第六章-工程结构试验课件.ppt

1、第六章 土木工程结构动力试验 一、概述一、概述1、结构在实际使用过程中，承受静、动荷载共同作用，有些结构其动力效应远远大于静力效应；动力效应可能使结构遭受破坏或影响正常生产和生活。如：生产过程中的设备震动，影响加工精度或造成结构的伤害；风荷载引起高层建筑与高耸构筑物(电视塔、输电线架空塔架、烟囱等)的振动；车辆运动对桥梁的振动及危害；海浪冲击海洋采油平台；地震、核爆等对建筑的影响；因此要对结构进行动力分析就必须进行动力试验。动力试验是结构试验工作的一个重要组成部分。2、虽然结构的自振频率和振型自振频率和振型可由力学原理计算得到，但由于结构物组成材料性质的差异和结构计算模型的简化，使得理论值和实

2、理论值和实际值误差较大际值误差较大，特别是阻尼系数很难通过计算得到，因此非常有必要对结构进行动力特性进行测定。3、动、静试验相比具有如下特点：（1）动荷载动荷载的值是随时间变化随时间变化的，而静荷载只要不再施加荷载它不随时间而变化；（2）结构动力反应反应与结构自身的动力特性（结构固有参数）密切相关。4、动荷载试验测试内容内容：（1）动荷载动荷载的特性：包括包括作用的大小大小、方向方向、频率频率及作用规律作用规律，是结构动力分析和隔振设计的基本参数。（2）结构的动力特性动力特性：包括结构的自振频率自振频率、阻尼比阻尼比、振型振型等参数。它由结构的形式、刚度、质量分布、材料特性及构造连接等因素所决

3、定，与外荷无关与外荷无关；是进行抗震计算、解决结构共振、诊断结构累积损伤的基本依据。（3）结构动力反应动力反应：包括包括测点处的振幅、频率、速度、加速度、动变形等。二、动荷载的特性试验1、结构的动力反应一般由多个振源所产生，因此要找出对结构振动起主导作用，即危害最大的主振源危害最大的主振源并量测其特性量测其特性。2、判断主振源主振源的方法（1）逐台开动逐台开动法：逐台开动厂房内的动力设备，并实测实测结构在每每个个振源作用下动力反应振源作用下动力反应，从中找出最大的主振源，此法影响生影响生产。（2）实测波形识别法：此法是根据不同的振源会引起结构不同的强迫振动，用这一特点对实测波形进行主振源的判别

4、方法。典型波形图见下图，其中：（a）是冲击性荷载引起的振动；（b）是一台或多台转速相同的机器产生的简谐振动所致；（c）是频率相差2倍的简谐振源引起的合成振动；（d）是三个简谐振源引起合成振动曲线；（e）是拍振曲线，该振源的频率和结构固有频率相近或相等；该振源即为主振源，因共振破坏力最大；动荷载频率可通过结构反应实测曲线分析或用频谱分析软件得到。（f）是随机动荷引起的振动。（二）（二）动荷载参数动荷载参数的测定的测定测定方法有：测定方法有：1、直接测定法：用拾振器直接量测荷载参数，如：（1）对往复运动部件的牛头刨，可在运动部件上安装加速度拾振器，测的运动部件的加进度，再乘以运动部件的质量可动惯性

5、力的大小。（2）把拾振器装于机器底座与结构物之间，可测得机器在运动时传递给结构的惯性力。（3）在压力容器表面贴电阻片，可测的容器内压力波动图形。2、间接测定法：（此法常用于设备制造部门用于设备制造部门，用于检验和校定产品的动力特性）该法是：（1）将一个有足够弹性变形有足够弹性变形的专用专用结构（作为量测设备的基础）安装在刚性支座上，专用结构不会与机器开动发生共振，且它的刚度、惯性矩、固有频率、阻尼比、已知简谐荷载作用的振幅等均为已知均为已知；（2）开动设备、测量设备对专用结构的作用，根据所测数据判定设备的动力参数。3、比较测定法：用已知作用效应测定未知作用，具体是：启动振源，测取承力结构的动力

6、反应，即：用激振器对结构激振，并调节作用力的大小和频率，使使结构动力反应与振源作用相一致反应与振源作用相一致。由于激振器的作用力和频率是已知的，故振源的作用也就成为已知。该法常用于作简谐振动的振源荷载参数的测定。三、动载试验的动载试验的加载加载与与结构动力特性参数结构动力特性参数的的测试测试方法方法1、惯性力激振法：包括自由振动法和强迫振动法；其中：（1）自由振动法：适用做小结构和构件，因激振力有限，测出的频率多为基频；1）自由振动法荷载施加的方法是：初位移法和初速度法；a、所谓初位移法：是预先给结构施加一个初位移，而后突卸荷载，使位移自行恢复。如行车突然制动、拉紧的钢丝绳突松等。如图（a）b

7、、所谓初速度法：用物体冲击结构，使荷载突加。如重物冲击，汽车越过障碍物，小火箭发射的反冲力等。（b）初速度加载法（突加荷载法）：方法：利用摆锤或落重（落点处铺设1OO2OO mm的砂垫层，小于结构自重的0.1%），作用力的总持续时间应小于小于结构的自振周期。2）该法对结构动力特性参数的测定：a、在荷载施加的同时用拾振器、记录仪记下有衰减的振动(时域、程)曲线如图；b、自振频率（基频）从时程曲线上判读；第二、第三频率可对曲线进行频谱分析得到：knnnnxxkxxTfln21ln21211或：阻尼比：自振频率：c、振型量测：在某一固有频率振动下，把同一时刻结构上各测点的位移位移连接起来，会形成一定

8、形式的曲线，这就是结构在对应某一固有频率的一个不变的振动形式，称为（对应频率的）结构振型。如图：（2）强迫振动法（亦称共振法）1）激振方法是：采用惯性式机械激振器或电磁激振器对结构施加稳态的周期性简谐荷载。2）结构动力特性参数的测定方法：自振频率即为共振频率：调节激振器的频率，使结构共振；此时激振器的频率即为结构的基频。对于基频、第二、和三频率也可以通过对共振曲线进行频谱分析得到；如图：某五层房屋结构主振型图该法般只能测得结构的基频及其对应的主振型。图(a)时程曲线图(b)振幅谱（振幅-频率曲线）图(c)动力放大系数曲线阻尼系数和临界阻尼比的确定：用功率谱图（见图c）计算:210,22阻尼系数

9、：阻尼比：振型量测：当激振器使结构发生共振时，记录结构各部位的振动图，通过比较各点的振幅和相位，即可绘出该频率的振型图。下页图(a)为拾振器和激振器的布置，图(b)为共振时记录下的振动曲线图，图(c)为振型曲线。绘制振型曲线图时，要规定位移的正负值。在图中规定顶层的拾振器1的位移为正，将各点的振幅按比例和正负值画在图上即是振型曲线。用共振法测建筑物振型测框架振型时的测点布量惯性式机械激振器 离心力加载是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，作用力的大小和频率按要求规律变化，使结构产生强迫振动。trmPtrmPrmPHVcossin222为：偏心质量产生的离心力

10、2 2、电磁式激振器、电磁式激振器 根据电磁感应原理，当磁场中的线圈通过简谐变化的交变电流时，顶杆作用于结构的激振力也按同样规律变化，且激振力与通过线圈的电流成正比。1-外壳 2a、2b-弹簧 3-动圈 4-铁芯 5-励磁线圈 5-顶杆 1）、激振荷载的施加位置和方法：荷载施加位置：在结构变形最大处。最大处的位置最大处的位置可以通过振型或理论计算得到。施加方法：a、若是实施结构的整体整体激振，一般施加水平荷载；b、若对楼面及桥梁测试，一般施加垂直激振荷载。2）、拾振器布置原则：拾振器布置在测区位移最大或较大处，不能在振型曲线的节点部位。作整体测试整体测试时拾振器沿高度和跨度方向沿高度和跨度方向

11、连续连续水平或垂直布置水平或垂直布置。p其他击振方法有：伺服和磁力振动台、反冲激振器加载（火箭激振）、人工爆炸加载-人工地震、人激振加载等。略略3、现场激振-脉动法（亦称环境随机振动法，适用整体测试）：（1）概述：脉动是一种很微小的振动。脉动源来自地壳内部的微小振动、地面车辆运动、机器运转、风等所引起的建筑物微小振动。利用脉动力击振确定结构动力特性的方法，俗称脉动试验。脉动力是随机过程中的微小力，之所以能引起建筑物发生随机微弱振动，是因为脉动荷载中有频率和建筑物自振频率相同的荷载，只有这种荷载，才能引起建筑的共振，使建筑物有微弱反映，这种反应能引起建筑物有相对较大波峰曲线（共振荷载引起的振动曲

12、线），通过对曲线的分析，可得建筑物的动力特性参数，这些已被试验多次证明。其它频率的荷载不会引起建筑物的反映（击振力太小），因此建筑物尤如一个滤过器，保证了建筑物的脉动是一种各态历经平稳的随机过程（所谓各态历经的过程就是此随机过程的统计特性不随时间和试验次数而变化），每个样本的统计特性可代表随机过程的统计特性。某些脉动力虽然能引起建筑物共振，但震动很微弱，要用高灵敏度的传感器、放大记录设备，并借助于随机信号数据处理的技术，才能获取信息。该法不用任何激振设备，对建筑物没有丝毫损伤，也不影响建筑物内工作的正常进行，在自然环境条件下就可量测结构的动力特性。（2）测试方法对仪器的要求：a、拾振器、放大器

13、的下限频率下限频率应为0，这是大型建筑物的基频均在1以下；b、拾振器要有高的灵敏度，放大器的增益足够大，这是因为振动很小；拾振器的布置原则：a、建筑物的振动状态分水平（x、y方向）振动，垂直（z方向）振动和扭转振动，为避免扭转振动的影响，测水平测水平振动振动的拾振器应安放在建筑物的刚度中心（近似为平面位置的几何中心）。b、测扭转振动测扭转振动的拾振器布置在建筑物的二侧（离扭转虽心最远），同一楼层对称布置。c、结构突变（截面或质量变化）处：用于检查这些变化对结构振型的影响d、特殊部位布置测点：如：a）基础二侧布置垂直振动测点，检查基础是垂直振动还是绕着某一位置上、下转动；b）振动强烈的部位；c）

14、楼板刚性量测时，要在同一楼层平面内沿一个方向布置若干个拾振器。拾振器安放时的注意事项a、各测点测试方向要一致，否则振动分量会有差异，影响分析结果；b、各拾振器首尾 方向要一致，否则会导致相位差异，影响振型的判别。c、各楼层测点在平面位置要一致，否则会影响测扭转振动的精度；d、拾振器要安放在建筑物的主体结构上，否则信号因局部变形大而失真；e、拾振器附近要防磁，防局部振动。（3）记录波形分析:主谐量法a、该法是通过记录的时程曲线，找出出现多次“拍”现象的位置，直接读取“拍”现象的频率，就是建筑物的基频。b、该法很难得到第二、第三频率，也无法确定阻尼特性。c、在“拍”处读出该时刻同一瞬间各测点的振幅

15、，结合相位便可确定结构的基本振型。频谱分析法：a、记录的振动曲线（波形）图(a)是各种频率谐量的合成结果，通过付里叶变换，可以得到曲线所含谐量的频率成份，如图：(b)（频谱分析有专门的软件）。b、频谱图上的各峰值对应的频率不一定不一定都是建筑物的自振频率，其判别方法是，各测点的频谱分析都有某频率的峰值，且幅值和相位符合振型规律且幅值和相位符合振型规律，则该峰值（频率）即为建筑物的自振频率。功率（振幅谱）分析法：a、对记录的时程曲线作功率谱分析，得到图(d)振幅谱图。b、图中的峰值对应的频率是否是建筑物的自振频率，用频谱分析的方法进行判断。c、利用各峰值半功率带宽(c)求阻尼比，方法同强迫振动。

16、d、振幅谱中峰值的大小表示某测点某时刻的振幅大小，但振幅方向不明。各测点某时刻的振幅方向可以以顶层信号为标准进行如下判断：1/ooff时标值 时标范围内波形的个数 用各测得时程信号分别与顶层的时程信号作互谱分析（有专用软件），求出互谱密度函数的相频特性 ，若 说明该点与顶层同相位，若 ，说明该点与顶层反相位。因此用振幅和相位很快可以画出建筑物在各阶频率下的振型。kgQf 0kgQf kgQf 图(a)时程曲线图(b)频率谱图(c)功率谱半功率带宽图(d)功率谱四、结构动力反应试验测定四、结构动力反应试验测定 p结构（试件）在动荷载的持续作用下，会产生振动，振动所引起的结构动力反应，即时程曲线，

17、通过对时程曲线的分析，可知试件在动荷载作用下的动位移、动应变、加速度、频率及性状（结构反应的状态，即振动曲线的形式）等。（一）、测试仪器的系统组成（一）、测试仪器的系统组成：如图：（二）控制截面动参数的测定（二）控制截面动参数的测定1、根据试验目的，象静载那样确定结构最不利位置作为控制截面；在最不利位置布上适当的拾振器（传感器）。2、动应变测试：时程曲线如图7-17其中：是动态应变仪标定值；是记录仪的时标值。HiL0则：1）、测点各时点的动应变为：2）动应变的频率为：3、结构动力反应的测定：如图测量和分析方法与振型确定方法相同。注意振动变形与振型的区别：p振型：结构按其固有频率振动时，由惯性力

18、引起的弹性变形曲线，属于结构的动力特性，与外荷载无关。p 振动变形图：结构在特定荷载下的变形曲线，一般不与结构的某一振型一致。p根据振动变形图，可以确定结构的动内力：设结构在动荷载作用下的弹性变形曲线为：，则：4、结构的动力系数、结构的动力系数p承受移动荷载的结构如吊车梁、桥梁等，常常需要确定它的动力系数，以判定结构的工作情况。动挠度与静挠度的比值称为动力系数：即yyjd/p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。慢速驶过慢速驶过快速驶过快速驶过yyEIVEIM.p无轨时测量

19、方法 无轨的：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Yd 五、结构疲劳试验（一）、疲劳试验的目的和内容1、疲劳现象：结构在等幅等频或变幅变频的多次重复和反复荷载作用下，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，以致结构在低于相同静力荷载作用情况下被破坏，这就是结构或材料的疲劳现象。如工业厂房中的吊车梁。2、疲劳试验目的目的：研究结构性能及其变化规律，确定疲劳极限（疲劳破坏时的强度值）和疲劳寿命（荷载重复作用的次数）。3、疲劳试验分类：等幅等频疲劳、变幅变频疲劳和随机疲劳。4、疲

20、劳试验内容：生产性疲劳试验：构件经受控制次数的疲劳荷载作用后，其抗裂性(即裂缝宽度)、刚度、承载力必须满足现行规范中的规定：如 中级工作制的吊车梁：2E6，重级4E6。研究性疲劳试验：1）测定结构构件的开裂荷载。2）量测裂缝宽度、间距、分布形态及随荷载重复次数的变化情况。3）量测结构构件挠度及其变化规律。4）测定破坏荷载、疲劳寿命（荷载重复作用次数）及破坏特征。必要时，试验前尚需作钢筋和混凝土材料的疲劳试验。（二）、疲劳试验加载设计1、荷载大小取值 荷载上限上限值：按试件在荷载标准值荷载标准值的最不利组合产生的效应值计算而得的。荷载下限下限值：根据疲劳试验机性能而定，但不应小于液压脉动加载器最

21、大动荷载的3。计算荷载值时，应考虑构件和加载器运动部件的惯性力影响。2、荷载频率选择 试验荷载频率一般不大于 10HZ，并位于试件和加载装置试件和加载装置自振频率的80130之外。（避免共振、减小动力效应）3、试验加载程序 等幅疲劳试验加载程序包括静载试验、疲劳试验和破坏试验三个阶段。l）静载试验阶段 在预载、卸载完成后，每级荷载值取最大荷载的20，分五级加载。在加载过程中，当分级加载经过Qmin时，应增设一个级次。对于允许出现裂缝的试件，应在临近开裂阶段加密荷载分级。静载试验目的是：为了对比构件经受反复荷载后受力性能有何变化。2）疲劳试验阶段 荷载加至Qmin时，调节加载频率，施加Qmax，

22、保持荷载稳定（误差不大于士3）后，读取第一次动载数据，以后在重复加载一定次数时，测读动应变和动挠度；也可以停机进行一个循环的静载试验，测读应变、挠度，观测裂缝。3）破坏试验阶段 在试验加载次数达到要求后，采用静载或疲劳试验的方法，进行试件破坏试验。（三）、观测设计 按荷载作用下的最不利组合按荷载作用下的最不利组合确定确定试件试件主要受力部位主要受力部位和和内力控制截面内力控制截面。梁式试件：主要检测其正截面和斜截面的疲劳强度、抗裂性和挠度。（用应梁式试件：主要检测其正截面和斜截面的疲劳强度、抗裂性和挠度。（用应变片、电测位移计量测应力、挠度、裂缝宽度）变片、电测位移计量测应力、挠度、裂缝宽度）

23、屋架疲劳试验：主要量测其杆件内力、抗裂性和屋架挠度、承受悬挂吊车作屋架疲劳试验：主要量测其杆件内力、抗裂性和屋架挠度、承受悬挂吊车作用的节点和支座节点的疲劳性能。用的节点和支座节点的疲劳性能。预应力构件：量测预应力锚具和受预应力作用影响的受力部位的疲劳性能。预应力构件：量测预应力锚具和受预应力作用影响的受力部位的疲劳性能。疲劳强度：构件所能承受疲劳荷载作用次数构件所能承受疲劳荷载作用次数(n)取决于取决于最大应力值最大应力值(或最大荷载或最大荷载)及应力及应力变化幅度变化幅度P=(或荷裁变化幅度或荷裁变化幅度)。依据此条件进行疲劳试验，在控制。依据此条件进行疲劳试验，在控制疲劳次数内，构件的强

24、度、刚度、抗裂性应满足现行规范要求。疲劳次数内，构件的强度、刚度、抗裂性应满足现行规范要求。当进行科研性疲劳试验时，为了得到给定当进行科研性疲劳试验时，为了得到给定P值条件下的疲劳极限强度和疲值条件下的疲劳极限强度和疲劳极限荷载，一般采取的办法是：根据构件实际承载能力，取定最大应力值劳极限荷载，一般采取的办法是：根据构件实际承载能力，取定最大应力值做疲劳试验，求得疲劳破坏时荷载作用次数做疲劳试验，求得疲劳破坏时荷载作用次数n，从，从最大应力与最大应力与n双对数双对数直线关直线关系系中中求得求得标淮疲劳强度。它的统计值作为设计验算时疲劳强度取值的基本依标淮疲劳强度。它的统计值作为设计验算时疲劳强度取值的基本依据。这是因为，同一批砼试件其疲劳强度都不近相同。据。这是因为，同一批砼试件其疲劳强度都不近相同。（四）疲劳试验的试件安装由于试验的时间长，振动大，因此试件的安装就位以及相配合的安全措施均需认真对待，否则将会产生严重后果。(1）严格对中 荷裁架上的分配梁、脉冲千斤顶、试验构件等纵轴一定要在一条直线上。(2)保持平稳 要求试件要平直，装置和试件之间不得有间隙。(3)安全防护 疲劳破坏通常是脆性断裂，事先没有明显预兆。为防止发生事故，对人身安全、仪器安全均应很好注意。应设置专门的安全保护措施。