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1、第四章第四章 结构动载试验结构动载试验4.1 概述概述4.2 结构动载试验的仪器仪表结构动载试验的仪器仪表4.3 结构振动测试结构振动测试4.4 结构抗震试验结构抗震试验4.5 结构疲劳试验结构疲劳试验 结结构构 动载试动载试验验 动力荷载：加载对结构引起的动力荷载：加载对结构引起的动动力反应不可以忽略不计的荷载。力反应不可以忽略不计的荷载。常见动力荷载常见动力荷载周期荷载（偏心质量块的转动）；周期荷载（偏心质量块的转动）；冲击荷载（爆炸、撞击）；冲击荷载（爆炸、撞击）；随机振动（脉动）；随机振动（脉动）；地震力作用地震力作用.4.1 概述概述4.1.1 常见动力荷载常见动力荷载4.1.1拟静
2、力试验拟静力试验 用低周往复循环加载的方法对结构构件进行静载试验，试验用低周往复循环加载的方法对结构构件进行静载试验，试验中控制结构的变形值或荷载量，使结构构件载正反两个方向反复中控制结构的变形值或荷载量，使结构构件载正反两个方向反复加载和卸载，模拟地震荷载对结构的受力过程。加载和卸载，模拟地震荷载对结构的受力过程。加载装置与加载方法加载装置与加载方法变位移变位移变力变力变力变位移变力变位移试验观测项目与量测要求试验观测项目与量测要求力、位移、应变力、位移、应变弯矩和曲率弯矩和曲率剪力和剪切应变剪力和剪切应变扭矩和扭转角扭矩和扭转角Q低周反复荷载试验低周反复荷载试验每级控制荷载或控制变形的条每
3、级控制荷载或控制变形的条件下，一般重复三次。件下，一般重复三次。T拟静力试验拟静力试验以弯剪变形为主的构件低周反复试验装置以弯剪变形为主的构件低周反复试验装置千斤顶千斤顶反力架反力架铰铰荷重传感器荷重传感器位移传感器位移传感器拟静力试验拟静力试验试验数据的确定原则和方法试验数据的确定原则和方法开裂荷载开裂荷载屈服荷载和屈服变形屈服荷载和屈服变形极限荷载极限荷载破损荷载和极限变形：破损荷载和极限变形：0.850.85极限荷载极限荷载装置简单，试验加载速度慢，一次加装置简单，试验加载速度慢，一次加载最长不宜超过载最长不宜超过3030分钟，缺点是不能分钟，缺点是不能与地震记录挂钩，加载程序由研究者与
4、地震记录挂钩，加载程序由研究者根据经验和理论分析主观确定。根据经验和理论分析主观确定。结构动载试验与静载试验区别结构动载试验与静载试验区别n在动载试验中，施加在结构上的荷载随时间连续变化n结构在动荷载作用下的反应与结构自身的动力特性密切相关n动力条件下，结构的承载力和使用性能的要求发生变化n冲击和爆炸作用下，结构在很短的时间内达到其极限承载能力。简谐振动简谐振动振幅振幅Y周期周期T（频率频率f、圆频率圆频率）相位相位Y0ytOY0TY 4.1.2 基本概念基本概念RETURNRETURNRETURNRETURN4.2.1 动测仪器的主要性能指动测仪器的主要性能指标标（1）线性范围线性范围保持仪
5、器输入保持仪器输入输输出量线性关系的输入量允许变化范围。出量线性关系的输入量允许变化范围。输入量输入量输出值输出值输入量输入量输出值输出值失真失真4.2.1（3）相位偏移特性相位偏移特性仪器输出值相仪器输出值相对输入值的相位差。对输入值的相位差。频率频率输入输入-输出相位差输出相位差相频特性曲线相频特性曲线如图的相移特如图的相移特性，具有不同频率性，具有不同频率成分的复合振动将成分的复合振动将在仪器输出时产生在仪器输出时产生相位失真，导致波相位失真，导致波形畸变。形畸变。4.2.1ytOyOt输出输出输入输入相移特性相移特性造成造成的影响的影响4.2.2 惯性式测振传感器的力学原理惯性式测振传
6、感器的力学原理mk xmxs研究单自由度的研究单自由度的 m-k 系统（教材系统（教材p81图图2-2）设所测振动体的振设所测振动体的振动为动为xs=Xs sin t则则m的运动微分方程的运动微分方程为为4.2.2或或其解为其解为其中其中4.2.2为为m-k 系统系统的阻尼比和自振频率。的阻尼比和自振频率。其中其中以及以及xm表示表示m相对于仪器外壳的振动，相对于仪器外壳的振动，前一项为前一项为瞬态解（自由振动）将很快衰减。后一项为瞬态解（自由振动）将很快衰减。后一项为稳态解（强迫振动），其振幅稳态解（强迫振动），其振幅将将xm=Xm sin（t-）与与xs=Xs sin t比比较可知，较可知
7、，m相对于仪器外壳振动与所测振动的相位差相对于仪器外壳振动与所测振动的相位差m 相对于仪器外壳振动与所测振相对于仪器外壳振动与所测振动的振动频率相同、振幅在一定动的振动频率相同、振幅在一定范围内成比例，但相差相位角范围内成比例，但相差相位角。4.2.24.2.2振幅比振幅比幅频特性曲线幅频特性曲线D增大增大教材教材p82图图2-3Xm/Xs/n1014.2.2由图可见，当由图可见，当/n 1 时，振幅比时，振幅比与与D 基本无关，基本无关，Xm/Xs1，相位差相位差 。i.e.，Xm Xs，但为反相振动。这个条件称但为反相振动。这个条件称为测振传感器的位移响应条件。为测振传感器的位移响应条件。
8、一般建筑物一般建筑物 较小，所以按较小，所以按此设计的此设计的测振传感器应当测振传感器应当（敬请诸君自行得出结论。提示：（敬请诸君自行得出结论。提示：n 应如何设计？）应如何设计？）从而，从而，从设所测振动体的振动从设所测振动体的振动表达式表达式xs=Xs sin t，并记并记As为为所测振动体的加速度，所测振动体的加速度，可得可得4.2.24.2.2上式就是上式就是加速度幅频特加速度幅频特性曲线性曲线D增大增大Xm n 2/As/n101 磁电式磁电式速度传感器速度传感器4.2.3 测振传感器（拾振器）测振传感器（拾振器）利用电磁感应原理将振动的速度转换成感应利用电磁感应原理将振动的速度转换
9、成感应电势。电势。4.2.3可动部分组成可动部分组成m-k 系统系统，n 很小，很小，m 较大而较大而k 较小。仪器重较小。仪器重700500g以上。以上。质量质量块块m的位移与所测振动位移成正比，仪器输的位移与所测振动位移成正比，仪器输出的电压与振动速度成正比：出的电压与振动速度成正比：E=BLnv4.2.3 压电式加压电式加速度计速度计利用压电晶体将振动的加速度转换成电利用压电晶体将振动的加速度转换成电荷输出。荷输出。n 很大，很大，m 较小，仪器一般重较小，仪器一般重540g。k 较大，同时受安装条件的影响。较大，同时受安装条件的影响。X-Y函数记录仪函数记录仪光线示波器光线示波器瞬态记
10、录仪瞬态记录仪 others4.2.3 记录设备记录设备放大器放大器 放大器就是把拾振器输出信号在显示或记录前，放大器就是把拾振器输出信号在显示或记录前，进行预处理进行预处理(对输入信号幅值进行放大对输入信号幅值进行放大)的装置，但放的装置，但放大器本身不能放大能量。大器本身不能放大能量。常用放大器有常用放大器有电压放大器电压放大器电荷放大器电荷放大器采集记录设备采集记录设备：（1 1）光线示波器）光线示波器采集记录设备采集记录设备：（2 2）磁带记录仪）磁带记录仪采集记录设备采集记录设备：（3 3）函数记录仪）函数记录仪 项目项目常见的标定项目有常见的标定项目有灵敏度、频响特性、线性度灵敏度
11、、频响特性、线性度 方式方式分部标定、系统标定分部标定、系统标定4.2.3 测振仪器的标定测振仪器的标定4.2.5标定应用提供标准振动参数的标准振标定应用提供标准振动参数的标准振动台。动台。灵敏度标定和频响特性标定灵敏度标定和频响特性标定固定标准振动台的固定标准振动台的Xsst，变动，变动 st，确确定系统或仪器的定系统或仪器的Xm，给出频响特性曲线（，给出频响特性曲线（或或f 灵敏度关系）灵敏度关系）。通常将此曲线的平坦。通常将此曲线的平坦段的灵敏度平均值作为系统的灵敏度值。段的灵敏度平均值作为系统的灵敏度值。灵敏度灵敏度(亦称放大倍数亦称放大倍数)标定仪器的灵敏度是输出信号标定仪器的灵敏度
12、是输出信号(电压、电荷、电感或应电压、电荷、电感或应变壕变壕)与相应的输入信号与相应的输入信号(位移、速度、加速度等位移、速度、加速度等)的比的比值。值。仪器灵敏度的标定频率应取其频响曲线的平台范围内，仪器灵敏度的标定频率应取其频响曲线的平台范围内，标定三次以上，取平均值。标定三次以上，取平均值。4.2.5 线性度标定线性度标定固定标准振动台的固定标准振动台的 st（频响特性曲线的（频响特性曲线的平坦段范围内），变动平坦段范围内），变动Xsst，确定系统或仪确定系统或仪器的器的Xm，给出线性度标定曲线（，给出线性度标定曲线（输入输入Xs 输出输出Xm关系）关系）。特别提示特别提示系统标定时应按
13、实际测试时的要求，连系统标定时应按实际测试时的要求，连接好各台仪器。标定后各通道的各个环节只接好各台仪器。标定后各通道的各个环节只有在重新标定后方可更换。有在重新标定后方可更换。RETURNRETURNRETURNRETURN（2 2）频率响应的标定）频率响应的标定频率响应标定的目的是确定仪器的可测频率范围、波形滞频率响应标定的目的是确定仪器的可测频率范围、波形滞后等。后等。幅频特性标定幅频特性标定幅频特性的标定是在固定输入振幅幅频特性的标定是在固定输入振幅(如标淮振动台的幅值如标淮振动台的幅值)的条件下，改变振动频率，或进行频率扫描，标定仪器灵的条件下，改变振动频率，或进行频率扫描，标定仪器
14、灵敏度随频率变化的情况。敏度随频率变化的情况。幅频响应曲线幅频响应曲线 动力荷载的加载又称激振。动力荷载的加载又称激振。常见的激振方法有常见的激振方法有惯性力（冲击、张拉突卸、离心力）；惯性力（冲击、张拉突卸、离心力）；液压；液压；电磁；电磁；其它（爆破冲击波、风洞、声波）其它（爆破冲击波、风洞、声波）.4.2.4 加载设备和方法加载设备和方法惯性力加载惯性力加载（1 1）冲击力加载）冲击力加载 原理：偏心起振原理：偏心起振 mPHPVPP=m 2rP=Psin =m 2rsin t P=Pcos =m 2rcos t 2PV 离心式起振机离心式起振机4.2.4离心式起振机的特点离心式起振机的
15、特点适应性强，构造简单适应性强，构造简单只能作简谐振动，只能作简谐振动，频率较低，噪声大频率较低，噪声大惯性力加载惯性力加载 液压施加振动荷载液压施加振动荷载常见的设备有振动台常见的设备有振动台电液伺服系统、电液伺服系统、结构疲劳试验机。结构疲劳试验机。结构疲劳试验机的组成包括脉动发生系结构疲劳试验机的组成包括脉动发生系统、控制系统和工作系统。统、控制系统和工作系统。可作正弦波形荷可作正弦波形荷载的疲劳试验。载的疲劳试验。脉动发生系统内设有几个分油头，可实脉动发生系统内设有几个分油头，可实现多点加载试验。现多点加载试验。4.2.4 液压设备液压设备4.2.4液压振动台液压振动台液压振动台液压振
16、动台用途：主要用于试验室内的做模型的模用途：主要用于试验室内的做模型的模拟地震波振动试验。故又称地震模拟振动台。拟地震波振动试验。故又称地震模拟振动台。平台的振动源为液压作动器（实际即双平台的振动源为液压作动器（实际即双向作用千斤顶）。向作用千斤顶）。单向振动的地震模拟振动台最大激振力单向振动的地震模拟振动台最大激振力已达已达3.6MN，台面尺寸台面尺寸15 15m。双向振动双向振动的地震模拟振动台最大激振力已达的地震模拟振动台最大激振力已达450kN（水平）和水平）和670kN（竖向）竖向），台面尺寸，台面尺寸6.1 6.1 m。电液伺服系统电液伺服系统电液伺服系统电液伺服系统P=P0?P预
17、预设设荷荷载载值值P0千千斤斤顶顶加加载载测测力力计计读读数数P4.2.4人工人工电液伺服阀电液伺服阀伺服闭环伺服闭环4.2.4液压设备施加液压设备施加振动荷载时的振动荷载时的特点特点频率较低，频频率较低，频幅小，波形失幅小，波形失真较大真较大加载力大，适加载力大，适于使用现代先于使用现代先进技术进技术RETURNRETURNRETURNRETURN电磁加载电磁加载对建筑物进行动力分析和设计时，必须对建筑物进行动力分析和设计时，必须掌握动荷载的特性：作用力大小、方向、频掌握动荷载的特性：作用力大小、方向、频率和作用规律。率和作用规律。地震作用（由地震观测得到）地震作用（由地震观测得到）风荷载（
18、由气象观测得到）风荷载（由气象观测得到）机械振动（由机械的有关性能参数得到）机械振动（由机械的有关性能参数得到）其它振动一般要实测。其它振动一般要实测。4.3 动载特性的测定动载特性的测定4.3.1 主振源的测定主振源的测定通常需要分析振动记录的波形后确定。通常需要分析振动记录的波形后确定。实例。实例。4.3.2 动荷载特性的试验测定动荷载特性的试验测定 直接测定直接测定 间接测定间接测定 比较法比较法 RETURNRETURNRETURNRETURN 结构动力特性（固有频率、阻尼结构动力特性（固有频率、阻尼特性、振型等）系结构所固有，只与结构的特性、振型等）系结构所固有，只与结构的组成、刚度
19、、质量及其分布、材料有关，与组成、刚度、质量及其分布、材料有关，与外荷载无关。外荷载无关。类比于结构静力特性（质量、刚度、材类比于结构静力特性（质量、刚度、材料弹性模量等）料弹性模量等）最主要的动力特性是结构的固有最主要的动力特性是结构的固有频率（基本频率和第二、三、高阶频率）。频率（基本频率和第二、三、高阶频率）。4.3.3 结构动力特性的测定结构动力特性的测定 原理：使原理：使结构产生自由振动，记结构产生自由振动，记录有衰减的自由振动曲线。录有衰减的自由振动曲线。激振方法：突加荷载、突卸荷载激振方法：突加荷载、突卸荷载反冲激振器反冲激振器移动车辆产生冲击荷载移动车辆产生冲击荷载等。等。4.
20、3.3 自由振动法（自振法）自由振动法（自振法）3.5.1yOtyn yn+1 yn+2 t t周期：周期：t，n=2/t临界阻尼比：临界阻尼比：Dc=/2 3.5.1 特点特点所得结果准确所得结果准确只能测得基频只能测得基频（未包括加载方法本身的特点未包括加载方法本身的特点。）。）原理：用专门的激振器使原理：用专门的激振器使结构强结构强迫振动，利用共振现象测知结构的自由振动迫振动，利用共振现象测知结构的自由振动性质。性质。方法要点：用激振器作频率扫描方法要点：用激振器作频率扫描（变动（变动 ）。由于起振机激振频率连续可调）。由于起振机激振频率连续可调的特点，所以常用来进行共振法测试的设备。的
21、特点，所以常用来进行共振法测试的设备。实际测试时，应将测点布置在变形较大实际测试时，应将测点布置在变形较大的部位。的部位。4.3.3 强迫振动法（共振法）强迫振动法（共振法）3.5.2 n1 n2yO 共振曲线共振曲线3.5.2 特点特点可测多个固可测多个固有频率及其有频率及其振型振型激振力与频激振力与频率不独立，率不独立，需换算修正需换算修正 原理：利用环境随机激振原理：利用环境随机激振产生的建筑物微小产生的建筑物微小振动（脉动），振动（脉动），分析建筑物的动力特性。分析建筑物的动力特性。方法要点：必须使用低噪方法要点：必须使用低噪声、高灵敏度的拾振器、放大器、声、高灵敏度的拾振器、放大器、
22、自动记录仪器和信号分析仪。自动记录仪器和信号分析仪。可以获得多种参数，和扭可以获得多种参数，和扭转振动的参数。转振动的参数。4.3.3 脉动法脉动法RETURNRETURNRETURNRETURN3 3 脉动法（脉动法（1）主谐量法）主谐量法3 3 脉动法（脉动法（2）谐量分析法）谐量分析法3 3 脉动法（脉动法（3）功率谱分析法）功率谱分析法脉动的振幅谱的幅值确定建筑物的固有频率和振形。脉动的振幅谱的幅值确定建筑物的固有频率和振形。记录信号傅立叶分析记录信号傅立叶分析 测试项目：动荷载作用下的动参测试项目：动荷载作用下的动参数（振幅、频率、速度、加速度）数（振幅、频率、速度、加速度）激振方法
23、：实际动荷载，或由试激振方法：实际动荷载，或由试验设备激振产生模拟动荷载验设备激振产生模拟动荷载4.3.4 结构动力反应的测定结构动力反应的测定3.6 动荷载作用下结构特定部位的动动荷载作用下结构特定部位的动参数测定参数测定 结构振动变位测定结构振动变位测定 结构动力系数测定结构动力系数测定 强震下结构动力反应测定强震下结构动力反应测定 地震模拟振动台试验地震模拟振动台试验RETURNRETURNRETURNRETURN 疲劳问题包含材料、结构构件的疲劳问题包含材料、结构构件的疲劳。疲劳的理论研究在不断发展和丰富之疲劳。疲劳的理论研究在不断发展和丰富之中。中。疲劳试验荷载疲劳试验荷载荷载上限：荷载上限：Qmax 按构件设计要求决定按构件设计要求决定（最大标准荷载最不利组合下产生的内力）（最大标准荷载最不利组合下产生的内力）荷载下限：荷载下限：Qmin按疲劳试验设备的要求按疲劳试验设备的要求决定决定频率：频率：/1.3（避免共振）（避免共振）次数：按有关规定。次数：按有关规定。4.4 结构疲劳试验结构疲劳试验3.7 疲劳试验的加载疲劳试验的加载步骤和观测步骤和观测目前所进行的疲劳试验目前所进行的疲劳试验以常幅加载为主。以常幅加载为主。由于疲劳问题的离散性，由于疲劳问题的离散性，试验常要按数理统计的要求试验常要按数理统计的要求进行试验的设计和数据处理。进行试验的设计和数据处理。