土木工程试验与测试技术 课件 第8章 动载试验

8动载试验8.1概述在工程结构设计建造过程中，往往还要考虑结构受到动荷载的作用。如风荷载对高层建筑、高耸结构的作用；运行的车辆产生的移动荷载对桥梁结构的振动影响；世界各地地震灾害对工程结构的破坏；海洋钻井平台，尤其是深水域的海洋钻井平台的风、浪、流、冰及地震环境荷载对其的作用以及建筑物的抗爆；多层厂房中的动力机械设备引起的振动；动力设备基础的振动等。在设计上述结构时都必须考虑这些动荷载的影响，必须对其进行动力分析。8.1概述与静力荷载试验相比较，动力荷载试验具有如下特点：首先，造成结构振动的动力荷载是随时间而改变的。其次，结构在动力荷载作用下的反应与结构本身动力特性有密切关系。在多数情况下，动力荷载产生的动力效应远远大于相应的静力效应，甚至较小的一个动力荷载可能使结构遭受严重破坏。而在有些情况下，动力荷载效应却并不比静力荷载效应大，还可能小于相应的静力效应，但从动态的角度分析，静荷载是动荷载的一种特殊形式。在试验中，可根据惯性力影响的大小和加载的速率区分静载试验和动载试验。8.1概述分析结构在动荷载作用下的变形和内力是一个十分复杂的问题，它不仅与动力荷载的性质、数量、大小、作用方式、变化规律以及结构本身的动力特性有关，还与结构的组成形式、材料性质以及细部构造等密切相关。结构动力问题的精确计算非常繁琐，且与实际结果有较大出人，因而借助试验确定结构动力特性及动力反应是不可缺少的手段。通过动力加载设备直接对结构构件施加动力荷载，研究结构在一定动力荷载下的动力反应，如评估结构在动力荷载作用下的承载力、疲劳寿命以及风荷载作用下的结构动态响应等特性。动力荷载一般分为以下几种类型：8.1概述①地震作用。②机械设备振动和冲击荷载。③高层建筑和高耸结构的风振。④环境振动。⑤爆炸引起的振动。⑥车辆运动对桥梁的振动和危害。⑦海洋采油平台设计中需要解决海浪的冲击等不利影响。8.1概述综上所述，动力荷载的产生是复杂多样的，概括起来有三种荷载：撞击荷载、振动荷载和复杂荷载。撞击荷载的作用时间极为短暂，一般在1/1000~1/10000s间，作用力的大小及其出现的时间间隔往往没有规律性。振动荷载的作用频繁，具有周期性，作用力的大小和频率按照某一固定规律变化。复杂荷载是多种荷载的组合，可以是撞击荷载和振动荷载，也可以是地震、风、爆炸等特殊荷载或其组合，是实际生活中最常见的动力荷载。8.2加载设备动力试验是需要振源的。而动力试验的振源有两大类：一类是自然振源，如：地面脉动、气流所致的振动，地面爆破以及动力设备、运输设备和起重设备等在运行中产生的振动等等。另一类则是人工振源，它可按照试验目的的需要进行有针对性的激振。它的特点是易于人为控制。本节介绍人工激振的激振设备。通常激振系统由如下框图构成。8.2加载设备其是一种顶杆式的电磁激振器，与上图所示的信号发生器和功率放大器配合使用。电磁激振器由顶杆、外壳、磁钢、动圈、环形间隙、输入插座、支撑弹簧等组成。其体积小，使用方便，较经济，是要求激振力不大的小型结构或小型模型的动力试验较为理想的激振设备，结构动力试验中应用较多。8.2.1电磁式激振器1-顶杆；2-外壳；3-磁钢；4-动圈；5-环形间隙；6-输入插座；7-支撑弹簧8.2加载设备工作原理是：磁钢与外壳体组成磁路，在环形间隙处形成强磁场，动圈与顶杆连成一体，在上下支撑弹簧的支撑下，悬挂于环形间隙内，使其能沿轴向自由运动。当动圈内通入交变电流时，载流动圈在固定磁场作用下产生交变力F：8.2.1电磁式激振器式中

B——磁场强度；L——动圈绕线有效长度；

Im——通过动圈的电流幅值。8.2加载设备在使用时，将激振器放置在与被振物体相对静止的地方。将顶杆与被振物体所要激振部位有效地固定连接，使顶杆与被振物形成一整体，并要求顶杆与被振物之间有一定的预压力，使顶杆在振动开始前处于振动的平衡位置上。各式安装示意图如下图所示。8.2.1电磁式激振器1-试件；2-橡皮绳；3-连接杆；4-可升降装置（如螺旋千斤顶）；5-支架8.2加载设备离心式激振器是一种能提供稳态简谐振动的具有较大激振力的激振设备。其机械部分主要是由一个在上、另一个在下的两个载有偏心质量块可随旋转轮转动的扇形的圆盘构成。其工作原理是：当一个偏心质量块随旋转轮转动时产生的离心力为：8.2.2离心激振器式中

m——偏心质量块的质量；ω——偏心质量块的旋转频率；

r——偏心质量块的半径。8.2加载设备当上、下两个偏心质量块左右对称放置，然后作等速反向旋转时，两偏心质量块的惯性力的合力在水平方向合力为零，而在垂直方向做简谐变化。因此，垂直方向的合成惯性力（即激振力）的大小为：8.2.2离心激振器8.2加载设备8.2.2离心激振器离心式激振器的优点是：激振力范围大（由几十牛到几个兆牛）。缺点是：频率范围较小，一般在100Hz以内。特别是它输出的激振力与旋转频率的平方成正比，因此，它在低频时激振力不大。另外，它的激振力和频率不能各自独立地变化。一周内垂直惯性力数值变化的图形如下图所示。8.2加载设备8.2.3结构疲劳试验机结构疲劳试验机主要是用来对结构做正弦波形荷载的疲劳试验。当脉动量调至零时也可用来对结构做静载试验或长期荷载试验等。它主要由控制系统、脉动发生系统和脉动千斤顶组成。其工作原理：由控制系统将高压油泵打开，使高压油泵打出的高压油充满脉动器、千斤顶和油压表。当旋转的飞轮带动曲柄动作时，就使脉动器活塞上下运动而产生脉动油压并传给千斤顶作正弦波形的脉动荷载作用于结构，即对结构做疲劳试验。当脉动调节至零时，即可对结构做静力加载或长期持久荷载试验。8.2加载设备8.2.3结构疲劳试验机结构疲劳试验机的外观如图（a）所示，工作原理如图（b）所示。1-脉动器；2-顶杆；3-曲柄；4-飞轮；5-脉动调节器1-控制系统；2-校准管；3-脉动千斤顶；4-回油管；5-喷油管：6-输油管；7-分油头；8-脉动发生系统；9-卸油泵（a）试验机的外观（b）工作原理8.3结构动力特性试验结构动力特性的基本参数均反映了结构本身所固有的动力性能，故也称为动力特性参数或振动模态参数。其中，固有频率又称为自振频率，其倒数称为结构的自振周期。结构自振频率的单位为赫兹（Hz），自振周期的单位为秒（s）。一般动力问题只需量测结构的基本频率，但对于比较复杂的多自由度体系，有时还须量测第二、第三甚至更高阶的固有频率以及相应的振型，本节介绍一些常用的结构动力特性试验方法。8.3结构动力特性试验8.3.1自由振动法自由振动法即是借助于外荷载使结构产生一初位移（或初速度），使结构由于弹性而自由振动起来，由此记录下它的振动波形，从而得出其自振特性。自由振动法可以分成初速度（突然加载）法、初位移法（突然卸载法）两类。（1）频率从实测得到的结构有阻尼自由振动时间历程曲线上，可以根据时间坐标直接测量振动波形的周期，由此可得结构的基本频率

f=1/T。8.3结构动力特性试验8.3.1自由振动法（2）阻尼有结构动力学可知，有阻尼自由振动的运动方程为：振幅值an对应的时间为tn，an+1对应tn+1，tn+1=tn+T，T=2π/ω分别代入上式，并取对数整理可得：式中——衰减系数8.3结构动力特性试验8.3.1自由振动法（3）振型为了测定结构的振型，必须使结构按某一固有频率振动，量测各点在同一时刻的位移值。对于单自由度体系，对应一个基本频率只有一个主振型﹔而对于多自由度体系，对应多阶固有频率就有多个振型，其中对应于基本频率的即为主振型或第一振型，对应于高阶频率的振型称之为“高阶振型”，依次为第二、第三振型等。8.3结构动力特性试验8.3.2强迫振动法振动荷载法是借助具有一定振动规律的荷载，迫使结构产生一个恒定的强迫简谐运动，通过对结构受追振动的测定，求得结构动力特性的基本参数，又称强迫振动法和共振法。试验时，激振器的激振方向和安装位置应根据试验结构的情况和试验目的而定。整体结构的动荷载试验都在水平方向激振，而楼板和梁等的动力试验荷载均为垂直激振荷载。试验前应先对结构进行初步动力分析，即先对所测量的振型曲线形式有所估计，从而使激振器沿结构高度方向安装在所要测量的各个振型曲线的非零节点位置。8.3结构动力特性试验8.3.2强迫振动法（1）频率单点激振法测结构自振频率及阻尼比的原理如图所示。激振器的频率信号由信号发生器产生，经过功率放大器放大后推动激振器激励结构振动。当激励信号的频率与结构自振频率相等时，结构发生共振，这时信号发生器的频率就是试验结构的自振频率。1-信号发生器；2-功率放大器；3-激振器；4-频率仪；5-试件；6-拾振器；7-放大器；8-相位计；9-记录仪。8.3结构动力特性试验8.3.2强迫振动法（2）阻尼由于作简谐振动结构的整个频率反应曲线受到阻尼值的控制，因而可以从振幅-频率曲线的特性求阻尼系数，这时即可利用基本频率和振幅关系曲线求阻尼，求阻尼的最简便方法是带宽法或称半功率点法（0.707法)。具体作法是：在纵坐标最大值ymax的0.707处作一条平行于x轴的水平线与共振曲线相交于A、B两点，其对应的横坐标即为ω1和ω2，则衰减系数η和阻尼比ζ分别为：8.3结构动力特性试验8.3.2强迫振动法基本频率和振幅关系曲线如下图所示。8.3结构动力特性试验8.3.3脉动法脉动法它是借助于被测建筑物周围外界的不规则微弱干扰（如地面脉动、空气流动等）所产生的微弱振动作为激励来测定建筑物自振特性的一种方法。建筑物的这种脉动是经常存在的。它有一个重要的性质即能明显反应被测建筑物的固有频率。它的最大优点是不用专门的激振设备，简便易行，且不受结构物大小的限制，因而得到了广泛的应用。脉动法的原理与利用激振设备来作为激励的共振法的原理相类似。一般来说，脉动法只能找到被测物的基频，而高次频率则很难出现。在用脉动法测量结构动力特性时，要求拾振器灵敏度高。8.3结构动力特性试验8.3.3脉动法脉动信号的分析通常有以下几种方法：主谐量法、频谱分析法、统计法。（1）主谐量法：建筑物固有频率的谐量是脉动里的主要成分，从记录得到的脉动信号图中可以明显地发现它反映出结构的某种频率特性。（2）频谱分析法：将建筑物脉动记录图看成是各种频率的谐量合成。（3）统计法：由于弹性体受随机因素影响而产生的振动必定是自由振动和强迫振动的叠加，具有随机性的强迫振动在任意选择的多数时刻的平均值为零，因而利用统计法即可得到建筑物自由振动的衰减曲线。8.4结构动力反应试验在生产实践和科学研究中，有时需要对结构在实际动荷载作用下的动力反应进行试验测定。例如，工业厂房中的动力机械设备中，吊车在吊车梁上运行的振动情况﹔汽车、火车驶过桥梁时引起的振动﹔高耸建（构）筑物受风荷载作用等引起结构的振动以及强震观察等。研究动力荷载作用下，结构的动力反应一般不需要专门的起振装置，只要选择测定位置并布置量测仪表即可记录振动图形，主要是选择适当的仪器和试验方法。8.4结构动力反应试验8.4.1动应变的测定工程中需要测定结构在动荷载作用下特定部位的动应变，只要在结构振动时布置适当的电阻应变计，并记录振动波形。动应变是一个随时间变化的函数，进行测量时要把各种仪器组成测量系。应变传感器感应的应变通过测量桥路和动态应变仪的转换、放大、滤波后送入各种记录仪进行记录，最后将应变随时间的变化过程送入频谱分析仪或数据处理机进行数据处理和分析。动应变测量系统如下图所示。8.4结构动力反应试验8.4.1动应变的测定1-应变传感器；2-测量桥；3-动态应变仪；4-磁带记录仪；5-光线示波器；6-电子示波器；7-笔录仪；8-频谱分析仪；9-数据处理计算机；10-照相机8.4结构动力反应试验8.4.2动位移的测定若需要全面了解结构在动力荷载作用下的振动状态，可以设置多个测点进行动态变位测量，作出在一定动荷载作用下的振动变位图。一根双外伸梁动态变位的测量方法如图所示。8.4结构动力反应试验8.4.2动位移的测定具体方法是：沿梁跨度选定测点1~5并在其上固定拾振器，并与测量系统连接，用记录仪同时记录五个测点的振动位移时程曲线，如图（a）所示，根据同一时刻的相位关系确定变位的正负号，如图中2、3、4点的振动位移的峰值在基线的左侧，而1、5点的峰值在基线的右侧。若假定在基线左侧为正、右侧为负，并根据记录位移的大小按一定比例画在图上，连接各点位移值即得到在动荷载作用下结构的变位图，如图（b）所示。8.4结构动力反应试验8.4.2动位移的测定测得了振动变位图后，则可按结构力学理论近似地确定结构由动力荷载所产生的内力，设振动弹性变形曲线方程为：此方程可以根据实测结构按数学分析的方法作出，则有：

事实上，只要这一函数的形态与实测振动形态相似，而且最大变位与实测相等，由此确定的结构内力可与直接测定应变得出的内力相比较。8.4结构动力反应试验8.4.3动力系数的测定结构动力系数是指在移动荷载作用下，动挠度和静挠度的比值。因此，在结构设计时应加大抗力，简便的方法是乘以一个大于1的系数，此系数称结构动力系数，用μ表示，即：式中

yd、ys分别为结构的动挠度和静挠度8.4结构动力反应试验8.4.3动力系数的测定结构动力系数一般用试验方法实测确定，先用移动荷载以最慢的速度驶过结构，测定静挠度。再移动荷载以某种速度驶过，这时结构产生的最大挠度即视为动挠度。但此种方法需要保证移动荷载每次经过的路线相同，故只适用于一些类似于吊车梁之类的有轨的结构。从图上量得最大静挠度ys和最大动挠度yd，如下图（a）所示，实测吊车梁的静挠度和动挠度如下图（c）所示。8.4结构动力反应试验8.4.3动力系数的测定吊车一般都是在有轨的吊车梁上移动，对于无轨的动荷载（如汽车〉就不可能使两次行驶的路线完全相同，有时因生产工艺要求也不可能用慢速行驶测取最大静挠度，这时只一次高速行驶即可得到记录曲线，如图（b）所示，取曲线最大值为yd，同时在曲线上绘出中线，相应于yd处中线的纵坐标即为ys。（b）有轨移动荷载组合（a）有轨移动荷载（c）吊车梁的挠度8.5疲劳试验工程结构中存在着许多疲劳现象，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。这些结构物或构件在重复荷载作用下达到破坏时的应力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结构的性能及变化规律。疲劳问题涉及的范围比较广，对某一种结构而言，它包含材料的疲劳和结构构件的疲劳，如混凝土结构中有钢筋的疲劳、混凝土的疲劳和试件的疲劳等。目前疲劳理论研究工作尚在不断发展，疲劳试验也因目的要求不同而采取不同的方法。8.5疲劳试验8.5.1疲劳试验的目的及内容结构疲劳试验的目的是研究结构在多次重复或反复荷载作用下的结构性能及其变化规律，确定结构疲劳破坏时的强度值和荷载重复作用的次数，即疲劳极限和疲劳寿命。结构所能承受的荷载重复次数及应力达到的最大值均与应力的变化幅度有关。研究表明，在一定应力变化幅度下，应力与重复荷载作用次数的增加不会再引起结构的疲劳破坏，该疲劳应力值称疲劳极限应力，结构设计时必须严格按照疲劳极限应力进行设计。8.5疲劳试验8.5.1疲劳试验的目的及内容结构疲劳试验按目的不同可分为探索性试验和检验性试验两类。对于探索性疲劳试验，一般有以下内容。①钢筋及混凝土的应力随荷载重复次数的变化；②开裂荷载及开裂情况﹔③裂缝的宽度、长度、间距及其随荷载重复次数的变化﹔④疲劳破坏荷载及承受疲劳荷载的重复次数﹔⑤最大挠度及其变化规律﹔⑥疲劳破坏特征。8.5疲劳试验8.5.1疲劳试验的目的及内容对于检验性试验，在满足现行设计规范要求的前提下，在控制疲劳次数以内还应取得下述有关数据：①抗裂性及开裂荷载；②裂缝宽度及其发展；③最大挠度及其变化幅度；④疲劳强度。8.5疲劳试验8.5.1疲劳试验的目的及内容对于钢结构试件，疲劳试验中的观测项目主要包括：①局部应力或最大应力的变化；②试件的最大变形及其随荷载循环次数的发展规律；③断裂裂纹的萌生和发展；④试件承载能力与疲劳荷载的关系。8.5疲劳试验8.5.2疲劳试验的分类与特征对某一种结构而言，它既有材料的疲劳问题又有结构本身的疲劳问题。近年来，比较典型的疲劳试验有以下几种。①钢筋混凝土和预应力混凝土梁的疲劳试验；②焊接钢结构疲劳试验，如焊接钢结构节点，焊接钢梁等；③用于预应力混凝土结构的锚夹具组装件疲劳试验；④拉索疲劳试验，拉索主要用于斜拉桥的斜拉索或吊杆拱桥的吊杆；⑤新型材料或新的结构构件的疲劳试验，如钢纤维混凝土梁的疲劳试验，钢-混凝土组合结构疲劳试验等。8.5疲劳试验8.5.2疲劳试验的分类与特征结构的疲劳试验按其受力状况不同，可分为压力疲劳、弯曲疲劳和扭转疲劳试验；按试验机产生的脉冲信号的大小，可分为等幅疲劳和变幅疲劳试验；还有环境疲劳试验，如在腐蚀性环境下的疲劳试验、高温或低温下的疲劳试验、加压或真空等条件下的疲劳试验。从材料学的观点来看，疲劳破坏是材料损伤累积而导致的一种破坏形态。金属材料的疲劳有以下特征。8.5疲劳试验8.5.2疲劳试验的分类与特征①交变荷载作用下，试件的交变应力远低于材料静力强度条件下有可能发生的疲劳破坏；②单调静载实验中表现为脆性或塑性的材料，发生疲劳破坏时，宏观上均表现为脆性断裂，疲劳破坏的预兆不明显﹔③疲劳破坏具有显著的局部特征，疲劳裂纹扩展和破坏过程发生在局部区域；④疲劳破坏是一个累积损伤的过程，要经历足够多次导致损伤的交变应力才会发生疲劳破坏。8.5疲劳试验8.5.3疲劳试验的方法——试件安装试件的疲劳试验不同于静载试验，它连续进行的时间长，试验过程振动大，且试件的疲劳破坏可能是突然的脆性破坏。因此，试验装置应具有安全防护能力、试件的安装就位及相配合的安全措施均应认真对待，否则将会产生严重后果。试件安装时应做到以下几点。（1）严格对中荷载架上的分布梁、脉冲千斤顶、试验试件，支座及中间垫板都要对中，特别是千斤顶轴心一定要同试件断面纵轴在一条直线上。8.5疲劳试验8.5.3疲劳试验的方法——试件安装（2）保持平稳疲劳试验的支座最好是可调的，即使试件不够平直也能调整安装水平。另外千斤顶与试件之间、支座与支墩之间，试件与支座之间都要确实找平，用砂浆找平时不宜铺厚，因为厚砂浆层易酥。（3）安全防护疲劳破坏通常是脆性断裂，事先没有明显预兆。应采取安全防护措施，避免人员和设备因试件突然破坏而受损。8.5疲劳试验8.5.3疲劳试验的方法——加载步骤疲劳试验属于动力试验，试验过程中，所有的信息都在随时间变化，但是在一定的荷载循环中，试验信息的变化幅度不大，没有必要采用自动数据采集设备记录试验数据。疲劳试验均为荷载控制，试验荷载值必须采用动态方式测量和记录，以便对试验过程进行监控，对试验荷载值及偏差及时进行调整。试验的主要过程，可归纳为以下几个步骤。①预加静载试验对试件施加不大于上限荷载20%的预加静载1~2次，消除松动及接触不良，并使仪表运动正常。8.5疲劳试验8.5.3疲劳试验的方法——加载步骤②正式疲劳试验第一步先做疲劳前的静载试验，其目的主要是为了对比试件经受反复荷载后受力性能有何变化。荷载分级加到疲劳上限荷载。每级荷载可取上限荷载的20%，临近开裂荷载时应适当加密，每级荷载加完后10~15min记录读数，加满载后分两次或一次卸载，也可采取等变形加载方法。第二步进行疲劳试验，首先调节疲劳机上下限荷载，待示值稳定后读取第一次动载读数，以后每隔一定次数读取数据。根据要求也可在疲劳过程中进行静载试验（方法同上），完毕后重新启动疲劳机继续疲劳试验。8.5疲劳试验8.5.3疲劳试验的方法——加载步骤第三步做破坏试验。达到要求的疲劳次数后进行破坏试验时有两种情况。一种是继续施加疲劳荷载直至破坏，得到承受疲劳荷载的次数。另一种是作静载破坏试验，这时方法同前。应该注意，不是所有疲劳试验都采取相同的试验步骤，随试验目的和要求的不同，可有多种多样，如带裂缝的疲劳试验；静载可不分级缓慢地加