公路水运工程试验检测第五章.ppt

第五章 结构动力特性试验,5.1 概 述 5.2 人工激振法测量结构动力特性 5.3 环境随机振动法测量结构动力特性,5.1 概 述,建筑结构动力特性 包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等一些基本参数，也称动力特性参数或振动模态参数。 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，但与外荷载无关。,5.1 概 述,1了解各类结构的自振周期 在结构抗震设计中，确定地震作用的大小。 建立结构的动力计算模型，对于已建建筑的震后加固修复，才能进行地震反应分析。,5.1 概 述,2了解结构的自振频率 可以避免和防止动荷载产生的干扰与结构产生共振或拍振现象。 在设计中可以避开干扰源的影响，也可防止结构自身动力特性对于仪器设备的工作产生干扰的影响，采取相应的措施进行防震。,5.1 概 述,3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。 结构受地震作用后，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。 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。,5.1 概 述,建筑结构的动力特性可按结构动力学的理论进行计算。 对于结构阻尼系数一般只能通过试验来加以确定。,5.1 概 述,动力特性以研究结构自振特性为主，可以在小振幅试验下求得，可以在现场进行结构的实物试验。 研究地震，风震反应的抗震动力试验，也可通过模型试验来测量它的动力特性。,5.1 概 述,结构承受地震荷载 实质上是承受多次反复的水平荷载作用。,5.1 概 述,结构动力特性试验方法主要有： 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法和强迫振动法。,5.1 概 述,人工激振法 是一种早期使用的方法，试验得到的资料数据直观简单，容易处理； 环境随机振动法 是一种建立在计算机技术发展基础上采用数理统计处理数据的新方法 它是利用环境脉动的随机激振，不需要激振设备。,5.1 概 述,5.2 人工激振法测量结构动力特性,5.2.1 结构自振频率测量,一、自由振动法,采用初位移或初速度的突卸或突加荷载的方法，使结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。 现场试验中可用反冲激振器对结构产生冲击荷载。 模型试验时可以采用锤击法激励模型产生自由振动。,一、自由振动法,将测振传感器布置在结构可能产生最大振幅的部位，避开某些杆件产生的局部振动。 通过测量仪器，得到结构的有阻尼自由振动曲线(图51)。在振动时程曲线上，根据记录纸带速度或时间座标，量取振动波形的周期，求得结构的自振频率f= 1/T。,一、自由振动法,图51 有阻尼自由振动曲线,一、自由振动法,图（52）所示为上海某剧场悬带眺台空载时采用初位移突卸荷载试验方法，记录得到的振动位移时程曲线 可以求得悬带眺台的空载自振频率为f= 7.23Hz,一、自由振动法,图52 上海某剧场带眺台的自振时程曲线,二、强迫振动法,强迫振动法也称共振法。 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 模型试验时可采用电磁激振器激振，使结构和模型产生强迫振动。 当干扰力的频率与结构自振频率相等时，结构产生共振。,二、强迫振动法,利用激振器连续改变激振频率 由共振曲线(图53)的振幅最大值(峰点)对应的频率 相应得到结构的第一频率(基频)和其他高阶频率。,二、强迫振动法,图53 结构受强迫振动时的共振曲线,激振器的激振方向和安装位置,整体结构试验时，多数安装在结构顶层作水平方向激振。 梁板构件则大部分为垂直激振。 试验时总是将激振器的转速由低到高连续变换，称之为频率扫描。,5.2.2 结构阻尼的测量,在结构抗震研究中，阻尼的大小对结构体系的地震反应也有直接影响，一般希望结构的阻尼愈大愈好 结构体系的阻尼大时，结构的弹性反应愈小，它能很快地耗散地震荷载产生的能量。,5.2.2 结构阻尼的测量,动力系数 是指结构在动力荷载作用下产生共振时的最大振幅 与静力作用时产生的最大位移的比值。,5.2.3 振型测量,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关系，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。,5.2.3 振型测量,单自由度体系，对应于一个基本频率只有一个主振型。 多自由度体系就可以有几个固有频率和相应的若干个振型。 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。,5.2.3 振型测量,为易于得到需要的振型，要使激振力作用在振型曲线上位移较大的部位。 要防止将激振力作用在振型曲线的“节”点处，即是在某一振型上结构振动时位移为“零”的不动点。 试验前通过理论计算然后决定激振力的作用点，即安装激振器的位置。,5.2.3 振型测量,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 为了能将各测点的位移连线形成振型曲线，一般至少要布置五个测点。,5.2.3 振型测量,对于采用自由振动法时，则多数用初位移或初速度法在结构可能产生最大位移值的位置进行激振，随后在自由振动状态下测取结构振型 一般情况下自由振动法只能测得结构的基频与第一主振型。,5.3 环境随机振动法测量结构动力特性,建筑结构由于受外界的干扰而经常处于微小而不规则的振动之中，其振幅一般在10m以下(0.01mm)称之为 脉动,5.3 环境随机振动法测量结构动力特性,建筑物的脉动与地面脉动、风或气压变化有关 特别是受城市车辆、机器设备等所产生的扰动和附近地壳内部小的破裂以及远处地震传来的影响尤为显著，其脉动周期为0.10.8s,5.3 环境随机振动法测量结构动力特性,建筑物的脉动源不论是风还是地面脉动，它们都是不规则的，由于建筑物的脉动源是一个随机过程，则建筑物的脉动也必定是一个随机过程。 地面脉动所包含的频谱是相当丰富的，为此建筑物的脉动有一个重要性质，即是它明显地反映出建筑物的固有频率和自振特性。,5.3 环境随机振动法测量结构动力特性,环境随机振动激振 测定结构动力特性是使用得较多的一种方法。它最大的优点是不再需要用人工激振，特别适用于测量整体结构的动力特性。,5.4单向反复加载方案,目前国内外较为普遍采用的单向反复力加载方案有： 一、控制位移加载 二、控制作用力加载 三、控制作用力和控制位移混和加载,5.4单向反复加载方案,在单向反复加载方案中控制位移可分为 变幅加载 等幅加载 变幅等幅混和加载,5.5结构抗震动力加载试验的加载制度,周期性动力加载试验的加载制度有 . 稳态正弦激振 . 变频正弦激振 .有控制的逐级动力加载试验,5.5结构抗震动力加载试验的加载制度,目前进行非周期性动力加载试验的方法主要有 模拟地震振动台试验 人工地震试验 天然地震试验,周期性动力加载试验的加载制度有( ) A 稳态正弦激振 B 变频正弦激振 C 有控制的逐级动力加载试验 E 模拟地震振动台试验 F人工地震试验,第五章 单选题,1.下列哪个不属于单向反复加载试验中的控制位移加载法的位移参数。( ) A.转角 B.曲率 C.应变 D.裂缝宽度,第五章 单选题,2.当结构受地震、爆炸等特殊荷载作用时，整个试验加载过程只有几秒甚至是微秒或毫秒级的时间，这实际上是一种瞬态的冲击试验，它属于（ ） A.静力试验范畴 B.动力试验范畴 C.伪静力试验范畴 D.拟动力试验范畴,第五章 单选题,3