结构的动力特性试验

实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验5.1概述5.2结构动荷载特性试验5.3结构动力特性试验5.4结构动力反应试验5.5结构风洞试验本章目录实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验第5.1节概述建筑结构在使用过程中除了承受静载作用外，还常常承受各种动荷载的作用，如风荷载、地震作用、动力设备对工业建筑的作用、冲击及爆炸荷载等。动荷载除了增大结构受力外，还会引起结构的振动，甚至会引起结构发生疲劳、共振破坏。为了确定动荷载的特性、结构的动力特性、结构的动力反应以及结构的疲劳特性等，常常需要进行结构动力试验。动力与静力试验明显的区别在于荷载随时间连续变化、结构反应与自身动力特性相关。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验第5.2节结构动荷载特性试验动荷载的特性：作用力、方向、频率和阻尼等参数。在研究风荷载、地震作用、工业建筑内的动力设备响应时，需要确定振源的大小和作用规律，这些振源虽然可以根据统计值进行动力荷载特性计算，但有时实际动力特性与统计值有较大的差距，用计算方法往往不能获得振源的实际动力特性，因此，需要借助试验的方法进行确定。对于动荷载特性的测定，可以采用直接测定法、间接测定法和比较测定法等。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验（1）直接测定法直接测定法是指在测量对象上直接安装传感器，通过传感器的反应来测定动荷载的各项参数。这种方法简单可靠，随着现代量测技术的不断发展，各种传感器性能的逐步完善和提高，使其应用范围也愈来愈广。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验（2）间接测定法间接测定法是把要测定动力的设备安装在有足够弹性变形的专用结构上（3）比较测定法当振源是可以开启、停止的情况下，可以采用比较测定法。先开动振源，记录结构的振动情况，再开动激振器逐渐调节其频率和作用力的大小，使结构产生同样振动。由于激振器的作用力和频率已知，这样可求得振源的特性。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验第5.3节结构动力特性试验1自由振动法2共振法3脉动法本节目录实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验结构动力特性是结构本身固有的动态参数，包括固有频率、振型和阻尼系数等，它们取决于结构的组成形式、刚度、质量分布、材料形式等，与外荷载无关。结构的动力特性是进行结构抗震计算、解决结构共振问题的基本依据。常用的结构动力特性试验方法有自由振动法、共振法和脉冲法等。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验5.3.1自由振动法自由振动法是使结构产生一初位移或初速度，然后释放使其产生自由振动，通过记录仪获得有衰减的自由振动曲线（图5.1），由此可以利用动力学知识求出结构的基本频率和阻尼系数。图5.1自由振动时程曲线实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验如果时程曲线上在时间内包含若干个完整波形时，频率为：(Hz)(5.1)由动力学可知，结构自由振动时，时刻的振幅：(5.2)式中：―时刻的振动位移；－振幅；－阻尼比；―被测振动的圆频率。tTf1nntnAexnxnntAe实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验时刻的振幅：(5.3)则有：(5.4)两边取自然对数，则有：(5.5)1n11ntnAexTttttnneeAeAexxnnnn)(11122lnln'1TexxTnn实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验1ln21nnxxmc2knnxxkln21knnknnxxkxxkln1ln212阻尼比：(5.6)阻尼系数：(5.7)为了提高计算的精度，实际阻尼比计算取k个周期的衰减进行计算：(5.8)对于实际测试曲线无零线的情形：(5.9)实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验常用方法：1突加荷载法突加荷载法也称初速度加载法，原理是利用锤击或落重物的方法使结构在瞬间受到冲击，产生一个初速度，使结构产生振动。2突然卸载法突然卸载法也称为初位移加载法，如图5.2（a）所示在结构上拉一钢丝绳，使结构产生人为的初始位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位置附近作自由振动。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验（a）（b）图5.2用张拉突卸法对结构施加冲击力荷载1-结构物；2-钢拉杆；3-保护索；4-钢丝绳；5-铰车；6-模型；7-钢丝；8-滑轮；9-支架；10-重物；11-减振垫层实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验对于结构小模型可采用图5.2（b）的方法，通过悬挂的重物对模型施加水平拉力，剪断钢丝绳产生突然卸荷，使结构产生振动。优点：结构自振时荷载已不存在，重物本身对结构不会产生附加影响。利用自由振动法一般只能获得结构的基本频率及其阻尼。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验5.3.2共振法共振法采用能够产生稳态简谐振动的起振机或激振器作为振源，使结构产生强迫简谐振动，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。实验时，把激振器安装在结构的适当位置，加大激振器输出力量，可以迫使结构产生周期性强迫振动。当干扰力的频率与结构本身自振频率相等时，结构就会出现共振。因此，通过改变激振器的频率，可促使结构产生共振反应，记录共振时共振曲线（图5.3）和振型曲线（图5.5），通过曲线分析，可以获得结构的自振频率和振型阻尼比。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验A120图5.3为对建筑物进行频率扫描试验时所得到的时间历程曲线。在共振频率附近逐渐调节激振器的频率，同时记录结构的振幅，就可做出频率—振幅关系曲线（共振曲线）。曲线上峰值所对应的频率值即为结构的自振频率。图5.3共振时的振动图形和共振曲线实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验从共振曲线上可以得到结构的阻尼系数，在图5.4中，在纵坐标最大值0.707处画出一条水平线与共振曲线相交，交点对应的频率为、，则可求得该阶频率阻尼比为：(5.10)图5.4由共振曲线求阻尼系数和阻尼比maxA///2///实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验用共振法也可以测定结构的振型。振型:结构在某一频率下做振动时形成的弹性曲线。基频-------第一振型第二频率-------第二振型第三频率--------第三振型将若干个测振传感器沿结构的高度或跨度方向连续布置(至少5个)，当结构自由振动或共振时，同时记录下结构各部位的振动情况，通过比较各点的振幅和相位，并将各测点同一时刻的位移值连接成一条曲线，即可绘出该频率的振型图。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验5.3.3脉动法脉动实验：建筑物由于受外界干扰而处于微小而不规则的振动中。通过测量建筑物的脉动反应波形来确定建筑物的动力特性。当采用高灵敏度的传感器、借助放大记录设备，由数据采集仪采集，可以清楚地观测和记录这种振动信号。由于环境引起的振动是随机的，因而又把这种方法称为环境随机激励法。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验优点：测量中可以不用任何激振设备，对建筑物没有任何损伤，不影响建筑物的正常使用，在自然环境条件下，即可测量建筑结构的响应，经过数据分析确定其动力特性。该方法适用于测量整体结构的动力特性，是目前现场动力特性测试中广泛应用的一种方法。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验第5.4节结构动力反应试验本节目录1动应变测量2动位移测量3动力系数测量实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验在实际工程中，经常需要对动荷载作用下结构产生的动力反应进行测定，包括测定结构在实际工作时的动力参数（振幅、频率、速度、加速度）、动应变、动位移等。与动荷载特性试验和结构动力特性试验不同：动荷载特性试验测定的对象是产生动荷载的振源；结构动力特性试验测定的是结构自身的动力特性；结构动力反应试验测试的是动荷载和结构相互作用下结构产生的响应。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验5.4.1动应变测量测量结构在动力荷载作用下的动应变，确定动荷载在结构中引起的动应力，从而对结构强度验算。一般采用动态电阻应变仪配合高速记录仪(磁带记录仪或计算机)测试记录动态应变。基本要求：①选用疲劳寿命长的应变片；②选用小标距应变片用以进行高频测量；③连接应变片的导线捆扎成束，消除电容；④仪器的工作频率范围大于被测动应变信号频率；⑤若测试时间较长，试验前后要对仪器进行标定。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验5.4.2动位移测量在结构控制断面或在有特殊生产工艺要求的位置布置位移测点，测点的布置原则与静挠度测量相同，测量动挠度的传感器可以选用电阻应变式传感器，采用动态应变仪进行测量和记录。电阻应变式传感器的数据处理与应变转换和动应力测量相同。图5.6所示为一桥梁在动荷载作用下的动应变和动挠度测量布置。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验1314121图5.6桥梁动应变和动挠度测量示意图1－计算机；2－位移计；3－应变计；4－动态数据采集仪实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验5.4.3动力系数测量承受移动荷载的结构如桥梁、吊车梁等，试验检测时常常需要确定其动力系数，以判定结构的工作情况。移动荷载作用于结构上所产生的动挠度，往往比静荷载时产生的挠度大。动挠度和静挠度的比值称为动力系数。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验结构动力系数一般用试验方法实测确定。为了求得动力系数，先使移动荷载以最慢的速度驶过结构，测得挠度图如图5.6（a），然后使移动荷载按某种速度驶过，这时结构产生最大挠度如图5.6（b）。图上最大静挠度和最大动挠度，即可求得动力系数。（5.10）dyjydyjdyy1实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验图5.6移动荷载作用下荷载变形结构图（a）有轨慢速行驶变形记录；(b)有轨按一定速度行驶变形记录；（c）无轨高速行驶变形记录)(a)(b)(c实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验第5.5节结构风洞试验风对人类造成的灾害，有相当一部分是通过构筑物的破坏而产生的，仅就建筑物而言，人类在挑战高度和跨度的实践中取得了显著的成就，但在这一过程也存在着失败或事故时有发生，事实上，也正是这些失败或事故反过来促使人们进行进一步的创新研究。在对风荷载进行研究的早起，风对结构的作用一直仅被当作静力作用来处理，直到1940年美国塔科马海峡大桥（TacomaNarrowBridge）发生风振坍塌后人们才开始逐步研究并认识风对结构的动力作用，塔科马海峡大桥倒塌前后对比见图5.7。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验图5.7塔科马海峡大桥风毁前后对比图实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验20世纪50年代开始，结构风洞试验开始成为结构抗风设计和检验的重要手段。20世纪70年代初开始对实际高层建筑物进行风压观测，从1984年北京大学建成了我国首座风洞以来，国内比较著名的土木工程风洞试验室有同济大学风洞试验室、湖南大学风洞试验室、哈尔滨工业大学风洞与波浪模拟实验室和汕头大学风洞实验室等。风荷载是建筑结构设计荷载之一，对于超高层建筑、大跨度结构和高耸结构而言，风荷载是主要的作用，例如在结构抗风设计时需要结构的体形系数和风振系数，但仅依靠荷载规范，往往很难精确得到。在实际中，常采用风洞试验来准确获得体形复杂结构的体型系数和风振系数。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)中4.2.8条也规定：房屋高度大于200m或有下列情况之一时，宜进行风洞试验确定建筑物的风荷载：①平面形状不规则，立面形状复杂；②立面开洞或连体建筑；③周围地形和环境较复杂。实验和检测加固建筑结构第五章结构动力试验确定风荷载的手段主要有风洞试验、现场实测和数值模拟等，风洞试验是目前较为准确、可靠且应用最为广泛的研究方法。从流动方式来看，风洞试验总体上可划分为两个基本类型：即开口直流式风洞（图5.8、图5.9）和闭口回流式风洞（图5.10、图5.11）。从风洞试验段的构造来看又有封闭式和敞开式之分。封闭式试验段以矩形断面常见，是由顶板、底板、两侧板面围成的与四周隔离的封闭试验空间。敞开式