第五章工程结构动载试验(NXP)ppt课件

1、第五章工程构造动载实验.5.1 概 述 构造动载实验是构造实验任务的一个重要组成部分。经过动力加载设备直接对构造施加动力荷载，可以了解构造的动力特性，测试构造在一定动荷载下的动力反响，评价构造在动荷载作用下的承载力及疲劳寿命等特性。.土木工程中需求研讨和处理的动力问题包括以下几个方面： 1、抗震实际分析和研讨，为地震设防和抗震设计提供根据，提高各类工程构造的抗震才干。 2、设计和建筑工业厂房时要思索消费过程中产生的振动对厂房构造或构件的影响。 3、高层建筑和挺拔构筑物设计时要处理风荷载所引起的振动问题。 4、桥梁设计与建立中需求思索车辆运动对桥梁的振动及危害问题。 5、海洋采油平台设计中需求处

2、理海浪的冲击对海洋采油平台等不利影响问题。 6、研讨建筑物如何抵抗爆炸等所产生的瞬时冲击荷载对构造的影响。.构造工程事故.构造振动的动荷载是随时间而改动的；美国塔科马(Tacoma)大桥,1940年毁于风振！从此将航空风洞技术引入了桥梁工程、建筑工程的运用！.动荷载产生的动力效应，有时远远大于相应的静力效应；但有时能够小于相应的静力效应。.构造在动荷载的作用下的反响与构造本身动力特性有亲密关系；.构造动载实验的根本内容1、构造动力特性测试 构造的本身动力特性包括构造的自振频率、阻尼、振型等参数。这些参数决议与构造的方式、刚度、质量分布、资料特性及构造衔接等要素，而与外载无关。构造的动力特性是进

3、展构造抗震计算、处理工程共振问题及诊断构造累积损伤的根本根据。2、动力荷载或振源特性测试 丈量引起振动的作用力大小、方向、频率及其规律。. 2振动台模型实验。 地震对构造的作用是由于地面运动引起的一种惯性力。经过振动台对构造输入正弦波或实测地震波，可以较准确地模拟构造的地震反响。3、构造动力反响测试 1测定实践构造在实践任务时的振动程度振幅、频率及性状，例如： 动力机器作用厂房构造的振动反响 挪动荷载作用下桥梁的振动反响 地震时建筑构造的振动反响.4、构造构件的疲劳实验 确定构造构件在多次反复荷载作用下的疲劳强度。 土木工程构造中遇到的振动方式有些是确定性振动，但大多数情况那么属于随机振动。5

4、、风洞实验 研讨构造的风致振动及风振控制。.5.2 动载实验荷载模拟技术5.2.1 惯性力加载 惯性力加载是利用运动物体的惯性力，对构造施加动荷载。 按产生惯性力的方法可分为冲击力、离心力及直线位移惯性力加载等。1、冲击荷载 冲击荷载作用于试件上的时间较短，属于忽然加载，普通用于测定实验在冲击荷载作用下的承载力、抗裂性能等；也用于测定构造本身的各种动力特性，如固有频率等。. 优点：用较小的荷载可以产生较大的振幅。 缺陷：加上的重物随构造一同振动，对构造产生一定影响；重物落下时的撞击也会引起构造的部分破坏。 突加荷载法初始速度法. 突卸荷载法初始位移法.2、离心力加载 离心力加载是根据旋转质量产

5、生离心力的原理对构造施加简谐振动。(a)(b)(c).3、曲柄连杆式机械振动台 机械振动台构造简单，容易产生较大的振动力和振幅；缺陷是频率范围较小，振幅调理比较困难，机械摩擦影响大，波形失真也大。 曲柄连杆带动台面作程度振动，台面振幅由偏心距 e 的大小调理，台面振动频率由变速箱调整，因此振动台的台幅与频率变化无关。.4、落锤式冲击实验机 XJL-300B型落锤式冲击实验机最大冲击能量：300J最大冲击高度：2m锤体质量：0.25-15kg.5.2.2 电磁加载 通电导体在磁场中，会遭到与磁场方向相垂直的作用力。根据这一原理，在磁场中放入动圈，通以交变电流，那么可以使固定于动圈上的顶杆等部件往

6、复运动，产生动载。目前常见的电磁加载设备为电磁式激振器与振动台。 电磁式激振器频率范围较宽；分量轻，控制方便，按给定信号可产生各种波形的激振力。但激振力不大，仅适用于小型构造或小模型实验。. 电磁式振动台是利用电磁式激振器来推进一个活动台面构成的。但由于振动台的激振器输入励磁线圈和活动线圈的电流都比较大，任务时间长了易发热，故附有冷却系统。 电磁式振动台操作方便；振动波形好，频率范围广，但激振力较小，仅几百N至几十kN。.5.2.3 液压振动台 液压振动台有单向运动、双向运动和三向运动等几种，振动台多采用电液伺服系统推进。在各种构造模型或足尺动力实验中，模拟地震振动台是最理想的构造抗震设备。振

7、动台实验室位于中国建筑科学研讨院研发基地，建筑面积3300平米，实验室内拥有全国最大的6m6m三向六自在度大型高性能模拟地震振动台。 新闻:中国建筑科学研讨院工程抗震研讨所承接的中央电视台新台址CCTV主楼模拟地震振动台实验工程顺利完成。 2005.11. 模拟地震振动台系统包括：台面及根底、泵源及油压分配系统、加振器、模控、数据采集和处置系统；此外还有与模控及数据采集系统相接的计算机。.5.3 动载实验量测设备 振动参量量测方法有振动丈量法、光学丈量法和电测法等。 电测法将振动参量位移、速度、加速度转换成电量，而后用电子仪器放大、显示或记录。电测法灵敏度高，且便于遥控、遥测，是目前最常用的方

8、法。 振动丈量系统由拾振器、测振放大器和记录仪等部分组成。.5.3.1 测振传感器的力学原理设被测振动物体规律质量块m的振动微分方程为上式通解为其中：.其中：阻尼比.1当 ， 时 满足此条件的测振仪称位移计。普通位移计的体积较大也较重，运用时对被测系统有一定影响，特别对于一些质量较小的振动体不太适用。.2当 ， 时 满足此条件的测振仪称加速度计。.5.3.2 测振传感器 拾振器除应正确反映振动体的振动外，尚应不失真地将位移、速度及加速度等振动参量转换为电量，以便用量电器进展丈量。. 磁电式速度传感器的特点是灵敏度高、性能稳定、输出阻抗低、频率呼应范围有一定宽度，经过对质量弹簧系统参数的不同设计

9、，可以使传感器既能量测非常微弱的振动，也能量测较强的振动，是工程振动丈量中最常用的拾振仪器。 感应电动势可表达为：1、磁电式速度传感器 右图为一典型的磁电式速度传感器。此类传感器惯性质量块的位移反映所测振动的位移，而传感器输出的电压与振动速度成正比，又称惯性式速度传感器。. 建筑工程中常需10Hz以下甚至1Hz以下的低频振动，这时常采用摆式测振传感器，这种类型的传感器将质量弹簧系统设计成转动的方式，因此可以获得更低的仪器固有频率。 根据所测振动是垂直方向还是程度方向，摆式传感器有垂直摆、倒立摆和程度摆等。输出电压也与振动速度成正比。摆式传感器的构造原理. 磁电式传感器的主要技术目的有： 1固有

10、频率：传感器质量弹簧系统本身的固有频率是传感器的一个重要参数。 2灵敏度：传感器的拾振方向感遭到一个单位振动速度时，传感器的输出电压。 3频率呼应：灵敏度随所测频率不同有所变化，这个变化的规律就是传感器的频率呼应。对于阻尼值固定的传感器，频率呼应曲线只需一条。如传感器阻尼可选择和调整，那么阻尼不同，传感器频率呼应曲线也不同。 4阻尼系数：磁电式测振传感器质量弹簧系统的阻尼比，通常磁电式测振传感器的阻尼比设计为0.50.7。.2、压电式加速度传感器 压电式拾振器是利用压电晶体资料具有的压电效应制成。当压电晶片电轴方向遭到外力而产生紧缩或拉伸变形时，内部会产生极化景象，同时在其相应的两个外表上出现

11、异号电荷，构成电场。当外力去掉后，又重新回到不带电形状。这种将机械能转换为电能的景象，称为“正压电效应。压电晶体受外力产生的荷载为： 压电资料中，石英晶体具有较高的稳定性、高机械强度和很宽的任务温度，但灵敏度较低；压电陶瓷可得到较高的灵敏度和很宽的任务温度，易于制成所需外形。. 压电式加速传感器具有动态范围大、频率范围宽、分量轻、体积小等特点。其主要技术目的有：灵敏度、安装谐振频率、频率呼应、横向灵敏度比和幅值范围等。.5.3.3 记录设备 光线示波器. XY函数记录仪 磁带记录仪 瞬态记录仪.5.4 构造动力特性实验 构造的动力特性包括构造的自振频率、阻尼、振型等参数。这些参数是构造的固有参

12、数，决议与构造的方式、刚度、质量分布、资料特性及构造衔接等要素，而与外载无关。 构造物的固有频率及相应的振型虽然可以由构造动力学原理计算，但经过简化计算得出的实际数值普通误差较大，而阻尼系数那么只能经过实验来确定。因此，采用实验手段研讨各种构造物的动力特性具有重要的实践意义。.5.4.1 自在振动法 使构造产生自在振动，经过记录仪器记下有衰减的自在振动曲线，由此求出构造的根本频率和阻尼系数。根本频率：阻尼系数：.5.4.2 简谐强迫振动法 利用专门的激振器，对构造施加简谐动荷载，使构造产生稳态的简谐强迫振动，借助对构造受迫振动的测定，求得构造动力特性的根本参数。 衰减系数：阻尼比：.5.4.3

13、 脉动法 工程构造脉动来自两个方面，一方面是地面脉动；另一方面是大气变化即风和气压等引起的微幅振动。脉动可以明显反映出构造的固有频率。从脉动信号中可识别出构造物的固有频率、阻尼比、振型等多种模态参数。 丈量脉动信号要运用低噪声、高灵敏度的拾振器和放大器，并应配有记录仪器和信号分析仪。 脉动法丈量的记录波形图分析通常采用以下几种方法： 主谐量法频谱分析法功率谱分析法统计法.1、主谐量法 建筑物的固有频率的谐量是脉动信号中最主要的成份，在实测脉动波形记录上可直接反映出来。凡是振幅大，“拍 景象尤为明显，其波形光滑处的频率总是多次反复出现。假设建筑物各部位在同一频率的相位和振幅符合振型规律，就可以确

14、定该频率就是建筑物的固有频率。基频出现的时机最多，比较容易确定。.图 主谐量和频谱分析法分析脉动记录曲线 对一些较高的建筑、斜拉桥等，有时第二、第三频率也能够出现，但相对基频出现次数少。在记录比较规那么的部分，确定是某一固有频率后，就可分析出频率对应的振型。. .2、频谱分析法 普通工程构造的脉动记录波形应看成是各种频率的谐量的合成的结果，而建筑物固有频率的谐量和脉动源杰出频率处的谐量为其主要成分。运用傅里叶级数积分方法将脉动信号分解并作出其频谱图，在频谱图上建筑物固有频率处和脉动源的振动频率处必然出现突出的峰，普通基频处更为突出，第二、第三频率处有时也较明显。 .2、频谱分析法 .3、功率谱

15、分析法 假设建构筑物的脉动是一种平稳的各态历经的随机过程，且构造各阶阻尼比很小，各阶固有频率相隔较远。那么可以利用脉动振幅谱确定建构筑物的固有频率和振型，并用各峰值处的半功率带宽确定阻尼比。 .3、功率谱分析法 .例: 用应变测试，测试紧缩上铜管的任务形状。 在现场做振动测试时, 看到时域曲线以为是有噪声干扰，后来将曲线放大及FFT变换后，应该是振动测试曲线反响机器的不同任务频率。是 . 曲线放大图. FFT图. FFT放大图. .5.5 动力荷载或振源特性实验5.5.1 常见振源的振动波形动荷载或振源特性包括：作用力的大小、方向、频率及其作用规律等。间歇性的阻尼振动，有明显的尖峰和衰减，阐明

16、是撞击性振源引起的振动 有周期性的简谐振动，一台或多台转速一样的机器运转所引起的振动； 两频率相差两倍的简谐振源引起的合成振动； 三简谐振源引起的更为复杂的合成振动； 符合“拍振的规律，振幅周期性地由小变大，又由大变小，这有两种能够，一种是由两个频率接近的简谐振源共同作用；另外一种是只需一个振源，但其频率和构造的自振频率相近； 是随机振动的记录图形，它是由随机性动荷载引起的，例如液体或气体的压力脉冲及地震波。 .5.5 动力荷载或振源特性实验5.5.2 探测主振源的方法构造周围存在多个振源时，有必要找出对构造影响最大的，起主导作用的振源，称为主振源。探测方法有两种：1.有周围环境振源资料时，只

17、需测出构造被强迫振动的频率，经过比较找出与构造频率一样或接近的振源，那么能够是主振源；2.无周围环境振源资料时，经过实测构造受迫振动的波形分析，假设是单一简谐波形，此振动波形的频率即为主振源的频率；假设是复杂的合成波形，那么可用谐量分析法将复杂波形分解出来，从中找出幅值较大的波形所对应的频率即为主振源的频率.5.5 动力荷载或振源特性实验5.5.3 主振源特性的测定方法测定难度在于要留意将它与实测构造动力反响严厉区分开来。搞不好测得的是构造在振源作用下的反响。探测方法有两种：直接法、比较法1.直接法，是最好的方法。同时也是实施起来难度较大的一种方法。它原那么上是让传感器直接感受其振动荷载。直接

18、法虽在有些时候不易实现，但在能够的情况和条件下优先选用。下面看看几种直接法的详细做法：.5.5 动力荷载或振源特性实验5.5.3 主振源特性的测定方法1.直接法：直接法虽在有些时候不易实现，但在能够的情况和条件下优先选用！.5.5 动力荷载或振源特性实验5.5.3 主振源特性的测定方法2.比较法：采用此种方法需求激振设备，且被测的动荷载振源必需是可以开启和封锁。经过开闭振源和激振器，使得构造的动力反响波形所显示的特性与振源作用该构造所显示的波形特性一致时，该激振设备所显示的各项数据如激振力的大小、方向、作用频率、作用规律等即为振源动荷载的特性。.5.6 构造动力反响实验1、动应变测定5.6.1

19、 动力反响 测定方法.2、动位移测定. 接受挪动荷载的构造如吊车梁、桥梁等，经常要确定其动力系数，以断定构造的任务情况。 5.6.2 构造的动力系数的实验测定 动挠度和静挠度的比值称为动力系数。. 地震发生时，特别是强地震发生时，以仪器为手段观测地面运动过程中工程构造的动力反响的任务称为强震观测。 强震观测可以为地震工程科学研讨和抗震设计提供确切数据，并用来验证抗震实际和抗震措施能否符合实践。 强震观测普通采用加速度计丈量。 5.6.3 强震观测5.6.4 模拟地震振动台实验 实验可以再现各种方式地震波输入后的反响和地震震害发生的过程，观测实验构造在相应各个阶段的力学性能，进展随机振动分析，研

20、讨新型构造计算实际的正确性，有助于建立力学计算模型。 1、实验模型根本要求 2、输入地震波。常见输入波：强震实践记录、人工地震波。 3、实验方法 1输入运动的选择：普通采用加速度控制振动台面的运动。 2加载过程：分一次性加载和多次性加载。 .东营黄河公路大桥: 位于山东省东营市，南北跨越垦利县和利津县，距黄河入海口约 70km ，是目前黄河下游最后一座桥梁。该工程是国家规划的“五纵、“四横干线公路网及山东省综合运输网主框架的重要组成部分。东营黄河公路大桥按高速公路规范建立，全长 2743.1m ，为双向 4 车道，桥宽 26m ，设计行车速度 100km/h ，设计荷载汽一超 20 ，挂一 1

21、20 ；主桥为 116+200+220+200+116m 预应力混凝土刚构一延续组合梁，主墩为壁厚 1.8m 、中心距 8m 的双薄壁墩，其他各墩均为矩形截面实体墩，全桥均为钻孔灌注桩根底。目前该桥已通车运转。 该桥在施工过程中阅历多次体系转换，施工过程复杂，且影响要素较多，这些不确定性要素能够引起构造主要参数如梁重、构造刚度等的变化，进而导致构造内力形状与设计理想形状偏离，且这些参数误差具有累计性，必需在施工过程中不断地进展监测、识别、控制。该桥的服役环境相当恶劣，加之疲劳效应、腐蚀效应、资料老化和超载等不利要素的影响，构造不可防止地要产生损伤累积、抗力衰减。在该桥运营期间，对构造内力及变形

22、必需进展适时安康监测。另外新桥在通车前必需进展荷载实验，以验证本桥设计与施工质量、了解桥梁构造的实践承载才干。从监测信息衔接的完好性角度，该桥是目前世界上独一集施工监测、成桥实验、安康监测三位一体的大桥。 .5.7 构造疲劳实验5.7.1 构造疲劳实验的目的 构造或资料受反复荷载作用后，其强度极限将低于一样荷载作用下的极限值，这种景象称为构造或资料的疲劳。 直接目的：确定构造的疲劳极限，测定构造到达疲劳破坏时荷载的反复次数。 构造所能接受的荷载反复次数及应力到达的最大值均与应力的变化幅度有关。当疲劳应力小于某一应力值后，荷载反复次数的添加不会在引起构造的疲劳破坏。该疲劳应力值称疲劳极限应力，构

23、造设计时必需严厉按照疲劳极限应力设计。 .1、鉴定性疲劳实验。在反复荷载规范值作用下，在规定的荷载反复次数内，对以下内容进展检验： 1抗裂性及其开裂荷载； 2裂痕宽度及其开展； 3最大挠度及其变化幅度； 4疲劳极限强度。2、科研性疲劳实验。普通有以下内容： 1钢筋及混凝土的应力随荷载反复次数的变化； 2开裂荷载及开裂情况； 3裂痕的宽度、长度、间距及其随荷载反复次数的变化； 4疲劳破坏荷载及接受疲劳的反复次数； 5最大挠度及其变化规律； 6疲劳破坏特征。.5.7.2 疲劳实验的步骤 1、疲劳实验前预加静载实验 荷载：不大于上限荷载的20 次数：12次 2、正式疲劳实验 第一步：疲劳前的静载实验

24、。荷载分级加到疲劳上限荷载。分级荷载可取上限荷载的20，临近开裂荷载时适当加密，每级荷载加完后停歇1015分钟，加满后分两次或一次卸载。 第二步：疲劳实验。 第三步：破坏实验。两种方法：一种是继续施加疲劳荷载直至破坏，得到接受疲劳荷载的次数；另一种是作静载破坏实验。.疲劳实验的实验步骤，随实验的目的和要求可有所不同。静载不分级缓慢地加到第一条可见裂痕出现为止，然后开场疲劳实验。提高疲劳荷载上限，可在到达疲劳次数之前，也可在到达要求疲劳次数之后。.5.8 风洞实验 1、流膂力学 是力学的一门分支，是研讨流表达象以及相关力学行为的科学。可按研讨对象的运动方式分为流体静力学和流体动力学，还可按运用范

25、围分为水力学，空气动力学等等。实际流膂力学的根本微分方程是所谓“纳维-斯托克斯方程Navier-Stokes Equation，简称N-S方程。 .2、风洞，是指在一个管道内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以对模型进展空气动力实验的一种设备。最常见的是低速风洞。最近位于四川绵阳的中国空气动力学研讨和开展中心已建成具有世界程度的2.4米跨声速风洞(风洞常以实验段尺度命名)。这样大尺度的跨声速风洞，世界上只需美国和俄罗斯等少数国家才有。风洞是开展航空航天事业的关键设备，研制任何飞机，包括军用飞机、民用飞机以及航天飞机，都必需首先在风洞中进展大量实验，实验飞机能不能飞起来，能飞多高多快和多远以

26、及其他各项飞行性能等。.3、风洞研制飞行器的先行官 决议一架飞机或其他飞行器的飞行性能，如速度、高度等，除飞机分量、发动机推力等要素外，最重要的要素是作用于飞机的空气动力。. 5.81 风洞实验开展1、世界上公认的第一个风洞是英国人于1871年建成的。美国的莱特兄弟(O.Wright和W.wright)于1901年制造了实验段0.56米见方，风速12/s的风洞，从而于1903年发明了世界上第一架适用的飞机。风洞的大量出现是在20世纪中叶。2、为了实验炮弹的气动力作用和研讨超声速流动，瑞士阿克雷特(G.Ackttet)于1932年建成了世界第一座超声速风洞，实验段面积0.4米04米，马赫数(风速

27、与声速之比为2，顺应跨超声速飞行器的开展，1956年美国建成世界最大的跨超声速风洞，实验段面积488米4.88米，马赫数0.8-4.88，功率为16.1万kW。1958年，美国航天局建成实验段直径0.56米，马赫数可高达18-22的高超声速风洞。. 5.81 风洞实验开展3、为了提高风洞实验的雷诺数(模拟尺度或粘性效应的类似准那么)，1980年，美国将一座旧的低速风洞改呵斥为世界最大的全尺寸风洞(可以直接把原形飞机放进实验段中吹风)，实验段面积24.4米12.2米，风速150m/s，功率10万kW。1975年，英国建成一座低速压力风洞，实验段5米4.2米，风速95-110m/s，压力3个大气压

28、，功率1.4万kW，实验雷诺数(它是一个无量纲数)8106。80年代，美国建成一座低温风洞，以氮气(氮气凝固点低，适于低温下任务)为任务介质，温度范围340-78K，压力可达9个大气压，实验段2.5米2.5米，马赫数0.2-1.2，雷诺数高达120106。. 5.81 风洞实验开展我国的风洞建立开展迅速： 1977年，中国空气动力研讨与开展中心建成亚洲最大的低速风洞，串联双实验段：8米6米和16米l2米，风速100m/s，功率7800kW。1999年，又建成具有世界规模的跨声速风洞，实验段口径2.4米，马赫数0.6-1.2。. 5.81 风洞实验开展普通工业部门： 反映各行各业的开展越来越需求

29、空气动力学和风洞实验的参与，曾经构成了新的学科：“工业空气动力学和“风工程学。例如，当汽车速度到达180km/h时，空气阻力可占总阻力的1/3。对小汽车模型进展风洞实验，合理修形。可使气动阻力减小75%。对建筑物模型进展风载荷实验，从根本上改动了传统的设计方法和规范，大型建筑物如大桥、电视塔、大型水坝、高层建筑群等，己规定必需求进展风洞实验，而且模型必纲模拟实物的刚度(即弹性模型)，丈量“风振特性“。这方面已有教训。1940年，美国塔科马(Tacoma)大桥，一座大型钢索吊桥，由于并不很大的风载荷，导致桥体强迫振动和共振，引起断塌，因此遭到学界广泛注重。对于大型工厂、矿山群，也要做成模型，在风

30、洞中进展防止污染和分散的实验。为此，应运而生出现了许多“大气边境层风洞“。在这种风洞中，实验段的气流并不是均匀的，从风洞底板向上，速度逐渐添加，模拟地面“风“的运动情况(称为大气边境层)。国内已出现了十几座这样的风洞。 . 5.81 风洞实验开展. 5.82 风洞实验操作. 5.82 风洞实验操作. 5.82 风洞实验操作. 5.82 风洞实验操作. 5.82 风洞实验操作.5.83 风洞实验的科学研讨一、重庆大剧院模型风洞实验与分析研讨1、风压丈量实验 中国空气动力研讨与开展中心低速气动力研讨所4m3m风洞 .6、风洞实验 5.83 风洞实验的科学研讨.6、风荷载数值模拟0方向来流时风压云图 5.83 风洞实验的科学研讨.6、风荷载数值模拟90方向来流时风压云图 5.83 风洞实验的科学研讨.、刚性模型5.83 风洞实验的科学研讨.8、新型构造风载研讨上海浦东国际机场模型实验为设计提供风载根据！5.83 风洞实验的科学研讨.8、同济大学、西南交大两风洞