建筑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)動力試驗（PPT42）

第5章結(jié)構(gòu)動力力試驗5.1概概述述5.2結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)動荷載載特性試試驗5.3結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)動力特特性試驗驗5.4結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)動力反反應(yīng)試驗驗5.5結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)風洞試試驗本章目錄錄第5.1節(jié)概概述建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)在使用用過程中中除了承承受靜載載作用外外，還常常常承受受各種動動荷載的的作用，，如風荷荷載、地地震作用用、動力力設(shè)備對對工業(yè)建建筑的作作用、沖沖擊及爆爆炸荷載載等。動動荷載除除了增大大結(jié)構(gòu)受受力外，，還會引引起結(jié)構(gòu)構(gòu)的振動動，甚至至會引起起結(jié)構(gòu)發(fā)發(fā)生疲勞勞、共振振破壞。。為了確確定動荷荷載的特特性、結(jié)結(jié)構(gòu)的動動力特性性、結(jié)構(gòu)構(gòu)的動力力反應(yīng)以以及結(jié)構(gòu)構(gòu)的疲勞勞特性等等，常常常需要進進行結(jié)構(gòu)構(gòu)動力試試驗。動動力與靜靜力試驗驗明顯的的區(qū)別在在于荷載載隨時間間連續(xù)變變化、結(jié)結(jié)構(gòu)反應(yīng)應(yīng)與自身身動力特特性相關(guān)關(guān)。第5.2節(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)動荷載載特性試驗動荷載的特性性：作用力、、方向、頻率率和阻尼等參參數(shù)。在研究風荷載載、地震作用用、工業(yè)建筑筑內(nèi)的動力設(shè)設(shè)備響應(yīng)時，，需要確定振振源的大小和和作用規(guī)律，，這些振源雖雖然可以根據(jù)據(jù)統(tǒng)計值進行行動力荷載特特性計算，但但有時實際動動力特性與統(tǒng)統(tǒng)計值有較大大的差距，用用計算方法往往往不能獲得得振源的實際際動力特性，，因此，需要要借助試驗的的方法進行確確定。對于于動動荷荷載載特特性性的的測測定定，，可可以以采采用用直接接測測定定法法、、間間接接測測定定法法和和比比較較測測定定法法等。。（1））直直接接測測定定法法直接接測測定定法法是是指指在在測測量量對對象象上上直直接接安安裝裝傳傳感感器器，，通通過過傳傳感感器器的的反反應(yīng)應(yīng)來來測測定定動動荷荷載載的的各各項項參參數(shù)數(shù)。。這這種種方方法法簡簡單單可可靠靠，，隨隨著著現(xiàn)現(xiàn)代代量量測測技技術(shù)術(shù)的的不不斷斷發(fā)發(fā)展展，，各各種種傳傳感感器器性性能能的的逐逐步步完完善善和和提提高高，，使使其其應(yīng)應(yīng)用用范范圍圍也也愈愈來來愈愈廣廣。。（2）間接接測定法間接測定法法是把要測測定動力的的設(shè)備安裝裝在有足夠夠彈性變形形的專用結(jié)結(jié)構(gòu)上（3）比較較測定法當振源是可可以開啟、、停止的情情況下，可可以采用比比較測定法法。先開動動振源，記記錄結(jié)構(gòu)的的振動情況況，再開動動激振器逐逐漸調(diào)節(jié)其其頻率和作作用力的大大小，使結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生同同樣振動。。由于激振振器的作用用力和頻率率已知，這這樣可求得得振源的特特性。第5.3節(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)動動力特性試試驗1自由振動法法2共振法3脈動法本節(jié)目錄結(jié)構(gòu)動力特特性是結(jié)構(gòu)構(gòu)本身固有有的動態(tài)參參數(shù)，包括括固有頻率率、振型和和阻尼系數(shù)數(shù)等，它們們?nèi)Q于結(jié)結(jié)構(gòu)的組成成形式、剛剛度、質(zhì)量量分布、材材料形式等等，與外荷荷載無關(guān)。。結(jié)構(gòu)的動動力特性是是進行結(jié)構(gòu)構(gòu)抗震計算算、解決結(jié)結(jié)構(gòu)共振問問題的基本本依據(jù)。常用的結(jié)構(gòu)構(gòu)動力特性性試驗方法法有自由振動法法、共振法法和脈沖法法等。5.3.1自由振振動法自由振動法法是使結(jié)構(gòu)構(gòu)產(chǎn)生一初初位移或初初速度，然然后釋放使使其產(chǎn)生自自由振動，，通過記錄錄儀獲得有有衰減的自自由振動曲曲線（圖5.1），，由此可以以利用動力力學(xué)知識求求出結(jié)構(gòu)的的基本頻率率和阻尼系系數(shù)。圖5.1自自由振動動時程曲線線如果時程曲曲線上在時時間內(nèi)包含含若干個完完整波形時時，頻率為為：(Hz)(5.1)由動力學(xué)可可知，結(jié)構(gòu)構(gòu)自由振動動時，時刻的振幅幅：(5.2)式中：―時刻的振動動位移；－振幅；－阻尼比；；―被測振動的的圓頻率。。

時刻的振幅：(5.3)則有：(5.4)兩邊取自然對數(shù)，則有：(5.5)阻尼比：(5.6)阻尼系數(shù)：：(5.7)為了提高計計算的精度度，實際阻阻尼比計算算取k個周周期的衰減減進行計算算：(5.8)對于實際測測試曲線無無零線的情情形：(5.9)常用方法：：1突加加荷載法突加荷載法法也稱初速速度加載法法，原理是是利用錘擊擊或落重物物的方法使使結(jié)構(gòu)在瞬瞬間受到?jīng)_沖擊，產(chǎn)生生一個初速速度，使結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振振動。2突突然卸載法法突然卸載法法也稱為初初位移加載載法，如圖圖5.2（（a）所示在結(jié)結(jié)構(gòu)上拉一一鋼絲繩，，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)產(chǎn)生人為的的初始位移移，然后突突然釋放，，使結(jié)構(gòu)在在靜力平衡衡位置附近近作自由振振動。（a）

（b）圖5.2用張拉突卸法對結(jié)構(gòu)施加沖擊力荷載1-結(jié)構(gòu)物；2-鋼拉桿；3-保護索；4-鋼絲繩；5-鉸車；6-模型；7-鋼絲；8-滑輪；9-支架；10-重物；11-減振墊層對于結(jié)構(gòu)小模型型可采用圖5.2（b）的方法，，通過懸掛掛的重物對對模型施加加水平拉力力，剪斷鋼鋼絲繩產(chǎn)生生突然卸荷荷，使結(jié)構(gòu)構(gòu)產(chǎn)生振動動。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)構(gòu)自振時荷荷載已不存存在，重物物本身對結(jié)結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)產(chǎn)生附加影影響。利用自由振振動法一般般只能獲得結(jié)構(gòu)的的基本頻率率及其阻尼尼。5.3.2共振法共振法采用用能夠產(chǎn)生生穩(wěn)態(tài)簡諧諧振動的起起振機或激激振器作為為振源，使使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生生強迫簡諧諧振動，借借助對結(jié)構(gòu)構(gòu)受迫振動動的測定，，求得結(jié)構(gòu)構(gòu)動力特性性的基本參參數(shù)。實驗時，把把激振器安安裝在結(jié)構(gòu)構(gòu)的適當位位置，加大大激振器輸輸出力量，，可以迫使使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生生周期性強強迫振動。。當干擾力力的頻率與與結(jié)構(gòu)本身身自振頻率率相等時，，結(jié)構(gòu)就會會出現(xiàn)共振振。因此，，通過改變變激振器的的頻率，可可促使結(jié)構(gòu)構(gòu)產(chǎn)生共振振反應(yīng)，記記錄共振時時共振曲線線（圖5.3）和振振型曲線（（圖5.5），通過過曲線分析析，可以獲獲得結(jié)構(gòu)的的自振頻率率和振型阻阻尼比。0圖5.3為為對建建筑物物進行行頻率率掃描描試驗驗時所所得到到的時時間歷歷程曲曲線。。在共共振頻頻率附附近逐逐漸調(diào)調(diào)節(jié)激激振器器的頻頻率，，同時時記錄錄結(jié)構(gòu)構(gòu)的振振幅，，就可可做出出頻率率—振幅關(guān)關(guān)系曲曲線（（共振振曲線線）。。曲線線上峰峰值所所對應(yīng)應(yīng)的頻頻率值值即為為結(jié)構(gòu)構(gòu)的自自振頻頻率。。圖5.3共共振振時的的振動動圖形形和共共振曲曲線從共振振曲線線上可可以得得到結(jié)結(jié)構(gòu)的的阻尼尼系數(shù)數(shù)，在在圖5.4中，，在縱縱坐標標最大大值0.707處處畫畫出一一條水水平線線與共共振曲曲線相相交，，交點點對應(yīng)應(yīng)的頻頻率為為、，，則可求得得該階頻率率阻尼比為為：(5.10)圖5.4由由共振曲曲線求阻尼尼系數(shù)和阻阻尼比用共振法也也可以測定定結(jié)構(gòu)的振振型。振型:結(jié)結(jié)構(gòu)在某一一頻率下做做振動時形形成的彈性性曲線?；l-------第一振型型第二頻率-------第二二振型第三頻率--------第第三振型將若干個測測振傳感器器沿結(jié)構(gòu)的的高度或跨跨度方向連連續(xù)布置(至少5個個)，當結(jié)結(jié)構(gòu)自由振振動或共振振時，同時時記錄下結(jié)結(jié)構(gòu)各部位位的振動情情況，通過過比較各點點的振幅和和相位，并并將各測點點同一時刻刻的位移值值連接成一一條曲線，，即可繪出出該頻率的的振型圖。。5.3.3脈脈動動法法脈動動實實驗驗：建建筑筑物物由由于于受受外外界界干干擾擾而而處處于于微微小小而而不不規(guī)規(guī)則則的的振振動動中中。。通通過過測測量量建建筑筑物物的的脈脈動動反反應(yīng)應(yīng)波波形形來來確確定定建建筑筑物物的的動動力力特特性性。。當采用高靈敏敏度的傳感器器、借助放大大記錄設(shè)備，，由數(shù)據(jù)采集集儀采集，可可以清楚地觀觀測和記錄這這種振動信號號。由于環(huán)境境引起的振動動是隨機的，，因而又把這這種方法稱為為環(huán)境隨機激勵勵法。優(yōu)點：測量中可以以不用任何激激振設(shè)備，對對建筑物沒有有任何損傷，，不影響建筑筑物的正常使使用，在自然然環(huán)境條件下下，即可測量量建筑結(jié)構(gòu)的的響應(yīng)，經(jīng)過過數(shù)據(jù)分析確確定其動力特特性。該方法適用于于測量整體結(jié)結(jié)構(gòu)的動力特特性，是目前前現(xiàn)場動力特特性測試中廣廣泛應(yīng)用的一一種方法。第5.4節(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)動力反反應(yīng)試驗本節(jié)目錄1動應(yīng)變測量2動位移測量3動力系數(shù)測量量在實際工程中中，經(jīng)常需要要對動荷載作作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)產(chǎn)生的動力反反應(yīng)進行測定定，包括測定定結(jié)構(gòu)在實際際工作時的動動力參數(shù)（振振幅、頻率、、速度、加速速度）、動應(yīng)應(yīng)變、動位移移等。與動荷載特性性試驗和結(jié)構(gòu)構(gòu)動力特性試試驗不同：動動荷載特性試試驗測定的對對象是產(chǎn)生動動荷載的振源源；結(jié)構(gòu)動力力特性試驗測測定的是結(jié)構(gòu)構(gòu)自身的動力力特性；結(jié)構(gòu)構(gòu)動力反應(yīng)試試驗測試的是是動荷載和結(jié)結(jié)構(gòu)相互作用用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生生的響應(yīng)。5.4.1動動應(yīng)變測量量測量結(jié)構(gòu)在動動力荷載作用用下的動應(yīng)變變，確定動荷荷載在結(jié)構(gòu)中中引起的動應(yīng)應(yīng)力，從而對對結(jié)構(gòu)強度驗驗算。一般采采用動態(tài)電阻阻應(yīng)變儀配合合高速記錄儀儀(磁帶記錄錄儀或計算機機)測試記錄錄動態(tài)應(yīng)變。?；疽螅孩龠x用疲勞壽命命長的應(yīng)變片片；②選用小標距應(yīng)應(yīng)變片用以進進行高頻測量量；③連接應(yīng)變片的的導(dǎo)線捆扎成成束，消除電電容；④儀器的工作頻頻率范圍大于于被測動應(yīng)變變信號頻率；；⑤若測試時間較較長，試驗前前后要對儀器器進行標定。。5.4.2動動位移測量量在結(jié)構(gòu)控制斷斷面或在有特特殊生產(chǎn)工藝藝要求的位置置布置位移測測點，測點的的布置原則與與靜撓度測量量相同，測量量動撓度的傳傳感器可以選選用電阻應(yīng)變變式傳感器，，采用動態(tài)應(yīng)應(yīng)變儀進行測測量和記錄。。電阻應(yīng)變式式傳感器的數(shù)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)應(yīng)變轉(zhuǎn)換和動動應(yīng)力測量相相同。圖5.6所示為一一橋梁在動荷荷載作用下的的動應(yīng)變和動動撓度測量布布置。1314121圖5.6橋梁動應(yīng)變和動撓度測量示意圖1－計算機；2－位移計；3－應(yīng)變計；4－動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀5.4.3動動力系數(shù)測測量承受移動荷載載的結(jié)構(gòu)如橋橋梁、吊車梁梁等，試驗檢檢測時常常需需要確定其動動力系數(shù)，以以判定結(jié)構(gòu)的的工作情況。。移動荷載作作用于結(jié)構(gòu)上上所產(chǎn)生的動動撓度，往往往比靜荷載時時產(chǎn)生的撓度度大。動撓度和靜撓撓度的比值稱稱為動力系數(shù)數(shù)。結(jié)構(gòu)動力系數(shù)數(shù)一般用試驗驗方法實測確確定。為了求求得動力系數(shù)數(shù)，先使移動動荷載以最慢慢的速度駛過過結(jié)構(gòu)，測得得撓度圖如圖圖5.6（a），然后使移移動荷載按某某種速度駛過過，這時結(jié)構(gòu)構(gòu)產(chǎn)生最大撓撓度如如圖5.6（b）。圖上最大大靜撓度和和最大大動撓度，，即即可求得動力力系數(shù)。（5.10）圖5.6移動荷載作用用下荷載變形形結(jié)構(gòu)圖（a）有軌慢速行行駛變形記錄錄；(b)有軌按一定定速度行駛變變形記錄；（（c）無軌高高速行駛駛變形記記錄第5.5節(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)風洞洞試驗風對人類類造成的的災(zāi)害，，有相當當一部分分是通過過構(gòu)筑物物的破壞壞而產(chǎn)生生的，僅僅就建筑筑物而言言，人類類在挑戰(zhàn)戰(zhàn)高度和和跨度的的實踐中中取得了了顯著的的成就，，但在這這一過程程也存在在著失敗敗或事故故時有發(fā)發(fā)生，事事實上，，也正是是這些失失敗或事事故反過過來促使使人們進進行進一一步的創(chuàng)創(chuàng)新研究究。在對風荷載進進行研究的早早起，風對結(jié)結(jié)構(gòu)的作用一一直僅被當作作靜力作用來來處理，直到到1940年年美國塔科馬馬海峽大橋（（TacomaNarrowBridge）發(fā)生風振振坍塌后人們們才開始逐步步研究并認識識風對結(jié)構(gòu)的的動力作用，，塔科馬海峽峽大橋倒塌前前后對比見圖圖5.7。圖5.7塔塔科馬海峽大大橋風毀前后后對比圖20世紀50年代開始，，結(jié)構(gòu)風洞試試驗開始成為為結(jié)構(gòu)抗風設(shè)設(shè)計和檢驗的的重要手段。。20世紀70年代初開始始對實際高層層建筑物進行行風壓觀測，，從1984年北京大學(xué)學(xué)建成了我國國首座風洞以以來，國內(nèi)比比較著名的土土木工程風洞洞試驗室有同同濟大學(xué)風洞洞試驗室、湖湖南大學(xué)風洞洞試驗室、哈哈爾濱工業(yè)大大學(xué)風洞與波波浪模擬實驗驗室和汕頭大大學(xué)風洞實驗驗室等。風荷載是建筑筑結(jié)構(gòu)設(shè)計荷荷載之一，對對于超高層建建筑、大跨度度結(jié)構(gòu)和高聳聳結(jié)構(gòu)而言，，風荷載是主主要的作用，，例如在結(jié)構(gòu)抗抗風設(shè)計時需需要結(jié)構(gòu)的體體形系數(shù)和風風振系數(shù)，但但僅依靠荷載載規(guī)范，往往往很難精確得得到。在實際際中，常采用用風洞試驗來來準確獲得體體形復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)的體型系數(shù)數(shù)和風振系數(shù)數(shù)。我國《高層建筑混混凝土結(jié)構(gòu)技技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)中4.2.8條也規(guī)定定：房屋高度度大于200m或有下列列情況之一時時，宜進行風風洞試驗確定定建筑物的風風荷載：①平平面面形形狀狀不不規(guī)規(guī)則則，，立立面面形形狀狀復(fù)復(fù)雜雜；；②立面面開開洞洞或或連連體體建建筑筑；；③周圍圍地地形形和和環(huán)環(huán)境境較較復(fù)復(fù)雜雜。。確定定風風荷荷載載的的手手段段主主要要有有風風洞洞試試驗驗、、現(xiàn)現(xiàn)場場實實測測和和數(shù)數(shù)值值模模擬擬等等，，風洞洞試試驗驗是目目前前較較為為準準確確、、可可靠靠且且應(yīng)應(yīng)用用最最為為廣廣泛泛的的研研究究方方法法。。從流流動動方方式式來來看看，，風風洞洞試試驗驗總總體體上上可可劃劃分分為為兩兩個個基基本本類類型型：：即即開開口口直直流流式式風風洞洞（（圖圖5.8、、圖圖5.9））和和閉閉口口回回流流式式風風洞洞（（圖圖5.10、、圖圖5.11））。。從風風洞洞試試驗驗段段的的構(gòu)構(gòu)造造來來看看又又有有封封閉閉式式和和敞敞開開式式之之分分。。封封閉閉式式試試驗驗段段以以矩矩形形斷斷面面常常見見，，是是由由頂頂板板、、底底板板、、兩兩側(cè)側(cè)板板面面圍圍成成的的與與四四周周隔隔離離的的封封閉閉試試驗驗空空間間。。敞敞開開式式試試驗驗段段四四周周沒沒有有隔隔離離板板，，試試驗驗空空間間與與外外界界相相通通。。圖5.8典典型型開開口口直直流流邊邊界界層層風風洞洞示示意意圖圖（（同同濟濟大大學(xué)學(xué)TJ-1風風洞洞））圖5.9中中國國建建筑筑科科學(xué)學(xué)研研究究院院直直流流式式風風洞洞圖5.9典典型型水水平平布布置置閉閉口口回回流流邊邊界界層層風風洞洞示示意意圖圖（（同同濟濟大大學(xué)學(xué)TJ-2風風洞洞））圖5.10回回流流式式風風洞洞安安裝裝現(xiàn)現(xiàn)場場風洞洞是是進進行行試試驗驗的的主主要要設(shè)設(shè)備備，，除除此此以以外外，，進進行行試試驗驗還還需需要要風風速速、、風風壓壓、、氣氣動動力力等等測測量量設(shè)設(shè)備備。。風風洞洞試試驗驗的的設(shè)設(shè)計計及及實實