第4章-结构动载试验课件

昆明理工大学KUNMINGUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY第四章结构动载试验

昆明理工大学工程抗震研究所昆明理工大学第四章结构动载试验主要内容4.1概述4.2动载试验仪器仪表4.3结构振动测试4.4结构抗震试验4.5结构疲劳试验主要内容4.1概述4.1概述根据荷载用用的时间和反复作用的次数，有如下分类：（1）爆炸或冲击荷载试验（2）结构抗震试验-地震模拟振动台试验（3）结构疲劳试验（4）结构振动试验（5）低周反复荷载试验（6）结构拟动力试验

4.1概述根据荷载用用的时间和反复作用的次数，有如下分类：4.1概述动载与静载试验区别:在动载试验中，施加在结构上的荷载随时间连续变化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4.1概述动载与静载试验区别:4.2动载试验仪器仪表

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。4.2.1引言4.2动载试验仪器仪表在结构动载试验中，结构反应的基本变4.2动载试验仪器仪表4.2.2动态信号测试的基本概念动态信号传感器信号放大器滤波器记录仪器数据处理仪器示波器4.2动载试验仪器仪表4.2.2动态信号测试的基本概念动态4.2动载试验仪器仪表动态信号测试系统的评价指标和性能参数与静态测试系统有很大的差别，主要反映在以下几个方面：（1）与频率相关的特性土木结构<100Hz（2）信号滤波和衰减低通、高通、带通、带阻4.2动载试验仪器仪表动态信号测试系统的评价指标和性能参数4.2动载试验仪器仪表（3）信号放大和衰减的表示方法在动力测试和分析中，采用dB这个单位表示信号的放大或衰减。（4）动测仪器的输入输出和阻抗匹配（5）绝对测量和相对测量的概念绝对加速度和绝对速度；相对位移（6）测量仪器的分辨率4.2动载试验仪器仪表（3）信号放大和衰减的表示方法4.2动载试验仪器仪表4.2.3结构动载试验中的传感器惯性式传感器电动式传感器压电式传感器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4.2动载试验仪器仪表4.2.3结构动载试验中的传感器4.2动载试验仪器仪表拾振器1.外壳2.硬弹簧

3.质量块4.压电晶体4.2动载试验仪器仪表拾振器1.外壳2.硬弹簧

3.质电磁拾振器的变换部分的构造压电式拾振器的基本构造电磁拾振器的变换部分的构造压电式拾振器的基本构造4.2动载试验仪器仪表4.2.4动载试验加载设备（1）电液伺服加载系统（2）激励锤和激振器（3）疲劳试验机（4）其他设备4.2动载试验仪器仪表4.2动载试验仪器仪表4.2.4结构动载试验加载设备与加载方法1、电液伺服加载系统2、激励锤（力锤）和激振器力锤电动激振器离心式激振器3、结构疲劳试验机4、其他专用加载设备4.2动载试验仪器仪表4.2.4结构动载试验加载设备与加载4.2动载试验仪器仪表电液伺服系统动力性能

1、液压作动缸的负载能力

2、伺服控制器

3、数据采集和控制软件4.2动载试验仪器仪表电液伺服系统动力性能4.2动载试验仪器仪表力锤4.2动载试验仪器仪表力锤4.2动载试验仪器仪表电磁激振器4.2动载试验仪器仪表电磁激振器液压伺服式起振机１．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4.2动载试验仪器仪表液压伺服式起振机１．液压激振器2．伺服阀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。4.2动载试验仪器仪表偏心块惯性式起振机的工作原理图1.两力合成为正；4.3结构振动测试4.3.1目的（1）掌握结构动力特性，为结构动力分析和结构动力设计提供试验依据（2）掌握作用在结构上的动荷载特性（3）采用结构振动信号对已建结构进行损伤诊断和健康监测动力特性结构损伤监测信号变化健康监测4.3结构振动测试4.3.1目的4.3结构振动测试4.3.2振动数据的测量根据不同的试验目的，时域信号的测量一般有以下环节组成：（1）确定结构的支撑方式和边界条件（2）选择振动测试仪器设备（3）安装传感器（4）采集记录数据4.3结构振动测试4.3.2振动数据的测量4.3.3试验数据分析1．正弦激振时的数据处理１）振动幅值的确定２）频率确定３）共振曲线的绘制

4）振型的求取5）阻尼比的求取(半功率点法)4.3结构振动测试4.3.3试验数据分析4.3结构振动测试5Hz

10Hz

14Hz共振曲线及振型图4.3结构振动测试5Hz10Hz14Hz4.3结构振2．随机激振的数据处理

1）幅值测量

2）共振曲线（传递函数或频率响应反应振幅谱）的求取4.3结构振动测试2．随机激振的数据处理4.3结构振动测试4.3结构振动测试4.3.4结构动力特性的测定定义：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。4.3结构振动测试4.3.4结构动力特性的测定定义：结构动力4.3结构振动测试测定结构动力特性的实际作用

(1)在结构抗震设计时确定地震作用的大小

(2)避免动荷载使结构产生共振或拍振；

(3)为检测、诊断结构的损伤积累提供资料

和数据(刚度

—阻尼比、固有频率)。4.3结构振动测试测定结构动力特性的实际作用

(1)在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。4.3结构振动测试4.3结构振动测试4.3结构振动测试4.3.4.1结构动力特性测定的试验方法

加载方法：初位移加载法，初速度加载法。1.自由振动法

测量方法：将测振传感器布置在结构可能产生最大振幅的部位，记录结构的有阻尼自由振动曲线。只能测定结构的一阶频率。多取几个波形。TnT4.3结构振动测试4.3.4.1结构动力特性测定的试验方法2.强迫振动法

加载方法：用激振设备使结构产生共振。

测量方法：将激振器及测振传感器安装在结构上，将激振器的转速由低到高连续变换(频率扫描)，在达到一定频率时结构产生共振，该频率即为结构的自振频率。

1

2

3

A4.3结构振动测试2.强迫振动法加载方法：用激振设备使结构产生共振。测4.3结构振动测试加载方法的几个例子：1.张拉释放法4.3结构振动测试加载方法的几个例子：2.正弦激振法4.3结构振动测试2.正弦激振法4.3结构振动测试3.敲击法4.3结构振动测试3.敲击法4.3结构振动测试4．随机激振法1）天然地震法天然地震法，需把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。4.3结构振动测试4．随机激振法4.3结构振动测试4．随机激振法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）脉动法借助被测结构周围的不规则微弱干扰（地面脉动、空气流动等）所产生的微弱振动作为激励来测定结构物自振特性的方法。多种频率随机振动作用在结构上，与结构物频率接近的波形被放大，出现“拍振”波形。实施最为简单的方法。出现“拍振”表明出现与被测结构频率相同或接近的脉动频率。“拍振”为脉动实测波形的重要标志4.3结构振动测试4．随机激振法4.3结构振动测试脉动法测量结构动力特性的要求(

1)要求记录的仪器有足够宽的频带，使所需要的主要频率分量不失真；(2)脉动记录中不应有规则的干扰或仪器本身带近来的噪音；—平稳过程(3)记录时间应足够长，并重复几次(排除偶然因素)；—各态历经(4)如果仪器数量不足，可以分多次测量，但应有一个测点(比较点)保持不动；(5)要有专门的设备进行数据分析及处理(得到高频振动周期)。4.3结构振动测试脉动法测量结构动力特性的要求4.3结构振动测试A振幅（位移、速度、加速度）T=t/n二：强迫振动法测试频率1.激振方法：可变周期（变频）振动荷载、离心电机、电磁激励荷载（荷载幅值不变）2.测试方法：测量记录下结振幅——频率关系

t时间n周TTTtAω4ωω2ω1ω3振幅一：自由振动法测试频率A振幅（位移、速度、加速度）T=t/nt时间2）阻尼比求取阻尼也是结构自身的属性，阻尼越大越能抑制自由振动的幅度。阻尼比为被测结构阻尼系数与临界阻尼系数之比。自由振动法求阻尼比直接从所测的自由振动时域波形曲线上求取。结构的自由振动是有阻尼的衰减振动，且以对数形式衰减。有阻尼的衰减系数被称为对数衰减率λ。4.3结构振动测试2）阻尼比求取4.3结构振动测试为增加样本个数，根据实测波形曲线，可作如下变换：4.3结构振动测试为增加样本个数，根据实测波形曲线，可作如下变换：4.3结构振上式两边取对数，可得：依据黏滞理论，单自由度振动时程曲线中，两相邻振幅比应为：两边取对数：4.3结构振动测试上式两边取对数，可得：4.3结构振动测试考虑结构为有阻尼的振动周期，可知：通常情况，结构为低阻尼，当ξ<0.2，ωr=ω，则有：4.3结构振动测试考虑结构为有阻尼的振动周期，可知：4.3结构振动测试强迫振动法求阻尼比自由振动０强迫振动4.3结构振动测试强迫振动法求阻尼比自由振动０强迫振动4.3结构振动测试当

=0(无阻尼)，

=时，产生共振，B

。当

0(有阻尼)，

=时，产生共振，

()=1/2。半功率法：

()=

时，对应

1及

2，阻尼比为：

1

2

()

4.3结构振动测试当=0(无阻尼)，=时，产生共振，B。当0(有振型：结构按某一固有频率做振动时形成的弹性曲线。测量原理：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，即可得到结构的振型图。3）振型求取振型：结构按某一固有频率做振动时形成的弹性曲线。测量原理：将拾振器灵敏系数相同可依据实测波形，在同一时刻量取每一测点的振幅。令某测点幅值为1，其他测点按比例作图。4.3结构振动测试拾振器灵敏系数相同4.3结构振动测试4.3结构振动测试4.3结构振动测试4.3结构振动测试桥梁动测实例：全桥共用速度传感器3个，全部为竖向，分别布置在试验跨L/4、L/2、3L/4桥面一侧。桥梁动挠度测试的测点布置在试验桥跨的跨中。

江苏东华测试仪器有限公司生产的DH5922振动信号采集分析系统

低频加速度传感器低通滤波放大器数据采集仪计算机分析系统4.3结构振动测试桥梁动测实例：低频加速度传感器低通滤波放大4.3结构振动测试试验工况工况内容工况1脉动试验工况210km/h，跑车试验工况320km/h，跑车试验工况430km/h，跑车试验工况510km/h，刹车制动试验工况65km/h，跳车试验4.3结构振动测试试验工况工况内容工况1脉动试验工况2104.3结构振动测试4.3结构振动测试4.3结构振动测试4.3结构振动测试4.3结构振动测试试验工况试验车速(km/h)冲击系数（1+μ）跑车101.05201.10301.12刹车201.13跳车101.154.3结构振动测试试验工况试验车速(km/h)冲击系数（1+4.4结构抗震试验建筑结构抗震设计的基本概念：抗震延性的保证，包括抗震设计计算和抗震构造措施两部分。结构抗震性能研究的主要内容：地震荷载作用下结构的破坏机制、破坏形态、延性、耗能、强度等。结构抗震性能研究的主要试验手段：伪静力试验拟动力试验振动台试验4.4.1引言4.4结构抗震试验建筑结构抗震设计的基本概念：抗震延性的保证伪静力试验又称低周反复荷载试验，属于工程结构抗震试验。其基本原理是用低周往复循环加载的方法对结构构件进行静力试验，试验中控制结构的变形值或荷载量，使结构构件在正反两个方向反复加载和卸载，用以模拟结构在地震作用下的受力过程。SCHOOLOFCIVILENGNIEERING.LUT.4.4结构抗震试验4.4.2伪静力试验伪静力试验又称低周反复荷载试验，属于工程结构抗震试验。其基本试验目的：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能试验。典型的为获得力-位移或力-应变滞回曲线。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。4.4结构抗震试验试验目的：用于混凝土结构、钢结构、砌体结构、组合结构等（1）变形控制加载法(位移控制)A：变幅加载：恢复力模型、强度、变形、滞回特性、破坏机理等；B：等幅加载：强度及刚度退化等；C：变幅等幅混合加载：二次加载或加载历史对性能的研究。变幅加载等幅加载4.4.2.1单向反复加载制度4.4结构抗震试验（1）变形控制加载法(位移控制)变幅加载(a)(b)混合加载（2）荷载控制加载法

（3）荷载－变形双控制加载法先控制力，屈服之后控制位移4.4结构抗震试验(a)（1）x、y轴双向同步加载（2）x、y轴双向非同步加载双向低周反复加载制度4.4结构抗震试验4.4.2.2双向反复加载制度（1）x、y轴双向同步加载双向低周反复加载制度4.4结构抗震(a)(b)梁柱节点试验装置与变形特征4.4结构抗震试验试验装置(a)4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验以剪切变形为主的构件低周反复试验装置4.4结构抗震试验以剪切变形为主的构件低周反复试验装置4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验以弯剪变形为主的构件低周反复试验装置4.4结构抗震试验以弯剪变形为主的构件低周反复试验装置4.4结构抗震试验1．荷载及支座反力2．荷载－变形曲线3．塑性铰区段曲率或转角4．节点核心区剪切角5．梁柱纵筋应力

6．核心区箍筋应力7．钢筋滑移8．裂缝4.4结构抗震试验4.4.2.3试验观测方案1．荷载及支座反力4.4结构抗震试验4.4.2.3试验观测梁柱节点测点布置143253224.4结构抗震试验梁柱节点测点布置143253224.4结构抗震试验滞回曲线

是结构伪静力试验中，以试验荷载为纵坐标，以结构变形为横坐标的连续曲线。4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验梭形—受弯、偏压、受剪弓形—一定的滑移，剪跨比较大，剪力较小反S形—更多的滑移，一般或有剪力支撑的框架，梁柱节点等。Z形—大量的滑移，小剪跨且有斜裂缝可以发展的构件等。PfPfPfPf伪静力试验典型滞回曲线4.4结构抗震试验梭形—受弯、偏压、受剪弓形—一定的滑移，剪跨比较大，剪力较小结构荷载（1）开裂荷载（2）屈服荷载和屈服变形（3）极限荷载（4）破坏荷载和极限变形荷载-变形关系曲线4.4结构抗震试验荷载-变形关系曲线4.4结构抗震试验结构刚度

（1）初次加载刚度

（2）卸载刚度

（3）反向加载、卸载刚度和重复加载刚度

（4）等效刚度

4.4.2.4几个概念4.4结构抗震试验4.4.2.4几个概念4.4结构抗震试验骨架曲线在伪静力试验所得荷载-变形滞回曲线中，取所有每一级荷载第一次循环的峰点（卸载顶点）连接的包络线作为骨架曲线，它是每次循环的荷载-变形曲线达到最大峰点的轨迹。

4.4结构抗震试验骨架曲线4.4结构抗震试验延性系数延性系数是试验结构构件塑性变形能力的一个指标，按下式计算：

-----在荷载下降段相应于破坏荷载的变形；

-----相应于屈服荷载的变形。

4.4结构抗震试验延性系数4.4结构抗震试验退化率强度退化率反映试验结构构件抗力随反复加载次数增加而降低的指标。当研究刚度退化时，即在位移不变条件下，随反复加载次数的增加而刚度降低的情况，用环线刚度表示并按下式计算：4.4结构抗震试验退化率4.4结构抗震试验能量耗散结构构件吸收能量能力的好坏，可由滞回曲线(结构或构件在反复荷载作用下的力与非弹性变形间的关系曲线)所包围的滞回环面积和它的形状来衡量。由滞回曲线的面积可以求得等效黏滞阻尼系数：等效黏滞阻尼系数计算能量耗散等效黏滞阻尼系数计算受弯钢筋凝土构件的滞回曲线4.4结构抗震试验受弯钢筋凝土构件的滞回曲线4.4结构抗震试验1水平集中力模拟地震力，为等效静力；由静力的方法验证结构部分动力性能。2试验荷载谱人为设计，试验频率低；不能体现地震的动力特性。伪静力试验的特点与不足

4.4结构抗震试验1水平集中力模拟地震力，为等效静力；由静力的方法验证结构部试验例子及加载方法墙体试验

4.4结构抗震试验试验例子及加载方法4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验梁的试验

4.4结构抗震试验梁的试验4.4结构抗震试验顶部不容许转动的构件试验4.4结构抗震试验顶部不容许转动的构件试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验十字节点试验4.4结构抗震试验十字节点试验4.4结构抗震试验昆明理工大学工程抗震研究所伺服试验系统

4.4结构抗震试验昆明理工大学工程抗震研究所伺服试验系统4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4.3地震模拟振动台试验控制器数据记录仪计算机主体液压源分油器储能器储能器储能器储能器控制器控制器控制器D/AA/D打印机存储器绘图仪终端示波器测振传感器试件振动平台水平振动器垂直振动器基础函数发生器冷却系统4.4结构抗震试验4.4.3地震模拟振动台试验控制器数据记录仪计算机主体分油地震模拟振动台示意图4.4结构抗震试验地震模拟振动台示意图4.4结构抗震试验地震模拟振动台的基本构成（液压）4.4结构抗震试验地震模拟振动台的基本构成（液压）4.4结构抗震试验1振动台台体结构2液压驱动和动力系统3控制系统4测试和分析系统

4.4结构抗震试验1振动台台体结构4.4结构抗震试验试验目的

1．进行各类建筑物模型的动力特性试验；

2．进行各类建筑物模型在地震作用下的破坏机理的研究；

3．进行各类建筑物模型的抗震措施的研究；

4．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振动例行试验；

6．进行家庭用具和人体在地震作用下的反应研究；

7．在娱乐场所进行地震宣传的科普教育，并寻求娱乐刺激。4.4结构抗震试验试验目的4.4结构抗震试验振动台的种类１．机械式振动台２．电磁式振动台３．电液伺服控制的地震模拟振动台4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验地震模拟振动台试验的组织与实施1．编制试验大纲

1）试验目的。

2）模型概况。

3）测量的参数和测点布置。

4）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。

6）是否需要测量动力特性。

7）试验的分级试验顺序。

8）要求试验日期及试验延续时间。4.4结构抗震试验地震模拟振动台试验的组织与实施4.4结构抗震试验2．试验模型的设计3．模型制作4．模型安装5．测量仪器选择6．测点布置及仪器调试7．动力特性试验8．地震波试验9．数据处理10．模型拆除4.4结构抗震试验2．试验模型的设计4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验昆明理工大学工程抗震研究所地震模拟振动台

4.4结构抗震试验昆明理工大学工程抗震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

4.4结构抗震试验中国地震局工程力学研究所地震模拟振动台4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验九台阵系统4.4结构抗震试验九台阵系统重庆公路所台阵4.4结构抗震试验重庆公路所台阵4.4结构抗震试验国家体育馆模型八台阵试验4.4结构抗震试验国家体育馆模型八台阵试验4.4结构抗震试验发展趋势

1．向多方面试验发展，包括土建、海港、水电、电讯、铁路、农业等部门均有应用，不仅进行结构物的试验，还进行各种机电产品、设备的试验、家庭用具试验、以及人体反应试验等等。

2．向多向、多自由度发展，因为地震是一个空间运动，在单向作用下有些设施、结构不一定能破坏，而在三向作用下才会重现地震的破坏。故要较真实再现地震破坏，必须相应的建造三向六自由度的地震模拟振动台。

3．向大型发展。日本已建成了世界上最大的15m×20m地震模拟振动台（上载1200吨）。那是适应核工业的发展需要。但是投资太大，日常维护费用高。

4．向多台的台阵发展。对长大结构可以利用少量投资即可进行地震试验。

5．向振动台和快速拟动力装置组合的混合试验发展，解决子结构的边界条件的模拟。

6．提高控制的自动化程度及控制精度，实现全数字控制。4.4结构抗震试验发展趋势4.4结构抗震试验4.4结构抗震试验——拟动力试验拟动力试验，其实质就是按照某种确定性的地震反应进行加载。由于结构的恢复力模型未知，运动方程无法求解，故采用“边试验、边求解”的方法分步得到实测的结构恢复力模型，然后可完成整个试验加载过程。加载设备可利用伪静力试验设备，但必须可联机控制加载，即计算机控制的电液伺服加载系统（包含数个作动器，即加载器）4.4.4拟动力试验

4.4结构抗震试验——拟动力试验拟动力试验，其实质就是按照某拟动力试验系统原理图

4.4结构抗震试验拟动力试验系统原理图4.4结构抗震试验计算机数值分析控制试验加载

4.4结构抗震试验计算机数值分析控制试验加载4.4结构抗震试验试验目的：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。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。4.4结构抗震试验试验目的：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；4.4结构抗震试验基本实验设备4.4结构抗震试验

拟动力试验的加载设备一般由计算机、加载装置与加载控制系统等组成。计算机是加载过程的控制和试验数据采集都由计算机来实现，同时对试验结构的其他反应参数，如应变、位移等进行演算和处理。加载装置与加载控制系统其功能是根据该时刻由计算机传来的位移指令转换为电压信号输入，用于电液伺服系统，使加载器按指定指令工作。拟动力试验可采用与静力试验或拟静力试验一样的加载装置。4.4结构抗震试验拟动力试验的加载设备一般由计算机、加载装置与加载试验例子及加载方法4.4结构抗震试验试验例子及加载方法4.4