§4-4结构动力特性的测定各种振源的振动记录图a撞击荷载；b简谐荷载（正弦波）；c两个简谐荷载（频率相差2倍）；d三个简谐荷载；e拍振；f随机荷载工程实例某厂有一个钢筋混凝土框架，高17．5米，上面有一个300吨的化工容器。此框架建成投产后即发现水平横向振动很大，人站在上面就能明显地感觉到，但框架本身及其周围并无大的动力设备，振动从何而来一时看不出，于是以探测主振源为目的进行了实测。在框架顶部、中部和地面设置了拾振器，实测振动记录见下图。钢筋砼框架简图实测框架振动记录图这种振动是由两个频率值接近的简谐振动合成的结果。运用分析“拍振”的方法可得出，组成“拍振”的两个分振动的频率分别是2.09Hz和2.28Hz，相当于125.4次／分和136.8次／分。经过调查，原来距此框架30多米处是该厂压缩机车间。车间有六台大型卧式压缩机，其中4台为136转／分，2台为125转／分。因此可以确定出振源就是大型空气压缩机。2、振源动力特性测试直接测定法通过测定动荷载本身参数以确定其特性。例如：加速度传感器直接安装在运动部件上。间接测定法把动力机器安装在专用的，有足够变形能力的弹性结构上。根据机器开动前后的差异来推算机器开动造成的可变外力。二、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，通过记录仪器记下振动曲线。由此求出基本频率和阻尼系数。放大器桥盒动态电阻应变仪记录仪结构物撞击拾振器位移传感器自由振动量测系统有阻尼自由振动的运动方程：)sin()(textxtm自振频率：即基本周期的倒数。有阻尼单自由度体系的自由振动时程曲线0kxxcxm运动方程的解为：—阻尼比。—衰减系数；1ln1nnT1ln21nnmkT2自由振动法一般只能测得结构的基频及其对应的主振型。2、共振法功率放大器信号发生器激振器频率仪试件放大器放大器放大器放大器记录仪相位计拾振器共振法测量原理框图频率-振幅关系曲线频率测定阻尼单自由度体系有阻尼强迫振动的运动方程：μ(θ)：动力放大系数。21221振型:用共振法测建筑物振型3、脉动法脉动法：是通过测量建筑物由于外界环境脉动（如地面脉动、气流脉动等）而产生的微幅振动，来确定建筑物的动力特性。脉动记录的分析方法有：主谐量法；频谱分析法。主谐量法：脉动信号的主要成分是基频谐量，在脉动记录里常常出现酷似“拍”的现象，在波形光滑之处“拍”的现象最显著，振幅最大。凡有这种现象之处，振动周期大多相同。这一周期往往即是结构的基本周期。§4-5结构动力反应的测定在日常生产和生活中，有很多动荷载，如工业建(构)筑物中的各种动力设备，吊车在吊车梁上运行，汽车、火车驶过桥梁，高耸建(构)筑物受风荷载作用等均将引起结构的振动。研究结构在这类动力荷载作用下的动力反应不需要专门的起振设备，只要选择测定位置并布置量测仪表即可记录下结构振动图形，例如结构在动力荷载作用下的动应变、动挠度和动力系数等。一、动应变测定动应变是一个随时间变化的函数，对其进行测量时，要把各种仪器组成测量系统。应变传感器感应的应变通过测量桥路和动态应变仪的转换、放大，滤波后送入各种记录仪进行记录。最后将记录得到的应变随时间的变化过程送入频谱分析仪或数据处理机进行数据处理和分析。动应变时程曲线动应变频率：00fLLf正负应变的标定常数21222111,cchchciiii时间标志二、动位移测定注意：振动变位与振型的区别。要全面了解结构在动力荷载作用下的振动状态，可以设置多个测点进行动态变位测量，以作出振动变位图。三、动力系数测定动力系数：sdyy结构动力系数定义为:在移动荷载作用下，结构的动挠度和静挠度的比值。结构动力系数一般用试验方法实测确定。试验时，先用移动荷载以最慢的速度驶过结构，测定静挠度，再使移动荷载以某种速度驶过，这时结构产生的最大挠度，即认为是动挠度。动力系数测定§4-6结构疲劳试验工程结构中存在着许多疲劳现象，如承受吊车荷载作用的吊车梁，直接承受悬挂吊车作用的屋架。这些结构物或构件在重复荷载作用下达到破坏时的力比其静力强度要低得多。这种现象称为“疲劳”。一、结构疲劳试验的目的目的：确定结构的疲劳极限。结构或构件在疲劳荷载作用下的反应。二、结构疲劳试验的方法1、疲劳试验荷载荷载取值：上限值根据构件在荷载标准值最不利组合下产生的弯距计算求得；下限值根据疲劳试验机的设备性能而定。控制次数：中级工作制吊车梁：次；重级工作制吊车梁：次。6102n6104n频率选择：3.15.0或荷载频率构件固有频率2、疲劳试验加载程序变更荷载上限的加载程序两种：一是从头到尾施加重复荷载；另一是静荷载和疲劳荷载交替施加。静载疲劳静载maxQminQ等幅疲劳加载程序等幅疲劳加载方案3、疲劳试验的观测主要是对控制截面的应变和变形进行分阶段测试。测量可在荷载加至1、2、5、10、20、50、100、200、300、400万次时分别进行。三、疲劳试件的破坏标志正截面破坏标志：1、当受弯构件截面配筋率为正常或低配筋率时，纵向受力主筋发生疲劳断裂破坏；2、配筋率过高或为倒T截面时，发生受压区混凝土的疲劳破坏。斜截面破坏的标志1、当箍筋配筋率正常或较低且纵向钢筋配筋率正常时，与临界斜裂缝相交的箍筋或弯起钢筋发生疲劳断裂破坏；2、当箍筋和纵向钢筋的配筋率都很高时，剪压区混凝土发生剪压疲劳破坏；3、当纵向钢筋配筋率较低时，与临界斜裂缝相交的纵向钢筋发生疲劳断裂破坏。四、疲劳试验的安全措施1、严格要求对中。荷载架上的分配梁、脉冲千斤顶、试验构件、支座以及中间垫板都要对中，特别是千斤顶轴心一定要同构件截面纵轴在一条直线上。2、保持平稳。疲劳试验的支座应是可调的，并使之保持水平；千斤顶与试件之间、支座与支墩之间、构件与支座之间都要严格找平，用砂浆作找平层时不宜过厚。3、安全防护措施。必须设置安全支架、支墩等防护措施。MTS电液伺服疲劳试验机