結構試驗技術之工程結構動力試驗PPT

1結構試驗技技術StructuralTestingTechnology陳再現(xiàn)副副教授、博博士上課了！?。?第四章工工程結構構動力試驗驗§4.1概述振動的危害害：汽車、、火車駛過過橋梁，引引起橋梁的的振動，飛飛機飛行過過程中，遇遇到氣流的的變化，機機翼和機身身也會產生生較劇烈的的振動。風風、地震、、爆炸、撞撞擊，移動動荷載（移移動的車過過橋梁的振振動）均可可對敏感結結構形成破破壞。研究振動的的目的就是是消除或減減少不利的的振動，合合理利用振振動效應為為我們服務務。3結構動載試試驗的主要內容：測定振源特特性：測定振動動的大小、、方向、頻頻率及其規(guī)規(guī)律。測定結構動動力特性：結構自振振頻率、阻阻尼比和振振型。測定結構動動力反應：位移（振振幅）、速速度、加速速度、動應應力、動力力系數(shù)量測方法：慣性式、、磁電式、、壓電式加載方法：慣性力、、電磁激振振、疲勞機機和液壓振振動臺、爆爆炸沖擊動荷載確定不確定風荷載地震荷載其他無法確定變化規(guī)律的荷載周期非周期簡諧荷載非簡諧荷載沖擊荷載突加荷載其他確定規(guī)律的動荷載4§4.3振動測量儀儀器振動參量（（位移、速度度、加速度度）可以通過過各種不同同方法進行行量測，有有慣性式測測振傳感器器、磁電式式速度傳感感器、還有有壓電式加加速度傳感感器。5一、慣性式式測振傳感感器原理

工作原理：由一個剛度為K的彈簧和一個阻尼系數(shù)為的阻尼器聯(lián)結在儀器的外殼上，測振時儀器的外殼框架固定在振動體上，并和振動體一起振動，如圖所示。我們直接測量得到是質量塊的相對于儀器外殼的振動獲得被測振動體振動?！?.3振動測量儀儀器6其中，拾振器系統(tǒng)帶入運動方程可以寫成：求解，可以得到拾振器位移反應：§4.3振動測量儀儀器7由此得到：：其中，8以為為橫坐標，，以和和為縱縱坐標，并并使用不同同的阻尼作作圖?！?.3振動測量儀儀器9幅頻特性曲曲線相頻特性曲曲線§4.3振動測量儀儀器10分析：當增加加時，也就就是振動體體振動頻率率較之儀器器的固有頻頻率大很多多時，不管管阻尼比大還是小，，趨近近于1，而趨趨近固定定值，也就就是質量塊塊的相對振振幅和振動動體的振幅幅趨近于相相等而相位位相反，此此時測振儀儀作測位移移使用，稱稱為“位移計”。11測振儀位移移反應§4.3振動測量儀儀器12加速度傳感器的幅頻特性曲線也就是質量量塊的相對對振幅和振振動體的加加速度振幅幅呈線性關關系而相位位基本相同同，此時測測振儀作測測加速度使使用，稱為為“加速度計”?！?.3振動測量儀儀器13振動測量時時，根據(jù)振動頻率和和測振傳感感器自振頻頻率之間的關系，來來選擇合適適的傳感器器。測量位移：應應使ω/ωn盡可能大，，可取5～10。測加速度：應應使ω/ωn盡可能小，，可取0.1～0.2?！?.3振動測量儀儀器14根據(jù)電磁感感應的原理理制成：振振動體振動動時，線圈圈與磁鋼之之間發(fā)生相相對運動，，根據(jù)電磁磁感應定律律，感應電電動勢E的大小為：：E=BLnv即E正比于v。磁電式速度傳感器二、磁電式式速度傳感感器原理§4.3振動測量儀儀器15原理：利用用壓電晶體體受力后在在其表面產產生電荷，，外力去掉掉后，晶體體又重新回回到不帶電電的狀態(tài)（（壓電效應應），且電電荷與外力力成正比。。通過測量量壓電晶體體的電荷量量來得到所所測振動的的加速度。。特點：穩(wěn)定定性高、頻頻率范圍寬寬，耐沖擊擊及能在很很寬的溫度度范圍內使使用，但靈靈敏度較低低。三、壓電式式加速度傳傳感器原理理§4.3振動測量儀儀器16一、慣性力力加載法二、電磁加加載法三、液壓振振動臺加載載四、其他加加載方法：：反沖激振器器加載、人人工爆炸加加載、人激激振加載等等§4.2動載試驗的的加載方法法與設備17一、慣性性力加載法法利用物體質質量在運動動時產生的的慣性力對對結構施加加動力荷載載。按產生生慣性力的的方法，可可分為沖擊力加載載和離心力加載載兩種方法。。1、沖擊力加加載特點：作用用時間極短短，在它的的作用下，，結構將產產生自由振振動，適用用于進行結結構動力特特性的試驗驗。常用的的方法有突突然加載法法和突然卸卸載法?！?.2動載試驗的的加載方法法與設備181）突然卸載法法（初位移加加載法）在結構上拉拉一根鋼絲絲繩，使結結構產生一一個初始強強迫位移，，然后突然然釋放，讓讓結構作自自由振動。。這種方法法的優(yōu)點是是結構自振振時荷載已已不存在于于結構，沒沒有附加質質量的影響響，但它僅僅適用于剛剛度不大的的結構。同同時注意怎怎樣牽拉和和釋放才能能使結構僅僅在一個平平面內產生生振動?！?.2動載試驗的的加載方法法與設備192）突然加荷法法（初速度加加載法）方法：利用用落重（落點處鋪鋪設100～200mm的砂墊層，，小于結構構自重的0.1%）或撞擊進進行加載§4.2動載試驗的的加載方法法與設備202．離心力加加載根據(jù)旋轉質質量產生離離心力的原原理對結構構施加簡諧諧振動荷載載。其原理如圖圖所示，離離心力為P=mw2r。在任何瞬瞬時產生的的離心力均均可分解成成垂直與水平的二個分力力?！?.2動載試驗的的加載方法法與設備21由二個或多多個偏心質質量旋轉組組成，按其其旋轉的相相對位置，，可形成垂垂直或水平平的簡諧振振動垂直振動水平振動22二、電磁加加載法1、電磁式激激振器根據(jù)電磁感感應原理，，當磁場中中的線圈通通過簡諧變變化的交變變電流時，，頂桿作用用于結構的的激振力也也按同樣規(guī)規(guī)律變化，，且激振力力與通過線線圈的電流流成正比。。1--外殼2a、2b--彈簧3--動圈4--鐵芯5--勵磁線圈6--頂桿§4.2動載試驗的的加載方法法與設備23優(yōu)點：激振頻率率范圍較寬寬（一般200Hz以內，個別別可達1000HZ），推力較較?。?0kN以內），重重量輕，控控制方便，，可按給定定信號可產產生各種波波形的激振振力。缺點：激振力不不大，位移移小。僅適適合于小型型結構及模模型試驗。。2、電磁振動動臺：實際上是利利用電磁式式激振器來來推動一個個活動臺面面構成的，，但由于振振動臺的激激振器輸入入勵磁線圈圈和活動線線圈的電流流都比較大大，工作時時間長了易易發(fā)熱，故故需附有冷冷卻系統(tǒng)。?！?.2動載試驗的的加載方法法與設備24電磁振動臺臺§4.2動載試驗的的加載方法法與設備25三、液壓振振動臺§4.2動載試驗的的加載方法法與設備26四、其他加加載方法1、反沖激振振器加載（（火箭激振））它適用于現(xiàn)現(xiàn)場結構試試驗，但小小沖量的也也可用于實實驗室。目目前使用的的反沖激振振器的反沖沖力為0.1～0.8kN和1～8kN。§4.2動載試驗的的加載方法法與設備272、人工爆炸炸加載--人工地震利用在地面面或地下炸炸藥爆炸的的方法產生生地面運動動的瞬時動動力效應，，模擬某一一烈度的天天然地震對對結構的影影響，稱之之為“人工工地震”。。炸藥量和距距爆心的距距離：按要求模模擬的地震震烈度，考考慮實際場場地條件的的特點，由由要求的地地面質點運運動的最大大速度，確確定炸藥量量和爆心至至試驗結構構的距離。。一般來說說，要使人人工爆炸接接近于天然然地震動，，要求炸藥量大§4.2動載試驗的的加載方法法與設備284.4.1動力荷載特特性的測定定4.4.2結構自振特特性的測定定4.4.3結構動力反反應的測定定4.4.4結構疲勞試試驗§4.4動參數(shù)的測測量方法294.4.1動力荷載特特性的測定定一、動荷載載特性的測測定方法根據(jù)不同的的動荷載，，可以采用用直接測定法法和比較測定法法。1、直接測定定法。測加速度規(guī)規(guī)律：錨固固在結構上上的動力設設備測力傳感器器：將傳感器固固定在結構構物和機器器底座之間間，開動機機器時可將將產生的慣慣性力用記記錄儀器記記下來302、比較測定定法。開動振源，，記錄承載載結構的振振動情況，，再開動激激振器逐步步調節(jié)其頻頻率和作用用力的大小小，使結構構產生同樣樣振動，由由于激振器器的作用力力和頻率已已知，這樣樣也可以求求得振源的的特性。這種方法對于于產生簡諧振振動的振源效效果最好。4.4.1動力荷載特性性的測定31二、動荷載特特性分析方法法1、波形分析：：分析實測振動動波形，按照照不同振源將將會引起規(guī)律律不同的強迫迫振動這一特特點，可以間間接判定振源源的某些性質質。沖擊振源：振振動圖形是間間隙性的阻尼尼振動，而且且有明顯尖峰峰和衰減的特特點，說明是是碰擊性振源源所引起的振振動。4.4.1動力荷載特性性的測定32是三個簡諧振源引起的更為復雜的合成振動圖形。是兩個頻率相差兩倍的簡諧振源引起的合成振動圖形。具有單一簡諧振源的接近正弦規(guī)律的振動圖形。這可能是一臺機器或多臺轉速一樣的機器所引起的振動4.4.1動力荷載特性性的測定33隨機振動波形：它是由隨機荷載所引起的，如地震動、風荷載；拍振：可能是是由兩個頻率率接近的簡諧諧振源共同作作用；另一種種只有一個振振源，但其頻頻率和結構的的固有頻率相相近。4.4.1動力荷載特性性的測定342、頻譜分析：對于簡諧振動動可以直接在在振動記錄圖圖上量出振動動頻率，而對對于復雜的合合成振動則需需將振動信號號進行頻譜分分析（FFT變換），每個個幅值對應的的頻率就是振振源的頻率。。4.4.1動力荷載特性性的測定35例：某鋼混框框架，高17.5m，上面有一個個300噸的化工容器器，此框架建建成投產后即即發(fā)現(xiàn)水平橫橫向振動很大大。于是以探測主主振源為目的的進行了實測測。在框架頂頂部、中部和和地面設置了了測振傳感器器，實測振動動的記錄如圖圖所示：實測振動的記記錄可以看出出上、中、地地面的波形是是一樣的?？煽梢钥闯鍪桥呐恼?，通過頻頻譜分析兩個個分振動的頻頻率分別為2.09Hz和2.28Hz，相當于125.4次/分和136.8次/分，經過調查查在附近有6臺大型臥式壓壓縮機，其中中4臺136轉/分和2臺125轉/分。4.4.1動力荷載特性性的測定36三、探測主振振源的方法作用在結構上上的動荷載常常常是復雜的的，許多情況況是由多個振振源產生的，，對結構振動動起主導作用用而危害最大大振源，我們們稱之為主振振源。結構發(fā)生振動動，其主振源源并不總是顯顯而易見的，，這時可以通通過試驗方法法測定。逐臺開動法：：逐個開動，，觀察結構在在每個振源影影響下的振動動情況，從中中找出主振源源波形分析和頻頻譜分析4.4.1動力荷載特性性的測定374.4.2結構動力特性性試驗一、結構動力力特性包括結構的自振頻率、阻尼比、振型等基本參數(shù)，，也稱振動模模態(tài)參數(shù)。這這些特性由結結構本身（質質量、剛度等等）決定，與與外荷載無關關。自由振動法共振法脈動法381、自由振動法法設法使結構產產生自由振動動，通過記錄錄儀器記下有有衰減的自由由振動曲線，，由此求出基本頻率和阻尼系數(shù)。自由振動法法基本加載方方法：為使結構產生生自由振動，，通常可采用用突加荷載（初速度法））和突卸荷載（初位移法））兩種辦法具有吊車的工工業(yè)廠房，可可利用小車突然剎車車產生自由振動動測定橋梁的動動力特性，可可以采用載重汽車越過過障礙物的辦法產生一一個沖擊荷載載用發(fā)射反沖激振器（又稱反沖小小火箭）的方方法可以產生生脈沖荷載，，從而使結構構發(fā)生自由振振動4.4.2結構動力特性性試驗39（1）周期測量通過測量儀器器的記錄，可可以得到結構構的有阻尼自自由振動曲線線。在振動時時程曲線上，，可以根據(jù)記記錄紙帶速度度或時間座標標，量取振動動波形的周期期，由此求得得結構的自振振頻率。為了消除荷載載影響，最初初的一個、二二個波不用，，同時，為了了提高準確度度，可以取若若干波的總時時間除以波數(shù)數(shù)得出平均數(shù)數(shù)作為基本周周期4.4.2結構動力特性性試驗40（2）阻尼計算：：對數(shù)衰減率4.4.2結構動力特性性試驗41（2）阻尼測量采用自由振動動法得到的周周期和阻尼系系數(shù)均比較準準確，但只能能測出基本頻頻率4.4.2結構動力特性性試驗422、共振法基本原理：由結構動力力學可知，當當干擾力的頻頻率與結構本本身固有頻率率相符時，結結構就出現(xiàn)共振。因此，連續(xù)改變激振器的的頻率，達到使結構構產生共振，，這時記錄下下的頻率，就就是結構的固固有頻率，連連續(xù)激振下去去，應可以得得到第一次共共振，第二次次共振，第三三次共振等。。4.4.2結構動力特性性試驗432、共振法（1）確定固有頻頻率：使用激振器器對結構進行行頻率由低到到高(或由高到低)的連續(xù)“頻率掃描’’試驗，同時記記錄下振動時時程曲線。在記錄圖上找找到各頻率和和相應的振幅幅，從而做出出頻率-振幅關系曲線線或稱共振曲曲線。共振曲曲線的幅值點點對應的頻率率即為結構的的固有頻率。。4.4.2結構動力特性性試驗44當使用離心式式激振器時，，應注意到轉轉速不同，激激振力大小也也不一樣（P=mw2r）。為了準確確地定出共振振曲線，應把把振幅折算為為單位激振力力作用下的振振幅，通常將將實測振幅A除以激振器圓圓頻率的平方方w2，以x=A/w2為縱坐標，w為橫坐標繪制制共振曲線。。4.4.2結構動力特性性試驗45（2）確定阻尼比比：半功率法:如圖，在縱座座標最大值ymax的0.707倍處作一水平平線與共振曲曲線相交于A和B兩點，其對應應橫座標是ω1與ω2。則阻尼比為：：4.4.2結構動力特性性試驗46以其推導過程程如下動力放大系數(shù)數(shù)D＝=D==平方后4.4.2結構動力特性性試驗47以其推導過程程如下忽略根號內4.4.2結構動力特性性試驗48（3）確定振型：：由結構動力學學可知，結構構按某一固有有頻率作振動動時形成的彈彈性曲線稱為為結構按此頻率率振動的振動動形式，簡稱振型。用共振法測測量振型時，，要將若干個個拾振器布置置在結構的各個部位。當激振器使使結構發(fā)生共共振時，同時記錄下結構各部位位的振動圖，，通過比較各各點的振幅和相位，即可給出該該頻率的振型型圖。4.4.2結構動力特性性試驗49測振傳感感器（拾拾振器））的布置置視結構形式式而定，同同樣應根根據(jù)振型的大大致形式式，在初步步分析獲獲得的振振型曲線線上位移較大大的部位位布置傳感感器有時由于于結構形形式比較較復雜，，測點數(shù)數(shù)超過已已有拾振振器數(shù)量量或記錄錄裝置能能容納的的點數(shù)，，這時可可以逐次移動動拾振器器，分幾次次測量，，但是必必須有一一個測點點作為參考點，各次測測量中位位于參考考點的拾拾振器不能移動動，而且各各次測量量的結果果部要與與參考點點的曲線線比較相位位。4.4.2結構動力力特性試試驗50§4.4.3結構動力力反應的的測定一、結構構特定部部位動參參數(shù)的測測定實踐中經經常遇到到需要測測定結構構物在動動荷載作作用下特特定部位位的動參參數(shù)如位移、速度、加速度、動變形等等。這這種情況況下，只只要在結結構振動動時布置置適當?shù)牡膬x器(如位移傳感感器、速度傳感感器、加速度傳傳感器或電阻應變變計等)記錄下振振動圖即即可。測測點布置置根據(jù)結結構情況況和試驗驗目的而而定：為了校核核結構強強度就應應將測點點布置在在最危險險的部位位即控制制斷面上上；如果是測測定振動動對精密密儀器的的影響，，一般應應在精密密儀器基基座處測測定振動動參數(shù)。。51一、結構構特定部部位動參參數(shù)的測測定例：振動動在同一一樓層內內情況（（影響范圍圍和衰減情況況）52二、測定定結構的的振動變變位圖目的：為了全全面了解解結構在在動荷載載作用下下的振動動狀態(tài)，，需要測測定結構構的振動動變位圖圖。測量方法法：將各個測測點的振振動圖用用記錄儀儀器同時時記錄下下來，根根據(jù)相位位關系確確定變位位的正負負號，再再按振幅幅（即變變位）大大小以一一定比例例畫在變變位圖上上，最后后連成結結構在實實際動荷荷載作用用下的振振動變位位圖。53二、測定定結構的的振動變變位圖例：雙懸懸臂梁振振動變形形測量測定方法法與振型型測定類類似，二二者差別別：振動變形形圖：結結構在特特定動荷荷載下的的變形曲曲線，一一般是由由多個振型型的合成。。振型：結結構按固固有頻率率振動時時的彈性性變形曲曲線，屬屬于結構構的自振振特性，，與外荷荷載無關關，是特殊情況況下的振振動變形形圖三、結構構動力系系數(shù)測定定承受移動動荷載的的結構如如吊車梁梁、橋梁梁等，常常常需要要確定它它的動力力系數(shù)，，以判定定結構的的工作情情況。移動荷載載作用于于結構上上所產生生的動撓撓度，往往往比靜靜荷載時時產生的的撓度大大。動撓度和和靜撓度度的比值值稱為動動力系數(shù)數(shù)：測定方法法：有軌的和無軌的三、結構構動力系系數(shù)測定定有軌時測測定方法法：先使使移動荷荷載以最最慢的速速度駛過過結構，，測得結結構的最最大撓度度，然后后使移動動荷載按按某種速速度駛過過，測得得各種速速度駛過過結構的的最大撓撓度，從從中找出出最大撓撓度。慢速駛過快速駛過三、結構構動力系系數(shù)測定定無軌的：：由于兩兩次行駛駛的線路路不可能能完全一一樣，故故將移動動荷載一一次性高高速通過過，取振振動撓度度曲線之之中線的的最大值值yj，振動撓撓度曲線線最大值值yd57§4.4.4結構疲勞勞試驗一、結構構疲勞試試驗的目目的和分分類結構疲勞勞試驗的的直接目目的是確定結構構的疲勞勞極限，為了獲獲得結構構疲勞極極限值，，必須對對結構施施加重復復荷載，，并測定定結構達達到疲勞勞破壞時時荷載的的重復次次數(shù)。結構的疲疲勞極限限？經歷無限限次循環(huán)環(huán)下不發(fā)發(fā)生疲勞勞時交變變應力的的最大應應力稱之之為疲勞極限限應力，對應的的荷載值值稱之為為疲勞極限限荷載58研究表明明，疲勞作用用次數(shù)取決于交變應力力的最大大值及應變幅度度，在一定定應力變變化幅度度下，交交變應力力的最大大值與重重復荷載載作用次次數(shù)的關關系如圖圖。可以看出出，當疲勞應力力小于某一應力力值以后后，荷載載重復次次數(shù)的增增加不再再會引起起結構的的疲勞破破壞。該該疲勞應應力值稱稱疲勞極極限應力力。是否存在在疲勞極極限呢？？？nσnσmax59一、結構構疲勞試試驗的目目的和分分類受力狀況況不同壓力疲勞勞、彎曲曲疲勞和和扭轉疲疲勞試驗驗加載制度度不同：：等幅疲勞勞和變幅幅疲勞環(huán)境疲勞勞試驗：：腐蝕環(huán)境境下的疲疲勞試驗驗；高溫溫或低溫溫下的疲疲勞試驗驗；加壓壓或真空空條件下下的疲勞勞試驗60二、結結構疲疲勞試試驗的的內容容生產鑒鑒定性性疲勞勞試驗驗，包包括：：①抗抗裂性性及開開裂荷荷載；；②裂裂縫寬寬度及及其發(fā)發(fā)展；；③最最大撓撓度及及其變變化幅幅度；；④疲疲勞極極限強強度。。對于科科研性性的疲疲勞試試驗，，還應應包括括：⑤各各階段段截面面應力力分布布狀況況，中中和軸軸變化化規(guī)律律。⑥疲疲勞破破壞特特征分分析⑦疲疲勞破破壞荷荷載及及承受受疲勞勞荷載載的重重復次次數(shù)⑧裂裂縫的的寬度度、長長度、、間距距及其其隨荷荷載重重復次次數(shù)的的變化化。⑨鋼鋼筋及及混凝凝土的的應力力隨荷荷載重重復次次數(shù)的的變化化。61三、結結構疲疲勞試試驗的的荷載載1、疲勞勞測試試的上限荷荷載Qmax是根據(jù)據(jù)構件件在標標準荷荷載下下最不不利組組合計計算而而得，，荷載下下限Qmin則根據(jù)據(jù)疲勞勞試驗驗機性性能要要求而而定。。62三、結結構疲疲勞試試驗的的荷載載2、疲勞勞測試試的荷荷載頻頻率（（速度度）為了保保證構構件在在疲勞勞測試試時不不產生生共振振，構構件的的穩(wěn)定定振動動范圍圍應遠離共共振區(qū)區(qū)，即使使疲勞勞測試試荷載載頻率率的滿滿足條條件。?；?gt;1.3ω為構件件固有有頻率率；θ為荷載載頻率率。63三、結結構疲疲勞試試驗的的荷載載3、疲勞勞循環(huán)環(huán)次數(shù)數(shù)應按現(xiàn)現(xiàn)行規(guī)規(guī)范中中的有有關規(guī)規(guī)定。。中級工工作制制吊車車梁n=2××106次重級工工作制制吊車車梁n=4××106次64四、結結構疲疲勞試試驗的的步驟驟疲勞試試驗加加載程程序包包括靜載試試驗、疲勞試試驗和破壞試試驗三個階階段：：1、靜載載試驗驗階段段：靜載前前的預預加載載：對對構建建施加加不大大于上上限荷荷載Qmax20%的預加加荷載載1~2次，以消除除松動動，接接觸不不良，，壓緊緊構件件并檢檢查測測試儀儀表是是否進進入正正常工工作狀狀態(tài)正式靜靜載：：分級加加載至至上限限荷載載Qmax，通常常荷載載等級