建筑結構試驗課件第七章結構動力特性試驗

建筑結構試驗課件第七章結構動力特性試驗第一頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.1概述

建筑結構動力特性是反映結構本身所固有的動力性能。它的主要內(nèi)容包括結構的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等一些基本參數(shù)，也稱動力特性參數(shù)或振動模態(tài)參數(shù)。這些特性是由結構形式、質量分布、結構剛度、材料性質，構造連接等因素決定，但與外荷載無關。建筑結構動力特性試驗量測結構動力特性參數(shù)是結構動力試驗的基本內(nèi)容，在研究建筑結構或其他工程結構的抗震、抗風或抗御其它動荷載的性能和能力時，都必須要進行結構動力特性試驗，了解結構的自振特性。

第二頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.1概述1．在結構抗震設計中，為了確定地震作用的大小，必須了解各類結構的自振周期。同樣，對于已建建筑的震后加固修復，也需了解結構的動力特性，建立結構的動力計算模型，才能進行地震反應分析。2．測量結構動力特性，了解結構的自振頻率，可以避免和防止動荷載作用所產(chǎn)生的干擾與結構產(chǎn)生共振或拍振現(xiàn)象。在設計中可以使結構避開干擾源的影響，同樣也可以設法防止結構自身動力特性對于儀器設備的工作產(chǎn)生干擾的影響，可以幫助尋找采取相應的措施進行防震，隔震或消震。3．結構動力特性試驗可以為檢測、診斷結構的損傷積累提供可靠的資料和數(shù)據(jù)。由于結構受動力作用，特別是地震作用后，結構受損開裂使結構剛度發(fā)生變化，剛度的減弱使結構自振周期變長，阻尼變大。由此，可以從結構自身固有特性的變化來識別結構物的損傷程度，為結構的可靠度診斷和剩余壽命的估計提供依據(jù)。

第三頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.1概述建筑結構的動力特性可按結構動力學的理論進行計算。但由于實際結構的組成，材料和連接等因素，經(jīng)簡化計算得出的理論數(shù)據(jù)往往會有一定誤差。對于結構阻尼系數(shù)一般只能通過試驗來加以確定。因此，建筑結構動力特性試驗就成為動力試驗中的一個極為重要的組成部分。

第四頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.1概述結構動力特性試驗是以研究結構自振特性為主，由于它可以在小振幅試驗下求得，不會使結構出現(xiàn)過大的振動和損壞，因此經(jīng)?？梢栽诂F(xiàn)場進行結構的實物試驗，正如本章所介紹的試驗實例。隨著對結構動力反應研究的需要，目前較多的結構動力試驗，特別是研究地震，風震反應的抗震動力試驗，也可以通過試驗室內(nèi)的模型試驗來測量它的動力特性。

第五頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.1概述人工激振法是一種早期使用的方法，試驗得到的資料數(shù)據(jù)直觀簡單，容易處理；環(huán)境隨機振動法是一種建立在計算機技術發(fā)展基礎上采用數(shù)理統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)的新方法，由于它是利用環(huán)境脈動的隨機激振，不需要激振設備，對于現(xiàn)場測試特別有利。以上任何一種方法都能測得結構的各種自振特性參數(shù)。

第六頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性7.2.1結構自振頻率測量1、自由振動法定義：在試驗中采用初位移或初速度的突卸或突加荷載的方法，使結構受一沖擊荷載作用而產(chǎn)生自由振動?，F(xiàn)場試驗：反沖激振器對結構產(chǎn)生沖擊荷載；工業(yè)廠房：鍛錘、沖床或利用行車的縱橫向制動產(chǎn)生垂直或水平的自由振動；橋梁：載重汽車越過障礙物或突然制動產(chǎn)生沖擊荷載。模型試驗：錘擊法激勵模型產(chǎn)生自由振動。通過測量儀器的記錄，可以得到結構的有阻尼自由振動曲線。振動時程曲線，據(jù)記錄紙帶速度或時間座標，量取振動波形的周期，由此求得結構的自振頻率f＝1／T。

第七頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性7.2.1

結構自振頻率測量2、強迫振動法

強迫振動法也稱共振法。一般都采用慣性式機械離心激振器對結構施加周期性的簡諧振動，在模型試驗時可采用電磁激振器激振，使結構和模型產(chǎn)生強迫振動。由結構動力學可知，當干擾力的頻率與結構自振頻率相等時，結構產(chǎn)生共振。

利用激振器可以連續(xù)改變激振頻率的特點，當結構產(chǎn)生共振時振幅出現(xiàn)極大值，這時激振器的頻率是結構的自振頻率。

第八頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性7.2.2

結構阻尼的測量阻尼對振動效應影響較大，與結構形式、材料性質、連接、支座有關。計算振幅考慮阻尼影響。結構體系阻尼大，結構的彈性小，消耗地震荷載能量，結構有利。1、自由振動法確定阻尼；2、按強迫振動共振曲線確定結構的阻尼；3、由動力系數(shù)求組你比。第九頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性7.2.3

振型測量結構各個點的位移、速度、加速度是時間和空間的函數(shù)。單自由度對應頻率有一個，只有一個振型；多自由度對應固有頻率和若干個振型；多自由度振型：稱為第一振型、第二振型、、、、第十頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性7.2.3

振型測量測振傳感器布置：沿結構高度或跨度方向連續(xù)布置水平和垂直測振傳感器，整體結構布置在各層樓面、屋面。試驗按振動記錄曲線取某一固有頻率結構振動時各個測點同時間位移值，并將位移值連線，得到結構振型曲線。量測注意振動曲線的相位。第十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性實際工程測量：某疾病控制中心實驗樓建于1977年，原設計為六層，實際建成七層鋼筋混凝土框架結構，基礎為整體筏板基礎，建筑面積約5880m2，建筑為典型的內(nèi)廊式辦公樓，平面布置規(guī)則，結構縱橫方向平面尺寸分別為56m，15m，建筑高度約為24m。第十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性該建筑平面較為規(guī)則，選擇在走廊中部沿二至七層布置縱橫兩個方向的拾振器，測試時間為中午下班時間，以避免人為的干擾噪聲；現(xiàn)場采用50Hz的采樣頻率對結構的脈動速度反應進行約1小時的采樣，抗混濾波器設置20Hz的低通濾波，數(shù)據(jù)采集儀1～6通道分別對應X方向二～七層的速度反應，7～12通道分別對應Y方向二～七層的速度反應,圖2和圖3分別為X、Y方向各通道的時域波形。

第十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性圖1X方向各樓層速度反應時域波形第十四頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性圖2Y方向各樓層速度反應時域波形第十五頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性圖4X方向各樓層與7層速度反應的互譜曲線：

第十六頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性圖5Y方向各樓層與7層速度反應的互譜曲線

第十七頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性圖2和圖3所反映的樓層X、Y方向各通道的時域波形可以看出,隨樓層的增加,結構的脈動反應呈放大趨勢;對各樓層時域波形進行傅氏變換,以頂層質點作為參考,得到各樓層相對于頂層質點的互譜結果,具體見圖4和圖5,由圖4和圖5可以看出各層的互譜曲線均在結構的主頻出現(xiàn)明顯的波峰。根據(jù)各樓層互譜幅值進行振型擬合,結果見表1和表2。第十八頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性表1X方向前2階測試振型結果：樓層相對幅值振型1階TX1=1.7509S2階TX2=0.5810S71-160.958-0.64450.871-0.0340.7420.59430.5770.96920.3850.93510.1740.509000第十九頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性表2X方向前2階測試振型結果：樓層第1階f1=2.002Hz第2階f2=5.956Hz振型7F(6#)10.315386F(5#)0.86755-0.350965F(4#)0.65894-0.790384F(3#)0.49139-13F(2#)0.36225-0.840382F(1#)0.23444-0.498081F00第二十頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.2人工激振法測量結構動力特性X方向前2階測試振型結果Y方向前2階測試振型結果

第二十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.3環(huán)境隨機振動法測量結構動力特性該工程為七層鋼筋混凝土框架結構，平面布置規(guī)則，建筑各層高度分別為2×3.5m、5×3.4m，混凝土柱截面尺寸均為300×400，混凝土強度為C20，采用SATWE程序對該結構進行計算，計算得到該樓兩個方向前兩階振型和周期結果見表3～表4，實測周期與計算周期的比較結果見表5。第二十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.3環(huán)境隨機振動法測量結構動力特性表3X方向計算振型結果：樓層相對幅值振型1階TX1=1.7509S2階TX2=0.5810S71-160.958-0.64450.871-0.0340.7420.59430.5770.96920.3850.93510.1740.509000第二十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日7.3環(huán)境隨機振動法測量結構動力特性表4Y方向計算振型結果樓層相對幅值振型1階TY1=1.4268S2階TY2=0.4695S71160.9770.63850.880.00640.743-0.62330.571-0.98820.374-0.93710.1