结构试验-第五章 土木工程结构动载试验概述

1、概述2、振动测量系统3、结构动力特性的试验测定4、结构动力反应测定5、结构疲劳实验6、抗震、抗风简介五、结构动载试验专题介绍五、结构动载试验强烈的振动将使结构的内力和变形均很大，从而使其发生严重的破坏。桥梁、高层建筑、屋盖、冷却塔等引起结构振动的动力源一般可分为三种:固定源：机械设备等（风机、机床…)移动源：车辆等特殊源：风、地震、爆炸…各种振动源所带来的振动荷载也是复杂多样的，可概况为三种：撞击荷载、振动荷载、复杂荷载5.1概述五、结构动载试验一般说来，结构动力测试主要包括如下三方面的内容：（1）动荷载特性的测定；（2）结构动力特性的测定；（3）结构在动荷载作用下的反应的测定自振频率阻尼系数振型疲劳抗震抗风5.1概述五、结构动载试验[动荷载特性的测定]#动荷载的大小、方向（位置）、作用规律等都是随时间的变化而变化的#结构的动力反应除与动荷载有关外，还与结构自身动力特性密切相关#动荷载所产生的动力效应有时远大于相应的静力效应，甚至一个并不大的动荷载即可导致结构严重破坏5.1概述五、结构动载试验[动荷载特性的测定]不同的振源会引起规律不同的强迫振动。依据这点，可以间接地判定振源的类别及某些特性[见Origin例子]5.1概述5.2振动测量系统五、结构动载试验简要回顾如下（P126-130）：惯性式拾振器特点总结：ω/ω01；可测量物体位移、振幅ω/ω01；可反应物体的加速度1、概述2、振动测量系统3、结构动力特性的试验测定4、结构动力反应测定5、结构疲劳实验6、抗震、抗风简介五、结构动载试验5.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验每个结构都有其自身的动力特性，它是结构物自身所固有的一种属性。它取决于结构的组成形式，如材料性质、刚度、质量大小及其分布情况等。它与外荷载无关，当结构确定后，其自振特性也就随之确定下来。结构自振特性主要包括：自振频率；阻尼；振型五、结构动载试验一般通过试验测定结构的动力特性参数由于结构形式差异很大，所用的方法、仪器也不同，因此试验结果会出现较大差异，可进行多次反复试验，获得可靠的试验结果。通常的做法，通过某种方法对结构激振，使结构产生振动，依据仪器记录到的振动波形进行分析。人工激振法环境随机振动法自由振动法强迫振动法5.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验测定结构的动力特性，首先应设法让结构起振，然后测量某种振动参数，以获得结构动力特性的参数。早期的迫振方法主要有：振动荷载法（强迫振动法）撞击法（自由振动法）地脉动对结构引起振动的过程或地震引起结构随机振动的过程是一种较新的技术。通过频谱分析可得所需动力参数五、结构动载试验采用突加载或突卸载的方法，使结构受一冲击荷载作用而产生有阻尼的自由振动。5.3结构动力特性的试验测定[强迫振动法、撞击荷载法]放大器桥盒动态电阻应变仪记录设备结构物撞击拾振器应变式动态位移传感器自由振动衰减系数测系统对于体积过大的结构，采用突加或突卸荷载不足以使结构起振时，可改用初位移法。对小尺度的模型试验，可采用锤击法激励模型产生自由振动五、结构动载试验自由振动时间历程曲线()(sin)tmxtxet有阻尼的自由振动方程为：η为衰减系数五、结构动载试验周期或频率：从图中直接读出，或取若干个周期进行平均，提高精度衰减系数(η)：1111ln;lnlnnnnnnnkaaaTaTaKTa阻尼比(ζ)：011ln222nnTaTa优点：该方法所得到的周期和阻尼系数是可靠的，试验结果的整理比较容易五、结构动载试验5.3结构动力特性的试验测定[自由振动法、撞击荷载法]缺点：但往往只能测得一阶的固有频率和振型5.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验[振动荷载法，强迫振动法]借助按一定规律振动的荷载，迫使结构产生一个恒定的强迫简谐振动，通过对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性参数。P139当结构发生共振时，用拾振器同时测量结构各部位的振动信号，比较各测点的振幅和相位，即可得到该频率下的振型图。5.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验[振动荷载法]结构频率扫描时间历程曲线什么是模态？模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。方形平板的各阶模态及其对应的频率5.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验[振动荷载法]共振曲线当采用偏心式激振器时，激振力与其频率的平方成正比。当偏心块旋转频率逐渐增大，其激振力也随之增加，这样就破坏了共振所引起被测物振动幅值增大的“纯洁”性。解决的方法是在绘制共振曲线时将其纵坐标更改为A/ω25.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验[振动荷载法]共振曲线带宽法、半功率法求结构的阻尼1220衰减系数阻尼比5.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验[振动荷载法]注意：振动荷载（即激励器）的安装方向和位置要根据试验结构的具体情况而定。通常，整体结构（高层建筑等）的动荷载试验在水平方向上激振，板和梁的动荷载在垂直方向激振。激振器不能布置在某阶模态的节点上。优点：对于较复杂的动力问题，可得到若干个固有频率。缺点：需专门的激振器。5.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验[振动荷载法，强迫振动法]5.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验[脉动法、环境随机振动法]脉动法通常用于测量整体建筑物的动力特性，这种方法不用专门的激振设备，而是通过测量建筑物由于外界不规则的干扰而产生的微小振动，即“脉动”，来确定建筑物的动力特性。脉动信号极其微弱，一般只有几微米到几百微米环境带来的脉动，影响因素众多：地面脉动、风载荷脉动、车辆和机械振动等。5.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验[脉动法、环境随机振动法]注意：当外界脉动的卓越频率接近建筑物一阶频率时，建筑物的脉动图中，一阶模态的分量必然占主导作用。若外界频率接近二阶或三阶频率时，其对应模态将其主导作用。为得到建筑物整体振动特性，应沿高度或水平方向同时布置测量仪器。若仪器数量不足，可固定一台，作相位参考。为全面反映地面不规则运动的脉动，仪器应有足够的频响范围。5.3结构动力特性的试验测定五、结构动载试验[脉动法、环境随机振动法]分析方法：主谐量法统计法频谱分析法、功率谱分析法5.3结构动力特性的试验测定[脉动法、环境随机振动法]____主谐量法5.3结构动力特性的试验测定[脉动法、环境随机振动法]____频谱分析法、功率谱分析法五、结构动载试验研究振动的某个物理量（如幅值）与频率之间的关系称之为频谱分析。它是将振动的时间域信号变换到频率域上进行分析。（傅立叶变换，FFT）5.3结构动力特性的试验测定[脉动法、环境随机振动法]____频谱分析法、功率谱分析法五、结构动载试验通过振幅谱可以确定各阶主频率的大小，但是对应振动形态还不清楚。可以将某一观测点做为参考信号，其他各点分别与它作互相关分析，求出各测点间的相位关系。[脉动法、环境随机振动法]____频谱分析法、功率谱分析法例子:1、概述2、振动测量系统3、结构动力特性的试验测定4、结构动力反应测定5、结构疲劳实验6、抗震、抗风简介五、结构动载试验5.4结构动力反应测定五、结构动载试验在了解了结构动力特性的基础上，可以进一步研究结构在动荷载的作用下的动力反应机械振动、车辆运动、风荷载、地振动等动应变、动位移动力系数等5.4结构动力反应测定五、结构动载试验动应变的测定：动态应变仪＋多通道采样系统P1465.4结构动力反应测定五、结构动载试验动位移的测定：可通过各个测点上的位移得到动荷载作用下的振动变位图。注意：该方法与确定振型的方法类似，但两者有本质上的区别。有时为了全面了解结构在动荷载下的振动状态，需要测定结构的振动变位图。结构振动变位图与结构的振型有些类似，但在本质上是有区别的。前者是结构在动荷载作用下的变形曲线；而后者是结构自由振动状态下的振动形状，是结构的自振特性，它与外荷载无关。5.4结构动力反应测定五、结构动载试验动位移的测定：5.4结构动力反应测定五、结构动载试验动力系数：实践证明，结构构件在移动荷载作用下产生的挠度比在同样大小的静荷载作用下的挠度要大，即同样荷载大小的情况下，动荷载效应大于静荷载效应。在结构设计时应加大抗力，乘上一个大于1的系数（以确保在动荷载下结构的安全），该系数为动力系数。有轨时测定方法：先使移动荷载以最慢的速度驶过结构，测得结构的最大挠度，然后使移动荷载按某种速度驶过，测得各种速度驶过结构的最大挠度，从中找出最大挠度的某一速度。慢速驶过快速驶过5.4结构动力反应测定五、结构动载试验动力系数：无轨道时，由于两次行驶的线路不可能完全一样，故将移动荷载一次性高速通过，取振动挠度曲线之中线的最大值yj，振动挠度曲线最大值yd5.4结构动力反应测定五、结构动载试验动力系数：1、概述2、振动测量系统3、结构动力特性的试验测定4、结构动力反应测定5、结构疲劳实验6、抗震、抗风简介五、结构动载试验5.4结构疲劳试验五、结构动载试验材料或结构在重复荷载的作用后，物理学性能将发生变化，其强度极限将低于相同静荷载作用下的极限值，这种现象称为疲劳。生活中、工程中，疲劳破坏的例子随处可见。坠入水中的车辆多达50多辆，已造成7人死亡，60多人受伤，其中20多人伤势严重的后果。Minneapolis桥梁疲劳倒塌当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象称为疲劳。疲劳现象：结构多次重复荷载作用下，由于结构某一部分局部损伤的递增和积累，导致裂纹的形成并逐步扩展，材料的极限强度降低，以致结构在低于极限静力荷载作用情况下被破坏。5.4结构疲劳试验五、结构动载试验静力破坏与疲劳破坏的区别静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏，它不是短期内发生的，而是要经历一定的时间，甚至很长时间才发生破坏。当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏；而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，哪怕是塑性良好的金属也这样，就像脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。5.4结构疲劳试验五、结构动载试验5.4结构疲劳试验五、结构动载试验对于建筑结构而言，它即有材料疲劳的问题也有结构本身疲劳的问题。结构疲劳试验的分类：按受力状况不同：压力疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳按试验信号类型：等幅疲劳、变幅疲劳按环境条件不同：腐蚀环境下的疲劳、高温/低温下的疲劳等不同的疲劳试验可以得到结构不同条件下的疲劳特性。5.4结构疲劳试验[疲劳试验的目的]五、结构动载试验确定结构的疲劳极限；在重复荷载下，测定结构达到疲劳破坏时荷载重复次数。（１）各阶段截面的应力分布状况，中和轴变化规律；（２）抗裂性及开裂荷载；（３）裂缝宽度、长度、间距及其发展；（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。对于科研性的疲劳试验：5.4结构疲劳试验五、结构动载试验[疲劳试验的目的]对于鉴定性的疲劳试验，在控制疲劳次数内，测量：（１）抗裂性及开裂荷载；（２）裂缝宽度及其发展；（３）最大挠度及其变化幅度；（４）疲劳强度及其疲劳寿命。疲劳次数的规定：中级工作制吊车梁2*106次重级工作制吊车梁4*106次5.4结构疲劳试验五、结构动载试验[疲劳试验的方法]疲劳荷载的取值：荷载上限值Q