第6章土木工程结构动载试验

1、 （1）熟悉结构动力试验常用的荷载模拟技术；）熟悉结构动力试验常用的荷载模拟技术； （2）熟悉动载试验量测仪器的工作原理及技术指标；）熟悉动载试验量测仪器的工作原理及技术指标； （3）掌握结构动力特性的各种测试方法；）掌握结构动力特性的各种测试方法； （4）掌握结构动力反应的各种测试方法；）掌握结构动力反应的各种测试方法； （5）了解地震模拟振动台试验、强震观测和人工爆破模）了解地震模拟振动台试验、强震观测和人工爆破模 拟地震试验等；拟地震试验等； （6）了解结构疲劳试验的方法。）了解结构疲劳试验的方法。 工程结构在动荷载下的振动影响问题：工程结构在动荷载下的振动影响问题： 1.实侧工程结构物

2、在实际动荷载下的振动反应实侧工程结构物在实际动荷载下的振动反应(振幅、频振幅、频 率、加速度、动应力等率、加速度、动应力等)。通过量测得到的数据和资料，研究。通过量测得到的数据和资料，研究 由于受振动影响的结构性能是否安全可靠、存在什么问题。由于受振动影响的结构性能是否安全可靠、存在什么问题。 2.采用各种类型的激振手段，对原型结构或模型结构进采用各种类型的激振手段，对原型结构或模型结构进 行动力特性试验。主要测定工程结构的自振频率、阻尼系数行动力特性试验。主要测定工程结构的自振频率、阻尼系数 和振型等，动力性能参数亦称自振特性参数或振动模态参数。和振型等，动力性能参数亦称自振特性参数或振动模

3、态参数。 这是研究结构的抗震、抗风性能和能力的基本参数。这是研究结构的抗震、抗风性能和能力的基本参数。 3.工程结构或构件工程结构或构件(桥梁等桥梁等)的疲劳试验。研究和实测移的疲劳试验。研究和实测移 动荷载及重复荷载作用下的结构疲劳强度。动荷载及重复荷载作用下的结构疲劳强度。 6.1 概概 述述 定义：定义： 工程结构的动力特性又称结构的自振特性，是反映工程结构的动力特性又称结构的自振特性，是反映 结构本身所固有的动态参数，主要包括结构的自振频率，结构本身所固有的动态参数，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。阻尼系数和振型等一些基本参数。 6.2工程结构动力特性的试验测定

4、工程结构动力特性的试验测定 方法：方法： 结构动力性能试验的激振方法主要有人工激振结构动力性能试验的激振方法主要有人工激振 法和环境随机激振法。人工激振法又可分为自由振动法法和环境随机激振法。人工激振法又可分为自由振动法 和强迫振动法和强迫振动法 1.自由振动法自由振动法 在试验中采用初位移或初速度的突卸或突加荷载的方法，在试验中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。试验时一般将测使结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。试验时一般将测 振传感器布置在结构可能产生最大振幅的部位，但要避开某振传感器布置在结构可能产生最大振幅的部位，但要避开某 些杆件可能产

5、生的局部振动。些杆件可能产生的局部振动。 (a)突卸荷载产生的自由振动；突卸荷载产生的自由振动； (b)撞击荷载位置与拾震器布置较远撞击荷载位置与拾震器布置较远 时的振动记录图；时的振动记录图； (c)是吊车刹车时的制动力引起的厂是吊车刹车时的制动力引起的厂 房自由振动图形；房自由振动图形； (d)是结构作整体激振时，其组成构是结构作整体激振时，其组成构 件也作振动，它们之间频率相差较大，件也作振动，它们之间频率相差较大， 从而形成两种波形合成的自由振动图。从而形成两种波形合成的自由振动图。 各种类型的振动记录各种类型的振动记录 人工激振法人工激振法 （1）振动频率的测定）振动频率的测定 1f

6、T （2）结构的阻尼特性测定）结构的阻尼特性测定 1 T n n a e a ln n n k a T a 1 1 ln n n a ka 平均 2 D 阻尼特性用对数衰减率或阻尼比来表示：阻尼特性用对数衰减率或阻尼比来表示： 对数衰减率为：对数衰减率为： 在实际工程测量中，常采用平均对数衰减率，在实测振动图中量取在实际工程测量中，常采用平均对数衰减率，在实测振动图中量取 k个波，其平均值为：个波，其平均值为： 阻尼比：阻尼比： 有阻尼的结构自由振动图有阻尼的结构自由振动图 2.强迫振动法强迫振动法 （1）结构的固有频率）结构的固有频率(第一频率或基本频率第一频率或基本频率)测定：测定： 利用

7、激振器可以连续改变激振频率的特点，使结构发生利用激振器可以连续改变激振频率的特点，使结构发生 第一次共振，第二次共振第一次共振，第二次共振当结构产生共振时振幅出现最当结构产生共振时振幅出现最 大值，这时候记录下振动波形图，在图上可以找到最大振幅大值，这时候记录下振动波形图，在图上可以找到最大振幅 对应的频率就是结构的第一自振频率对应的频率就是结构的第一自振频率(即基本频率即基本频率)。然后，。然后， 再在共振频率附近进行稳定的激振试验，仔细地测定结构的再在共振频率附近进行稳定的激振试验，仔细地测定结构的 固有频率和振型。固有频率和振型。 共振时的振动图形和共振曲线共振时的振动图形和共振曲线 （

8、2）由共振曲线确定结构的阻尼系数和阻尼比）由共振曲线确定结构的阻尼系数和阻尼比 21 21 22 D 和 按照结构动力学原理，采用半功率法由共振曲线图求得结按照结构动力学原理，采用半功率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：构的阻尼系数和阻尼比。具体作法如下： 共振曲线的纵坐标最大值的共振曲线的纵坐标最大值的0707 倍处作一水平线与共振曲线相交于倍处作一水平线与共振曲线相交于A 和和B两点，则半功率点带宽为：两点，则半功率点带宽为： 阻尼系数：阻尼系数： 阻尼比：阻尼比： 共振曲线共振曲线 结构的振型测量结构的振型测量 测量结构振型是最常用的基本试验方法是共振法。测量结构

9、振型是最常用的基本试验方法是共振法。 (a) (b) (c) (a) (b) (c) (a)-为测振传感器的布置；为测振传感器的布置；(b)-为共振时记录下的振动波形图；为共振时记录下的振动波形图； (c)-为建筑物的振型曲线。为建筑物的振型曲线。 用共振法测量建筑物振型用共振法测量建筑物振型 环境随机振动法又称为脉动法，即利用脉动来测量和分环境随机振动法又称为脉动法，即利用脉动来测量和分 析结构动力特性的方法。人们在试验观测中发现，建筑物由析结构动力特性的方法。人们在试验观测中发现，建筑物由 于受外界环境的干扰而经常处于微小而不规则的振动之中，于受外界环境的干扰而经常处于微小而不规则的振动之

10、中， 其振幅一般在其振幅一般在0.01mm以下，这种环境随机振动称之为脉动。以下，这种环境随机振动称之为脉动。 波形图的分析通常采用以下几种方法：波形图的分析通常采用以下几种方法： 1.主谐量法主谐量法 2.频谱分析法频谱分析法 3.功率谱分析法功率谱分析法 环境随机振动法环境随机振动法 1.寻找主振源的试验测定方法寻找主振源的试验测定方法 （1）逐台开动法）逐台开动法 当有多台动力机械设备同时工作时，可以逐台开动，实测结构在每当有多台动力机械设备同时工作时，可以逐台开动，实测结构在每 个振源影响下的振动反应，从中找出影响最大的主振源。个振源影响下的振动反应，从中找出影响最大的主振源。 （2）

11、实测波形识别法）实测波形识别法 根据不同振源将会引起规律不同的强迫振动这一特点，其实测振动波根据不同振源将会引起规律不同的强迫振动这一特点，其实测振动波 形一定有明显的不同特征，如下图所示。因此可采用波形识别法判定振源形一定有明显的不同特征，如下图所示。因此可采用波形识别法判定振源 的性质，作为探测主振源的参考依据。的性质，作为探测主振源的参考依据。 6.3工程结构的动力反应试验测定工程结构的动力反应试验测定 各种振源的振动记录图各种振源的振动记录图 2.结构动态参数的量测结构动态参数的量测 对结构动态参数的量测就是在现场实测结构的动力反应。对结构动态参数的量测就是在现场实测结构的动力反应。

12、3.工程结构动力系数的试验测定工程结构动力系数的试验测定 移动荷载作用于结构上所产生的动挠度，往往比静荷载移动荷载作用于结构上所产生的动挠度，往往比静荷载 时产生的挠度大。动挠度和静挠度的比值称为动力系数。时产生的挠度大。动挠度和静挠度的比值称为动力系数。 d j y y 动力系数测定动力系数测定 在工程结构中，有一些结构物或构件，如承受吊车荷载在工程结构中，有一些结构物或构件，如承受吊车荷载 作用的吊车梁，直接承受悬挂吊车作用的屋架等，它们主要作用的吊车梁，直接承受悬挂吊车作用的屋架等，它们主要 承受重复性的荷载作用。而这些结构物或构件在重复荷载作承受重复性的荷载作用。而这些结构物或构件在重

13、复荷载作 用下达到破坏时的强度比其静力强度要低得多，这种现象称用下达到破坏时的强度比其静力强度要低得多，这种现象称 为疲劳。结构疲劳试验的目的就是要了解在重复荷载作用下为疲劳。结构疲劳试验的目的就是要了解在重复荷载作用下 结构的性能及其变化规律。结构的性能及其变化规律。 疲劳试验一般均在专门的疲劳试验机上进行，对构件疲劳试验一般均在专门的疲劳试验机上进行，对构件 施加等幅匀速脉动荷载，借以模拟结构构件在使用阶段不施加等幅匀速脉动荷载，借以模拟结构构件在使用阶段不 断反复加载和卸载的受力状态。断反复加载和卸载的受力状态。 6.4工程结构疲劳试验工程结构疲劳试验 疲劳试验荷载简图疲劳试验荷载简图

14、1.疲劳试验项目疲劳试验项目 （1）对于鉴定性疲劳试验）对于鉴定性疲劳试验 抗裂性及开裂荷载；抗裂性及开裂荷载； 裂缝宽度及其发展；裂缝宽度及其发展； 最大挠度及其变化幅度；最大挠度及其变化幅度； 疲劳强度。疲劳强度。 （2）对于科研性的疲劳试验）对于科研性的疲劳试验 各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律；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；抗裂性及开裂荷载； 裂缝宽度、长度、间距及其发展；裂缝宽度、长度、间距及其发展； 最大挠度及其变化规律；最大挠度及其变化规律； 疲劳强度的确定；疲劳强度的确定； 破坏特征分析。破坏特征分析。 2.疲劳试验荷载疲劳试验荷载 （1）疲

15、劳试验荷载取值）疲劳试验荷载取值 疲劳试验的上限荷载疲劳试验的上限荷载根据构件在最大标准荷载最不利组根据构件在最大标准荷载最不利组 合下产生的弯矩计算而得，荷载下限根据疲劳试验设备的要合下产生的弯矩计算而得，荷载下限根据疲劳试验设备的要 求而定。求而定。 （2）疲劳试验速度）疲劳试验速度 荷载频率不应使构件及荷载架发生共振，同时，应使构荷载频率不应使构件及荷载架发生共振，同时，应使构 件在试验时与实际工作时的受力状态一致件在试验时与实际工作时的受力状态一致 0.5 1.3 或 （3）疲劳试验的控制次数）疲劳试验的控制次数 6 102n 6 104n 中级工作制吊车梁：中级工作制吊车梁： 重级工

16、作制吊车梁：重级工作制吊车梁： 3.疲劳试验的步骤疲劳试验的步骤 变更荷载上限变更荷载上限 带裂缝构件带裂缝构件 一般构件一般构件 4. 疲劳试验的观测疲劳试验的观测 （1）疲劳强度）疲劳强度 构件是以疲劳极限强度和疲劳极限荷载作为最大的疲劳承载能力，构件是以疲劳极限强度和疲劳极限荷载作为最大的疲劳承载能力， 构件达到疲劳破坏时的荷载上限值为疲劳极限荷载，构件达到疲劳破坏构件达到疲劳破坏时的荷载上限值为疲劳极限荷载，构件达到疲劳破坏 时的应力最大值为疲劳极限强度。时的应力最大值为疲劳极限强度。 （2）疲劳试验的应变测量）疲劳试验的应变测量 一般采用电阻应变片测量动应变，测点布置依试验具体要求而

17、定。一般采用电阻应变片测量动应变，测点布置依试验具体要求而定。 （3）疲劳试验的裂缝测量）疲劳试验的裂缝测量 目前测裂缝的方法还是利用光学仪器目测或利用应变传感器电测裂缝等目前测裂缝的方法还是利用光学仪器目测或利用应变传感器电测裂缝等 （4）疲劳试验的挠度测量）疲劳试验的挠度测量 疲劳试验中动挠度测量可采用接触式测振仪、差动变压器式位移计疲劳试验中动挠度测量可采用接触式测振仪、差动变压器式位移计 和电阻应变式位移传感器等和电阻应变式位移传感器等 。 5.疲劳试验试件的安装疲劳试验试件的安装 严格对中。荷载架上的分布梁、脉冲千斤顶、试验严格对中。荷载架上的分布梁、脉冲千斤顶、试验 构件、支座以及

18、中间垫板都要对中，特别是千斤顶轴心一构件、支座以及中间垫板都要对中，特别是千斤顶轴心一 定要同构件断面纵轴在一条直线上。定要同构件断面纵轴在一条直线上。 保持平稳。疲劳试验的支座最好是可调的，即使构保持平稳。疲劳试验的支座最好是可调的，即使构 件不够平直也能调整安装水平，另外千斤顶与试件之间、件不够平直也能调整安装水平，另外千斤顶与试件之间、 支座与文墩之间、构件与支座之间都要确实找平，用砂浆支座与文墩之间、构件与支座之间都要确实找平，用砂浆 找平时不宜铺厚，因为厚砂浆层易压酥。找平时不宜铺厚，因为厚砂浆层易压酥。 安全防护。疲劳破坏通常是脆性断裂、事先没有明安全防护。疲劳破坏通常是脆性断裂、事先没有明 显预兆。为防止发生事故，对人身安全、仪器安全均应很显预兆。为防止发生事故，对人身安全、仪器安全均应很 好注意。好注意。 6.5试验资料的整理与分析试验资料的整理与分析 1.合成波形的谐量分析合成波形的谐量分析 （1）典型合成波形的简化分析法：）典型合成波形的简化分析法： 拍振波形分析拍振波形分析包络线法包络线法 （2）复杂周期振动波形分解法）复杂周期振动波形分解法 复杂周期振动波形的近似积分法复杂周期振动波形的近似积分法 2.工程结构自振特性的数据处理方法工程结构自振特性的数据处理方法 （1）自振频率的求取）自振频率的求取 0