《动力特性试验》PPT课件.ppt

5-3 结构动力特性的试验测定,结构动力特性主要包括结构的自振频率、阻尼系数、振型等基本参数，也称动力特性参数或振动模态参数。这些特性由结构形式、刚度、质量分布、材料性质、构造连接等因素决定，与外荷载无关。 测量与了解结构的自振频率，可以避免和防止荷载所产生的干扰频率与结构产生共振或拍振现象。已建建筑通过试验测定后，可以采取相应的措施，进行防振或消振。 结构的动力特性可按结构动力学的理论进行计算。但由于实际结构的组成、材料和连接等因素，经简化计算得到的理论数据往往会有一定误差。对于结构阻尼系数，一般只能通过试验来加以确定。因此，结构动力特性试验就成为动力试验中一个极为重要的组成部分，引起人们的关注和重视。 结构动力特性试验的方法主要有人工激振法和环境随机振动法。人工激振法又可分为自由振动和强迫振动法。,5-3 结构动力特性的试验测定,5-3-1 振动荷载法 一、激励方法 振动荷载(共振法):借助按一定规律振动的荷载，迫使结构产生一个恒定的强迫简谐运动，通过对结构受迫振动的测定，求得结构的动力特性的基本参数。 一般采用惯性式机械离心激振器对结构施加周期性和简谐振动，使结构产生简谐强迫振动。 二、资料整理 1.结构固有频率的测定 由结构动力学可知，当干扰力的频率与结构本身固有频率相等时，结构就出现共振。 连续改变激振器的频率，同时记录下结构的振幅，就可作出频率振幅关系曲线或共振曲线。,5-3 结构动力特性的试验测定,共振曲线中峰值对应的频率即为结构的固有频率（或周期）。如图5-9，第一个峰值对应的频率为第一阶固有频率（基本频率），第二个峰值对应的频率为第二阶固有频率。,图5-9 共振时的振动图形和共振曲线,5-3 结构动力特性的试验测定,2.确定结构的阻尼系数和阻尼比 采用半功率法（0.707法）由共振曲线图求得结构的阻尼系数和阻尼比。具体作法如下： 1.以振幅为纵坐标，为横坐标作出共振曲线见图5-10。 2.曲线上峰值对应的频率即为结构的固有频率。 3.从共振曲线上在纵坐标最大值ymax的0.707倍处作一水平线与共振曲线相交于A和B两点，其对应横坐标是1和2，则半功率点带宽为 式（5-12） 4.阻尼系数 式（5-13） 5.临界阻尼比为 式（5-14）,图5-10 由共振曲线求阻尼系数和阻尼比,5-3 结构动力特性的试验测定,3.振型 结构按某一固有频率作振动时形成的弹性曲线。 用强迫振动法测结构的振型时，可由结构的不同楼层布置传感器，根据传感器测得的同一时刻不同楼层的振动幅值来确定结构的振型。 将同一垂线上各测点在同一瞬时的振幅按比例和正负值绘在图上即振型曲线。图5-11为共振法测量某多层建筑物的振型，图（a）为传感器的布置，图（b）为共振时记录下的振动波形图，图（c）为建筑物的振型曲线。 强迫振动法可测得结构的各阶振型，当测量结构高阶振型时，应布置足够多的传感器。 注意：绘制振型曲线时要根据相位，规定位移的正负值。,图5-11 共振法测量建筑物的振型,5-3 结构动力特性的试验测定,三、共振法的优缺点 优点：对于较复杂的动力问题，可得到若干个固有频率。 缺点：需专门的激振器。,5-3 结构动力特性的试验测定,5-3-2 撞击荷载法 一、激励方法 二、资料整理 1.确定结构自振频率 在结构的有阻尼自由振动曲线(见图5-12)上，根据时间坐标，量取振动波形的周期，求得结构的自振频率。为精确起见，可取几个波形，求平均值。,图5-12 自由振动时间历程曲线,5-3 结构动力特性的试验测定,2.确定结构阻尼 有阻尼自由振动波形在tn时刻的振幅为 ，经过一个周期T后，在tn+1时刻的振辐为 ，则相邻周期振幅之比为： 式(5-15) 式中：周期 。 对上式两边取对数： 式(5-16) 式(5-17) 利用式(5-17)就可以由实测振动图形所得到的振幅变化来确定阻尼比 。 式(5-17)中 又称为对数衰减率 ：,5-3 结构动力特性的试验测定,在整个衰减过程中， 数值不一定是常数，有可能发生变化，所以，在实际工作中，经常取振动图中k个整周期进行计算，以求得平均衰减系数： 式(5-18) 式中：k计算所取的振动波数； 、 k个整周期波的最初波和最终波的振幅值。 试验实测得到的有阻尼自由振动波形图有时没有零线，如图5-12所示，在测量结构阻尼时，可采用峰-峰幅值。 对数衰减率： 式(5-19) 式中： 第n个波的峰-峰值； 第n+k个波的峰-峰值。 临界阻尼比： 式(5-20),5-3 结构动力特性的试验测定,为消除撞击荷载冲击的影响，最初的一、二个波可不作为依据。 三、自由振动法的优缺点 优点:用自由振动法得到的周期和阻尼系数是可靠的，试验结果的整理也比较容易。 缺点:但只能测得一阶的固有频率和振型。,5-3 结构动力特性的试验测定,5-3-3脉动法 脉动法通常用于测量整体建筑物的动力特性，这种方法不用专门的激振设备，而是通过测量建筑物由于外界不规则的干扰而产生的微小振动，即“脉动”来确定建筑物的动力特性。脉动信号极其微弱，一般只有几微米到几百微米。 一、原理 脉动是不规则的，但当脉动的卓越频率接近（或等于）结构的固有频率时，结构会产生“拍振”或“共振”，此时，脉动记录光点振幅大，波形光滑，而且这样的情形总是多次重复的。 注意：观测时，应避开外界有规则干扰。 二、资料整理 分析建筑物脉动信号的方法：主谐量法、统计法、频谱分析法和功率谱分析法。,图5-13 用脉动法测建筑物动力特性,1.主谐量法 建筑物固有频率的谐量是脉动里最主要的成分，在脉动图上可直接量出来。凡是振幅大波形光滑处的频率总是多次重复出现。如果建筑物各部位在同一频率处的相位和振幅符合振型规律，那么，就可以确定此频率为建筑物的固有频率，见图5-13。,5-3 结构动力特性的试验测定,5-3 结构动力特性的试验测定,2.统计法 由于弹性体受随机因素影响而产生的振动必定是自由振动和强迫振动的叠加，具有随机性的强迫振动在任意选择的多数时刻的平均值为零，因而利用统计法可得到建筑物自由振动的衰减曲线。 具体作法： 在脉动记录曲线上任意取y1，y2，yn，当yi为正值时记为正，且以后的曲线不变号；当yi为负值时变为正，且yi以后的曲线全部变号。在y轴上排齐起点，绘出yi曲线后，用这些曲线的平均值画出另外一条曲线（见图5-14（b），这条曲线便是建筑物自由振动的衰减曲线，利用它便可求得基本频率和阻尼。 用统计法求阻尼时一般不得少于40条。,图5-14 统计法分析脉动曲线,5-3 结构动力特性的试验测定,3频谱分析法 假设脉动信号是一个复杂的周期信号。通过谐量分析，将脉动信号分解成若干个单一频率正弦规律的简谐分量。 （1）理论基础 谐量分析的理论基础是傅立叶级数的原理。任意一个圆频率为 （周期为 ）的周期性函数都可以分解为包括许多正弦和余弦函数的级数，它们的圆频率各为 、 、 、等，即 式（5-21） 式中： 函数 的平均值 式（5-22） 傅立叶系数,式（5-23） 式（5-24） 周期性函数 的周期 式(5-21)可改写为 式（5-25） 式中： 函数 的平均值。 式（5-26） 第 个谐量的振幅（频谱幅值）。 式（5-27） 第 个谐量的初相角（相位角）。 式（5-28） 特点： 次谐量固有频率是一次谐量固有频率的 倍。,5-3 结构动力特性的试验测定,5-3 结构动力特性的试验测定,（2）计算方法 由于有的函数f(t)关系式是给不出来的，只能从实测中得到振动记录曲线，利用傅立叶级数逼近原理，把振动曲线按时间序列进行图数转换，得到一组数据 , ,才能用近似积分求和的方法求出 。 具体方法如下： 在实测记录的振动波形曲线中，取一个有代表性的周期，将周期分作n个等分点（n+1个点），通常n取4的倍数，如图5-15。,图5-15 脉动记录曲线的频谱分析,5-3 结构动力特性的试验测定,量取各分点处曲线的函数数值 。 按下式计算傅立叶级数的系数 式（5-29） 式（5-30） 式（5-31） 求每个谐量的幅值和初相角 式（5-32） 式（5-33）,绘制幅值谱和相位谱图 进行谐量分析后，把一个复杂的振动分解成一个一个的简谐分量，在直角坐标上，以频率 为横坐标，以各次谐波的幅值 为纵坐标，绘出的图形称之为频谱图（图5-16）。以频率 为横坐标，以各次谐波的相位 为纵坐标，绘出的图形称之为相位谱图（图5-17）。,图5-16 振幅谱示意图,图5-17 相位谱示意图,5-3 结构动力特性的试验测定,根据频谱图可求出结构的固有频率、阻尼系数和相位 最大振幅对应的频率f是卓越频率，也就是结构的固有频率。阻尼系数（阻尼比）的求法：类似共振法。 注意：结构固有频率基频与谐量分析中的基频相区别 结构固有频率基频是结构作自由振动时的频率， ，谐量分析中的基频 是结构作复杂周期振动的最低频率 。 三、脉动法的优缺点 优点：不用专门的激振设备，不受结构形式和大小的限制，适用于各种结构。 缺点：由于脉动信号比较微弱，测量时要选用低噪声和高灵敏度的测振传感器和放大 器，并配有足够快的记录设备。,5-3 结构动力特性的试验测定,5-3 结构动力特性的试验测定,4.功率谱分析方法 假设 建筑物的脉动是一种平稳的各态历经的随机过程，且结构各阶阻尼比很小，各阶固有频率相隔较远。 利用上述假设则可以利用脉动振幅谱（均方根谱）的峰值确定建筑物固有频率和振型，用各峰值处的半功率带宽确定阻尼比。 具体作法 将各测点处实测的脉动信号输入到信号分析仪进行功率谱分析，得到的各个测点的脉动振幅谱（均方根谱） 曲线（如图5-18）。,5-3