结构动载试验

1、结构动载试验4.1 概述n爆炸或冲击荷载试验n结构抗震试验地震模拟振动台试验n结构疲劳试验n结构振动试验n低周反复荷载试验n结构拟动力试验结构动载试验与静载试验的区别：n在动载试验中，施加在结构上的荷载随时间连续变化n结构在动载试验作用下的反应与结构自身的动力特性密切相关n在动力条件下，结构的承载能力和使用性能的要求发生变化n冲击和爆炸作用下，结构在很短的时间内达到其极限承载力4.2 结构动载试验的仪器仪表一、引言 在结构动载试验中，结构反应的基本变量为动位移、速度、加速度和动应变。二、动态信号测试的基本概念n动态信号量测系统的组成：示波器数据处理仪器动态信号传感器信号放大器记录仪器传感器传感

2、器滤波器滤波器示波器数字信号处理器n动态信号测试系统评价指标和性能参数与静态测试系统的差别： 1、与频率相关的特性 2、信号的滤波和衰减 3、信号放大和衰减的表示方法 4、动测仪器的输入输出和阻抗匹配 5、绝对振动测量和相对振动测量的概念 6、测量仪器的分辨率三、结构动载试验中的传感器n惯性式传感器n电动式传感器n压电式传感器n其他传感器 电阻式加速度传感器 电涡流位移传感器 新型加速度传感器四、结构动载试验加载设备与加载方法n结构动载试验加载设备分类与基本要求 加载设备： 1、电液伺服加载系统 2、激励锤（力锤）和激震器 3、疲劳试验机 4、其他专用加载设备n电液伺服系统动力性能 1、液压作

3、动缸的负载能力 2、伺服控制器 3、数据采集和控制软件n力锤n电动激振器n离心式激振器n结构疲劳试验机三、模型动力特性试验三、模型动力特性试验n目的与内容目的与内容 其测试目的为：针对不同类型的建筑物缩尺为模型，在实验室进行模型动力特性测试，通过实测，可以获得的模型动力特性与事先计算的原型建筑物数值之间进行相似比较，为原型建筑物的抗震设计提供依据。n模型动力特性测试内容包括下列几方面内容：模型动力特性测试内容包括下列几方面内容：1模型的横向、纵向、扭转、空间等的固有频率；2各阶固有频率下的振型；3各阶振型的阻尼比；4在某力作用下的幅值反应值。n基本设备基本设备1激振设备激振设备 1）电磁激振器

4、）电磁激振器 2）力锤）力锤锤体力传感器锤头盖锤把力传感器引出线2测力传感器 1）压电式力传感器 压电式力传感器与电荷放大器配置，采用于电磁激振器和力锤中。 2）应变式力传感器 应变式力传感器与应变放大器配置，采用于张拉释放法中测力。3信号发生器 1）正弦信号发生器； 2）正弦扫频信号发生器； 3）随机波信号发生器。 4）力源系统 4压电加速度传感器 1）带电荷放大器的压电加速度传感器； 2）ICP式压电加速度传感器。5功率放大器 与电磁激振器相配。6电子示波器 在正弦激振法中用手动扫频法时，观察正弦信号的幅值和相位。7动态数据采集分析系统 记录多点试验信号，进行数据分析处理。n试验方法试验方

5、法1. 张拉释放法张拉释放法2. 正弦激振法 羽毛球馆模型动特性试验羽毛球馆模型动特性试验 羽毛球馆模型动特性试验羽毛球馆模型动特性试验3. 随机激振法4. 敲击法n试验数据分析试验数据分析1幅值测量幅值测量2共振曲线（传递函数或频率响应反应振幅共振曲线（传递函数或频率响应反应振幅谱）的求取谱）的求取 3频率求取频率求取4振型的确定振型的确定(模态）模态）5阻尼比求取阻尼比求取n发展趋势发展趋势在求取在求取数学模态数学模态的基础上求取的基础上求取物理模态物理模态。四、原型结构动力试验四、原型结构动力试验n试验对象和目的试验对象和目的 建筑结构建造过程中和建成后，需要了解其振动性状，通常需要获得

6、的参量为：振动的最大幅值，包括位移、速度、加速度等。建筑结构的各阶固有频率，包括水平向（结构的横向、纵 向）、垂直向、扭转等的固有频率。各阶固有频率对应的阻尼比。各阶固有频率对应的振型。包括平移振型、扭转振型、空向振型等。有时还需获得在不同振幅下的结构非线性特性。 获取上述参数后，为抗震设计、抗震验算提供依据。n基本设备基本设备1振源振源上部激振法包括有下列几种。上部激振法包括有下列几种。）初位移法。）初位移法。）初速度法。）初速度法。）设备运行法，如行车行走、桥梁上的火车、汽车运行等。）设备运行法，如行车行走、桥梁上的火车、汽车运行等。）人幌法。对高层建筑或结构可用。在高柔结构顶部，利用）人

7、幌法。对高层建筑或结构可用。在高柔结构顶部，利用人体有节奏的晃动产生类似于正弦激振力激起结构共振。人体有节奏的晃动产生类似于正弦激振力激起结构共振。）起振机法。可用正弦或随机二种。）起振机法。可用正弦或随机二种。）风振法。对高层而言。）风振法。对高层而言。下部激振法包括有下列几种。下部激振法包括有下列几种。）地震。）地震。）爆破。）爆破。）环境脉动。）环境脉动。）设备运行。）设备运行。2拾振器拾振器 1）电动式拾振器）电动式拾振器 2）无源反馈拾振器）无源反馈拾振器 3）压电式拾振器）压电式拾振器 4）ICP型压电加速度计型压电加速度计 5）伺服式加速度计）伺服式加速度计3信号调理器信号调理器

8、4数据采集系统数据采集系统电动拾振器的变换部分的构造 压电式拾振器的基本构造 n试验方法试验方法1初位移法初位移法 1.钢索 2.花兰螺栓 3.力传感器 4.保护钢索 5.被测结构 6. 拾振器 2初速度法初速度法1）小火箭法）小火箭法 2）行车刹车法）行车刹车法 3）机动车刹车与跳车法）机动车刹车与跳车法4）锤击法）锤击法 3正弦激振法正弦激振法偏心块惯性式起振机的工作原理图 1. 两力合成为正；2.两力抵消；3.两力合成为负；4两力抵消。 液压伺服式起振机 液压激振器 2伺服阀 3位移计 4惯性质量5低摩擦力滚轮 6导轨 7螺栓 8地板4随机激振法随机激振法1）天然地震法 天然地震法，需把

9、测量仪器布置在建筑结构上，等待地震来临，进行结构反应的记录。通常是采用强震仪，设置等待触发进行纪录。常常是在长期监测中使用。2）爆破法 利用人工爆破，在爆破点附近的建筑结构物上布置测点，求取在爆炸波传递到建筑上后结构物的反应，并从中可求取其自振特性。3）风振法 在多风地区，利用强风对建筑结构的作用，测量建筑结构物的反应，并从中求取自振特性。4）起振机激振法 利用电液伺服激振系统，输入随机波产生的惯性力作用于建筑结构上，求取建筑结构的反应，并求出其自振特性。5）设备的强迫振动法 在工业厂房中，利用行车行走激起建筑结构的振动，一方面获得在行车运行中建筑结构的振动反应，另外尚可从中求取建筑结构的自振

10、特性。6）脉动法n试验数据分析试验数据分析1正弦激振时的数据处理正弦激振时的数据处理 ）振动幅值的确定）振动幅值的确定 ）频率确定）频率确定 ）共振曲线的绘制共振曲线的绘制 941-B 测试仪器测试仪器 4）振型的求取振型的求取 第一阶固有频率记录曲线 第二阶固有频率记录曲线 第三阶固有频率极录曲线 5Hz 10Hz 14Hz 振型图5）阻尼比的求取阻尼比的求取半功率点法 2随机激振的数据处理随机激振的数据处理 1）幅值测量）幅值测量 2）共振曲线（传递函数或频率响应反应振）共振曲线（传递函数或频率响应反应振幅谱）的求取幅谱）的求取3）振型的确定振型的确定4）阻尼比求取）阻尼比求取振幅图上各峰

11、值处的半功率点带宽来确定该振型的阻尼比振幅图上各峰值处的半功率点带宽来确定该振型的阻尼比 相位图 凝聚函数 第一振型 第二振型 第三振型 振型图n发展趋势发展趋势 1向一仪多用（多参数）发展； 2向小型化发展； 3向智能化发展； 4向无线化发展。4.4结构抗震试验一、引言一、引言 野外原型试验野外原型试验 强震观测强震观测 破坏试验破坏试验 动力特性试验动力特性试验 地震模拟振动台振动试验地震模拟振动台振动试验 破坏试验破坏试验 动力特性试验动力特性试验抗震试验研究抗震试验研究 伪动力试验伪动力试验 部件破坏试验部件破坏试验 整体破坏试验整体破坏试验 伪静力试验伪静力试验 部件破坏试验部件破坏

12、试验 整体破坏试验整体破坏试验 模型动力特性试验模型动力特性试验 材料特性试验材料特性试验 故障诊断试验故障诊断试验 土动力试验土动力试验二、伪静力试验二、伪静力试验n 试验目的试验目的：用于混凝土结构、钢结构、砌体结用于混凝土结构、钢结构、砌体结构、组合结构等的构件及节点构、组合结构等的构件及节点抗震基本性能试验抗震基本性能试验，以及结构模型或原型在反复荷载作用下的抗震性以及结构模型或原型在反复荷载作用下的抗震性能试验。典型的为获得能试验。典型的为获得力力-位移或力位移或力-应变滞回曲应变滞回曲线。线。n 传力装置：传力装置： 传力装置包括有传力装置包括有反力地板、反力墙、反力地板、反力墙、

13、加载架加载架（包括门架和梁）等，视不同的试验还需（包括门架和梁）等，视不同的试验还需附加其他的传力机构。附加其他的传力机构。基本实验设备基本实验设备n液压往复作动器 1) 手动液压加载往复作动器 单出杆单出杆 双出杆双出杆 2) 伺服液压往复作动器 单出杆单出杆 双出杆双出杆 n液压千斤顶 1) 手动液压千斤顶 2) 伺服液压千斤顶 n液压源 n控制系统n测量仪器 1）力测量系统； 2）应变测量系统； 3）位移测量系统； 4）多通道静态数据采集系统。 n试验例子及加载方法试验例子及加载方法 墙体试验 梁的试验 顶部不容许转动的构件试验 十字节点试验 40000KN多功能电液伺服加载系统多功能电

14、液伺服加载系统40000KN多功能电液伺服加载系统多功能电液伺服加载系统IMP静态数据采集系统静态数据采集系统 正式试验前，应先进行预加反复荷载试验两次，混凝土结构试体预加载值不宜超过开裂荷载计算值的30%，砌体结构试体预加载值不宜超过开裂荷载计算值的20%。 正式试验时的加载方法应根据试体的特点和试验目的确定，宜先施加预计开裂荷载的40%60%，并重复23次，逐步加至100%。 当进行承载能力和破坏特征试验时，应加载至试体极限荷载的下降段，对混凝土结构试体下降值应控制到最大荷载的85%。 试体屈服前，采用荷载控制并分级加载，试体屈服后应采用变形控制，以屈服时的最大变形值为级差进行控制加载。反

15、复荷载次数在试体屈服前每级可一次，试体屈服后每级宜三次。n试验数据处理试验数据处理以混凝土构件为例，试体的荷载及变形试验资料整理为： 1. 开裂荷载及开裂变形取试体受拉区出现第一条裂缝时之值； 2. 对钢筋屈服的试体，屈服荷载及变形取受拉区主筋达到屈服应变时之值； 3. 最大荷载及变形取试体承受荷载最大时之值； 4. 破坏荷载及相应变形取最大荷载出现后随变形增加而荷载下降至最大荷载的85%之值； 5. 骨架曲线取荷载变形曲线的各加载级第一循环的峰点连成的包络曲线，见图2-11； 6. 试体的刚度可用割线刚度表示； 7. 试体的延性系数取极限位移和屈服位移的比值； 8试体的能量耗散能力以荷载变形

16、滞回曲线包围的面积来衡量，能量耗散系数为：)()(ODFOBECDAABCSSE 滞回曲线滞回曲线 荷载变形骨架曲线 荷载变形滞回曲线 三、三、 伪动力试验伪动力试验n试验目的：试验目的：用于混凝土结构、钢结构、砌体结构、组合结构等的模型在静力试验台座上模拟实施地震动力反应的抗震基本性能试验。n传力装置：传力装置： 传力装置包括有反力地板、反力墙、加载架（包括门架和梁）等，视不同的试验还需附加其他的传力机构。 n基本实验设备基本实验设备 1伺服液压往复作动器 2液压千斤顶 3液压源 4控制系统 5测量仪器 1）力测量系统； 2）应变测量系统； 3）位移测量系统；n试验例子及加载方法试验例子及加

17、载方法 系统连接图 拟动力试验原理图 n试验数据处理试验数据处理 主要图形数据包括下列内容： 1基底总剪力顶端水平位移曲线图； 2层间剪力层间水平位移曲线图； 3各质点的水平位移时程曲线图和恢复力时程曲线图； 4最大加速度时的水平位移、恢复力、剪力、弯矩图； 5试体开裂、屈服、极限、破坏时的基底总剪力、水平位移、相应的最大加速度值。n发展趋势发展趋势 1向多维、多自由度、多点发展； 2向提高试验速度发展； 3向直接得到试件动参数的快速（实时）伪动力试验方向发展。四、地震模拟振动台试验四、地震模拟振动台试验n试验目的试验目的1进行各类建筑物模型的进行各类建筑物模型的动力特性试验动力特性试验；2进

18、行各类建筑物模型在地震作用下的进行各类建筑物模型在地震作用下的破坏机破坏机 理理的研究；的研究；3进行各类建筑物模型的进行各类建筑物模型的抗震措施抗震措施的研究；的研究；4进行各种机电设备和设施的耐震试验研究；进行各种机电设备和设施的耐震试验研究；5进行各类机电产品的进行各类机电产品的振动例行试验振动例行试验；6进行进行家庭用具和人体家庭用具和人体在地震作用下的在地震作用下的反应反应研研究；究；7在娱乐场所进行地震宣传的在娱乐场所进行地震宣传的科普教育科普教育，并寻，并寻求娱乐刺激。求娱乐刺激。n振动台的种类振动台的种类机械式振动台机械式振动台电磁式振动台电磁式振动台 电液伺服控制的地震模拟振

19、动台电液伺服控制的地震模拟振动台 n地震模拟振动台的基本构成（液压）地震模拟振动台的基本构成（液压）1台面及支承导向系统台面及支承导向系统 1）固定试件的刚性振动台台面；）固定试件的刚性振动台台面； 2）限定自由度数的导向装置；）限定自由度数的导向装置； 3）竖向支承导向装置；）竖向支承导向装置； 4）有垂直向振动时的静荷平衡支承装置；）有垂直向振动时的静荷平衡支承装置； 5）机械安全保护装置。）机械安全保护装置。2激振系统激振系统 1）双出杆双作用液压激振器；）双出杆双作用液压激振器； 2）激振器与台面和基础之间的连接装置；）激振器与台面和基础之间的连接装置； 3）电液伺服阀；）电液伺服阀；

20、 4）作为控制元件的位移传感器；）作为控制元件的位移传感器；3液压源系统液压源系统 1）液压泵站；）液压泵站； 2）蓄能器组；）蓄能器组； 3）水冷却系统；）水冷却系统； 4）高低压管道系统；）高低压管道系统； 5）向激振器供油的油路分配系统；）向激振器供油的油路分配系统； 6）液压源控制系统。）液压源控制系统。4控制系统控制系统 1）正弦信号、随机信号及地震波发生器；）正弦信号、随机信号及地震波发生器； 2）进行加速度控制的三参量发生器；）进行加速度控制的三参量发生器； 3）为使振动台运动平稳起动，并在不要求试验时不使无用信号进入系）为使振动台运动平稳起动，并在不要求试验时不使无用信号进入系

21、统而起保护作用的软启动门；统而起保护作用的软启动门； 4）作为闭环控制用的位移传感器、加速度传感器、压差传感器及其归）作为闭环控制用的位移传感器、加速度传感器、压差传感器及其归一放大电路；一放大电路； 5）三参量反馈控制；）三参量反馈控制； 6）和值及差值反馈控制；）和值及差值反馈控制； 7）去几何交叉耦合；）去几何交叉耦合； 8）倾复力矩补偿；）倾复力矩补偿； 9）回转力矩补偿；）回转力矩补偿； 10）伺服放大电路；）伺服放大电路； 11）象限控制合成电路；）象限控制合成电路； 12）伺服阀控制器；）伺服阀控制器； 13）输入输出信号显示装置；）输入输出信号显示装置； 14）超行程保护电路；

22、）超行程保护电路； 15）控制用计算机）控制用计算机 。5量测系统量测系统 1）加速度计、位移计、应变计、压力计等）加速度计、位移计、应变计、压力计等传感器；传感器； 2）信号调理器；）信号调理器； 3）数据采集分析系统。）数据采集分析系统。6供电系统供应实验室的全部动力电供电系统供应实验室的全部动力电 7基础基础8试验现场的监视系统，通讯联络系统，试试验现场的监视系统，通讯联络系统，试验过程及试件破坏过程的录制系统。验过程及试件破坏过程的录制系统。n地震模拟试验室的构成地震模拟试验室的构成 安装地震模拟振动台主体的基础；放置地震模拟振动台和基础的试验大厅；试验大厅中配备有安装及运送试件的起重

23、设备；控制室，放置地震模拟振动台控制系统；安装液压源的油源室；放置量测仪器和进行数据处理室；强电配电室，主要供液压源用强电；供液压源冷却的水供应系统，包括供水池、冷却塔等。n基本性能参数的选择基本性能参数的选择1地震模拟振动台的规模地震模拟振动台的规模 1）台面尺寸）台面尺寸 2）台面重量和载重）台面重量和载重 3）振动方向）振动方向2地震模拟振动台运动参量的选择地震模拟振动台运动参量的选择 1）频率范围）频率范围 2）最大功能值）最大功能值 最大位移、最大速度、最大加速度最大位移、最大速度、最大加速度 3）最大倾复力矩）最大倾复力矩 4）回转力矩）回转力矩3机械系统刚度选择机械系统刚度选择

24、1）台面板的刚度）台面板的刚度 2）机械系统的其它刚度）机械系统的其它刚度4基础的选择基础的选择 七地震模拟振动台试验的组织与实施七地震模拟振动台试验的组织与实施1编制试验大纲编制试验大纲 1）试验目的。）试验目的。 2）模型概况。）模型概况。 3）测量的参数和测点布置。）测量的参数和测点布置。 4）选择测量仪器，要求的数量、量程。）选择测量仪器，要求的数量、量程。 5）选用的地震波、压缩比、能级。）选用的地震波、压缩比、能级。 6）是否需要测量动力特性。）是否需要测量动力特性。 7）试验的分级试验顺序。）试验的分级试验顺序。 8）要求试验日期及试验延续时间。）要求试验日期及试验延续时间。2试验模型的设计试验模型的设计3模型制作模型制作4模型安装模型安装 5测量仪器选择测量仪器选择6测点布置及仪器调试测点布置及仪器调试7动力特性试验动力特性试验8地震波试验地震波试验9数据处理数据处理10模型拆除模型拆除钢框架模型taft地震波再现中国地震局工程力学研究所地震模拟振动台中国地震局工程力学研究所地震模拟振动台 九台阵系统 重庆公路所台阵重庆公路所台阵 国家体育馆模型八台阵试验国家体育馆模型八台阵试验 国家体育馆模型八台阵试验国家体育馆模型八台阵试验IMC动态数据采集系统动态数据采集系统n国内地震模拟