结构的动载试验-浙江科技学院课件.ppt

1、12v1.3 1.3 工程工程结构动力反结构动力反应试验应试验v1.1 1.1 概述概述v1.4 1.4 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验v1.5 1.5 工程结构的风洞试验工程结构的风洞试验v1.2 1.2 工程结构动力特性试验工程结构动力特性试验31.1 1.1 概述概述1.1.1 1.1.1 桥梁动力荷载的类型桥梁动力荷载的类型2.2.在地震作用下桥梁结构产生的激励振动在地震作用下桥梁结构产生的激励振动5.5.爆炸等冲击作用对桥梁结构的振动激励爆炸等冲击作用对桥梁结构的振动激励4.4.在风、雨共同作用下斜拉桥的斜拉索等结构的激励在风、雨共同作用下斜拉桥的斜拉索等结构的激励振动振动1.1.

2、在移动车辆荷载作用下桥梁结构激励振动在移动车辆荷载作用下桥梁结构激励振动3.3.在风荷载作用下斜拉桥、悬索桥等大跨度桥梁的激在风荷载作用下斜拉桥、悬索桥等大跨度桥梁的激励振动励振动41.1.2 1.1.2 结构动力试验的内容结构动力试验的内容1. 测定动力荷载或振源的特性测定动力荷载或振源的特性2. 测定结构动力特性测定结构动力特性3. 测定结构在动力荷载作用下的反应测定结构在动力荷载作用下的反应 引起振动的作用力的大小、作用方向、作用引起振动的作用力的大小、作用方向、作用 频率及其规律频率及其规律 结构的自振频率、阻尼和振型结构的自振频率、阻尼和振型 位移、速度、加速度、动应变、动力系数位移

3、、速度、加速度、动应变、动力系数4. 测定结构在疲劳荷载作用下的反应测定结构在疲劳荷载作用下的反应 疲劳强度疲劳强度1.1 1.1 概述概述51.1.3 1.1.3 结构动力试验程序结构动力试验程序1.1.估计需要测量的振动类型估计需要测量的振动类型( (周期性、随机、冲周期性、随机、冲 击、瞬变击、瞬变) )、振动频率和振型振动频率和振型；2.2.确定测试参数和记录分析方式确定测试参数和记录分析方式；3.3.选择合适的测振传感器类型，记录环境条件选择合适的测振传感器类型，记录环境条件；4.4.正确选择量测仪器的上、下限频率正确选择量测仪器的上、下限频率；5.5.标定量测仪器标定量测仪器；6.

4、6.确定测振传感器最理想的安装方式确定测振传感器最理想的安装方式( (消除寄生振动消除寄生振动) )；1.1.确定荷载行程的水平情况，确定荷载的行驶确定荷载行程的水平情况，确定荷载的行驶 速度和通过建筑物某指定地点的时间和方法速度和通过建筑物某指定地点的时间和方法。1.1 1.1 概述概述61.2 1.2 工程结构动力特性试验工程结构动力特性试验1.2.1 1.2.1 结构动力特性的定义及其实际作用结构动力特性的定义及其实际作用1.1.定义：结构动力特性是结构本身固有的动态参数，包括定义：结构动力特性是结构本身固有的动态参数，包括固固有频率、振型和阻尼系数有频率、振型和阻尼系数等，它们取决于结

5、构的组成形式、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。刚度、质量分布、材料形式等，与外荷载无关。2.2.测定结构动力特性的实际作用测定结构动力特性的实际作用 (1)(1)在结构抗震设计时确定地震作用的大小；在结构抗震设计时确定地震作用的大小； (2)(2)避免动荷载使结构产生自振或拍振；避免动荷载使结构产生自振或拍振； (3)(3)为检测、诊断结构的损伤积累提供资料为检测、诊断结构的损伤积累提供资料 和数据和数据( (刚度刚度 阻尼比阻尼比 、固有频率、固有频率 ) )。71.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性1.1.自由振

6、动法自由振动法 加载方法：初位移加载法，初速度加载法。加载方法：初位移加载法，初速度加载法。 测量方法：将测振传感器布置在结构可能产生最大振幅的部测量方法：将测振传感器布置在结构可能产生最大振幅的部位，记录结构的有阻尼自由振动曲线。位，记录结构的有阻尼自由振动曲线。只能测定结构的一阶频只能测定结构的一阶频率率。多取几个波形。多取几个波形。TnT1.2 1.2 工程结构动力特性试验工程结构动力特性试验82.2.强迫振动法强迫振动法 加载方法：用激振设备使结构产生共振。加载方法：用激振设备使结构产生共振。 测量方法：将激振器及测振传感器安装在结构上，将激振测量方法：将激振器及测振传感器安装在结构上

7、，将激振器的转速由低到高连续变换器的转速由低到高连续变换( (频率扫描频率扫描) )，在达到一定频率时，在达到一定频率时结构产生共振，该频率即为结构的自振频率。结构产生共振，该频率即为结构的自振频率。 1 1 2 2 3 3 A A1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性9h:min:s01:52:5001:52:5501:53:0001:53:0501:53:1001:53:1501:53:2001:53:2501:53:3020.0012.505.00-2.50-10.0020.0012.505.00-2.50-10.0020.0012.505.00-2

8、.50-10.00乐山东风大桥25km/h行车时域图Recorder 0Recorder 1Recorder 2103.3.结构阻尼系数的测量结构阻尼系数的测量TttttnneeAeAexxnnnn )(1111 1）自由振动法）自由振动法N N时刻的振幅时刻的振幅ntnAex 11 ntnAex N N1 1时刻的振幅时刻的振幅T TT TT TT Tx xn nx xn+n+1 1x xt t 22lnln1 TexxTnn1ln21 nnxx mc2 对数衰减率：对数衰减率：阻尼比：阻尼比：； 阻尼系数：阻尼系数：1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特

9、性11(1)(1)实际阻尼比计算取实际阻尼比计算取k k个个周期的衰减进行计算：周期的衰减进行计算：knnxxk ln21 (2)(2)对于实际测试曲线无零线的情形对于实际测试曲线无零线的情形( (上图上图) )：knnknnxxkxxk ln1ln212 T TT TT TT Tx xn nx xn+kn+k3.3.结构阻尼系数的测量结构阻尼系数的测量1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性1 1）自由振动法）自由振动法122 2）强迫振动法）强迫振动法)(.tpkxxCxm tptp sin)( mtpxxx/sin22. )sin( tBx)sin()

10、sin( tBAext自由振动自由振动强迫振动强迫振动3.3.结构阻尼系数的测量结构阻尼系数的测量1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性1322222241/ )( mtpB222222411)( 静静动动BB当当 =0(=0(无阻尼无阻尼) )， = = 时，产生共振，时，产生共振，B B。当当0 0( (有阻尼有阻尼) )， = = 时，产生共振，时，产生共振， ( ( )=1/2)=1/2 。半功率法：半功率法： ( ( ) )= = 时，对应时，对应 1 1及及 2 2，阻尼比为：，阻尼比为： 2121 212 1 1 2 2 21 2121 (

11、( ) ) 3.3.结构阻尼系数的测量结构阻尼系数的测量1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性2 2）强迫振动法）强迫振动法144.4.结构振型的测量结构振型的测量振型：振型：测量原理：测量原理：1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性将若干个测振传感器沿结构的高度或跨度方向连续布置将若干个测振传感器沿结构的高度或跨度方向连续布置( (至少至少5 5个个) )，当结构自由振动或共振时，同时记录下结构各部位的振，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，通过比较各点的动情况，通过比较各点的振幅和相位振幅和相位

12、，并将各测点同一时刻的，并将各测点同一时刻的位移值连接成一条曲线，即可得到结构的振型图。位移值连接成一条曲线，即可得到结构的振型图。 结构按某一固结构按某一固有频率做振动有频率做振动时形成的弹性时形成的弹性曲线。曲线。 A A1 1 /A/A1 1=1.0=1.0A A2 2 /A/A1 1=0.1=0.1A A3 3 /A/A1 1=0.3=0.3A A4 4 /A/A1 1=-0.3=-0.3A A5 5 /A/A1 1=-0.8=-0.8A A6 6 /A/A1 1=-0.5=-0.52 23 34 45 56 62 23 34 45 56 6+ +.1.1- -.3.31 1+ +.3

13、.3- -.8.8- -.5.5151.1.脉动法及其特点脉动法及其特点建筑物由于受外界干扰而处于微小而不规则的振动中。建筑物由于受外界干扰而处于微小而不规则的振动中。(1)(1)振幅小振幅小 AA1010 m m。(2)(2)不规则不规则 x x f(tf(t) )。(4)(4)能明显反映建筑物的固有频率及自振特性。能明显反映建筑物的固有频率及自振特性。(3)(3)频谱丰富频谱丰富 T=0.10.8sT=0.10.8s。(5)(5)适用于测量整体结构的动力特性。适用于测量整体结构的动力特性。1.2.3 1.2.3 环境随机振动法环境随机振动法( (脉动法脉动法) )测量结构动力特性测量结构动

14、力特性162.2.脉动法测量结构动力特性的要求脉动法测量结构动力特性的要求(1)(1)要求记录的仪器有足够宽的频带，使所需要的主要频率分量要求记录的仪器有足够宽的频带，使所需要的主要频率分量不失真；不失真；(2)(2)脉动记录中不应有规则的干扰或仪器本身带近来的噪音；脉动记录中不应有规则的干扰或仪器本身带近来的噪音；平稳过程平稳过程(4)(4)如果仪器数量不足，可以分多次测量，但应有一个测点如果仪器数量不足，可以分多次测量，但应有一个测点( (比比较点较点) )保持不动；保持不动；(3)(3)记录时间应足够长，并重复几次记录时间应足够长，并重复几次( (排除偶然因素排除偶然因素) )；各态历各

15、态历经经(5)(5)要有专门的设备进行数据分析及处理要有专门的设备进行数据分析及处理( (得到高频振动周期得到高频振动周期) )。1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性17拱圈自振时域图谱拱圈自振时域图谱(2.5(2.5 m m) )h:min:s02:21:4002:22:3002:23:2002:24:105.02.5 .0-2.5-5.05.02.5 .0-2.5-5.0乐 山 东 风 大 桥 自 振 时 域 图Recorder 0Recorder 11.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性18拱圈

16、自振频域图谱拱圈自振频域图谱Hz2.55.07.510.012.5乐山东风大桥自振频谱图Y/t Chart 0Y/t Chart 11.00 .75 .50 .25 .00 .50 .38 .25 .13 .00竖向F1=3.906Hz竖向F2=6.970Hz横向F1=3.113Hz1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性193.3.脉动法测量结构动力特性的分析方法脉动法测量结构动力特性的分析方法(1)(1)主谐量法主谐量法 建筑物固有频率的谐量是脉动里的主要成分，当脉动信号建筑物固有频率的谐量是脉动里的主要成分，当脉动信号频率与结构自振频率接近时信

17、号被放大，因此在脉动图上，凡频率与结构自振频率接近时信号被放大，因此在脉动图上，凡是振幅最大，波形最光滑的地方总是多次重复出现，如果建筑是振幅最大，波形最光滑的地方总是多次重复出现，如果建筑物各部位各有同一频率处的相位和振幅符合振型规律，该频率物各部位各有同一频率处的相位和振幅符合振型规律，该频率即为建筑物的固有频率。即为建筑物的固有频率。1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性20 a.a.结构物脉动记录可以看成是各种频率谐量的合成结果结构物脉动记录可以看成是各种频率谐量的合成结果( (即即结构振动时不只是以单一的频率振动结构振动时不只是以单一的频

18、率振动) )(2)(2)频谱分析法频谱分析法 b. b. 每一种频率引起的结构振幅是不相同的每一种频率引起的结构振幅是不相同的 c. c. 建筑物固有频率的谐量和脉动源频率处的谐量为起主要建筑物固有频率的谐量和脉动源频率处的谐量为起主要成分。成分。 d.d.用傅立叶变化将各种频率的正弦波分离出来，每一种频用傅立叶变化将各种频率的正弦波分离出来，每一种频率对应一个振幅率对应一个振幅( (时域信号时域信号A-tA-t频域信号频域信号A-A- ) )，对应振幅最大，对应振幅最大的频率即为结构的自振频率。的频率即为结构的自振频率。1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量

19、结构动力特性3.3.脉动法测量结构动力特性的分析方法脉动法测量结构动力特性的分析方法21 1 1 2 2 3 3 A A时域图时域图时程曲线时程曲线频域图频域图功率谱密度函数功率谱密度函数傅立叶变换傅立叶变换(2)(2)频谱分析法频谱分析法1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性3.3.脉动法测量结构动力特性的分析方法脉动法测量结构动力特性的分析方法22h:min:s23:46:3523:46:5023:47:0523:47:2023:47:351.50 .75 .00- .75-1.50自 贡 十 字 口 26.5m简 支 自 振 时 域 图Rec

20、order 023FFTFFT傅立叶变换后傅立叶变换后(2048(2048点点,50Hz),50Hz)Hz2.55.07.510.012.515.017.520.022.5自 贡 十 字 口 26.5m简 支 自 振 频 谱 图Y/t Chart 0 .15 .11 .07 .04 .00F1=5.20HzF2=13.22Hz24 1 1 2 2 3 3 A A, , , 阻尼比：由分析软件可在图形上得出阻尼比：由分析软件可在图形上得出 1 1，并找出，并找出0.1010.101倍最倍最大振幅所对应的两个频率大振幅所对应的两个频率 和和 ，即可计算出阻尼比，即可计算出阻尼比 1 1。12 1(

21、2)(2)频谱分析法频谱分析法1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性3.3.脉动法测量结构动力特性的分析方法脉动法测量结构动力特性的分析方法25 振型：由分析软件可查出两点振动的幅值振型：由分析软件可查出两点振动的幅值A1A1及及A2A2，两数值的比值，两数值的比值即为振幅比；由分析软件还可查出两点的相位差即为振幅比；由分析软件还可查出两点的相位差(0(0同相，同相，180180反向反向),),即可得到振动方向的关系。即可得到振动方向的关系。 1 1 2 2 3 3 A AA1A1 1 1 2 2 3 3 A AA2A2(2)(2)频谱分析法频谱分

22、析法1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性3.3.脉动法测量结构动力特性的分析方法脉动法测量结构动力特性的分析方法261.3 1.3 工程结构动力反应试验工程结构动力反应试验1.3.1 1.3.1 结构动力反应试验的任务与内容结构动力反应试验的任务与内容确定动荷载在结构中引起的附加动应力确定动荷载在结构中引起的附加动应力验算结构强度验算结构强度；确定动荷载引起结构物的振动位移确定动荷载引起结构物的振动位移判断结构刚度判断结构刚度；确定移动的动荷载对结构物的动力效应确定移动的动荷载对结构物的动力效应提供实测动力系数提供实测动力系数；测试内容：测试内容

23、：振幅、频率、速度、加速度、动应变振幅、频率、速度、加速度、动应变。确定动荷载特性确定动荷载特性寻找主振源、确定其特性寻找主振源、确定其特性；271.3.2 1.3.2 探测主振源的方法探测主振源的方法1 .1 . 直 接 测 定 法 ： 通 过 测 定 动 荷 载 本 身 参 数 以 确直 接 测 定 法 ： 通 过 测 定 动 荷 载 本 身 参 数 以 确 定其特性。定其特性。2 .2 . 间 接 测 定 法 ： 将 动 力 机 器 安 装 在 专 用 的 、 有 足间 接 测 定 法 ： 将 动 力 机 器 安 装 在 专 用 的 、 有 足 够变形的弹性结构上，测试结构的振动情况。够

24、变形的弹性结构上，测试结构的振动情况。3 .3 . 比 较 测 定 法 ： 将 待 测 振 源 的 振 动 情 况 与 已 知比 较 测 定 法 ： 将 待 测 振 源 的 振 动 情 况 与 已 知 动荷载作用下的振动情况进行比较。动荷载作用下的振动情况进行比较。1.3 1.3 工程结构动力反应试验工程结构动力反应试验281.1.动应力的测定动应力的测定用动态电阻应变仪配合高速记录仪用动态电阻应变仪配合高速记录仪( (磁带记录仪或计算磁带记录仪或计算机机) )测试记录动态应变。测试记录动态应变。测量要求：测量要求：1.1.选用疲劳寿命长的应变片；选用疲劳寿命长的应变片；2.2.选用小标距应变

25、片用以进行高频测量；选用小标距应变片用以进行高频测量；3.3.连接应变片的导线捆扎成束，消除电容；连接应变片的导线捆扎成束，消除电容；4.4.仪器的工作频率范围大于被测动应变信号频率；仪器的工作频率范围大于被测动应变信号频率；5.5.若测试时间较长，试验前后要对仪器进行标定。若测试时间较长，试验前后要对仪器进行标定。1.3.3 1.3.3 结构特定部位动参数的测定结构特定部位动参数的测定1.3 1.3 工程结构动力反应试验工程结构动力反应试验292.2.动位移动位移( (挠度挠度) )的测定的测定在结构控制断在结构控制断面或在有特殊生产面或在有特殊生产工艺要求的位置布工艺要求的位置布置位移测点

26、。置位移测点。( (可可选用机电百分表或选用机电百分表或其他动态位移测量其他动态位移测量仪器仪器) )。1.3.3 1.3.3 结构特定部位动参数的测定结构特定部位动参数的测定1.3 1.3 工程结构动力反应试验工程结构动力反应试验表示测点位置；表示实测振幅图1-13 楼层振动传布图301.3.4 1.3.4 测定结构振动变位图测定结构振动变位图 测量方法与结构振型测量方法与结构振型的测量方法基本相同，但的测量方法基本相同，但其其区别区别在于结构的振型是在于结构的振型是由惯性力引起的弹性振动由惯性力引起的弹性振动曲线，曲线，与外荷载无关与外荷载无关，属，属于结构本身的动力特性；于结构本身的动力

27、特性；而振动变位图时结构在而振动变位图时结构在特特定外荷载作用下定外荷载作用下的变形曲的变形曲线。一般说，两者的图形线。一般说，两者的图形不相一致。不相一致。)(xfy EIyM EIyQ 曲线图曲线图弹性曲线方程：弹性曲线方程：弯矩：弯矩：剪力：剪力：1时间信号时间信号; 2结构结构 (梁梁); 3-拾振器拾振器; 4记录曲线记录曲线; 5-t=t1时结构变位图时结构变位图图图1-14 结构振动变位图结构振动变位图311.3.5 1.3.5 结构动力系数的试验测定结构动力系数的试验测定静静动动yy 对于承受动力荷载的桥梁结构等，需要考察的动力对于承受动力荷载的桥梁结构等，需要考察的动力系数包

28、括挠度、应力等，称为动力放大系数或冲击系数：系数包括挠度、应力等，称为动力放大系数或冲击系数：动挠度静挠度动挠度静挠度有轨动荷载有轨动荷载f f动动f f静静以各种速度以各种速度通过结构物通过结构物以慢速通以慢速通过结构物过结构物无轨动荷载无轨动荷载f f动动f f静静32h:min:s00:13:2000:13:2500:13:3000:13:3500:13:4000:13:4500:13:5000:13:5500:14:0020.0013.757.501.25-5.0010.006.252.50-1.25-5.0020.0013.757.501.25-5.0020.0013.757.501

29、.25-5.0020.015.010.05.0 .0-5.020.0013.757.501.25-5.00自 贡 十 字 口 20km/h行 车 图 谱 (应 变 )Recorder 0Recorder 1Recorder 2Recorder 3Recorder 4Recorder 533h:min:s00:16:4000:16:5000:17:0000:17:1000:17:2000:17:3000:17:4020.0013.757.501.25-5.0015.0010.005.00 .00-5.0020.0013.757.501.25-5.0025.0017.5010.002.50-5.0

30、020.015.010.05.0 .0-5.020.0013.757.501.25-5.00自 贡 十 字 口 5km/h跳 车 图 谱 (应 变 )Recorder 0Recorder 1Recorder 2Recorder 3Recorder 4Recorder 5341.4 1.4 工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验 疲劳现象：桥梁等承受往复荷载作用的结构构件在远低疲劳现象：桥梁等承受往复荷载作用的结构构件在远低于材料强度的工作应力水平下发生的累计损伤断裂破坏。于材料强度的工作应力水平下发生的累计损伤断裂破坏。疲劳检试验测目的：了解在重复荷载作用下结构的疲劳疲劳检试验测目的：了解在重复荷载

31、作用下结构的疲劳性能及其变化规律，确定结构的疲劳极限值。性能及其变化规律，确定结构的疲劳极限值。疲劳包括材料疲劳和构件疲劳：钢结构构件及其连接的疲劳包括材料疲劳和构件疲劳：钢结构构件及其连接的疲劳；钢筋混凝土构件钢筋、混凝土的疲劳；组合构件如结疲劳；钢筋混凝土构件钢筋、混凝土的疲劳；组合构件如结合梁的连接疲劳等。合梁的连接疲劳等。1.4.1 1.4.1 概述概述351.4.2 1.4.2 疲劳试验项目疲劳试验项目( (一一) )鉴定性试验鉴定性试验1.1.抗裂性及开裂荷载抗裂性及开裂荷载2.裂缝宽度裂缝宽度及其发展及其发展. .最大挠度及其变化幅度最大挠度及其变化幅度. .疲劳强度及其疲劳寿命

32、疲劳强度及其疲劳寿命( (二二) )研究性试验研究性试验1.1.各阶段截面应力分布状况，中和轴各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律。变化规律。2.2.抗裂性及开裂荷载抗裂性及开裂荷载. .裂缝宽度、长度、间距及其发展裂缝宽度、长度、间距及其发展. .最大挠度及其变化规律最大挠度及其变化规律. .疲劳强度的确定疲劳强度的确定6.6.破坏特征分析破坏特征分析361.5 1.5 工程结构的风洞试验工程结构的风洞试验 A B C(A) 一般气流试验位置一般气流试验位置 (B) 斜风试验位置斜风试验位置 (C) 不规则风试验位置不规则风试验位置图图1-20 大型风洞试验设施构成图大型风洞试验设施构成图

33、 风是由强大的风是由强大的热气流形成空气动热气流形成空气动力现象，其特性主力现象，其特性主要表现在风速和风要表现在风速和风向向 。而实测试验。而实测试验要等待有强风的情要等待有强风的情况下才能测量，耗况下才能测量，耗时很长，且需要大时很长，且需要大量的人力、物力和量的人力、物力和财力，难度较大。财力，难度较大。为此，科学家们为为此，科学家们为了系统地研究风力了系统地研究风力对各种结构的作用，对各种结构的作用，除了实测试验之外，除了实测试验之外，还采用缩小模型或还采用缩小模型或相似模型在专门的相似模型在专门的试验装置内模拟风试验装置内模拟风力试验，即力试验，即风洞试风洞试验验。 37 离地高度 (m) 风速 (m/s) 湍流度 (%) 图图 1 B 类地貌风剖面和湍流度类地貌风剖面和湍流度分布分布 48121600.20.40.60.816 12 18 24 理 论 平 均 风 速 平 均 实 测 风 速 实 测 湍 流 度 1.5 1.5 工程结构的风洞试验工程结构的风洞试验