结构试验-动载试验剖析

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1、 结 构 测 试动载试验 结构动载试验 结 构 测 试动载试验 动载试验概述 介绍动载试验所用仪器仪表 结构振动测试 结构抗震试验 结构疲劳试验 本章内容 结 构 测 试动载试验 一、概述 1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） 结 构 测 试动载试验 一、概述 1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） 结 构 测 试动载试验 一、概述 1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） 结 构 测 试动载试验 一、概述 1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） 爆炸或冲击荷载试验 结 构 测 试动载试验 一、概述 1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） 爆炸或冲击荷载试验 结 构 测 试动载试验 一、概述

2、1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） 爆炸或冲击荷载试验 结 构 测 试动载试验 一、概述 1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） 爆炸或冲击荷载试验 结 构 测 试动载试验 一、概述 1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） 爆炸或冲击荷载试验 5T truck was driven across a triangular ramp placed on the bridge. The impact of the truck landing on the bridge provided the dynamic excitation for the test Main span: 88m 桥梁跳

3、车试验 结 构 测 试动载试验 广西来宾宾麒麟路跨市政渠桥桥跳车试验车试验 结 构 测 试动载试验 一、概述 1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） 结构抗震试验地震模拟振动台试验 结构疲劳试验 此外，低周反复荷载试验和结构拟动力试 验也被归入动载试验 结 构 测 试动载试验 一、概述 1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） （1）低周反复荷载试验 地震模拟振动台试验的结构尺寸较小，侧重于结构的宏 观反应。而在低周反复荷载试验中，加载速率较低，但可以 对足尺或接近足尺的结构施加较大的反复荷载，反复荷载的 次数一般不超过100次，加载的周期从每次2秒到每次300秒 不等。 结 构 测 试动载试验

4、 一、概述 1 分类（根据荷载作用时间和反复次数） （2）结构拟动力试验 结构拟动力试验采用计算机和试验机联机进行结构试验 ，以较低的加载速率使结构经历地震作用，控制试验进程的 为数字化输入的地震波，利用计算机进行结构地震反应分析 ，将结构在地震中受到的惯性力通过计算转换为静力作用施 加到结构上，模拟结构的实际地震反应。结构受到反复荷载 作用的次数与地震模拟振动台试验的次数相当。 结 构 测 试动载试验 2 与静载试验的不同之处 u 荷载随时间连续变化 u 反应与结构自身的动力特性密切相关 u 承载能力和使用性能的要求发生变化 u 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 结

5、构 测 试动载试验 结构动载试验的种类很多，静载试 验可看作动载试验的一个特例。 结构动载试验主要介绍结构动载试 验的加载设备、仪器仪表，结构振动 试验方法、结构抗震试验方法和结构 疲劳试验方法。 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 1 动态信号测试 传感器 动态信号 信号放大器 滤波器 示波器 记录仪器 数字信号处理器 动态信号量测系统组成 结 构 测 试动载试验 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： 结 构 测 试动载试验 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： 1）频率相关性 当信号很快的反复变化时，我们称为频率 高，当

6、信号缓慢变化时，我们称为频率低。 信号的频率为零时，称之为静态信号。当动 态信号与静态信号叠加在一起时，称静态信 号为直流分量。动态性能良好的动测仪器和 仪表，能够在很宽的频率范围内准确的感受 、放大需要检测的结构动力反应。 结 构 测 试动载试验 土木工程结构动力反应的典型频率范围 一般在10Hz以内，对动测仪器仪表的低频动 态特性有较高的要求。动测仪器或传感器都 是在一定的频率范围内工作，结构动载试验 时应根据试验结构的频率响应特性选择动测 仪器。 2）信号的滤波和衰减 滤波滤除动态信号中的某些成分 衰减信号在传输时受到抑制的现象 结 构 测 试动载试验 滤波器能够从输入信号的全部频率分量

7、中 ，分离出某一频率范围内所需要的信号，为 了获得良好的选择性，希望滤波器能够以最 小的衰减传输该频率范围内的信号，这一频 率范围称为通频带；对通频带以外的信号， 给以最大的衰减，称为阻频带。通频带与阻 频带之间的界限称为截止频率。 根据通频带滤波器可分为： 低通滤波器传输截止频率以下的频率范围 内的信号 高通滤波器传输截止频率以上的频率范围 内的信号 结 构 测 试动载试验 根据通频带滤波器可分为： 带通滤波器传输上下两个截止频率之间的 频率范围内的信号； 带阻滤波器抑制上下两个截止频率之间的 频率范围内的信号。 采用电器元件做成的滤波器称为模拟滤波 器，采用计算程序对数字信号进行滤波的称

8、为数字滤波器。 结 构 测 试动载试验 3）信号放大与衰减表示方法 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。以dB为单位，用x表 示我们所关心的位移、速度或加速度，信号 的放大或衰减可以表示为： G20lg(x/x0) 结 构 测 试动载试验 4）动测仪器的输入输出和阻抗匹配 把一个电阻为R的用电器，接在一个电动 势为E、内阻为r的电池组上，只有当外电阻 等于内电阻时，电源对外电路输出的功率最 大，这就是纯电阻电路的功率匹配。电抗电 路中除了电阻外还有电容和电感元件，并工 作于低频或高频交流电路。在交流电路中， 电阻、电容和电感对交流电的阻碍作用叫阻 抗。输入电路和输出电路

9、的阻抗接近或相等 时，称为阻抗匹配。 结 构 测 试动载试验 5）绝对振动测量和相对振动测量 静载试验: 测量结构位移时，要为位移传感器选择安 装基点，如安装基点为绝对不动点-绝对位 移，如安装基点为动点-相对位移。 动载试验： 传感器直接安装在试验结构上，传感器的 运动与试验结构的运动完全相同，传感器感 受的速度或加速度为绝对速度或绝对加速度 。 结 构 测 试动载试验 6）测量仪器的分辨率 分辨率测量仪器有效辨别的最小示值差 ， 这一性能指标一般反映在显示装置上。 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 2 传感器 1）惯性式传感器 惯性式传感器的接收原理 结 构 测 试动载试验 二

10、、动载试验仪器仪表 2 传感器 1）惯性式传感器 可看作质量(m)-弹簧(k)-阻尼(c)单自由度 体系，体系固有频率 ： xr为质量m相对传感器外壳的位移，xA为 被测结构的位移。 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 2 传感器 体系阻尼比： 那么，体系振动方程变为： 设结构位移为： 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 2 传感器 可得体系位移解为： 频率比 相位角 瞬态解，快速衰减 稳态解 结 构 测 试动载试验 （1）频率比 很大：即被测结构的振动频率 比测振传感器的固有频率高很多，且阻尼比 足够小时，可得： 传感器振子的位移与被测结构的位移很 接近，可用传感器测量被

11、测结构的振动位移 。这种方式得到的位移为绝对位移。 结 构 测 试动载试验 （2）频率比很小：即被测结构的振动频率 比测振传感器的固有频率小很多，且阻尼比 足够小时，可得： 传感器振子的位移与被测结构的加速度 成正比，已知传感器的固有频率，可用传感 器测量被测结构的加速度。 结 构 测 试动载试验 （3）频率比接近1：即被测结构的振动频率 与测振传感器的固有频率接近，且阻尼比足 够大时，可得： 传感器振子的位移与被测结构的速度成 正比，已知传感器的固有频率和阻尼比，可 用传感器测量被测结构的速度。 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 2 传感器 实际应用中还需配备将振动产生的机械 运

12、动转化为电信号的元件，这样，振动测 量放大仪器和记录设备处理的信号实际上 是电压信号或电流信号。 惯性式振动传感器的性能指标一般常用 传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线描 述。 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 2 传感器 传感器的幅频特性曲线 传感器的相频特性曲线 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 2 传感器 2）电动式传感器 电磁感应原理 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 2 传感器 2）电动式传感器 基于磁电变换，也称为磁电式传感器 楞次定律： 安培定律： 磁电式传感器分相对式和惯性式，特点是 输出信号电压大，不易受电、磁、声场干扰 ，测量电路简单。

13、结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 2 传感器 磁电式速度传感器性能指标 速度灵敏度：20mV/mm/s表示每秒1mm的速 度，传感器输出电压为20mV 频率范围：传感器正常工作的范围 幅值线性度、相移特性、动态范围、固有频 率、阻尼比、测量方向、工作温度、质量、 外形尺寸等 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 3）压电式传感器 原理：晶体受力所产生的电荷量与外力的大 小成正比，这种现象叫压电效应；反之，如 对晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生 机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随 之消失。这种现象称为逆压电效应，也称作 电致伸缩效应。 结 构 测 试动载试验 二、动载

14、试验仪器仪表 利用压电晶体的压电效应，可以制作压电 式加速度传感器和压电式力传感器。利用逆 压电效应，可制造微小振动量的。最典型的 压电晶体材料是石英材料高频激振器。 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 当力施加在压电材料的极化方向使其发生轴 向变形时，与极化方向垂直的表面产生与施加 的力成正比的电荷，导致输出端的电位差。这 种方式为正压电效应或压缩效应。当力施加在 压电材料的极化方向使其发生剪切变形时，与 极化方向平行的表面产生与施加的力成正比的 电荷，导致输出端的电位差。这种方式为剪切 压电效应。 上述两种形式的压电效应均已经应用于传感 器的设计中，对应的传感器称为压缩型传感器

15、和剪切型传感器。 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 压缩型传感器 正压电效应 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 剪切型传感器 剪切压电效应 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 压电式传感器的主灵敏度方向一般垂直于 其底座，可用于测量沿其轴向的结构振动。 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 当它受到与轴向垂直的横向振动时，传感 器同样会有信号输出，传感器对横向振动的 敏感性称为横向灵敏度，通常采用主轴灵敏 度的百分数表示。横向灵敏度随振动方位角 的不同而变化，最大横向灵敏度一般小于主 轴灵敏度的4%。 结 构 测 试动载试验 二、动载试验仪器仪表 影响压电传感器使用的环境因素主要有： 底座变形、潮湿、声学噪音、腐蚀物质、磁 场、核辐射等。 除横向灵敏度指标外，压电式加速度传感 器还有以下主要性能指标： （1）灵敏度 电荷灵敏度Sq的单位为pC