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1、土木工程试验土木工程试验土木工程试验土木工程试验TUMU GONGCHENG SHIYANTUMU GONGCHENG SHIYAN王吉民王吉民浙江科技学院建筑工程学院浙江科技学院建筑工程学院浙江科技学院建筑工程学院浙江科技学院建筑工程学院2012014 4 4 4年年年年0303月月月月1结构的动载试验结构的动载试验v1.3 1.3 工程结构动力反应试验工程结构动力反应试验v1.1 1.1 概述概述v1.4 1.4 工程结构疲惫试验工程结构疲惫试验v1.5 1.5 工程结构的风洞试验工程结构的风洞试验v1.2 1.2 工程结构动力特性试验工程结构动力特性试验21.1 1.1 概述概述1.1.
2、1 1.1.1 桥桥梁梁动动力荷力荷载载的的类类型型2.在地震作用下在地震作用下桥梁梁结构构产生的激励振生的激励振动5.爆炸等冲爆炸等冲击作用作用对桥梁梁结构的振构的振动激励激励4.在在风、雨共同作用下斜拉、雨共同作用下斜拉桥的斜拉索等的斜拉索等结构的激励振构的激励振动1.在移在移动车辆荷荷载作用下作用下桥梁梁结构激励振构激励振动3.在在风荷荷载作用下斜拉作用下斜拉桥、悬索索桥等大跨度等大跨度桥梁的激梁的激励振励振动31.1.2 1.1.2 结结构构动动力力试验试验的内容的内容1.测定定动力荷力荷载或振源的特性或振源的特性2.测定定结构构动力特性力特性3.测定定结构在构在动力荷力荷载作用下的反
3、作用下的反应 引起振引起振动的作用力的大小、作用方向、作用的作用力的大小、作用方向、作用 频率及其率及其规律律 结构的自振构的自振频率、阻尼和振型率、阻尼和振型 位移、速度、加速度、位移、速度、加速度、动应变、动力系数力系数4.测测定定结结构在疲构在疲惫惫荷荷载载作用下的反作用下的反应应 疲疲惫强度度1.1 1.1 概述概述41.1.3 1.1.3 结构动力试验程序结构动力试验程序1.估估计须计须要要测测量的振量的振动类动类型型(周期性、随机、冲周期性、随机、冲 击击、瞬、瞬变变)、振、振动频动频率和振型；率和振型；2.2.确定测试参数和记录分析方式；确定测试参数和记录分析方式；3.3.选择合
4、适的测振传感器类型，记录环境条件；选择合适的测振传感器类型，记录环境条件；4.4.正确选择量测仪器的上、下限频率；正确选择量测仪器的上、下限频率；5.5.标定量测仪器；标定量测仪器；6.6.确定测振传感器最志向的安装方式确定测振传感器最志向的安装方式(消退寄生振动消退寄生振动)；1.1.确定荷载行程的水平状况，确定荷载的行驶确定荷载行程的水平状况，确定荷载的行驶 速度和通过建筑物某指定地点的时间和方法。速度和通过建筑物某指定地点的时间和方法。1.1 1.1 概述概述51.2 1.2 工程结构动力特性试验工程结构动力特性试验1.2.1 1.2.1 结构动力特性的定义及其实际作用结构动力特性的定义
5、及其实际作用1.1.定定义义：结结构构动动力力特特性性是是结结构构本本身身固固有有的的动动态态参参数数，包包括括固固有有频频率率、振振型型和和阻阻尼尼系系数数等等，它它们们取取决决于于结结构构的的组组成成形形式式、刚度、质量分布、材料形式等，与外荷载无关。刚度、质量分布、材料形式等，与外荷载无关。2.2.测定结构动力特性的实际作用测定结构动力特性的实际作用 (1)(1)在结构抗震设计时确定地震作用的大小；在结构抗震设计时确定地震作用的大小；(2)(2)避开动荷载使结构产生自振或拍振；避开动荷载使结构产生自振或拍振；(3)(3)为检测、诊断结构的损伤积累供应资料为检测、诊断结构的损伤积累供应资料
6、 和数据和数据(刚度刚度阻尼比阻尼比、固有频率、固有频率)。61.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性1.1.自由振动法自由振动法 加载方法：初位移加载法，初速度加载法。加载方法：初位移加载法，初速度加载法。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。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只能测定结构的一阶频率率。多取几个波形。多取几个波形。TnT1.2 1.2 工程结构动力特性试验工程结构动力特性试验72.2.强迫振动法强迫振动法 加载方法：用激振
7、设备使结构产生共振。加载方法：用激振设备使结构产生共振。测测量量方方法法：将将激激振振器器及及测测振振传传感感器器安安装装在在结结构构上上，将将激激振振器器的的转转速速由由低低到到高高连连续续变变换换(频频率率扫扫描描)，在在达达到到确确定定频频率率时时结构产生共振，该频率即为结构的自振频率。结构产生共振，该频率即为结构的自振频率。1 1 2 2 3 3 A A1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性893.3.结构阻尼系数的测量结构阻尼系数的测量1 1）自由振动法）自由振动法N N时刻的振幅时刻的振幅N N1 1时刻的振幅时刻的振幅T TT TT TT T
8、x xn nx xn+1n+1x xt t对数衰减率：对数衰减率：阻尼比：阻尼比：；阻尼系数：阻尼系数：1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性10(1)(1)实际阻尼比计算取实际阻尼比计算取k k个个周期的衰减进行计算：周期的衰减进行计算：(2)(2)对于实际测试曲线无零线的情形对于实际测试曲线无零线的情形(上图上图)：T TT TT TT Tx xn nx xn+kn+k3.3.结构阻尼系数的测量结构阻尼系数的测量1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性1 1）自由振动法）自由振动法112 2）强迫振动法）强迫振动法自
9、由振动自由振动强迫振动强迫振动3.3.结构阻尼系数的测量结构阻尼系数的测量1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性12当当=0(=0(无阻尼无阻尼)，=时，产生共振，时，产生共振，B B。当当0 0(有阻尼有阻尼)，=时，产生共振，时，产生共振，()=1/2)=1/2。半功率法：半功率法：()=时，对应时，对应 1 1及及 2 2，阻尼比为：，阻尼比为：1 1 2 2()3.3.结构阻尼系数的测量结构阻尼系数的测量1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性2 2）强迫振动法）强迫振动法134.4.结构振型的测量结构振型的测量
10、振型：振型：测量原理：测量原理：1.2.2 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性人工激振法测定结构动力特性将将若若干干个个测测振振传传感感器器沿沿结结构构的的高高度度或或跨跨度度方方向向连连续续布布置置(至至少少5 5个个)，当当结结构构自自由由振振动动或或共共振振时时，同同时时记记录录下下结结构构各各部部位位的的振振动动状状况况，通通过过比比较较各各点点的的振振幅幅和和相相位位，并并将将各各测测点点同同一一时时刻刻的的位位移值连接成一条曲线，即可得到结构的振型图。移值连接成一条曲线，即可得到结构的振型图。结结构构按按某某一一固固有有频频率率做做振振动动时时形形成成的的弹弹性性曲线。曲线。A
11、 A1 1 /A/A1 1=1.0=1.0A A2 2 /A/A1 1=0.1=0.1A A3 3 /A/A1 1=0.3=0.3A A4 4 /A/A1 1=-0.3=-0.3A A5 5 /A/A1 1=-0.8=-0.8A A6 6 /A/A1 1=-0.5=-0.52345623456+.1-.31+.3-.8-.5141.1.脉动法及其特点脉动法及其特点建筑物由于受外界干扰而处于微小而不规则的振动中。建筑物由于受外界干扰而处于微小而不规则的振动中。(1)(1)振幅小振幅小 AA1010 m m。(2)(2)不规则不规则 x x f(t)f(t)。(4)(4)能明显反映建筑物的固有频率
12、及自振特性。能明显反映建筑物的固有频率及自振特性。(3)(3)频谱丰富频谱丰富 T=0.10.8sT=0.10.8s。(5)(5)适用于测量整体结构的动力特性。适用于测量整体结构的动力特性。1.2.3 1.2.3 环境随机振动法环境随机振动法(脉动法脉动法)测量结构动力特性测量结构动力特性152.2.脉动法测量结构动力特性的要求脉动法测量结构动力特性的要求(1)(1)要要求求记记录录的的仪仪器器有有足足够够宽宽的的频频带带，使使所所须须要要的的主主要要频频率率重重量量不失真；不失真；(2)(2)脉脉动动记记录录中中不不应应有有规规则则的的干干扰扰或或仪仪器器本本身身带带近近来来的的噪噪音音；平
13、稳过程平稳过程(4)(4)假假如如仪仪器器数数量量不不足足，可可以以分分多多次次测测量量，但但应应有有一一个个测测点点(比比较点较点)保持不动；保持不动；(3)(3)记记录录时时间间应应足足够够长长，并并重重复复几几次次(解解除除偶偶然然因因素素)；各各态态历历经经(5)(5)要有特地的设备进行数据分析及处理要有特地的设备进行数据分析及处理(得到高频振动周期得到高频振动周期)。1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性16拱圈自振时域图谱拱圈自振时域图谱(2.5(2.5 m m)1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结
14、构动力特性17拱圈自振频域图谱拱圈自振频域图谱1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性183.3.脉动法测量结构动力特性的分析方法脉动法测量结构动力特性的分析方法(1)(1)主谐量法主谐量法 建筑物固有频率的谐量是脉动里的主要成分，当脉动信号建筑物固有频率的谐量是脉动里的主要成分，当脉动信号频率与结构自振频率接近时信号被放大，因此在脉动图上，凡频率与结构自振频率接近时信号被放大，因此在脉动图上，凡是振幅最大，波形最光滑的地方总是多次重复出现，假如建筑是振幅最大，波形最光滑的地方总是多次重复出现，假如建筑物各部位各有同一频率处的相位和振幅符合振型规律，
15、该频率物各部位各有同一频率处的相位和振幅符合振型规律，该频率即为建筑物的固有频率。即为建筑物的固有频率。1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性19 a.a.结结构构物物脉脉动动记记录录可可以以看看成成是是各各种种频频率率谐谐量量的的合合成成结结果果(即即结构振动时不只是以单一的频率振动结构振动时不只是以单一的频率振动)(2)(2)频谱分析法频谱分析法 b.b.每一种频率引起的结构振幅是不相同的每一种频率引起的结构振幅是不相同的 c.c.建建筑筑物物固固有有频频率率的的谐谐量量和和脉脉动动源源频频率率处处的的谐谐量量为为起起主主要要成分。成分。d.d
16、.用用傅傅立立叶叶变变更更将将各各种种频频率率的的正正弦弦波波分分别别出出来来，每每一一种种频频率率对对应应一一个个振振幅幅(时时域域信信号号A-tA-t 频频域域信信号号A-A-)，对对应应振振幅幅最最大大的频率即为结构的自振频率。的频率即为结构的自振频率。1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性3.3.脉动法测量结构动力特性的分析方法脉动法测量结构动力特性的分析方法20 1 1 2 2 3 3 A A时域图时域图时程曲线时程曲线频域图频域图功率谱密度函数功率谱密度函数傅立叶变换傅立叶变换(2)(2)频谱分析法频谱分析法1.2.3 1.2.3 环境
17、随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性3.3.脉动法测量结构动力特性的分析方法脉动法测量结构动力特性的分析方法2122FFTFFT傅立叶变换后傅立叶变换后(2048(2048点点,50Hz),50Hz)23 1 1 2 2 3 3 A A 阻阻尼尼比比：由由分分析析软软件件可可在在图图形形上上得得出出 1 1，并并找找出出0.1010.101倍倍最最大振幅所对应的两个频率大振幅所对应的两个频率 和和，即可计算出阻尼比，即可计算出阻尼比 1 1。(2)(2)频谱分析法频谱分析法1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性3.3.脉动法测量
18、结构动力特性的分析方法脉动法测量结构动力特性的分析方法24 振振型型：由由分分析析软软件件可可查查出出两两点点振振动动的的幅幅值值A1A1及及A2A2，两两数数值值的的比比值值即即为为振振幅幅比比；由由分分析析软软件件还还可可查查出出两两点点的的相相位位差差(0(0同同相相，180180反向反向),),即可得到振动方向的关系。即可得到振动方向的关系。1 1 2 2 3 3 A AA1A1 1 1 2 2 3 3 A AA2A2(2)(2)频谱分析法频谱分析法1.2.3 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性环境随机振动法测量结构动力特性3.3.脉动法测量结构动力特性的分析方法脉动法测量结构
19、动力特性的分析方法251.3 1.3 工程结构动力反应试验工程结构动力反应试验1.3.1 1.3.1 结构动力反应试验的任务与内容结构动力反应试验的任务与内容确定动荷载在结构中引起的附加动应力确定动荷载在结构中引起的附加动应力验算结构强度验算结构强度；确定动荷载引起结构物的振动位移确定动荷载引起结构物的振动位移推断结构刚度；推断结构刚度；确定移动的动荷载对结构物的动力效应确定移动的动荷载对结构物的动力效应供应实测动力系数；供应实测动力系数；测试内容：测试内容：振幅、频率、速度、加速度、动应变振幅、频率、速度、加速度、动应变。确定动荷载特性确定动荷载特性找寻主振源、确定其特性；找寻主振源、确定其
20、特性；261.3.2 1.3.2 探测主振源的方法探测主振源的方法1.1.干干 脆脆 测测 定定 法法：通通 过过 测测 定定 动动 荷荷 载载 本本 身身 参参 数数 以以 确确 定其特性。定其特性。2.2.间间 接接 测测 定定 法法：将将 动动 力力 机机 器器 安安 装装 在在 专专 用用 的的、有有 足足 够变形的弹性结构上，测试结构的振动状况。够变形的弹性结构上，测试结构的振动状况。3.3.比比 较较 测测 定定 法法：将将 待待 测测 振振 源源 的的 振振 动动 状状 况况 与与 已已 知知 动荷载作用下的振动状况进行比较。动荷载作用下的振动状况进行比较。1.3 1.3 工程结
21、构动力反应试验工程结构动力反应试验271.1.动应力的测定动应力的测定用用动动态态电电阻阻应应变变仪仪协协作作高高速速记记录录仪仪(磁磁带带记记录录仪仪或或计计算算机机)测试记录动态应变。测试记录动态应变。测量要求：测量要求：1.1.选用疲惫寿命长的应变片；选用疲惫寿命长的应变片；2.2.选用小标距应变片用以进行高频测量；选用小标距应变片用以进行高频测量；3.3.连接应变片的导线捆扎成束，消退电容；连接应变片的导线捆扎成束，消退电容；4.4.仪器的工作频率范围大于被测动应变信号频率；仪器的工作频率范围大于被测动应变信号频率；5.5.若测试时间较长，试验前后要对仪器进行标定。若测试时间较长，试验
22、前后要对仪器进行标定。1.3.3 1.3.3 结构特定部位动参数的测定结构特定部位动参数的测定1.3 1.3 工程结构动力反应试验工程结构动力反应试验282.2.动位移动位移(挠度挠度)的测定的测定在在结结构构限限制制断断面面或或在在有有特特殊殊生生产产工工艺艺要要求求的的位位置置布布置置位位移移测测点点。(可可选选用用机机电电百百分分表表或或其其他他动动态态位位移移测测量量仪器仪器)。1.3.3 1.3.3 结构特定部位动参数的测定结构特定部位动参数的测定1.3 1.3 工程结构动力反应试验工程结构动力反应试验表示测点位置；表示实测振幅图1-13 楼层振动传布图291.3.4 1.3.4 测
23、定结构振动变位图测定结构振动变位图 测测量量方方法法与与结结构构振振型型的的测测量量方方法法基基本本相相同同，但但其其区区分分在在于于结结构构的的振振型型是是由由惯惯性性力力引引起起的的弹弹性性振振动动曲曲线线，与与外外荷荷载载无无关关，属属于于结结构构本本身身的的动动力力特特性性；而而振振动动变变位位图图时时结结构构在在特特定定外外荷荷载载作作用用下下的的变变形形曲曲线线。一一般般说说，两两者者的的图图形形不相一样。不相一样。曲线图曲线图弹性曲线方程：弹性曲线方程：弯矩：弯矩：剪力：剪力：1时间信号时间信号;2结构结构(梁梁);3-拾振器拾振器;4记录曲线记录曲线;5-t=t1时结构变位图时
24、结构变位图图图1-14 结构振动变位图结构振动变位图301.3.5 1.3.5 结构动力系数的试验测定结构动力系数的试验测定对对于于承承受受动动力力荷荷载载的的桥桥梁梁结结构构等等，须须要要考考察察的的动动力力系数包括挠度、应力等，称为动力放大系数或冲击系数：系数包括挠度、应力等，称为动力放大系数或冲击系数：动挠度静挠度动挠度静挠度有轨动荷载有轨动荷载f f动动f f静静以各种速度以各种速度通过结构物通过结构物以慢速通以慢速通过结构物过结构物无轨动荷载无轨动荷载f f动动f f静静3132331.4 1.4 工程结构疲惫试验工程结构疲惫试验 疲疲惫惫现现象象：桥桥梁梁等等承承受受往往复复荷荷载
25、载作作用用的的结结构构构构件件在在远远低低于材料强度的工作应力水平下发生的累计损伤断裂破坏。于材料强度的工作应力水平下发生的累计损伤断裂破坏。疲疲惫惫检检试试验验测测目目的的：了了解解在在重重复复荷荷载载作作用用下下结结构构的的疲疲惫惫性能及其变更规律，确定结构的疲惫极限值。性能及其变更规律，确定结构的疲惫极限值。疲疲惫惫包包括括材材料料疲疲惫惫和和构构件件疲疲惫惫：钢钢结结构构构构件件及及其其连连接接的的疲疲惫惫；钢钢筋筋混混凝凝土土构构件件钢钢筋筋、混混凝凝土土的的疲疲惫惫；组组合合构构件件如如结结合梁的连接疲惫等。合梁的连接疲惫等。1.4.1 1.4.1 概述概述341.4.2 1.4.
26、2 疲惫试验项目疲惫试验项目(一一)鉴定性试验鉴定性试验1.1.抗裂性及开裂荷载抗裂性及开裂荷载2.裂缝宽度裂缝宽度及其发展及其发展.最大挠度及其变更幅度最大挠度及其变更幅度.疲惫强度及其疲惫寿命疲惫强度及其疲惫寿命(二二)探讨性试验探讨性试验1.1.各阶段截面应力分布状况，中和轴变各阶段截面应力分布状况，中和轴变更规律。更规律。2.2.抗裂性及开裂荷载抗裂性及开裂荷载.裂缝宽度、长度、间距及其发展裂缝宽度、长度、间距及其发展.最大挠度及其变更规律最大挠度及其变更规律.疲惫强度的确定疲惫强度的确定6.6.破坏特征分析破坏特征分析351.5 1.5 工程结构的风洞试验工程结构的风洞试验(A)一般
27、气流试验位置一般气流试验位置 (B)斜风试验位置斜风试验位置 (C)不规则风试验位置不规则风试验位置图图1-20 大型风洞试验设施构成图大型风洞试验设施构成图 风风是是由由强强大大的的热热气气流流形形成成空空气气动动力力现现象象，其其特特性性主主要要表表现现在在风风速速和和风风向向 。而而实实测测试试验验要要等等待待有有强强风风的的状状况况下下才才能能测测量量，耗耗时时很很长长，且且须须要要大大量量的的人人力力、物物力力和和财财力力，难难度度较较大大。为为此此，科科学学家家们们为为了了系系统统地地探探讨讨风风力力对对各各种种结结构构的的作作用用，除除了了实实测测试试验验之之外外，还还接接受受缩缩小小模模型型或或相相像像模模型型在在特特地地的的试试验验装装置置内内模模拟拟风风力力试试验验，即即风风洞洞试试验。验。361.5 1.5 工程结构的风洞试验工程结构的风洞试验37