第七讲_结构动力试验

建筑结构试验 土木工程实验室 第六章结构动力试验 学习目的和要求 重点了解动力荷载的特性 掌握结构动力特性和动力反应试验的方法 对结构疲劳试验有一般了解 6 1概述 6 1 1结构动力荷载的类型分为以下5种 1 地震荷载 2 机械设备振动和冲击荷载 3 高层建筑和高耸构筑物的风振 4 环境振动 5 爆炸引起的振动6 1 2结构动力试验的内容分为以下3种 1 结构动力荷载特性试验 测定动力荷载或振源动力参数的试验 2 结构动力特性试验 测定结构自振特性 3 结构动力反应试验 测定结构在外界动力荷载作用下的振动反应参数 6 2 1主振源探测 逐台开动法 波形分析法 6 2结构动力荷载特性试验 主振源的探测方法 1 对于多个振动机械引起的振动 可以逐个开动 根据逐个开动时的振动差异 判别主振源 2 实测振动波形图 根据波形图的特征 如下图 可初步判断出是冲击振动 还是稳态振动 是一个振源 还是多个振源的合成 是否为两个频率相近的简谐振源的拍振 是否为随机振动 3 对合成振动进行频谱分析 获得合成振动的频率构成 按频率找相应的振源 6 2结构动力荷载特性试验 续 2 振源动力特性测试直接测定法 间接测定法 各种振源的振动记录图 钢筋砼框架简图 实测框架振动记录图 工程实例 6 3结构动力特性试验 6 3 1概述结构动力特性 也称为动力特性参数 或振动模态参数 它包括 自振频率 阻尼系数 振型等基本参数 这些特性参数只与其自身的刚度 质量等相关 与外界动力荷载无关 结构的动力特性参数可通过动力学理论进行计算 但计算简图与实际结构的偏差会导致很大的计算误差 其中阻尼系数这一参数只能通过试验测得 结构动力特性的试验 测试 方法 1 人工激振法 包括自由振动法 强迫振动法 2 环境随机振动法 6 3 2人工激振法测量结构动力特性 动力特性参数 自振频率 振型和阻尼系数 1 自由振动法 撞击荷载法 自由振动衰减量测系统 1 自由振动法 续 人工使结构产生初位移或初速度 使结构产生自由衰减振动 通过测试衰减振动曲线 如下图 求得结构动力特性参数 1 自由振动法 续 1 自振频率测试在测试获得的衰减振动曲线中 直接测量相邻峰峰之间的时间间隔 即为自振周期 自振周期的倒数即为自振频率 1 自由振动法 续 2 阻尼测试阻尼的作用是自由振动衰减的原因 如果没有阻尼 则自由振动将不发生衰减 阻尼大 则衰减快 根据衰减曲线中相邻波峰的幅值比 运用动力学计算公式 可计算出阻尼比 自由振动时间历程曲线 有阻尼自由振动的运动方程 自振频率 即基本周期的倒数 1 自由振动法 续 3 振型测试振型指的是结构在其固有频率时的振动型式 当多自由度结构有多个固有频率时 则有多种振型 振型可用结构的振动位移曲线表示 如下图 自由振动法测量振型 由于只能激发基本频率振动 所以只能获得基本振型 也称为一阶振型 测试的方法是在各层布置测振传感器 测量同一时刻各层的振动幅值 则各层在同一时刻的幅值关系即为振型 2 共振法 振动荷载法或强迫振动法 上述自由振动法实际也是先强迫其振动起来 然后让其自由振动 测试的是自由振动阶段 这里所说的强迫振动 是持续的 变频的强迫振动 测试的是强迫振动阶段 2 共振法 振动荷载法或强迫振动法 共振法测量原理框图 1 自振频率测试频率扫描 频率由低到高 或由高到低连续变化 称之为频率扫描 如下图的频率扫描曲线 利用激振器对结构进行激振 并使激振器的振动频率进行频率扫描 当激振器的频率与结构的固有频率一致时 结构发生共振 即振幅达到最大值 此时激振器的频率 即为结构的某阶固有频率 由此可获得结构的各阶固有频率 2 阻尼测试结构共振时的峰值与阻尼有关 当阻尼为零时 共振峰值为无穷大 阻尼愈大 共振峰值愈小 根据实测共振峰值曲线及动力学理论 可计算出阻尼比 3 振型测试用激振器分别激起结构的各阶共振 测试各楼层在同一时刻的振动位移 则各楼层的振动位移关系即为该固有频率的振型 共振时的振动图形和共振曲线 由共振曲线求阻尼系数和阻尼比 衰减系数 阻尼比 参数测定 用共振法测建筑物振型 6 3 3脉动法 脉动法 是通过测量建筑物由于外界环境脉动 如地面脉动 气流脉动等 而产生的微幅振动 来确定建筑物的动力特性 方法有 主谐量法 统计法 频谱分析法 功率谱分析法 6 4结构动力反应试验 结构动力反应测试的内容 1 结构动态参数的测试 振动反应的频率 位移 速度 加速度等参数 2 结构振动形态的测试 3 结构动力系数的测试 振动传播系数 为了测量振源振动的影响范围和衰减规律 测量振源处及其它部位的振动位移幅值 各点振动位移幅值与振源幅值之比 称之为该点的传播系数 结构振动形态 结构振动反应的变形图 结构动力系数 静荷载产生的挠度称为静挠度 如下图 具有与静荷载相同幅值的动力荷载产生的挠度称为动挠度 动挠度与静挠度之比称为动力系数 6 4结构动力反应试验 续 一 动应变测定 动应变测量示波图 应变频率 二 动位移测定 双外伸梁的振动变位图 注意 振动变位与振型的区别 三 动力系数测定 动力系数 6 5结构疲劳试验 6 5 1概述 应力与反复荷载次数的关系 含义 P166目的 确定结构的疲劳极限和疲劳寿命 研究结构在多次重复或反复荷载作用下的结构性能及其变化规律 确定结构疲劳破坏时的强度值 及荷载重复作用的次数 结构疲劳破坏时的强度值称为疲劳极限 疲劳破坏时的荷载重复次数称为疲劳寿命 科研研究疲劳试验的内容与测试项目 1 钢筋及砼应力随荷载重复次数的变化 2 开裂荷载及开裂情况 3 裂缝的宽度 长度 间距及其随荷载重复次数的变化 4 最大挠度及其变化规律 5 疲劳破坏荷载及承受疲劳荷载的重复次数 疲劳寿命 6 疲劳破坏特征 检验疲劳试验的内容 通常是在重复荷载标准值作用下 在规定的荷载重复次数内 对下列内容进行检验 1 抗裂性及其开裂荷载 2 裂缝宽度及其发展 3 最大挠度及变化幅度 4 疲劳极限强度 二 结构疲劳试验的方法 1 疲劳试验荷载 荷载取值 上限值根据构件在荷载标准值最不利组合下产生的弯距计算求得 下限值根据疲劳试验机的设备性能而定 控制次数 中级工作制吊车梁 次 重级工作制吊车梁 次 2 频率选择 依据疲劳试验机的性能而定 通常为 疲劳机的频率 构件固有频率 3 疲劳试验加载程序P167 疲劳试验加载程序的三个阶段 1 静载试验阶段 以最大荷载为上限进行两次静载试验的循环 2 疲劳试验阶段 3 破坏试验阶段 在疲劳重复次数达到预期要求时 采用静载或疲劳试验的方法进行破坏试验 静载试验方法确定疲劳极限 疲劳试验方法确定疲劳寿命 2 疲劳试验加载程序 变更荷载上限的加载程序 两种 一是从头到尾施加重复荷载 另一是静荷载和疲劳荷载交替施加 等幅疲劳加载程序 等幅疲劳加载方案 6 5 3疲劳试验的观测 主要是对控制截面的应变和变形进行分阶段测试 动应变可用动态应变仪 动挠度可用差动式位移传感器 测振仪等仪器 测量可在荷载加至1 2 5 10 20 50 100 200 300 400万次时分别进行 裂缝的观测应借助于光学仪器 对裂缝宽度进行检测 疲劳试件的破坏标志 正截面破坏标志1 当受弯构件截面配筋率为正常或低配筋率时 纵向受力主筋可能发生疲劳断裂破坏 2 配筋率过高或为倒T截面时 可能发生受压区混凝土的疲劳破坏 疲劳试件的破坏标志 斜截面破坏的标志1 当构件配筋率正常或较低时 与临界斜裂缝相交的箍筋或弯起钢筋可能发生疲劳断裂破坏 2 当箍筋和纵向钢筋的配筋率都很高时 剪压区混凝土将发生剪压疲劳破坏 3 当纵向钢筋配筋率较低时 与临界斜裂缝相交的纵向钢筋可能发生疲劳断裂破坏 疲劳试件的破坏标志 粘结疲劳破坏钢筋与混凝土的粘结疲劳破坏 常发生在采用热处理钢筋 冷拔低碳钢丝 碳素钢丝 钢绞线配筋的预应力混凝土结构中 6 5 4疲劳试