建筑结构结构动力试验

第5章结构动力试验5.1概述5.2结构动荷载特性试验5.3结构动力特性试验5.4结构动力反应试验5.5结构风洞试验本章目录第5.1节概述

建筑结构在使用过程中除了承受静载作用外，还常常承受各种动荷载的作用，如风荷载、地震作用、动力设备对工业建筑的作用、冲击及爆炸荷载等。动荷载除了增大结构受力外，还会引起结构的振动，甚至会引起结构发生疲劳、共振破坏。为了确定动荷载的特性、结构的动力特性、结构的动力反应以及结构的疲劳特性等，常常需要进行结构动力试验。动力与静力试验明显的区别在于荷载随时间连续变化、结构反应与自身动力特性相关。第5.2节结构动荷载特性试验动荷载的特性：作用力、方向、频率和阻尼等参数。在研究风荷载、地震作用、工业建筑内的动力设备响应时，需要确定振源的大小和作用规律，这些振源虽然可以根据统计值进行动力荷载特性计算，但有时实际动力特性与统计值有较大的差距，用计算方法往往不能获得振源的实际动力特性，因此，需要借助试验的方法进行确定。对于动荷载特性的测定，可以采用直接测定法、间接测定法和比较测定法等。（1）直接测定法直接测定法是指在测量对象上直接安装传感器，通过传感器的反应来测定动荷载的各项参数。这种方法简单可靠，随着现代量测技术的不断发展，各种传感器性能的逐步完善和提高，使其应用范围也愈来愈广。（2）间接测定法间接测定法是把要测定动力的设备安装在有足够弹性变形的专用结构上（3）比较测定法当振源是可以开启、停止的情况下，可以采用比较测定法。先开动振源，记录结构的振动情况，再开动激振器逐渐调节其频率和作用力的大小，使结构产生同样振动。由于激振器的作用力和频率已知，这样可求得振源的特性。第5.3节结构动力特性试验1自由振动法2共振法3脉动法本节目录结构动力特性是结构本身固有的动态参数，包括固有频率、振型和阻尼系数等，它们取决于结构的组成形式、刚度、质量分布、材料形式等，与外荷载无关。结构的动力特性是进行结构抗震计算、解决结构共振问题的基本依据。常用的结构动力特性试验方法有自由振动法、共振法和脉冲法等。5.3.1自由振动法自由振动法是使结构产生一初位移或初速度，然后释放使其产生自由振动，通过记录仪获得有衰减的自由振动曲线（图5.1），由此可以利用动力学知识求出结构的基本频率和阻尼系数。图5.1自由振动时程曲线如果时程曲线上在时间内包含若干个完整波形时，频率为：

(Hz)(5.1)由动力学可知，结构自由振动时，

时刻的振幅：

(5.2)式中：

―

时刻的振动位移；－振幅；

－阻尼比；

―被测振动的圆频率。

时刻的振幅：(5.3)则有：(5.4)两边取自然对数，则有：(5.5)阻尼比：(5.6)阻尼系数：(5.7)为了提高计算的精度，实际阻尼比计算取k个周期的衰减进行计算：(5.8)对于实际测试曲线无零线的情形：(5.9)常用方法：1突加荷载法突加荷载法也称初速度加载法，原理是利用锤击或落重物的方法使结构在瞬间受到冲击，产生一个初速度，使结构产生振动。2突然卸载法突然卸载法也称为初位移加载法，如图5.2（a）所示在结构上拉一钢丝绳，使结构产生人为的初始位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位置附近作自由振动。（a）

（b）图5.2用张拉突卸法对结构施加冲击力荷载1-结构物；2-钢拉杆；3-保护索；4-钢丝绳；5-铰车；6-模型；7-钢丝；8-滑轮；9-支架；10-重物；11-减振垫层对于结构小模型可采用图5.2（b）的方法，通过悬挂的重物对模型施加水平拉力，剪断钢丝绳产生突然卸荷，使结构产生振动。优点：结构自振时荷载已不存在，重物本身对结构不会产生附加影响。利用自由振动法一般只能获得结构的基本频率及其阻尼。5.3.2共振法共振法采用能够产生稳态简谐振动的起振机或激振器作为振源，使结构产生强迫简谐振动，借助对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性的基本参数。实验时，把激振器安装在结构的适当位置，加大激振器输出力量，可以迫使结构产生周期性强迫振动。当干扰力的频率与结构本身自振频率相等时，结构就会出现共振。因此，通过改变激振器的频率，可促使结构产生共振反应，记录共振时共振曲线（图5.3）和振型曲线（图5.5），通过曲线分析，可以获得结构的自振频率和振型阻尼比。0图5.3为对建筑物进行频率扫描试验时所得到的时间历程曲线。在共振频率附近逐渐调节激振器的频率，同时记录结构的振幅，就可做出频率—振幅关系曲线（共振曲线）。曲线上峰值所对应的频率值即为结构的自振频率。

图5.3共振时的振动图形和共振曲线

从共振曲线上可以得到结构的阻尼系数，在图5.4中，在纵坐标最大值0.707处画出一条水平线与共振曲线相交，交点对应的频率为、，则可求得该阶频率阻尼比为：(5.10)

图5.4由共振曲线求阻尼系数和阻尼比

用共振法也可以测定结构的振型。振型:结构在某一频率下做振动时形成的弹性曲线。基频-------第一振型第二频率-------第二振型第三频率--------第三振型将若干个测振传感器沿结构的高度或跨度方向连续布置(至少5个)，当结构自由振动或共振时，同时记录下结构各部位的振动情况，通过比较各点的振幅和相位，并将各测点同一时刻的位移值连接成一条曲线，即可绘出该频率的振型图。5.3.3脉动法脉动实验：建筑物由于受外界干扰而处于微小而不规则的振动中。通过测量建筑物的脉动反应波形来确定建筑物的动力特性。当采用高灵敏度的传感器、借助放大记录设备，由数据采集仪采集，可以清楚地观测和记录这种振动信号。由于环境引起的振动是随机的，因而又把这种方法称为环境随机激励法。优点：测量座中可以辆不用任氧何激振演设备，梨对建筑轨物没有手任何损池伤，不镇影响建伯筑物的昏正常使陪用，在蕉自然环咳境条件牌下，即师可测量关建筑结极构的响排应，经绞过数据翼分析确耻定其动贪力特性敲。该方难法适远用于厨测量杆整体册结构烦的动雾力特距性，膛是目喂前现直场动推力特摔性测煮试中不广泛培应用营的一裂种方翁法。第5.元4节等结构动仙力反应裙试验本节目屿录1动应削变测偶量2动位移夏测量3动力系爬数测量在实际己工程中霞，经常沉需要对训动荷载闸作用下腥结构产除生的动蓬力反应巷进行测密定，包元括测定散结构在爽实际工送作时的厌动力参境数（振侮幅、频遍率、速掠度、加吨速度）钓、动应固变、动密位移等甚。与动荷慨载特性钟试验和劳结构动修力特性争试验不农同：动知荷载特居性试验洲测定的驶对象是记产生动所荷载的违振源；微结构动文力特性展试验测酱定的是绒结构自害身的动告力特性表；结构瓜动力反技应试验掠测试的陪是动荷点载和结宵构相互腊作用下益结构产扰生的响瓣应。5.晓4.公1团动应将变测君量测量结堆构在动闸力荷载盼作用下铸的动应缴变，确阳定动荷县载在结竿构中引穿起的动且应力，革从而对并结构强治度验算对。一般灿采用动辜态电阻淹应变仪赠配合高催速记录倘仪(磁星带记录介仪或计杨算机)卸测试记漆录动态螺应变。基本要闪求：①选用疲工劳寿命哭长的应果变片；②选用小彼标距应续变片用里以进行虫高频测辫量；③连接应摄变片的渣导线捆熄扎成束紫，消除胖电容；④仪器嚷的工绿作频献率范厅围大防于被旅测动块应变富信号池频率技；⑤若测试暑时间较淋长，试返验前后健要对仪垃器进行颜标定。5.4布.2添动位移绑测量在结构耕控制断脑面或在落有特殊义生产工递艺要求名的位置督布置位鉴移测点肿，测点柔的布置茫原则与发静挠度刺测量相毫同，测裕量动挠旬度的传富感器可甩以选用状电阻应假变式传干感器，啦采用动碑态应变转仪进行束测量和篮记录。义电阻应带变式传繁感器的咬数据处齿理与应购变转换翼和动应王力测量承相同。议图5.外6所示士为一桥分梁在动才荷载作羽用下的督动应变负和动挠收度测量姜布置。1314121图5.6桥梁动应变和动挠度测量示意图1－计算机；2－位移计；3－应变计；4－动态数据采集仪5.挂4.段3丑动力旦系数木测量承受移之动荷载芒的结构编如桥梁攻、吊车挺梁等，断试验检狗测时常波常需要值确定其娘动力系织数，以粗判定结尖构的工彻作情况堵。移动肺荷载作托用于结室构上所说产生的读动挠度生，往往达比静荷蓬载时产采生的挠欧度大。动挠跟度和役静挠点度的雾比值壶称为保动力师系数典。结构动警力系数江一般用滋试验方蛮法实测飞确定。琴为了求抵得动力激系数，鸡先使移欣动荷载晒以最慢刑的速度沸驶过结毛构，测惰得挠度香图如图5.烂6（a），享然后伤使移死动荷呈载按券某种傲速度休驶过诱，这撑时结用构产俭生最烧大挠氧度未如胡图5.6（b）。齿图上释最大乳静挠配度仿和最器大动引挠度偿，即献可求浴得动分力系型数。（5.得10）图5.狸6移动荷疲载作用叼下荷载夺变形结垄构图（a）有轨仔慢速行极驶变形考记录；粘(b)有胀轨按祸一定稼速度誉行驶驱变形趴记录舅；（c）无垃轨高霜速行掠驶变析形记散录第5.锐5节舒结构风污洞试验风对晋人类拥造成雁的灾险害，包有相殊当一脑部分巧是通俯过构唤筑物盘的破丸坏而缝产生短的，坛仅就贪建筑沉物而寇言，鸟人类品在挑谎战高邪度和等跨度忆的实处践中峰取得坝了显注著的东成就临，但墨在这肆一过斜程也联存在圆着失恩败或摆事故局时有俱发生鼻，事刘实上弹，也珠正是振这些嫌失败花或事身故反件过来余促使田人们愉进行评进一被步的螺创新翁研究拴。在对风陡荷载进避行研究仇的早起贸，风对沿结构的劣作用一亿直仅被候当作静轰力作用杠来处理任，直到押194司0年美遮国塔科坏马海峡饥大桥（哪Tac城oma惹Na须rro据wB乌rid疮ge）良发生风粪振坍塌浊后人们身才开始融逐步研劫究并认暗识风对揭结构的遥动力作趟用，塔虎科马海股峡大桥吸倒塌前摘后对比吃见图5团.7。图5冒.7旺塔毁科马排海峡行大桥殃风毁肠前后善对比矛图20循世纪彻50与年代夜开始论，结吵构风扫洞试塑验开泄始成害为结舍构抗乡丰风设输计和艺检验来的重励要手苦段。20世挡纪70促年代初叉开始对周实际高来层建筑封物进行键风压观塘测，从撒198合4年北扎京大学咳建成了钩我国首惯座风洞魂以来，经国内比杂较著名君的土木涂工程风扁洞试验连室有同络济大学反风洞试王验室、她湖南大热学风洞陶试验室共、哈尔县滨工业似大学风钟洞与波腊浪模拟准实验室马和汕头丙大学风浴洞实验察室等。风荷载翅是建筑悟结构设斥计荷载份之一，剑对于超熊高层建军筑、大她跨度结嫩构和高拴耸结构勿而言，谷风荷载崖是主要营的作用侍，例如在扫结构抗逗风设计升时需要枣结构的美体形系选数和风嚼振系数诵，但仅犯依靠荷恒载规范昌，往往败很难精医确得到长。在实股际中，含常采用展风洞试场验来准猪确获得赔体形复始杂结构萝的体型灿系数和吉风振系带数。我国《高层济建筑混鞭凝土结语构技术盏规程》雅(JG钥J3-剃201展0)中休4.2仪.8条粘也规定筑：房屋御高度大之于20奏0m或蛋有下列躲情况之没一时，线宜进行忌风洞试绵验确定号建筑物军的风荷凑载：①平稍面形便状不赞规则腹，立崖面形绝状复聚杂；②立面开念洞或连粗体建筑晶；③周围地沉形和环渡境较复壳杂。确定风纺荷载的箭手段主锁要有风嚼洞试验嫂、现场冻实测和辅数值模避拟等，风洞疫试验是目前腹较为准花确、可本靠且应教用最为刺广泛的无研究方燃法。从流椒动方权式来狐看，牢风洞悲试验疗总体遵上可摄划分涝为两知个基示本类他型：接即开脂口直默流式芝风洞报（图奶5.级8、具图5冷.9救）和批闭口洒回流营式风坛洞（龟图5图.1畏0、惜图5挨.1梢1）段。从风刑洞试枯验段杯的构千造来裹看又哥有封贴闭式碑和敞豪开式送之分昂。封瞎闭式荡试验遭段以奸矩形凉断面白常见而，是钱由顶搂板、草底板森、两事侧板仙面围乒成的后与四碗周隔政离的叶封闭钓试验猎空间君。敞担开式清试验新段四脑周没恶有隔缘瑞离板读，试颤验空阀间与鹿外界指相通迫。图5跳.8晋典例型开援口直春流边稍界层耻风洞敏示意屡图（腹同济晨大学底TJ夺-1瓣风洞肉）图5.壳9中符国建筑株科学研经究院直虾流式风床洞图5.软9典逆型水平攀布置闭贿口回流抵边界层刮风洞示射意图（秆同济大测学TJ超-2风改洞）图5.翼10杀回流式颜风洞安睬装现场风洞是梅进行试绕