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1、Lab of Prof. Tian Shizhu 1 2.6 结构动力反应的测定 生产和科研中提出的一些问题，往往要求对 结构动荷载作用下的动力反应进行试验测定 1.工业厂房在动力机械设备作用下振动情况 2.桥梁在列车通过时引起的振动； 3.高层结构在风荷载作用下的振动问题； 4.结构在地震作用下动力反应； 5.有防振(震)要求的设备； Lab of Prof. Tian Shizhu 2 一、结构特定部位动参数的测定 实践中经常遇到需要测定结构物在动荷载作 用下特定部位的动参数如振幅、频率(或频率谱) 速度、加速度、动变形等。在这种情况下，只要 在结构振动时布置适当的仪器(如位移传感器、速
2、度传感器、加速度传感器或电阻应变计等)记录下 振动图即可。测点布置根据结构情况和试验目的 而定。 Lab of Prof. Tian Shizhu 3 测点布置 1.为了校核结构强度就应将测点布置在最危 险的部位即控制断面上； 2.如果是测定振动对精密仪器的影响，一般 应在精密仪器基座处测定振动参数。 3.多层厂房常需要测定某个振源(如机床扰力 )引起的振动在建筑物内传布和衰减情况。 Lab of Prof. Tian Shizhu 4 在图中，振源为动力机床，以 振源处测得的振幅定为1，其 余各点测得的振幅与振源处的 振幅之比称为该点的传布系数 ，将各点传布系数标在图上就 可明显地看出：此振
3、源产生的 振动情况在楼层内的影响范围 和衰减情况。 是例如：研究振动在同一楼层内传布情况 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 5 二、测定结构的振动变位图 为全面了解结构在动荷载作用下的振动状态 。可以安设多个测点作振动变位图。 振动变位图的测量方法，将各个测点的振动 图用记录仪器同时记录下来，根据相位关系确定 变位的正负号，再按振幅（即变位）大小以一定 比例画在变位图上，最后连成结构在实际动荷载 作用下的振动变位图。 Lab of Prof. Tian Shizhu 6 注意: 这种测量和分析方法与前面讲过的确定振型 的方法类似。而结构的振动变位图是结构在特定 荷载作用下的
4、变形曲线。一般说来并不和结构的 某一振型相一致。 Lab of Prof. Tian Shizhu 7 2.6 结构动力反应的测定 确定了振动变位图后， 即有可能按结构力学的 理论近似地确定结构由 于动荷载所产生的内力 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 8 三、结构动力系数的试验测定 承受移动荷载的结构如吊车梁、桥梁 等，常常要确定它的动力系数，以判定结 构的工作情况。 移动荷载作用于结构上所产生的动挠 度，往往比静荷载时产生的挠度大。动挠 度和静挠度的比值称为动力系数。 Lab of Prof. Tian Shizhu 9 为了求得动力系数，先使移动荷载以 最慢的速度驶过
5、结构，测得挠度图如 图，然后使移动荷载按某种速度驶过 ，这时结构产生最大挠度(实际测试 中采取以各种不同速度驶过，找出产 生最大挠度的某一速度)。从图上量 得最大静挠度yj和最大动挠度yd，即 可求得动力系数。 结构的动力系数一般用试验方法实测确定 Lab of Prof. Tian Shizhu 10 上述方法只适用于一些有轨的动荷 载如吊车荷载。对无轨的动荷载(如 汽车)不可能使两次行驶的路线完全 相同。这时可以采取只试验一次用 高速通过，记录图形如图。取曲线 最大值为yd，同时在曲线上绘出中 线，相应于yd处中线的纵座标即yj。 按公式即可求得动力系数。 Lab of Prof. Tia
6、n Shizhu 11 2.6.4 强震观测 近二十年来，强震观测工作发展迅速 ，很多国家已逐步形成强震观测台网，其 中尤以美国和日本领先。强震观测工作已 成为地震工程研究中最活跃的领域之一。 我国强震观测工作是在一些地震区和重要 建筑物上设置了强震观测站。 Lab of Prof. Tian Shizhu 12 四、强震观测 强地震发生时以仪器为手段观测地面运动的过 程和建筑物的动力反应的工作称为强震观测。 强震观测的基本任务： (1)取得地震时地面运动过程的记录。为研究地震影 响场和烈度分布规律提供科学资料。 (2)取得结构物在强震作用下振动过程的记录，为抗 震结构的理论分析与试验研究以及
7、设计方法提供客 观的工程数据。 Lab of Prof. Tian Shizhu 13 强震不是经常发生，而且很难预测其发生时刻 ，所以强震仪设计了专门的触发装置，平时仪器不 运转，无需专人看管，地震发生时，强震仪的触发 装置便自动触发启动，仪器开始工作并将振动过程 记录下来。考虑到地震时可能中断供电，仪器一般 采用蓄电池供电。在建筑物底层和上层同时布置强 震仪。地震发生时底层记录到的是地面运动过程， 上层记录到的即为建筑物的加速度反应。 Lab of Prof. Tian Shizhu 14 2.7 结构疲劳试验 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
8、为疲 劳。 对结构而言，它既有材料的疲劳问题又有结构本 身的疲劳问题。 Lab of Prof. Tian Shizhu 15 2.7 结构疲劳试验 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 Lab of Prof. Tian Shizhu 16 2.7 结构疲劳试验 此外，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。不同条件下的疲劳 试验有不同的疲劳响应，试验结果也各有特点。 我们主要讨论结构构件的疲劳试验问题。 Lab of Prof. Tian Sh
9、izhu 17 2.7 结构疲劳试验 一、结构疲劳试验的目的 结构疲劳试验的直接目的是确定结构 的疲劳极限，为了获得结构疲劳极限值， 必须对结构施加重复荷载，并测定结构达 到疲劳破坏时荷载的重复次数。 Lab of Prof. Tian Shizhu 18 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，当疲劳应力小于某一应力值 以后，荷载重复次数的增加不再会引 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。 n 应力与重复荷载作 用次数的关系飞 Lab of Prof. Tian Shi
10、zhu 19 二、结构疲劳试验的内容 抗裂性及开裂荷载； 裂缝宽度及其发展； 最大挠度及其变化幅度； 疲劳极限强度。 Lab of Prof. Tian Shizhu 20 二、结构疲劳试验的内容 对于科研性的疲劳试验，还应包括： 各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律。 疲劳破坏特征分析 疲劳破坏荷载及承受疲劳荷载的重复次数 裂缝的宽度、长度、间距及其随荷载重复次数 的变化。 钢筋及混凝土的应力随荷载重复次数的变化。 Lab of Prof. Tian Shizhu 21 三、结构疲劳试验的荷载 1、疲劳测试的上限荷载Qmax是根据构件在标准荷载下最 不利组合所产生的弯矩计算而得，荷载下限则
11、根据疲劳试 验机性能要求而定。 如图是疲劳试验荷载的加载制度。正弦、等幅以模拟结构 构件在使用阶段不断反复加载载的受力状态。 Lab of Prof. Tian Shizhu 22 2、疲劳测试的荷载频率（速度） 为了保证构件在疲劳测试时不产生共振，构 件的稳定振动范围应远离共振区，即使疲劳测试 荷载频率的满足条件。 或1.3 为构件固有频率；为荷载频率。 Lab of Prof. Tian Shizhu 23 3、疲劳循环次数 构件经受下列控制次数的疲劳荷载作用 后，抗裂性（即裂纹宽度）刚度、强度必须 满足现行规范中的有关规定。 中级工作制吊车梁 n=2106次 重级工作制吊车梁 n=410
12、6次 Lab of Prof. Tian Shizhu 24 四、结构疲劳试验的步骤 一般等幅疲劳测试的程序如下： 1、静载试验阶段 在静载试验前先预加载，加载值为20%的Qmax ，以消除松动，接触不良，压紧构件并检查测试 仪表是否进入正常工作状态。该阶段的加载程序 与一般静力试验基本相同，分五级加至Qmax，然 后按同样等级卸回至零荷载。 Lab of Prof. Tian Shizhu 25 2、疲劳试验阶段 疲劳试验期间应保持荷载上、下限值的稳定 ，其误差不宜超过最大荷载的3。在试验过程 中还应有计划地停机进行静态测点读数，停机宜 在重复加载到1、10、50、100、200、400万次
13、时 进行。 动应变和动挠度的量测，应在荷载加至1、2 、5、10、20、50、100、150、200、300、400万 次时分别进行。此外，在临近破坏时也应加强观 测。 Lab of Prof. Tian Shizhu 26 五、结构疲劳试验的观测 1、疲劳强度 构件所能承受荷载作用次数(n)，取决于最大应力 值max及应力变化幅度 ； 依据此条件进行疲劳试验，在控制疲劳次数内， 构件的强度、刚度、抗裂性应满足现行规范要求 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 27 当进行科研性疲劳试验时，构件是以疲劳极限强 度和疲劳极限荷载作为最大的疲劳承载能力。构 件达到疲劳破坏时的荷载上
14、限值为疲劳极限荷载 。构件达到疲劳破坏时的应力最大值为疲劳极限 强度。 Lab of Prof. Tian Shizhu 28 为了得到给定值条件下的疲劳极限强度和疲劳 极限荷载，一般采取的办法是：根据构件实际承载 能力，取定最大应力值max，作疲劳试验，求得疲 劳破坏时荷载作用次数n，从max与n双对数直线关 系中求得控制疲劳次数下的疲劳极限强度，作为标 准疲劳极限强度。 疲劳破坏的标志应根据相应规范的要求而定，对科研性 的疲劳试验有时为了分析和研究破坏的全过程及其特征，往 往将破坏阶段延长至构件完全丧失承载能力。 Lab of Prof. Tian Shizhu 29 2、疲劳试验的应变测
15、量 一般采用电阻应变片测量动应变，测点布置 依试验具体要求而定。测试方法有以下两种： （1）动态电阻应变仪和记录仪组成测量系统 。这种方法的缺点是测点数量少。 （2）用静动态电阻应变仪组成测量系统。这 种方法简便且具有一定精度，可多点测量。 Lab of Prof. Tian Shizhu 30 3疲劳试验的裂缝测量 由于裂缝的开始出现和微裂缝的宽度对 构件安全使用具有重要意义。因此，裂缝测 量在疲劳试验中也是重要的，目前测裂缝的 方法还是利用光学仪器目测或利用应变传感 器电测裂缝等。 Lab of Prof. Tian Shizhu 31 4疲劳试验的挠度测量 疲劳试验中动挠度测量可采用接触
16、式测 振仪、差动变压器式位移计和电阻应变式位 移传感器和记录器等，组成测量系统，可进 行多点测量，并能直接读出最大荷载和最小 荷载下的动挠度。 Lab of Prof. Tian Shizhu 32 六、疲劳试验试件的安装 构件的疲劳试验不同与静载试验，它连续试 验的时间长，试验过程振动大，因此试件的安装 就位以及相配合的安全措施均须认真对待，否则 将会产生严重后果。 1严格对中。荷载架上的分配梁、作动器、试验 构件、支座以及中间垫板都要对中。特别是作动 器轴心一定要同构件断面纵轴在一条直线上。 Lab of Prof. Tian Shizhu 33 2保持平稳。疲劳试验的支座最好是可调的，即 使构件不够平直也能调整安装水平。另外作动器 与试件
