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结构模型扫频试验任务书 最后更新：2007-4-25 浏览次数：576目 录一、试验目的二、模型类型三、试验任务四、具体要求五、结构动力特性的相关知识1频率2振型3阻尼六、试验原理1频率的测定2振型的测定3阻尼的测定七、扫频振动台1扫频振动台工作原理2扫频振动台构造八、提交的成果结构模型扫频试验（设计型）16学时 同组人员： 成绩： 本次试验为一设计类型试验。根据所学知识自己设计结构模型，利用结构模型扫频振动台测定结构模型的动力特性，由指导老师审阅，自行按照要求完成试验任务。一、试验目的结构的动力特性是反映结构本身所固有的动力性能。它的内容主要包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等一些基本参数，这些特性是由结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质、构造连接等因素决定，与外荷载无关。在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抵御其他动荷载的性能和能力时，都必须要进行结构的动力特性试验，了解结构的自振特性。在结构的抗震设计中，为了确定地震作用的大小，必须了解各类结构的自振周期。同样，对已建建筑进行震后加固修复，也需要了解结构的动力特性，建立结构的动力计算模型，进行地震反应分析。测量结构的动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止结构在动荷载作用下所产生的干扰与结构产生共振现象。在设计中可以使结构避开干扰源的影响，同样也可以设法防止结构自身动力特性对于仪器设备的工作产生干扰，可以帮助寻找采取相应的措施进行防震、隔震和消震。结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资料和数据。由于结构受力作用，特别是地震作用后，结构受损开裂使结构刚度发生变化，刚度的减弱使结构自振周期变长，阻尼变大。由此，可以从结构自身固有特性的变化来识别结构物的损伤程度，为结构的可靠度诊断和剩余寿命的估计提供依据。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，经简化计算得出的理论数据往往会有一定的误差，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的一个极为重要的组成部分，引起人们的关注和重视。通过本次试验，可以锻炼学生的动手能力，培养学生综合应用所学专业知识和解决实际问题的能力；培养学生的创新能力，使学生能够理论联系实际同时获得工程师基本技能训练的机会。二、模型类型1.以柱子的数量不同，有单柱和多柱之分；2.以质点的数量不同，有单质点和多质点之分；3.以是否隔振，有隔振和非隔振之分；隔振的类型可以是任意的，由同学们自行设计；4.结构形式不受任何条件限制，制作方式也不受任何条件限制。三、实验内容1.设计并制作结构模型，提供模型的设计书与设计图。2.完成本次试验组织计划，写出试验方案。计划内容要求详尽、科学、合理，能够在所提供的仪器及场地下完成试验。试验方案应包含以下内容：试验目的；试验原理；试验方法与实施步骤；试验过程中可能遇到的问题以及解决方案；模型材料计划单。3.测定结构模型的各阶频率，绘制结构模型的各阶次振型图形及动弯拒图形。4.写出试验报告。报告应包含以下内容：试验目的；试验对象；试验方法及步骤；试验过程及问题；试验成果处理与分析；技术结论； 图1 振动台台面图四、具体要求1.结构模型设计。根据扫频振动台台面尺寸，见图1，选择合理的结构模型，画出计算简图。2.利用所学结构知识对所设计的结构模型的各阶自振频率以及各阶振型进行计算；3.试验指导教师审阅试验方案，确定能够完成试验，方可选择试验时间完成试验；4.模型制作。1)实验室按照模型材料计划单提供制作模型的材料,工具及场地；2)模型制作满足试验要求，制作精细。5.试验过程中认真做好试验记录，要求整洁和整齐，不得涂改，若有错误，重新书写；对试验过程中的异常现象，必须分析其产生的原因以及对试验结果的影响。6.测试过程中原始数据要真实可靠，并填写在相应的表格（表格自行设计，要整洁美观），要求能够反映测试内容和各参数相互间的关系；五、结构动力特性的相关知识1频率在自由振动过程中，质点每隔一段时间T又回到原来的位置，因此T称为结构的自振周期，自振周期的倒数称为频率。自振周期T是结构动力性能的一个很重要的数据标志。两个外表相似的结构，如果周期相差很大，则动力性能相差很大；反之，两个外表看来并不相同的结构，如果其自振周期相近，则在动荷载作用下其动力性能基本一致。地震中常发现这样的现象。所以自振周期的计算十分重要。自振周期与结构的质量和结构刚度有关，而且只与这二者有关，与外界的干扰因素无关。自振周期与质量的平方根成正比，质量越大，则周期越大，频率越小；自振周期与刚度的平方根成反比，刚度越大，则周期越小，频率越大。改变结构的质量和刚度，自振周期亦改变。由结构动力学原理，以两个自由度体系为例，运动方程如下（柔度法）式中，为结构的柔度系数。另外，（刚度法）式中，为结构的刚度系数。若体系的运动为简谐振动，则质点的位移可表示为式中分别是质点的位移幅值，为体系的自振频率。将上式带入运动方程组中，消去公因子后得到方程 为使方程具有非零解，其系数行列式必须等于零，即上式称为频率方程或特征方程，用来确定频率的值。令，可得 解得 于是可求得频率的两个值为， 其中最小的频率称为第一频率或基本频率，而则为第二频率。频率的数目与振动自由度数目相同。2振型结构振动时，结构上各点的位移、速度和加速度都是时间的空间函数。在结构某一固有频率下，结构振动时各点的位移之间呈现出一定的比例，如果这时沿结构各点将其位移连接起来，即形成一定形式的曲线，这就是结构在对应某一固有频率下的一个不变的振动形式，称为对应该频率时的结构振型。对于单自由度体系，对应于一个基本频率只有一个主振型。对于多自由度体系就可以有几个固有频率和相应的若干振型。对应于基本频率的振型即为主振型或第一振型，对应于相应高阶频率的振型称之为高阶振型，即第二、第三振型等。仍以两个自由度体系为例，当时，此时用表示，用表示，则有相应的质点的振动方程分别为 由此可知。它表明：在振动时两质点的位移比值恒为常数，也就是说体系的变形形式不变。此种情况下的振动形式称为主振型，简称振型。同时，它表明当体系按作简谐振动时，两个质点总在同相位。它称为第一振型或基本振型。同理，当时，有 相应地振动形式称为第二振型。见图2所示。 图2 体系的振型图形 3阻尼振动过程中有一种阻力能使体系原来的能量逐渐被消耗掉而使运动停止下来，这种现象称为阻尼作用。振动中的阻尼力由多种来源，例如振动过程中结构与支承之间的摩擦，材料之间的摩擦，周围介质的阻力等等。阻尼力对质点的运动起着阻碍作用，它与质点的速度成正比，但方向相反。在研究结构振动问题时，阻尼对振动效应会产生很大影响，它与结构形式、材料性质、连接和支座等各种因素有关。在自由振动中，计算振幅（位移）时需要考虑阻尼的影响；在强迫振动中，因为阻尼的变化对振幅值的大小有着明显的影响，当动荷载的干扰频率接近结构的自振频率时，阻尼在振幅（位移）计算中起着更为重要的作用。在结构抗震研究中，结构体系的阻尼越大，结构的弹性反应越小，就能很快地耗散地震荷载产生的能量。阻尼的大小对结构的地震反应有直接影响，因此，一般希望结构的阻尼越大越好。1）自由振动由结构动力学知识可知，阻尼比，式中，称为粘滞阻尼系数，称为振幅的对数衰减率。为时刻的振幅，为时刻的振幅。当(即弱阻尼情况)时，此时的自由振动是一个衰减振动。为这种衰减性振动中的周期，为此衰减振动的圆频率，为不考虑阻尼时的圆频率，。即可根据实测的振幅来计算。通常的值与1相比很小，可以略去不计，于是有，就是说阻尼对自振频率的影响不大，可以略去。当时，因阻尼作用较大，体系受干扰后偏离平衡位置所积蓄的初始能量在恢复到平衡位置的过程中全部消耗于克服阻尼的影响，没有多余的能量来引起振动，这种情况称为临界阻尼，这时的阻尼系数称为临界阻尼系数。当时，这种情况称为强阻尼或过渡阻尼，这种情况在实际问题中很少遇到。2）强迫振动由结构动力学知识可知，动力系数（放大系数）。以为纵坐标，以为横坐标，即可画出动力系数曲线（共振曲线），见图3。在无阻尼时，当时，则发生共振，振幅趋于无穷大；在有阻尼时，当，则，则达到共振曲线的峰值。因此，为了研究共振时的动力反应，阻尼的影响是不容忽略的。六、试验原理1频率的测定结构自振频率常用的测量方法分为两大类：一类是人工激振法测量，一类是随机荷载激振法测量。人工激振法又有自由振动法和强迫振动法之分。强迫振动法也称共振法。一般都采用惯性式机械离心激振器对结构施加周期性的简谐振动，在进行模型实验时可采用电磁激振器的振动，使结构的模型产生强迫振动。由结构动力学可知，当干扰力的频率与结构自振频率相等时，结构产生共振。图4 结构受迫振动时的共振曲线 利用激振器可以连续改变激振频率的这一特点，实验中结构产生共振时振幅出现极大值，这时激振器的频率即是结构的自振频率，由共振曲线（图4所示）的振幅最大值（峰点）对应的频率，即可得到结构的第一频率（基频）和其他高阶频率。采用离心式激振器时，由于干扰力P与激振转速成正比，即在不同转速时有不同大小的干扰力P。为了进行比较，必须将振幅A折算为单位扰力作用下的振幅值，即将振幅除以该时的干扰力，或者把振幅值换算为在相同干扰力作用下的振动幅值。由于阻尼的存在，结构实际的自振频率稍低于其峰点的频率，但因阻尼值很小，所以，实际使用时不作考虑。试验时激振器的激振方向和安装位置由试验要求而定。一般整体结构实验与检测时，多数安装在结构顶层作水平方向激振，对于梁板构件则大部分为垂直激振。将激振器的转速由低到高连续变换，称之为频率扫描。由此测得各测点相应的共振曲线，在共振点前后进行稳定激振，以求得正确的共振频率数值。连续改变激振频率的测试方法也叫做“扫频”法。“扫频”就是将试件安装在振动台上以后，使振动台做由低到高的连续而均匀的频率变化过程。“扫频”的目的就是使结构产生共振，测量共振频率。利用偏心轮激振器也能够“扫频”，偏心轮激振器“扫频”的工作原理与振动台“扫频”的工作原理的区别在于：前者的频率变化是由高到低，后者的频率变化是由低到高。结构刚度模型扫频试验是一种强迫振动试验，强迫振动法也称共振法。模型试验时一般都采用电磁扫频振动台对结构施加振动，使结构模型产生强迫振动。由结构动力学可知，当干扰力的频率与结构的自振频率相等时，结构产生共振。利用扫频振动台可以连续改变激振频率的这一特性，试验中结构产生共振时模型振幅出现极大值，这时扫频振动台的频率即为结构的自振频率。2振型的测定要测定结构振型时必须对结构施加一激振力，并使结构按某一阶固有频率振动，当测得结构这时各点位移值并连成变形曲线，即可得到对应于该频率下的结构振型。随着试验对象和试验加载条件不同等因素，往往只能在结构的一点或几点上用激振器对结构施加激振力，这与结构自身质量所产生的惯性力并按比例关系分布在结构各点的实际情况有所不同，但是在工程上一般均采用激振方法来测量结构的振型。在布置激振器或施加激振力时，为方便得到需要的振型，就要使激振力作用在振型曲线上位移较大的部位，应注意防止将激振力作用在振型曲线的“节点”处，即某一振型上结构振动使位移为零的不动点。为此需要在试验前通过理论计算进行初步分析，对可能产生的振型大致做到心中有数，然后决定激振力的作用点以便安装激振器。为了实测结构的振型曲线，需要沿结构高度或跨度方向连续布置水平或垂直方向的测振传感器，与静力实验一样，为了能将各测点的位移值连接形成振型曲线，一般至少要布置五个测点。对于整体结构实验与检测时经常在各层楼面及屋面上布置测点，对于高层建筑和高耸构筑物，测点的数量只要满足能获得完整的振型曲线即可。实验时按振动记录曲线取某一固有频率下结构振动时各测点同一时刻的位移值的连线，以获得相应频率下的结构振型曲线。这时各测点仪器必须严格同步。在量取各点位移值时必须注意振动曲线的相位，以确定位移值的正负。用共振法测量振型时，要将若干个拾振器布置在结构的各个部位。当激振器使结构发生共振时，同时记录下结构各部位的振动图，通过比较各点的振幅和相位，即可给出该频率的振型图。图5为共振法测量某建筑物振型的具体情况，a）为拾振器和激振器的布置。b）为共振时记录下的振动曲线图。c）为振型曲线。绘制振型曲线时，要规定位移的正负值。在图5上规定顶层的拾振器的位移为正，凡与它相位相同的为正，反之则为负。将各点的振幅按一定的比例和正负值画在图上即是振型曲线。拾振器的布置视结构形式而定，可根据结构力学原理初步分析或估计振型的大致形式，然后在控制点（变形较大的位置）布置仪器。例如图6所示框架，在横梁和柱子的中点、四分之一处、柱端点共布置了16个测点。这样便能较好地连成振型曲线。有时由于结构形式比较复杂，测点数超过已有拾振器数量或记录装置能容纳的点数，这时可以逐次移动拾振器，分几次测量，但是必须有一个测点作为参考点，各次测量中位于参考点的拾振器不能移动，而且各次测量的结果都要与参考点的曲线比较相位。参考点也应选在不是节点的部位。 图5 共振法实测结构振型图 图6 共振法测试框架振型测点布置图楼板和桥梁结构的振型测量方法与上述基本相同，但楼板为平面结构，它的振型图用等振幅曲线表示。桥梁结构多数为梁、板结构，激振器一般布置在跨中位置，测点沿跨度方向（从跨中到两端支座处）连续布置垂直方向的测振传感器，视跨度大小一般不少于5个测点，以便将各测点的振幅（位移）连接形成振型曲线，亦可用自由振动法即采用载重汽车行驶到梁跨中位置紧急刹车，使桥梁产生自由振动，但只能测量到结构的第一振型。环境随机振动法也是测量结构振型的一种方法。图7即为某一框筒结构模型试验由白噪声激振测得的模型在水平方向的各阶振型图形。图7 结构振型示意图3阻尼的测定由结构动力学知识，令，其中，为衰减系数，。在整个衰减过程中，不一定是常数，有可能发生变