第5章--结构动力特性试验分析.ppt

第五章结构动力特性试验,2014.9,现代结构试验方法,扬州大学建筑科学与工程学院CollegeofCivilScienceandEngineering,第五章结构动力特性试验,1结构动载试验概述2人工激振法测量结构动力特性3环境随机振动法测量结构动力特性,现代结构试验方法,动载试验,通过试验的方法对结构振动进行分析研究。,振动问题,研究手段,为抗震设计提供依据生产中产生的振动对厂房结构的影响高层、高耸结构的风振问题防震、隔震、消震措施的研究抗爆,理论分析实验研究,内容,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,动载试验,特点：1.造成结构振动的动荷载是随时间而改变的2.加载周期结构自振周期3.结构在动载作用下的反应与结构本身的动力特性密切相关,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,1.1动载试验研究内容,1.动载特性的试验测定,内容,A.探测主振源方法：a.逐台开动振源b.分析实测振动波形c.分析结构振动频率B.作用力的大小、方向、频率、作用规律方法：a.直接测定法b.间接测定法c.比较测定法,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,1.1动载试验研究内容,2.结构动力特性的试验测定内容：结构的自振频率、阻尼系数、振型影响因素：结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质、构造因素,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,1.1动载试验研究内容,3.结构动力反应的试验测定内容：测定结构特定部位的动参数测定结构的振动变位图测定结构的动力系数强震观测,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,测定结构特定部位的动参数,测定特定结构、特定振源情况下的振动分布情况,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,测定结构的振动变位图,变位图：结构在特定荷载作用下的变形曲线。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,测定结构的动力系数,动力系数：动挠度与静挠度的比值,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,强震观测,地震发生时，用仪器观测地面运动的过程。结构物在强震过程中的振动过程的记录自动触发启动，蓄电池供电美国洛衫矶：凡新建六层以上、面积超过6000平方英尺的建筑物必须设置强震仪3台。杨浦大桥和金茂大厦等十几个重要建筑物上都已安装了强震记录网络，仅金茂就安装了6台。上海计划在十五期间普及更多，通过立法，达到10层以上的建筑都安装。浦东机场深井群安放了深度不同的地震记录仪，最浅30米，最深300多米，其他还有50米、100多米及200多米，这些井群可以测量到不同深度接收到的不同地震波的强度。,基本任务,强震观测,中华人民共和国防震减灾法要求在重大工程和生命线工程等建筑上安装强震动观测设备。一是可以检查建筑物的“健康状况”，根据震动记录数据，及时掌握地震或其他强震动发生时建筑物受损情况；二是从记录数据中总结经验，进而不断改进建筑物抗震设防设计；三是通过已形成的观测网络的强震动观测，可以快速掌握地震烈度分布情况，为地震预测与震后救灾提供可靠的信息。,强震观测,地震安全性评价管理条例国务院令四大工程须进行地震安全性评价。国家重大建设工程受地震破坏后可能引发水灾、火灾、爆炸、剧毒或者强腐蚀性物质大量泄露或者其他严重次生灾害的建设工程，包括水库大坝、堤防和贮油、贮气、贮存易燃易爆、剧毒或者强腐蚀性物质的设施以及其他可能发生严重次生灾害的建设工程受地震破坏后可能引发放射性污染的核电站和核设施建设工程省、区、市认为对本区域有重大价值或者有重大影响,1.1动载试验研究内容,4.结构疲劳试验,疲劳：结构物或构件在重复荷载作用下，达到破坏时的应力比其静力强度要低得多。这种现象称为疲劳。,目的：研究结构在重复荷载作用下的性能及其变化规律。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,结构疲劳试验,疲劳试验项目（1）鉴定性试验抗裂性及开裂荷载裂缝宽度及发展最大挠度及其变化幅度疲劳强度（2）科研性疲劳试验各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律抗裂性及开裂荷载裂缝宽度、长度、间距及发展最大挠度及其变化规律疲劳强度的确定破坏特征分析,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,结构疲劳试验,疲劳试验荷载取值上限荷载：最大标准荷载最不利组合下产生的弯距计算下限荷载：根据疲劳试验设备的要求而定。国内多采用等幅匀速荷载：,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,结构疲劳试验,疲劳试验荷载速度荷载频率影响材料的塑性变形和徐变，频率过高对试验设施有影响使构件在试验时实际工作时受力状态一致，构件与荷载架不能发生共振荷载频率与结构固有频率之比应满足：,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,结构疲劳试验,疲劳试验的控制次数经受所确定控制次数的疲劳荷载作用后，其抗裂性、刚度、强度等必须满足规范中有关规定。中级工作制吊车梁：2106次重级工作制吊车梁：4106次,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,结构疲劳试验,疲劳试验步骤（1）预加静载消除松动及接触不良，压牢构件，使测试仪表工作正常（2）正式疲劳试验,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,结构疲劳试验,疲劳试件的安装（1）严格对中（2）保持平稳（3）安全防护现行的疲劳试验都是采取试验室常幅疲劳试验方法。即疲劳强度是以一定的最小值和最大值重复荷载试验结果而确定。实际上结构构件是任意变化的重复荷载作用，随着测试技术的不断进步，常幅疲劳试验将为结合实际情况的变幅疲劳试验所代替。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,1.2动载试验的加载方法和设备,1.惯性力加载,（1）冲击力加载初位移加载法初速度加载法反冲激振法,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,初位移加载法(张拉突卸法),优点：结构自振时荷载不附加在结构上。缺点：由于加载作用点的偏差而使结构在另一平面内同时振动产生干扰。,1结构动载试验概述,初速度加载法（突加荷载法）,1结构动载试验概述,反冲激振法（火箭激振）,一般装在建筑物顶部；质心的轴线上；进行扭振试验；多振型测量（布置多个）反冲力：0.10.8kN，18kN共8种；,1结构动载试验概述,1.2动载试验的加载方法和设备,1.惯性力加载,（2）离心力加载根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐振动荷载。特点:运动具有周期性，作用的大小和频率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,离心力加载,A一个偏心质量：由偏心质量产生的离心力为：使用时将激振器底座固定在被测结构物上，由底座把激振力传递给结构，致使结构受到简谐变化激励作用。,偏心块旋转角速度r/s,1结构动载试验概述,离心力加载,B两个偏心质量改变质量或调整带动偏心质量运转电机的转速（角速度），即可调整激励力的大小。一般,1结构动载试验概述,1.2动载试验的加载方法和设备,1.惯性力加载,（3）直线位移惯性力加载特点：适用于现场结构动力加载，在低频条件下各项性能较好，可产生较大的激振力。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,1.2动载试验的加载方法和设备,2.电磁加载,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,1.2动载试验的加载方法和设备,3.液压加载,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,1.2动载试验的加载方法和设备,4.其他激振方法人激振动加载法环境随机振动激振法,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,人激振动加载法,一个体重约70kg的人使其质量中心作频率约为1Hz、双振幅为15cm的前后运动时，将产生大约0.2kN的惯性力。加上在1%临界阻尼的情况下共振时的动力放大系数为50，意味着作用于建筑物上的有效作用力大约为10kN。国外用这种方法曾在一座15层钢筋混凝土建筑上取得振动记录，获得结构自振周期和阻尼系数。,1结构动载试验概述,环境随机振动激振法,也称脉动法。建筑物经常处于微小的而不规则的振动中。这种微小而不规则的振动来源于微小的地震活动以及诸如机器运转，车辆来往等人为扰动的原因，使地面存在着连续不断的运动，其运动幅值极为微小，而它所包含的频谱是相当丰富的，故称为地面脉动。由地面脉动激起建筑物经常处于微小而不规则的振动中，通常称为建筑物脉动。可以利用这种脉动现象来分析测定结构的动力特性。,1结构动载试验概述,1.3动载试验的量测技术,1.量测系统：振动参数传振器：把振动信号(参数)变换成电讯号；放大器：把输入的微弱电讯号放大；记录器：把放大后的电讯号显示或记录下来数据处理仪：对电讯号进行分析和数据处理,传振器,放大器,记录器,数据处理仪,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,量测系统,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,1.3动载试验的量测技术,2.惯性式测振传感器将振动信号转变为电量。,基本原理由惯性质量、阻尼和弹簧组成一个动力系统，将之固定在振动体上（即传感器的外壳固定在振动体上），与振动体一起振动，通过测量惯性质量相对于传感器外壳的运动，就可以得到振动体的振动。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,惯性式测振传感器,参考不动点质量块m惯性力阻尼力弹性力0m(x”十y”)十y十ky0若xx0sintmy”十y十kym2x0sint特征方程是mr2十r十k0,齐次方程的解,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,惯性式测振传感器,时间因子分析,一个随时间而衰减的伴生自由振动。系统的阻尼愈大，振幅衰减愈快设计拾振器时需人为地使其具有足够的阻尼，使之急剧衰减，可视为瞬态振动忽略不计。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,惯性式测振传感器,非齐次方程的特解,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,惯性式测振传感器,频率特性,A.位移拾振器,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,惯性式测振传感器,A.位移拾振器分析:y0/x0,随D而变化当/n远大于时，不管D如何变化，y0/x0，,惯性式测振传感器,频率特性B.加速度拾振器,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,惯性式测振传感器,仪器,A.磁电式速度传感器根据电磁感应的原理制成的，特点为灵敏度高，性能稳定，输出阻抗低，频率响应范围有一定宽度。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,惯性式测振传感器,仪器,B.压电式加速度传感器压电效应：一些晶体材料当受到压力并产生机械变形时，在其相应的两个表面上出现异号电荷，当外力去掉后，晶体又重新回到不带电的状态。特点：稳定性高，机械强度高及能在很宽的温度范围内使用，但灵敏度较低。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,1.3动载试验的量测技术,3.记录设备,记录器将量测得到的电信号按一定的方式，记录在某种介质上，需要时可以把这些数据读出、或输出给其他分析处理仪器。,记录方式模拟式数字式,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,记录设备,XY函数记录仪（模拟式）用记录笔把试验数据以平面坐标系中的曲线形式记录在纸上。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,记录设备,光线示波器（模拟式）：将电信号转换为光信号并记录在感光纸或胶片上，得到试验变量与时间的关系曲线。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,记录设备,磁带记录仪（数字式/模拟式）：将电信号转换成磁信号并记录在磁带上，得到试验变量与时间的变化关系。,1结构动载试验概述,现代结构试验方法,2.1结构自振频率测量,自由振动法即设法使结构产生自由振动，通过记录仪器记下有衰减的自由振动曲线，由此求出基本频率和阻尼系数。,1.加载方法：突加荷载突卸荷载反冲激振器,2.测点布置振幅较大处,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,2.1结构自振频率测量,自由振动法,3.求基本频率,f=1/T,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,2.1结构自振频率测量,强迫振动法（共振法）利用专门的激振器，对结构施加简谐动荷载，使结构产生恒定的强迫简谐振动，借助共振现象来观察结构的自振性质。,1.激振方向,A.整体动载试验水平方向激振B.楼板、梁等垂直方向激振,2.测点各个振型曲线都不是节点的地方。,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,2.1结构自振频率测量,强迫振动法（共振法）,3.测试方法频率扫描,4.振幅值换算,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,2.2结构阻尼的测量,n为衰减系数为有阻尼时的圆频率为不考虑阻尼时的圆频率阻尼比,参数：对数衰减率、阻尼比,2.2结构阻尼的测量,自由振动法,参数：对数衰减率、阻尼比,1.用振幅表示,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,2.2结构阻尼的测量,自由振动法,2.用峰-峰值表示,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,2.2结构阻尼的测量,强迫振动法（共振法）,衰减系数：,阻尼比：,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,2.2结构阻尼的测量,动力系数法,当=时，结构共振动力系数：,阻尼比：,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,2.3结构振型的测量,振型：结构按某一固有频率作振动时形成的弹性曲线，即结构按此频率振动的振动形式。,方法：1.连续布置拾振器2.在一点或几点上用激振器激振3.同时记录各点的位移，注意相位,振型：结构本身的动力特性，与外荷载无关。变位图：结构在特定荷载作用下的变形曲线。,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,2.3结构振型的测量,对应于某一频率（共振时）,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,2.3结构振型的测量,对应于某一频率（共振时）,2人工激振法测量结构动力特性,现代结构试验方法,脉动法,环境脉动：环境随机激振而引起的结构物微小振动地面脉动气流脉动基本原理固有频率的谐量是脉动图中最主要的成分振幅大、波形光滑处的频率总是多次重复出现方法主谐量法频谱分析法：谐量分析法、相关或功率谱分析法特点不需要激振设备，不受结构形式和大小的限制信号弱，有好的记录设备,3环境随机振动法测量结构动力特性,现代结构试验方法,3.1主谐量法,3环境随机振动法测量结构动力