結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn) 07次課40課件

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各種類型的工程結(jié)構(gòu)，在實(shí)際使用過程中除了承受靜荷載作用外，常常還要受各種動荷載作用。

1.地震作用、風(fēng)振

2.大型機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動和沖擊作用

3.核爆炸等產(chǎn)生的瞬時沖擊作用

需要研究這些動荷載對工程結(jié)構(gòu)的影響，以達(dá)到在結(jié)構(gòu)設(shè)計時消除或減小動荷載的不利影響的目的。

第二章結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)§2.1

概述2

在工程結(jié)構(gòu)中有許多振動的課題要求人們研究解決，工程結(jié)構(gòu)中需要研究和解決的振動問題：抗震理論分析和試驗(yàn)研究（為地震設(shè)防和抗震設(shè)計提供依據(jù)，提高各類建筑物的抗震能力。）設(shè)計和建筑工業(yè)廠房時，要考慮生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的振動對廠房結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的影響。§2.1

概述3高層建筑與高聳構(gòu)筑物設(shè)計時，需要解決風(fēng)荷載所引起振動問題。生產(chǎn)工藝對廠房的特殊要求（精密機(jī)床等），另外噪聲也會使勞動條件惡化，直接危害工人健康，必須采取防震、隔聲和消振措施。國防建設(shè)中，需要研究建筑物的抗爆問題。

§2.1

概述4

研究振動問題的手段：通過理論分析和試驗(yàn)研究

結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)：

就是通過試驗(yàn)的方法對結(jié)構(gòu)振動進(jìn)行分析研究。它是工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)工作的一個重要組成部分。§2.1

概述5

在結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)中將引起結(jié)構(gòu)振動的動力源稱為振源。振源可歸納為固定振源、移動振源和特殊振源。§2.1

概述6

振源產(chǎn)生的動力荷載是復(fù)雜和多樣的，概括起來有三種荷載：撞擊荷載：撞擊荷載的作用時間極為短暫，一般在1/1000～1/10000秒，作用力的大小及其出現(xiàn)的時間間隔往往沒有規(guī)律。7振動荷載：振動荷載的作用是經(jīng)常的，具有周期性，作用力的大小和頻率按照某一固定規(guī)律變化。復(fù)雜荷載。復(fù)雜荷載有可能是撞擊荷載和振動荷載的組合，也可能是地震、風(fēng)、爆炸等特殊荷載或其組合，是實(shí)際生活中最常見的動力荷載。8

實(shí)際進(jìn)行結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)，通常有以下幾種情況：1．測定結(jié)構(gòu)物在實(shí)際工作時的振動水平（振幅，頻率）及性狀。動力機(jī)械作用下廠房結(jié)構(gòu)的振動；車輛荷載作用下橋梁的振動；地震時結(jié)構(gòu)的振動；風(fēng)荷載作用下高層建筑或高聳構(gòu)筑物的風(fēng)振；精密機(jī)器設(shè)備、精密儀表所在環(huán)境的振動等。92．采用各種類型的激振手段，對原型結(jié)構(gòu)或模型結(jié)構(gòu)動荷載試驗(yàn)。對各類建筑物進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的正弦激振或隨機(jī)的自然激振試驗(yàn)，以測定建筑物的動力特性參數(shù)；對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行振動臺模型試驗(yàn)，以測定結(jié)構(gòu)的抗震性能和地震破壞機(jī)理；對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行風(fēng)洞模型試驗(yàn)，以測定結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的性能；對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行抗爆或沖擊波試驗(yàn)，以測定結(jié)構(gòu)的抗爆性能。10

3．結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)。

確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件在多次重復(fù)荷載作用下的受力性能，如抗裂性能、裂縫寬度、變形和強(qiáng)度等。11

結(jié)構(gòu)動力試驗(yàn)的內(nèi)容：測定動力荷載或振源的特性，即測定引起振動的作用力的大小、作用方向、作用頻率及其規(guī)律。測定結(jié)構(gòu)動力特性，包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比、振型。測定結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的反應(yīng)，包括位移（振幅）、速度、加速度、動應(yīng)力、動力系數(shù)等。結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)。12一、振動量測系統(tǒng)框圖振動參量可以通過各種不同方法進(jìn)行量測，有機(jī)械式振動測量系統(tǒng)、光學(xué)測量系統(tǒng)、還有電測系統(tǒng)，即電測法。電測法是將振動參量（位移、速度、加速度）轉(zhuǎn)換成電量，而后用電子儀器進(jìn)行放大，顯示或記錄。電測法靈敏度高，且便于遙控、遙測，是目前最常用方法。§2.2

動載試驗(yàn)的量測儀器13

根據(jù)所測對象的條件和量測目的而選擇不同類型的傳感器和量測儀表。電測法振動測量系統(tǒng)可以用框圖表示。

傳感器直接檢測振動信號并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚瑴y量(放大）電路對從傳感器輸入的電信號根據(jù)需要進(jìn)行處理，即調(diào)制、放大、微分、積分等等，然后輸入到記錄設(shè)備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。傳感器放大電路記錄器14二、慣性式測振傳感器力學(xué)原理

振動具有傳遞作用，測振時很難在振動體附近找到一個靜止點(diǎn)作為測量振動的基準(zhǔn)點(diǎn)，這樣就需要在儀器內(nèi)部設(shè)法構(gòu)成一個基準(zhǔn)點(diǎn)。由慣性質(zhì)量和彈性元件組成的振動系統(tǒng)可以解決這個問題?！?.2

動載試驗(yàn)的量測儀器15

工作原理：

慣性質(zhì)量m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(jié)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。我們直接測量得到是質(zhì)量塊的相對于儀器外殼的振動，通過計算分析得到所測振動體振動?！?.2

動載試驗(yàn)的量測儀器16設(shè)被測振動物體按下面表達(dá)式的規(guī)律振動以y表示質(zhì)量塊m相對于儀器外殼的位移，質(zhì)量塊m的總位移，x+y，或下一步是:§2.2

動載試驗(yàn)的量測儀器17單自由度，有阻尼，強(qiáng)迫振動方程，上式第一項(xiàng)為自由振動，由于阻尼而很快衰減，第二項(xiàng)為強(qiáng)迫振動的解。其中：§2.2

動載試驗(yàn)的量測儀器18以為橫坐標(biāo)，以和為縱坐標(biāo)，并使用不同的阻尼作圖?！?.2

動載試驗(yàn)的量測儀器19§2.2

動載試驗(yàn)的量測儀器

幅頻特性曲線

相頻特性曲線20

分析：（測位移的測振傳感器設(shè)計狀態(tài)）當(dāng)增加時，也就是振動體振動頻率較之儀器的固有頻率大很多時，不管阻尼比D大還是小，趨近于1，而趨近180°，也就是質(zhì)量塊的相對振幅和振動體的振幅趨近于相等而相位相反，這是測振儀器工作的理想狀態(tài)。21當(dāng)接近1，若阻尼D=0.5～0.7，仍接近1，相位差隨著被測振動頻率的改變而改變，儀器所出的波形有畸變；22當(dāng)小于1，→0，儀器不能反映所測的振動。23以上所述是為測位移的測振傳感器設(shè)計的狀態(tài)，如果使傳感器固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所測振動頻率

24由于

25拾振器相對位移y近似與被測振動加速度成正比。26三、測振傳感器測振傳感器又稱拾振器，是振動的感受裝置，把振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，其轉(zhuǎn)換方式是多種多樣的，如磁電式、壓電式、電阻應(yīng)變式、差動變壓器式、壓電式、差容式。測量振動量是位移、速度、加速度。大部分做成慣性式也就是絕對式；也有少數(shù)相對式傳感器?！?.2

動載試驗(yàn)的量測儀器271．磁電式速度傳感器

特點(diǎn)：靈敏度高，性能穩(wěn)定；輸出阻抗低，頻率響應(yīng)有一定寬度，通過對質(zhì)量彈簧系統(tǒng)參數(shù)的不同設(shè)計，可以使傳感器即能量測非常微弱的振動，也能測比較強(qiáng)的振動?！?.2

動載試驗(yàn)的量測儀器28

磁電式速度傳感器，由磁鋼和殼體相固連安裝在所測振動體上，并與振動體一起振動，芯軸與線圈組成傳感器的可動系統(tǒng)并由簧片和殼體連接，可動系統(tǒng)就是傳感器的慣性質(zhì)量塊，測振時慣性質(zhì)量塊和儀器殼體相對移動，因而線圈和磁鋼也相對移動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)電磁感應(yīng)規(guī)律，E=BLnv

對于儀器系統(tǒng)BLn為常量，所以測振傳感器的輸出電壓與所測振動物體的振動速度成正比。29

對于這種類型的測振傳感器，慣性質(zhì)量塊的位移反映所測振動位移，而傳感器輸出的電壓與振動速度成正比，所以也稱為慣性式速度傳感器。30磁電式速度傳感器：對于建筑工程中經(jīng)常要測10Hz以下，甚至1Hz以下的低頻振動采用擺式測振傳感器，質(zhì)量彈簧系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)動的形式，以獲得更低的固有頻率根據(jù)所測振動是垂直方向還是水平方向有垂直擺、倒立擺、水平擺等。31磁電式測振傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)：固有頻率f。靈敏度K。頻率響應(yīng)。阻尼系數(shù)32

振動的位移或加速度可以通過積分網(wǎng)絡(luò)和微分網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，無源積分網(wǎng)絡(luò)的工作原理：RcU設(shè)計積分電路時要阻抗R大大地大于容抗即

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傳感器輸出的電壓信號一般比較弱，需經(jīng)過電壓放大器。放大器應(yīng)與磁電式傳感器很好地匹配，首先放大器的輸入阻抗要大大地大于傳感器的輸出阻抗，這樣就可以把信號盡可能多地輸入到放大器的輸入端。放大器應(yīng)有足夠的電壓放大倍數(shù)，同時信噪比要比較大。為了同時能夠適應(yīng)于微弱的振動測量和較