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1、教学分析第5章 建筑结构动力试验教学分析5.1 概述概述各种类型的工程结构，在实际使用过程中除了承受静荷载作用外，还常常承受各种动荷载作用。为了了解结构在动荷载作用下的工作性能及动力反应，一般要进行结构动力试验。土木工程中需要研究和解决的动力问题范围很广，可参见下表。土木工程研究的常见动力问题工程工程结结构的抗震构的抗震问题问题为地震设防和抗震设计提供依据，提高各类工程结构的抗震能力。工工业业厂房生厂房生产过产过程中的振程中的振动问题动问题设计和建造工业厂房时要考虑生产过程中产生的振动对厂房结构或构件的影响。桥桥梁梁设计设计考虑车辆运动对桥梁的振动、流水浮冰对桥墩的冲刷和冲击、风雨使斜拉桥的斜
2、拉索产生雨振和索塔产生振动等问题。高高层层建筑与高建筑与高耸耸构筑物构筑物设计设计解决风荷载所引起的振动问题。近海近海结结构物构物设计设计解决海浪拍击、风暴、浮冰冲击等引起的振动问题。国防建国防建设设研究建筑物的抗爆问题，研究如何抵抗核爆炸等所产生的瞬时冲击荷载（即冲击波）对结构的影响。教学分析5.1 概述概述动载试验与静载试验相比，具有一些特殊的规律性。首先，造成结构振动的动荷载是随时间而改变的。其次，结构在动荷载的作用下的反应与结构本身动力特性密切相关。结构动力试验分为结构动力特性基本参数（如自振频率、阻尼系数、振型等）和结构动力反应的测定等。概括起来，结构动载试验通常有如下表几项基本内容
3、。结构动载试验基本内容结结构构动动力特性力特性测试测试也称为结构自振特性，是反映结构本身所固有的动力性能，包括结构的自振频率、阻尼、振型等参数。振源振源识别识别振源识别就是寻找对结构振动起主导作用且危害最大的主振源，这是振动环境治理的前提。结结构构动动力特性力特性测测定定动荷载特性测定是建筑结构进行动力分析和隔振设计所必须掌握的，直接影响到结构的动力反应。主要包括：测定结构动荷载的大小、方向、频率及其作用规律等。结结构构动动力反力反应测试应测试测定实际结构在实际工作时的振动水平（如振幅、频率）及形状，在移动荷载作用下桥梁的振动，地震时建筑结构的振动反应（强震观测）等。教学分析5.1 概述概述为
4、了模拟实际的动力荷载，试验时首先应设计一个符合试验目的要求的振动系统。振动系统由激励和记录两部分组成，如下图所示。激励装置是使结构产生振动的振源，振源的振动规律可根据试验需要设计为简谐振动或随机振动。振动试验系统原理1-信号源；2-功率放大器激振器；3-激振器振动台；4-振动台拾振器；5-模型记录器；6-拾振器功率放大器；7-放大器；8-记录器建筑物振动台试验建筑物振动台试验建筑物振动台试验建筑物振动台试验 2004.11.22晚23时至23日6时, 华科大工程结构检测中心人员对海南省海口和平桥进行了一次全方位“体检”动静载试验。动载试验含脉动、跑车、刹车、跳车4项内容。刹车试验中,试验车辆在
5、通过桥一定断面时突然刹车,通过此方式来采集当时桥梁反应,包括桥梁上、下部结构的反应。 试验前技术员已在桥底设置100多个传感器和应变计。桥上中间一侧的人行道上密密麻麻布满了连着桥底感应器和应变计的一些黑色线。 实验车队排成一条长龙 教学分析5.2 动荷载的特性试验动荷载的特性试验动荷载的特性主要研究：作用力、方向、频率等参数。在研究风荷载、地震作用、工业建筑内的动力设备响应时，需要确定振源的大小和作用规律，这些振源虽然可以根据统计值进行动力荷载特性计算，但有时实际动力特性与统计值有较大的差距，用计算方法往往不能获得振源的实际动力特性，因此，需要借助试验的方法进行确定。教学分析5.1 概述概述5
6、.2.1 测主振源的方法作用在结构上的动荷载常常是很复杂的，一般是由多个振源产生的。首先要找出对结构振动起主导作用即危害最大的主振源，然后测定其特性。1逐台开动法结构发生振动，其主振源并不总是显而易见的。在工业厂房内有多台动力机械设备时，可以逐个开动，观察结构在每个振源影响下的振动情况，从中找出主振源，但是这种方法往往由于影响生产而不便实现。也可以分析实测振动波形，根据不同振源将会引起不同规律的强迫振动这一特点，来间接判定振源的某些性质，作为探测主振源的参考依据。教学分析5.1 概述概述5.2.1 测主振源的方法2波形识别法右图给出了几种典型的振动曲线的记录波形图。其中a图是间歇性的阻尼振动曲
7、线，振动曲线上有明显的尖峰和衰减的特点，说明是撞击性振源所引起的振动；b图的振动曲线是有周期性的简谐振动曲线，这可能是一台机器或多台转速一样的机器运转所引起的振动；c图为两频率相差两倍的简谐振源引起的合成振动曲线图形；d图为三简谐振源引起的更为复杂的合成振动曲线图形；e图的振动曲线的记录波形符合“拍振”的规律，振幅周期性地由小变大，又由大变小。这有两种可能，一种是由两个频率接近的简谐振源共同作用；另外一种是只有一个振源，但其频率和结构的自振频率相近；f图的振动曲线记录波形是随机振动的记录图形，它是由随机性动荷载引起的，例如液体或气体的压力脉冲。各种振动记录波图形教学分析5.1 概述概述5.2.
8、2 动荷载参数的测定方法对于动荷载特性的测定，可以采用直接测定法、间接测定法和比较测定法等，具体见下表。直接测定法在测量对象上直接安装传感器，通过传感器的反应来测定动荷载的各项参数。此方法简单可靠，应用范围广。间接测定法将需测定动力的机器安装在有足够弹性变形的专用结构上，结构下面为刚性支座。结构须避免与机器发生共振，以保证所测结果的准确度。比较测定法通过比较振源的承载结构（楼板、框架或基础）在已知动荷载作用下的振动情况和待测振源作用下的振动情况，进而得出动荷载的特性数据。动荷载特性测定法教学分析5.3 结构的动力特性试验结构的动力特性试验结构的动力特性，如自振频率、振型和阻尼系数（或阻尼比）等
9、，是结构本身的固有参数，它们决定于结构的组成形式、刚度、质量分布、材料性质、构造连接等。用试验法测定结构动力特性，首先应设法使结构起振，然后记录和分析结构受振后的振动形态，以获得结构动力特性的基本参数。早期的迫振方法主要有振动荷载法和撞击荷载法两种。地脉动对建（构）筑物引起振动的过程或地震引起建（构）筑物随机振动的过程进行频谱分析即可得到所需要的动力参数。教学分析5.3 结构的动力特性试验结构的动力特性试验5.3.1 自由振动法自由振动法是使结构产生自由振动，通过记录仪器记下有衰减的自由振动曲线，由此求出结构的基本频率和阻尼系数。使结构产生自由振动的办法较多，通常可采用初速度法突加荷载或初位移
10、法的方法。其中初速度法又可分为垂直加载法和水平加载法。垂直加载通过将重物提升到某一高度，然后以自由落体的方式冲击结构，使结构产生振动（图右上）。水平加载一般针对质量与刚度不是很大的结构或构件，可采用撞击的方式使其产生振动（图右下）。垂直自由落体突然加载法水平撞击式加载法教学分析5.3 结构的动力特性试验结构的动力特性试验5.3.1 自由振动法对体积较大的结构，可对结构预加初位移，试验时突然释放预加位移，从而使结构产生自由振动（图右上）。自由振动衰减系数测量系统如图右下所示。自由振动法一般只能测到少数的低阶固有频率，但对某些特殊结构，只要冲击激励位置与传感器安装位置选择恰当，也可以激发出并测到较
11、多阶的固有频率。最典型的是拉索的索力测试，将传感器安装在拉索端部不远处，并在离传感器一定距离的位置敲击，采集拉索自由振动的曲线，可以获得不错的测试效果。张拉释放式初位移法自由振动衰减系数测量系统教学分析5.3 结构的动力特性试验结构的动力特性试验5.3.2 共振法共振法又称强迫振动法，是利用专门的激振器对结构施加简谐动荷载，使结构产生稳态的强迫简谐振动，借助对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性的基本参数。其基本原理如图所示。强迫振动测量原理1-信号发生器；2-功率放大器；3-激振器；4-频率仪；5-试件；6-拾振器；7-放大器；8-相位计；9-记录仪教学分析5.3 结构的动力特性试验结构的动
12、力特性试验5.3.2 共振法下图是对建（构）筑物进行频率扫描试验时所得时间历程曲线。试验时，首先逐渐改变频率从低到高，同时记录曲线。如图a所示；然后在记录图上找到建（构）筑物共振峰值频率、，再在共振频率附近逐渐调节激振器的频率，记录这些点的频率和相应的振幅值，绘制振幅-频率曲线，如图b所示。由此得到建（构）筑物的第一频率（基频）和第二频率。（a）记录曲线（b）频率振幅关系曲线教学分析5.3 结构的动力特性试验结构的动力特性试验5.3.2 共振法当采用偏心式激振器时，改变其频率则激振力也将随之改变，要做到力恒定不变比较困难。因此一般在分析数据时，首先将激振力换算成恒定的力，然后再绘制曲线。换算方
13、法为：由于激振力与激振器频率的平方成正比，因而可将振幅换算为在相同激振力作用下结构的固有频率从共振曲线上也可以得到结构的阻尼系数（见右图），具体做法如下：在纵坐标最大值的0.707倍处作一水平线与共振曲线相交于A和B两点（称为半功率点），其对应横坐标1和2，则阻尼比:由共振曲线求阻尼比教学分析5.3 结构的动力特性试验结构的动力特性试验5.3.2 共振法用共振法测量振型时，要将若干个拾振器布置在结构的若干部位。当激振器使结构发生共振时，同时记录下结构各部位的振动图，通过比较各点的振幅和相位，即可给出该频率的振型图。右图为共振法测量某建筑物振型的具体情况。用共振法测建筑物振型教学分析5.3 结构
14、的动力特性试验结构的动力特性试验5.3.2 共振法拾振器的布置数目及其位置由研究的目的和要求而定。测量前，可根据结构动力学原理初步分析或估计振型的大致形式，然后在控制点(变形较大的位置)布置仪器。例如，对右图所示框架，在横梁和柱子的中点、四分之一处、柱端点可布置16个测点。这样便可较好地连成振型曲线。测量前，要对各通道进行相对校准，使之具有相同的灵敏度。测点布置教学分析5.3 结构的动力特性试验结构的动力特性试验5.3.3 脉动法在日常生活中，由于地面不规则运动的干扰，建(构)筑物的微弱振动是经常存在的，这种微小振动称为脉动。一般房屋的脉动振幅在10 um以下，但烟囱可以达到10 mm。建(构
15、)筑物的脉动有一个重要性质，就是明显地反映出建(构)筑物的固有频率和自振特性。若将建(构)筑物的脉动过程记录下来，经过一定的分析便可确定出结构的动力特性。脉动测量方法，我国早在20世纪50年代就开始应用。但由于试验条件和分析手段的限制，一般只能获得第一振型及频率。20世纪70年代以来，由于计算技术的发展和一些信号处理机或结构动态分析仪的应用，这一方法得到了迅速的发展，被广泛地应用于工程结构的动力分析研究中。测量脉动信号要使用低噪声、高灵敏的拾振器和放大器，并配有记录仪器和信号分析仪。用这种方法进行实测，不需要专门的激振设备，而且不受结构形式和大小的限制。脉动法在结构微幅振动条件下所得到的固有频
16、率比用共振法所得要偏大一些。教学分析5.3 结构的动力特性试验结构的动力特性试验5.3.3 脉动法1应用脉动法的注意事项（1）工程结构的脉动是由于环境随机振动引起的，这就可能带来各种频率分量，为得到正确的记录，要求记录仪器有足够宽的频带，使需要的频率分量不失真。（2）根据脉动分析原理，脉动记录中不应有规则的干扰或仪器本身带进的杂音，因此观测时应避开机器或其他有规则的振动影响，以保持脉动记录的“纯洁”性。（3）为使每次记录的脉动均能反映结构物的自振特性，每次观测应持续足够长的时间并且重复几次。（4）为使高频分量在分析时能满足要求的精度，减小由于时间分段带来的误差，记录仪的纸带应有足够快的速度，而且可变，以适应各种刚度的结构的测量。（5）布置测点时应将结构视为空间体系，沿高度及水平方向同时布置仪器，如仪器数量不足可做多次测量，这时应有一台仪器保持位置不动作为各次测量的比较标准。（6）每次观测应记下当时的天气状况及风向、风速及附近地面的脉动，以便分析这些因素对脉动的影响。教学分析5.3 结构的动力特性试验结构的动力特性试验5.3.3 脉动法2分析脉动信号的具体方法（1）模态分析法工程结构的脉
