第4章-结构动载试验

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1、昆 明 理 工 大 学 KUNMING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY,第四章 结构动载试验,昆明理工大学工程抗震研究所,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,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,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

2、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,4.2 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,4.2.2动态信号测试的基本概念,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,（3）信号放大和衰减的表示方法 在动力测试和分析中

3、，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,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,拾振器,1.外壳 2.硬弹簧 3.质量块 4.压电晶体,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

4、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,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,力锤,4.2 动载试验仪器仪表,电磁激振器,液压伺服式起振机,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,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

5、消。,4.2 动载试验仪器仪表,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,4.3.2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,4.3.3试验数据分析 1正弦激振时的数据处理 ）振动幅值的确定 ）频率确定 ）共振曲线的绘制 4）振型的求取 5）阻尼比

6、的求取(半功率点法),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,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,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,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

7、比、固有频率)。,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,4.3.4.1结构动力特性测定的试验方法,4.3结构振动测试,4.3结构振动测试,加载方法的几个例子：,1. 张拉释放法,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,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

8、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 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,脉动法测量结构动力特性

9、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,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,T,T,T,t,A,4,2

10、,1,3,振幅,一：自由振动法测试频率,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。,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,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,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0.2，r=，则有：,4

11、.3结构振动测试,强迫振动法求阻尼比,自由振动,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：,4.3结构振动测试,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,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，

12、其他测点按比例作图。,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,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,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：

13、伪静力试验 拟动力试验 振动台试验,4.4.1 引言,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。,SCHOOL OF CIVIL ENGNIEERING. LUT.,4.4结构抗震试验,4.4.2 伪静力试验,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

14、、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,（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,(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,（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

15、加载制度,(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,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,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,梁柱节点测点布置,1,4,3,2,5,3,2,2,4.4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

16、结构抗震试验,伪静力试验典型滞回曲线,4.4结构抗震试验,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,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,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,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；