土木工程實(shí)驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

土木工程實(shí)驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)第1頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

所謂動(dòng)荷載，通俗地講，即是隨時(shí)間而變化的荷載。如沖擊荷載、隨機(jī)荷載（如風(fēng)荷載、地震荷載）等。從動(dòng)態(tài)的角度來(lái)講，靜荷載只是荷載隨時(shí)間變化得十分緩慢以至它所產(chǎn)生的動(dòng)力影響微乎其微的一種特殊形式而已。第2頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

要尋求結(jié)構(gòu)在任意動(dòng)荷載作用下隨時(shí)間而變化的響應(yīng)：一是理論計(jì)算，二是試驗(yàn)測(cè)量。顯然試驗(yàn)測(cè)量則是最為直接，最為接近于實(shí)際結(jié)果的有效方法。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)主要包括如下三方面的內(nèi)容：

(1)動(dòng)荷載特性的測(cè)定；

(2)結(jié)構(gòu)自振特性的測(cè)定；

(3)結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)的測(cè)定。第3頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.2動(dòng)荷載特性的測(cè)定

動(dòng)荷載特點(diǎn)：（1）它的大小、方向或位置隨時(shí)間而改變；（2）結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)與結(jié)構(gòu)自振特性密切相關(guān)；（3）動(dòng)荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)有時(shí)遠(yuǎn)大于相應(yīng)的靜力效應(yīng)，甚至一個(gè)并不大的動(dòng)荷載就能使結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞。動(dòng)荷載特性包括：動(dòng)荷載的作用力的大小、方向、頻率及其作用規(guī)律等。第4頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.2.1常見(jiàn)振源的振動(dòng)波形（a）撞擊型振動(dòng)（b）簡(jiǎn)諧振動(dòng)振源（c）兩個(gè)頻率相差兩倍的簡(jiǎn)諧振源引起的合成振動(dòng)（d）三個(gè)不同頻率的簡(jiǎn)諧振源引起的合成振動(dòng)（e）呈“拍振”規(guī)律是由兩個(gè)頻率相接近的簡(jiǎn)諧振源共同作用（f）隨機(jī)振動(dòng)

第5頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.2.2動(dòng)荷載特性的測(cè)定方法

1直接法

(1)對(duì)于往復(fù)式運(yùn)動(dòng)部件所產(chǎn)生的慣性力（如牛頭刨床、曲柄連桿機(jī)械等）可測(cè)得該運(yùn)動(dòng)部件的加速度、慣性力、作用頻率及作用規(guī)律等。第6頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)(2)對(duì)于錨固在結(jié)構(gòu)物上的動(dòng)力設(shè)備，可以將加速度傳感器直接固定在振動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)體下方。使加速度傳感器直接感受振動(dòng)設(shè)備的動(dòng)荷載，以測(cè)得其動(dòng)荷載特性的相關(guān)參數(shù)。第7頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)(3)當(dāng)動(dòng)荷載是一種沖擊荷載，如氣浪，氣流等，可讓傳感器直接感受沖擊荷載，直接測(cè)得其動(dòng)荷載特性的相關(guān)參數(shù)?？紤]到?jīng)_擊荷載的沖擊力，應(yīng)注意其傳感器要有足夠的剛度，以免造成傳感器的損壞或數(shù)據(jù)失效。第8頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)(4)實(shí)測(cè)高層建筑的風(fēng)壓，則可在高層建筑物外墻表面安裝風(fēng)壓盒來(lái)感受風(fēng)荷載，從而測(cè)得風(fēng)荷載特性的相關(guān)參數(shù)。第9頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)2.比較法需要激振設(shè)備且被測(cè)振源是可以開(kāi)啟和關(guān)閉的。具體方法是：1）振源打開(kāi)，記錄下振動(dòng)波形；2）關(guān)閉振源，打開(kāi)激振設(shè)備，調(diào)節(jié)激振設(shè)備使之特性于前相同。第10頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.3結(jié)構(gòu)自振特性的測(cè)定

結(jié)構(gòu)自振特性主要包括三個(gè)參數(shù)：（1）自振頻率（或周期）；（2）阻尼（阻尼比）；（3）振型。結(jié)構(gòu)自振特性是結(jié)構(gòu)自身所固有的屬性。它取決于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度，僅與結(jié)構(gòu)自身材料的組成有關(guān)，與外荷載無(wú)關(guān)。第11頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)自振特性的意義：

（1）設(shè)計(jì)受動(dòng)力作用的結(jié)構(gòu)物時(shí)，力圖避開(kāi)共振區(qū)，從而減少動(dòng)力影響；（2）如結(jié)構(gòu)必須在共振區(qū)工作，則阻尼可以抑制動(dòng)力反應(yīng)；（3）當(dāng)用振型分解法計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振特性必須預(yù)先確定。第12頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

此外，結(jié)構(gòu)的自振特性特別是阻尼比是很難用計(jì)算方法確定的。結(jié)構(gòu)的自振特性除與結(jié)構(gòu)重量及其分布、主體結(jié)構(gòu)的剛度及其分布有關(guān)外，還與非承重構(gòu)件及其與主體結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)有關(guān)。以上這些都十分復(fù)雜。特別是有些計(jì)算簡(jiǎn)圖是不明確的，只有在大量實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上才能提出合理的計(jì)算假定、計(jì)算簡(jiǎn)圖及計(jì)算方法。為此，結(jié)構(gòu)自振特性的實(shí)測(cè)是十分重要和有意義的。第13頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.3.1

自由振動(dòng)法

自由振動(dòng)法即是借助于外荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一初位移（或初速度），使結(jié)構(gòu)由于彈性而自由振動(dòng)起來(lái)，由此記錄振動(dòng)波形，從而獲得自振特性的方法。自由振動(dòng)法又按如下分類：自由振動(dòng)法突然卸載法（初位移法）突然加載法（初速度法）第14頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)1.突然卸載法此法又稱之為初位移法。它是先使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一初始位移，然后突然卸載，利用結(jié)構(gòu)的彈性使其自由振動(dòng)起來(lái)的方法。具體做法可有以下幾種。第15頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)(1)開(kāi)動(dòng)絞盤(pán)，通過(guò)鋼絲繩牽拉被測(cè)結(jié)構(gòu)物使其產(chǎn)生一初位移，當(dāng)拉力足夠大時(shí)，脆性棒突然拉斷，使其突然卸載，結(jié)構(gòu)由于彈性而自由振動(dòng)。第16頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)(2)對(duì)于小型構(gòu)件，可采用剪斷懸掛質(zhì)量塊的鉛絲來(lái)突然卸載，使其自由振動(dòng)起來(lái)。第17頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)(3)在著力點(diǎn)上附加一脆性材料，用千斤頂施加一推力，當(dāng)推力使結(jié)構(gòu)達(dá)到一定位移時(shí)，脆性材料突然斷開(kāi)而突然卸載，使結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)起來(lái)。第18頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)2.突然加載法

此法又稱之為初速度法。它是對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生一沖擊力，使得結(jié)構(gòu)或構(gòu)件獲得一初速度而自由振動(dòng)起來(lái)。此種方法可分為垂直加載和水平加載兩種。第19頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)1）.垂直加載：它是將重物提升到一定的高度，使重物自由落體到結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生一初速度而自由振動(dòng)起來(lái)。

一般要求重物的重量不大于試件跨度內(nèi)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件自重的0.1%。此外，為防止重物在結(jié)構(gòu)上彈跳或砸損結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，須在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上墊上10～20㎝砂墊層。并規(guī)定落物高度在2.5m以下。第20頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

2）.水平加載：它是針對(duì)質(zhì)量和剛度不是很大的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件而言的，可采用撞擊的方法，使其自由振動(dòng)起來(lái)。第21頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

最簡(jiǎn)單的方法即是利用重錘敲擊結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。如空框架，則可在其頂部敲擊。第22頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

另外，利用反沖擊振器的反沖擊振器法，也屬于初速度法。它的原理類似于火箭。其底座與結(jié)構(gòu)錨固在一起。當(dāng)火藥燃燒后，氣體膨脹，高壓氣體由噴嘴高速噴出。其反作用力給結(jié)構(gòu)一個(gè)反沖擊力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一初速度，而自由振動(dòng)起來(lái)。第23頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.3.2共振法共振法即是利用激振設(shè)備，對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)物施加一簡(jiǎn)諧荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一恒定的強(qiáng)迫簡(jiǎn)諧振動(dòng)，借助共振原理來(lái)得到結(jié)構(gòu)自振特性的方法。此激振設(shè)備即電磁式激振器和偏心式激振器。由激振器對(duì)結(jié)構(gòu)物施加簡(jiǎn)諧荷載，并作由低到高的頻率掃描，使被測(cè)結(jié)構(gòu)物發(fā)生周期性強(qiáng)迫振動(dòng)。當(dāng)激振器的頻率由低到高（掃頻）時(shí)，即可得到一組振幅與頻率的關(guān)系曲線。第24頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)第25頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.3.3脈動(dòng)法

脈動(dòng)法它是借助于被測(cè)結(jié)構(gòu)物周圍的不規(guī)則微弱干擾（如地面脈動(dòng)、空氣流動(dòng)等）所產(chǎn)生的微弱振動(dòng)作為激勵(lì)來(lái)測(cè)定結(jié)構(gòu)物自振特性的方法。脈動(dòng)法它有個(gè)重要的性質(zhì)即是能明顯反應(yīng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物的固有頻率，甚至高次頻率。它的最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易行，不用專門(mén)的激振設(shè)備且不受結(jié)構(gòu)物大小的限制。因而得到了廣泛的應(yīng)用。第26頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

通常在用脈動(dòng)法實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)自振特性時(shí)，其記錄的時(shí)間需長(zhǎng)些，直至出現(xiàn)“拍振”波形。此外，記錄的時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)得高次頻率的幾率也就會(huì)大些。出現(xiàn)“拍振”才表明出現(xiàn)與被測(cè)結(jié)構(gòu)物相同或相接近的脈動(dòng)頻率。因此“拍振”是脈動(dòng)實(shí)測(cè)波形中的一個(gè)重要的標(biāo)志。第27頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.3.4振型實(shí)測(cè)的特殊要求

1拾振器的標(biāo)定振型是結(jié)構(gòu)物按其自身的某階自振頻率振動(dòng)的各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅值相對(duì)大小的形狀。因此，即要使得各質(zhì)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)）上的拾振器的靈敏度相同。由于拾振器生產(chǎn)廠家不可能將每個(gè)拾振器做成完全一樣的靈敏度。故在實(shí)測(cè)振型時(shí)必須對(duì)各拾振器進(jìn)行標(biāo)定。第28頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

具體的標(biāo)定方法是：（1）將若干個(gè)拾振器集中放在同一質(zhì)點(diǎn)上。（2）用脈動(dòng)法測(cè)得各拾振器在同一時(shí)刻同一位置上的振動(dòng)幅值。（3）記錄下此時(shí)各拾振器的幅值，以便數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行修正。第29頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)2.橫向、縱向及空間振型由于實(shí)際的結(jié)構(gòu)物是三維的。因此應(yīng)分為橫向、縱向及空間振型。結(jié)構(gòu)物振動(dòng)的縱向橫向及空間振型拾振器的安放：第30頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)3拾振器數(shù)量少于實(shí)際測(cè)點(diǎn)數(shù)時(shí)的處理方法當(dāng)拾振器數(shù)量少于實(shí)際測(cè)點(diǎn)數(shù)時(shí)，可以采取分幾次測(cè)量的方法（但至少要有兩臺(tái)拾振器）。其具體方法是：將某一質(zhì)點(diǎn)的拾振器固定不動(dòng)，而使其它質(zhì)點(diǎn)的拾振器于該臺(tái)固定不動(dòng)的拾振器在同一時(shí)刻測(cè)定其振動(dòng)幅值。即得到各質(zhì)點(diǎn)幅值之比的振型圖。第31頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.4結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的測(cè)定

6.4.1結(jié)構(gòu)特定部位動(dòng)參數(shù)的測(cè)定在結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)試驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)結(jié)構(gòu)物在動(dòng)荷載作用下特定部位的動(dòng)參數(shù)測(cè)定如：振幅、頻率、速度、加速度、動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)應(yīng)力等等的測(cè)定。所謂特定部位如：校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)最薄弱最危險(xiǎn)的部位即為特定部位。又如：測(cè)定振動(dòng)對(duì)精密儀器的影響時(shí)，精密儀器的基座處即為特定部位。第32頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.4.2結(jié)構(gòu)振動(dòng)變位圖測(cè)定為全面了解結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載下的振動(dòng)狀態(tài)，需要測(cè)定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變位圖來(lái)進(jìn)行描述。它是結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的變形曲線。測(cè)定結(jié)構(gòu)變位圖的方法與測(cè)定結(jié)構(gòu)振型的方法類似。如圖所示。第33頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.4.3結(jié)構(gòu)動(dòng)力系數(shù)測(cè)定

由于承受移動(dòng)荷載（如：桁車、列車、汽車等）的結(jié)構(gòu)其計(jì)算方法是以靜力計(jì)算為基礎(chǔ)的，因而需要在靜力計(jì)算中引入動(dòng)力系數(shù)來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的工作情況。動(dòng)力系數(shù)的定義為：在移動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)動(dòng)撓度與靜撓度之比。第34頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)動(dòng)力系數(shù)的測(cè)定方法：將撓度計(jì)（可采用應(yīng)變式機(jī)電百表）布置在被測(cè)結(jié)構(gòu)的跨中處，并連線于動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀及記錄儀。

機(jī)電百分表

動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀記錄儀第35頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)（1）有軌的：先使移動(dòng)荷載慢行通過(guò)，測(cè)量被測(cè)結(jié)構(gòu)跨中然后按檢測(cè)要求的不同種速度通過(guò)，測(cè)量被測(cè)結(jié)構(gòu)各種速度通過(guò)時(shí)的跨中第36頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)（2）無(wú)軌的：由于兩次行駛的線路不可能完全一樣，可將移動(dòng)荷載按檢測(cè)要求的不同種速度一次性通過(guò)，取振動(dòng)撓度曲線之中線最大值為，振動(dòng)撓度曲線最大值為。第37頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)6.5檢測(cè)數(shù)據(jù)處理6.5.1結(jié)構(gòu)自振特性各參數(shù)的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)自振特性主要包括三個(gè)參數(shù)：自振頻率、阻尼、振型。1自振頻率求取結(jié)構(gòu)的自振頻率又稱之為結(jié)構(gòu)的固有頻率。它是結(jié)構(gòu)自身所固有的頻率。頻率即單位時(shí)間里周期的個(gè)數(shù)：第38頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

為了便于計(jì)算，在實(shí)測(cè)波形中選取恰好是個(gè)周期。由于個(gè)周期所對(duì)應(yīng)的時(shí)間不一定恰好是某個(gè)時(shí)間單位的整倍數(shù)，這時(shí)可引入速度，則有：第39頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)2阻尼比求取1）.采用自由振動(dòng)法求阻尼由于結(jié)構(gòu)物的自由振動(dòng)是有阻尼的衰減振動(dòng)，且是以對(duì)數(shù)形式衰減，其衰減系數(shù)稱之為對(duì)數(shù)衰減率，它定義為：

第40頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

由于要有足夠的樣本，故要拓寬到。故作如下變換：兩邊取對(duì)數(shù):則：第41頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)依據(jù)粘滯理論，如圖所示單自由度體系振動(dòng)時(shí)程曲線：兩相鄰振幅之比為：第42頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)兩邊取對(duì)數(shù)則有：在此考慮結(jié)構(gòu)為有阻尼的振動(dòng)周期則有：而在通常情況下，由于：如果：則：故有：為結(jié)構(gòu)自振圓頻率；為有阻尼的結(jié)構(gòu)圓頻率。第43頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)2）.采用共振法求阻尼由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)可知：有阻尼的單自由度體系在簡(jiǎn)諧荷載作用下的動(dòng)力放大系數(shù)為：式中：為頻率比。其中，為簡(jiǎn)諧荷載（激振荷載）的圓頻率；為被測(cè)結(jié)構(gòu)的自振圓頻率。第44頁(yè)/共50頁(yè)第六章結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)