土木工程实验原理课件-第六章--结构动载试验

第六章结构动载试验6.1概述在工程结构所受的荷载中，除了静荷载外，往往还会受到动荷载的作用。动荷载高层建筑高耸结构道路桥梁建筑结构海洋钻井平台风荷载移动荷载风浪流爆破荷载动力设备地震荷载第六章结构动载试验所谓动荷载，通俗地讲，即是随时间而变化的荷载。如冲击荷载、随机荷载（如风荷载、地震荷载）等。从动态的角度来讲，静荷载只是荷载随时间变化得十分缓慢以至它所产生的动力影响微乎其微的一种特殊形式而已。第六章结构动载试验要寻求结构在任意动荷载作用下随时间而变化的响应：一是理论计算，二是试验测量。显然试验测量则是最为直接，最为接近于实际结果的有效方法。结构动力检测主要包括如下三方面的内容：(1)动荷载特性的测定；(2)结构自振特性的测定；(3)结构在动荷载作用下的动力反应的测定。第六章结构动载试验6.2动荷载特性的测定动荷载特点：（1）它的大小、方向或位置随时间而改变；（2）结构的动力反应与结构自振特性密切相关；（3）动荷载所产生的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就能使结构造成严重的破坏。动荷载特性包括：动荷载的作用力的大小、方向、频率及其作用规律等。第六章结构动载试验6.2.1常见振源的振动波形（a）撞击型振动（b）简谐振动振源（c）两个频率相差两倍的简谐振源引起的合成振动（d）三个不同频率的简谐振源引起的合成振动（e）呈“拍振”规律是由两个频率相接近的简谐振源共同作用（f）随机振动第六章结构动载试验6.2.2动荷载特性的测定方法1直接法(1)对于往复式运动部件所产生的惯性力（如牛头刨床、曲柄连杆机械等）可测得该运动部件的加速度、惯性力、作用频率及作用规律等。第六章结构动载试验(2)对于锚固在结构物上的动力设备，可以将加速度传感器直接固定在振动设备的振动体下方。使加速度传感器直接感受振动设备的动荷载，以测得其动荷载特性的相关参数。第六章结构动载试验(3)当动荷载是一种冲击荷载，如气浪，气流等，可让传感器直接感受冲击荷载，直接测得其动荷载特性的相关参数。考虑到冲击荷载的冲击力，应注意其传感器要有足够的刚度，以免造成传感器的损坏或数据失效。第六章结构动载试验(4)实测高层建筑的风压，则可在高层建筑物外墙表面安装风压盒来感受风荷载，从而测得风荷载特性的相关参数。第六章结构动载试验2.比较法需要激振设备且被测振源是可以开启和关闭的。具体方法是：1）振源打开，记录下振动波形；2）关闭振源，打开激振设备，调节激振设备使之特性于前相同。第六章结构动载试验6.3结构自振特性的测定结构自振特性主要包括三个参数：（1）自振频率（或周期）；（2）阻尼（阻尼比）；（3）振型。结构自振特性是结构自身所固有的属性。它取决于结构的质量、刚度，仅与结构自身材料的组成有关，与外荷载无关。第六章结构动载试验实测结构自振特性的意义：（1）设计受动力作用的结构物时，力图避开共振区，从而减少动力影响；（2）如结构必须在共振区工作，则阻尼可以抑制动力反应；（3）当用振型分解法计算结构振动时，结构的自振特性必须预先确定。第六章结构动载试验此外，结构的自振特性特别是阻尼比是很难用计算方法确定的。结构的自振特性除与结构重量及其分布、主体结构的刚度及其分布有关外，还与非承重构件及其与主体结构的联结有关。以上这些都十分复杂。特别是有些计算简图是不明确的，只有在大量实测的基础上才能提出合理的计算假定、计算简图及计算方法。为此，结构自振特性的实测是十分重要和有意义的。第六章结构动载试验6.3.1自由振动法自由振动法即是借助于外荷载使结构产生一初位移（或初速度），使结构由于弹性而自由振动起来，由此记录振动波形，从而获得自振特性的方法。自由振动法又按如下分类：自由振动法突然卸载法（初位移法）突然加载法（初速度法）第六章结构动载试验1.突然卸载法此法又称之为初位移法。它是先使结构产生一初始位移，然后突然卸载，利用结构的弹性使其自由振动起来的方法。具体做法可有以下几种。第六章结构动载试验(1)开动绞盘，通过钢丝绳牵拉被测结构物使其产生一初位移，当拉力足够大时，脆性棒突然拉断，使其突然卸载，结构由于弹性而自由振动。第六章结构动载试验(2)对于小型构件，可采用剪断悬挂质量块的铅丝来突然卸载，使其自由振动起来。第六章结构动载试验(3)在着力点上附加一脆性材料，用千斤顶施加一推力，当推力使结构达到一定位移时，脆性材料突然断开而突然卸载，使结构自由振动起来。第六章结构动载试验2.突然加载法此法又称之为初速度法。它是对被测结构或构件产生一冲击力，使得结构或构件获得一初速度而自由振动起来。此种方法可分为垂直加载和水平加载两种。第六章结构动载试验1）.垂直加载：它是将重物提升到一定的高度，使重物自由落体到结构或构件上，使结构或构件产生一初速度而自由振动起来。一般要求重物的重量不大于试件跨度内结构或构件自重的0.1%。此外，为防止重物在结构上弹跳或砸损结构或构件，须在结构或构件上垫上10～20㎝砂垫层。并规定落物高度在2.5m以下。第六章结构动载试验2）.水平加载：它是针对质量和刚度不是很大的结构或构件而言的，可采用撞击的方法，使其自由振动起来。第六章结构动载试验最简单的方法即是利用重锤敲击结构或构件。如空框架，则可在其顶部敲击。第六章结构动载试验另外，利用反冲击振器的反冲击振器法，也属于初速度法。它的原理类似于火箭。其底座与结构锚固在一起。当火药燃烧后，气体膨胀，高压气体由喷嘴高速喷出。其反作用力给结构一个反冲击力，使结构产生一初速度，而自由振动起来。第六章结构动载试验6.3.2共振法共振法即是利用激振设备，对被测结构物施加一简谐荷载使结构产生一恒定的强迫简谐振动，借助共振原理来得到结构自振特性的方法。此激振设备即电磁式激振器和偏心式激振器。由激振器对结构物施加简谐荷载，并作由低到高的频率扫描，使被测结构物发生周期性强迫振动。当激振器的频率由低到高（扫频）时，即可得到一组振幅与频率的关系曲线。第六章结构动载试验第六章结构动载试验6.3.3脉动法脉动法它是借助于被测结构物周围的不规则微弱干扰（如地面脉动、空气流动等）所产生的微弱振动作为激励来测定结构物自振特性的方法。脉动法它有个重要的性质即是能明显反应被测结构物的固有频率，甚至高次频率。它的最大优点是简便易行，不用专门的激振设备且不受结构物大小的限制。因而得到了广泛的应用。第六章结构动载试验通常在用脉动法实测结构自振特性时，其记录的时间需长些，直至出现“拍振”波形。此外，记录的时间长，测得高次频率的几率也就会大些。出现“拍振”才表明出现与被测结构物相同或相接近的脉动频率。因此“拍振”是脉动实测波形中的一个重要的标志。第六章结构动载试验6.3.4振型实测的特殊要求1拾振器的标定振型是结构物按其自身的某阶自振频率振动的各质点振动幅值相对大小的形状。因此，即要使得各质点（测点）上的拾振器的灵敏度相同。由于拾振器生产厂家不可能将每个拾振器做成完全一样的灵敏度。故在实测振型时必须对各拾振器进行标定。第六章结构动载试验具体的标定方法是：（1）将若干个拾振器集中放在同一质点上。（2）用脉动法测得各拾振器在同一时刻同一位置上的振动幅值。（3）记录下此时各拾振器的幅值，以便数据处理时进行修正。第六章结构动载试验2.横向、纵向及空间振型由于实际的结构物是三维的。因此应分为横向、纵向及空间振型。结构物振动的纵向横向及空间振型拾振器的安放：第六章结构动载试验3拾振器数量少于实际测点数时的处理方法当拾振器数量少于实际测点数时，可以采取分几次测量的方法（但至少要有两台拾振器）。其具体方法是：将某一质点的拾振器固定不动，而使其它质点的拾振器于该台固定不动的拾振器在同一时刻测定其振动幅值。即得到各质点幅值之比的振型图。第六章结构动载试验6.4结构动力反应的测定6.4.1结构特定部位动参数的测定在结构动力反应试验中，经常会遇到对结构物在动荷载作用下特定部位的动参数测定如：振幅、频率、速度、加速度、动应变、动应力等等的测定。所谓特定部位如：校核结构强度时，结构最薄弱最危险的部位即为特定部位。又如：测定振动对精密仪器的影响时，精密仪器的基座处即为特定部位。第六章结构动载试验6.4.2结构振动变位图测定为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来进行描述。它是结构在动荷载作用下的变形曲线。测定结构变位图的方法与测定结构振型的方法类似。如图所示。第六章结构动载试验6.4.3结构动力系数测定由于承受移动荷载（如：桁车、列车、汽车等）的结构其计算方法是以静力计算为基础的，因而需要在静力计算中引入动力系数来判断结构的工作情况。动力系数的定义为：在移动荷载作用下，结构动挠度与静挠度之比。dKjdyy第六章结构动载试验动力系数的测定方法：将挠度计（可采用应变式机电百表）布置在被测结构的跨中处，并连线于动态电阻应变仪及记录仪。机电百分表动态电阻应变仪记录仪第六章结构动载试验（1）有轨的：先使移动荷载慢行通过，测量被测结构跨中然后按检测要求的不同种速度通过，测量被测结构各种速度通过时的跨中jydy第六章结构动载试验（2）无轨的：由于两次行驶的线路不可能完全一样，可将移动荷载按检测要求的不同种速度一次性通过，取振动挠度曲线之中线最大值为，振动挠度曲线最大值为。jydy第六章结构动载试验6.5检测数据处理6.5.1结构自振特性各参数的数据处理结构自振特性主要包括三个参数：自振频率、阻尼、振型。1自振频率求取结构的自振频率又称之为结构的固有频率。它是结构自身所固有的频率。频率即单位时间里周期的个数：tNf第六章结构动载试验为了便于计算，在实测波形中选取恰好是个周期。由于个周期所对应的时间不一定恰好是某个时间单位的整倍数，这时可引入速度，则有：NN00StNsSNtNf第六章结构动载试验2阻尼比求取1）.采用自由振动法求阻尼由于结构物的自由振动是有阻尼的衰减振动，且是以对数形式衰减，其衰减系数称之为对数衰减率，它定义为：ln1nnaa第六章结构动载试验由于要有足够的样本，故要拓宽到。故作如下变换：两边取对数:则：nkaknknnnnnnnknnaaaaaaaaaa132211kaaaaaaaaaaknknnnnnnnknn132211lnlnlnlnlnknnaakln1第六章结构动载试验依据粘滞理论，如图所示单自由度体系振动时程曲线：两相邻振幅之比为：)cos()(tAetantTTttnneeeaann)(1第六章结构动载试验两边取对数则有：在此考虑结构为有阻尼的振动周期则有：而在通常情况下，由于：如果：则：故有：为结构自振圆频率；为有阻尼的结构圆频率。Taann1lnrT212.0201rr22rTr第六章结构动载试验2）.采用共振法求阻尼由结构动力学可知：有阻尼的单自由度体系在简谐荷载作用下的动力放大系数为：式中：为频率比。其中，为简谐荷载（激振荷载）的圆频率；为被测结构的自振圆频率。212222]4)1[(d00第六章结构动载试验在如图的动力放大系数与激振频率的关系曲线（共振曲线）上，共振峰所对应的频率即是被测结构的自振频率。在共振曲线上作一直线与共振曲线相交，即将代入以上方程。dmax21dd)21(21d第六章结构动载试验代入后将方程两边平方则有：；。将两者相减则有：故有：111201021220122第六章结构动载试验在采用共振法对结构激振，施加简谐荷载时，结构在不同频率荷载作用下它的共振曲线的幅值：式中：为激振力；为在单位荷载作用下且在此荷载作用方向上的结构位移。如果激振力为一常量，则实测共振曲线的纵轴幅值与动力放大系数呈比例关系。故以上的阻尼算式在实测共振曲线上同样适用。dFA11F11第六章结构动载试验注：偏心式激振设备不同的数据处理方法对于偏心式激振