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1、Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu1土木工程学院土木工程学院结构实验技术结构实验技术 田石柱田石柱 教授教授Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu22.6 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结构动荷载作用下的动力反应进行试验测定1.1.工业厂房在动力机械设备作用下振动情况工业厂房在动力机械设备作用下振动情况2.2.桥梁在列车通过时引起的振动；桥梁在列车通过时引起的振动；3.3.
2、高层结构在风荷载作用下的振动问题；高层结构在风荷载作用下的振动问题；4.4.结构在地震作用下动力反应；结构在地震作用下动力反应；5.5.有防振有防振( (震震) )要求的设备；要求的设备；Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu3一、结构特定部位动参数的测定一、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用下特定部位的动参数动参数如振幅、频率如振幅、频率( (或频率谱或频率谱) )速度、加速度、动变形等。在这种情况下，只要速度、加速度、动变形等。在这种情况下，只要在结
3、构振动时布置适当的仪器在结构振动时布置适当的仪器( (如位移传感器、速如位移传感器、速度传感器、加速度传感器或电阻应变计等度传感器、加速度传感器或电阻应变计等) )记录下记录下振动图即可。测点布置根据结构情况和试验目的振动图即可。测点布置根据结构情况和试验目的而定。而定。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu4测点布置测点布置1.1.为了校核结构强度就应将测点布置在最危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；险的部位即控制断面上；2.2.如果是测定振动对精密仪器的影响，一般如果是测定振动对精密仪器的影响，一般应在精密仪
4、器基座处测定振动参数。应在精密仪器基座处测定振动参数。3.3.多层厂房常需要测定某个振源多层厂房常需要测定某个振源( (如机床扰力如机床扰力) )引起的振动在建筑物内传布和衰减情况。引起的振动在建筑物内传布和衰减情况。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu5在图中，振源为动力机床，以在图中，振源为动力机床，以振源处测得的振幅定为振源处测得的振幅定为1 1，其，其余各点测得的振幅与振源处的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，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将各点传布系数标在图上就可明显地看出：此振源
5、产生的振明显地看出：此振源产生的振动情况在楼层内的影响范围和动情况在楼层内的影响范围和衰减情况。衰减情况。是例如：例如：研究振动在同一楼层内传布情况。研究振动在同一楼层内传布情况。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu6二、测定结构的振动变位图二、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。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可以安设多个测点作振动变位图变位图。 振动变位图的测量方法，将各个测点的振动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，根据相位关系确定图用记录仪器同
6、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。作用下的振动变位图。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu7注意注意: : 这种测量和分析方法与前面讲过的确定这种测量和分析方法与前面讲过的确定振型振型的方法类似。而结构的振动变位图是结构在特定的方法类似。而结构的振动变位图是结构在特定荷载作用下的变形曲线。荷载作用下的变形曲线。一般说来并不和结构的一般说来并不和结构的某一振
7、型相一致。某一振型相一致。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu82.6 结构动力反应的测定确定了振动变位图后，确定了振动变位图后，即有可能按结构力学的即有可能按结构力学的理论近似地确定结构由理论近似地确定结构由于动荷载所产生的内力。于动荷载所产生的内力。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu9三、结构动力系数的试验测定三、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，以判定结等，常常要确定它的动力系数，以判定
8、结构的工作情况。构的工作情况。 移动荷载作用于结构上所产生的动挠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。度，往往比静荷载时产生的挠度大。动挠动挠度和静挠度的比值称为动力系数。度和静挠度的比值称为动力系数。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu10为了求得动力系数，先使移动荷载以为了求得动力系数，先使移动荷载以最慢的速度驶过结构，测得挠度图如最慢的速度驶过结构，测得挠度图如图，然后使移动荷载按某种速度驶过，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这时结构产生最大挠度( (实际测试中实际测试中采取以各种
9、不同速度驶过，找出产生采取以各种不同速度驶过，找出产生最大挠度的某一速度最大挠度的某一速度) )。从图上量得。从图上量得最大静挠度最大静挠度yj和最大动挠度和最大动挠度yd，即可，即可求得动力系数。求得动力系数。结构的动力系数结构的动力系数一般用一般用试验方法试验方法实测确定实测确定Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu11上述方法上述方法只适用于一些有轨的动荷只适用于一些有轨的动荷载如吊车荷载。载如吊车荷载。对无轨对无轨的动荷载的动荷载( (如如汽车汽车) )不可能使两次行驶的路线完全不可能使两次行驶的路线完全相同。这时可以采取只试验
10、一次用相同。这时可以采取只试验一次用高速通过，记录图形如图。取曲线高速通过，记录图形如图。取曲线最大值为最大值为yd，同时在曲线上绘出中，同时在曲线上绘出中线，相应于线，相应于yd处中线的纵座标即处中线的纵座标即yj。按公式即可求得动力系数。按公式即可求得动力系数。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu122.6.4 强震观测观测 近二十年来，强震观测工作发展迅速，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。强震观测工作已成尤以美国和日本领先。强震观测工作
11、已成为地震工程研究中最活跃的领域之一。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。建筑物上设置了强震观测站。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu13四、强震观测四、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和建筑物的动力反应的工作称为强震观测强震观测。强震观测的基本任务：强震观测的基本任务：(1)(1)取得地震时地面运动过程的记录。为研究地震影取得地震时地面运动过程的记
12、录。为研究地震影响场和烈度分布规律提供科学资料。响场和烈度分布规律提供科学资料。(2)(2)取得结构物在强震作用下振动过程的记录，为抗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设计方法提供客观震结构的理论分析与试验研究以及设计方法提供客观的工程数据。的工程数据。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu14 强震不是经常发生，而且很难预测其发生时刻，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
13、仪的触发装转，无需专人看管，地震发生时，强震仪的触发装置便置便自动触发启动自动触发启动，仪器开始工作并将振动过程记，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。层记录到的即为建筑物的加速度反应。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu152.7 结构疲劳试验 结构
14、物或构件在重复荷载作用下达到破坏时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，这种现象称为的应力比其静力强度要低得多，这种现象称为疲疲劳劳。对结构而言，它既有材料的疲劳问题又有结构本对结构而言，它既有材料的疲劳问题又有结构本身的疲劳问题。身的疲劳问题。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu162.7 结构疲劳试验按其受力状况不同按其受力状况不同: :可分为可分为压力疲劳、弯曲疲劳和扭转疲劳试验压力疲劳、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按试验机产生的脉冲信号的大小: :可分为可分为等幅疲劳和变幅疲劳
15、试验等幅疲劳和变幅疲劳试验Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu172.7 结构疲劳试验 此外，还有此外，还有环境疲劳试验环境疲劳试验，如在腐蚀性环境，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。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。我们主要讨论结构构件的疲劳试验问题。 Lab of Prof. Tian Lab of
16、Prof. Tian ShizhuShizhu182.7 结构疲劳试验一、结构疲劳试验的目的一、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，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。到疲劳破坏时荷载的重复次数。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu19 结构所能承受的荷载重复次数及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应力达到的最大值均与应力的变
17、化幅度有关。研究表明，在一定应力变化度有关。研究表明，在一定应力变化幅度下，当幅度下，当疲劳应力小于疲劳应力小于某一应力值某一应力值以后，荷载重复次数的增加不再会引以后，荷载重复次数的增加不再会引起结构的疲劳破坏。该疲劳应力值称起结构的疲劳破坏。该疲劳应力值称疲劳极限应力疲劳极限应力，结构设计时必须严格，结构设计时必须严格按照疲劳极限应力进行设计。按照疲劳极限应力进行设计。n应力与重复荷载作应力与重复荷载作用次数的关系用次数的关系飞Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu20二、结构疲劳试验的内容二、结构疲劳试验的内容 抗裂性及开裂荷载；
18、抗裂性及开裂荷载； 裂缝宽度及其发展；裂缝宽度及其发展； 最大挠度及其变化幅度；最大挠度及其变化幅度； 疲劳极限强度。疲劳极限强度。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu21二、结构疲劳试验的内容二、结构疲劳试验的内容对于科研性的疲劳试验对于科研性的疲劳试验，还应包括：，还应包括： 各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律。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特征分析 疲劳破坏荷载及承受疲劳荷载的重复次数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裂缝的宽度、长度、间距及其随
19、荷载重复次数的变化。的变化。 钢筋及混凝土的应力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 Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu22三、结构疲劳试验的荷载三、结构疲劳试验的荷载1 1、疲劳测试的上限荷载、疲劳测试的上限荷载Q Qmaxmax是根据构件在标准荷载下最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，荷载下限则根据疲劳试不利组合所产生的弯矩计算而得，荷载下限则根据疲劳试验机性能要求而定。验机性能要求而定。如图是疲劳试验荷载的加载制度。正弦、等幅以模拟结构如图是疲劳试验荷载的加载制度。正弦、等幅以模拟结
20、构构件在使用阶段不断反复加载载的受力状态。构件在使用阶段不断反复加载载的受力状态。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu232 2、疲劳测试的荷载频率（速度）、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。荷载频率的满足条件。 或或1.31.3为构件固有频率；为构件固有频率；为荷载频率。为荷载频率。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian Shiz
21、huShizhu243 3、疲劳循环次数、疲劳循环次数 构件经受下列控制次数的疲劳荷载作用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。满足现行规范中的有关规定。中级工作制吊车梁中级工作制吊车梁 n=2106次次重级工作制吊车梁重级工作制吊车梁 n=4106次次Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu25四、结构疲劳试验的步骤四、结构疲劳试验的步骤一般等幅疲劳测试的程序如下：一般等幅疲劳测试的程序如下：1 1、静载试验阶段、静载试验阶段 在静载试验前
22、先预加载，加载值为在静载试验前先预加载，加载值为20%20%的的QmaxQmax，以消除松动，接触不良，压紧构件并检查测试以消除松动，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，与一般静力试验基本相同，分五级分五级加至加至QmaxQmax，然，然后按同样等级卸回至零荷载。后按同样等级卸回至零荷载。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu262 2、疲劳试验阶段、疲劳试验阶段疲劳试验期间应保持荷载上、下限值的疲劳试验期间应保持荷载上、下限值的稳定稳定
23、，其误差不宜超过最大荷载的其误差不宜超过最大荷载的3 3。在试验过程中。在试验过程中还应有计划地停机进行还应有计划地停机进行静态测点读数静态测点读数，停机宜在，停机宜在重复加载到重复加载到1 1、1010、5050、100100、200200、400400万次时进万次时进行。行。 动应变和动挠度的量测，应在荷载加至动应变和动挠度的量测，应在荷载加至1 1、2 2、5 5、1010、2020、5050、100100、150150、200200、300300、400400万次万次时分别进行。此外，时分别进行。此外，在临近破坏时也应加强观测。在临近破坏时也应加强观测。Lab of Prof. Tia
24、n Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu27五、结构疲劳试验的观测五、结构疲劳试验的观测1 1、疲劳强度、疲劳强度构件所能承受荷载作用次数构件所能承受荷载作用次数(n)(n)，取决于最大应力，取决于最大应力值值maxmax及应力变化幅度及应力变化幅度 ；依据此条件进行疲劳试验，在控制疲劳次数内，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。构件的强度、刚度、抗裂性应满足现行规范要求。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu28当进行当进行科研性科研性疲劳试验时，构件是以疲劳极
25、限强疲劳试验时，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限值为件达到疲劳破坏时的荷载上限值为疲劳极限荷载疲劳极限荷载。构件达到疲劳破坏时的应力最大值为构件达到疲劳破坏时的应力最大值为疲劳极限强疲劳极限强度。度。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu29为了得到给定值条件下的疲劳极限强度和疲劳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，取定最大应力值能力，取定最大应
26、力值maxmax，作疲劳试验，求得疲，作疲劳试验，求得疲劳破坏时荷载作用次数劳破坏时荷载作用次数n n，从，从maxmax与与n n双对数直线关双对数直线关系中求得控制疲劳次数下的疲劳极限强度，系中求得控制疲劳次数下的疲劳极限强度，作为标作为标准疲劳极限强度准疲劳极限强度。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。往将破坏阶段延长至构件完全丧失承载能力。Lab of Prof. Tian Lab o
27、f Prof. Tian ShizhuShizhu302 2、疲劳试验的应变测量、疲劳试验的应变测量 一般采用电阻应变片测量动应变，测点布置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：依试验具体要求而定。测试方法有以下两种： （1 1）动态电阻应变仪和记录仪组成测量系统。）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。这种方法的缺点是测点数量少。 （2 2）用静动态电阻应变仪组成测量系统。这）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。种方法简便且具有一定精度，可多点测量。Lab of Prof. Tian Lab
28、 of Prof. Tian ShizhuShizhu313 3疲劳试验的裂缝测量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。器电测裂缝等。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu324 4疲劳试验的挠度测量疲劳试验的挠度测量 疲劳试验中动挠度测量可采用接触
29、式测疲劳试验中动挠度测量可采用接触式测振仪、差动变压器式位移计和电阻应变式位振仪、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。荷载下的动挠度。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu33六、疲劳试验试件的安装六、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，因此试件的安装验的时间长，试验过程振动大，因此试件的
30、安装就位以及相配合的安全措施均须认真对待，否则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。将会产生严重后果。1 1严格对中严格对中。荷载架上的分配梁、作动器、试验。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。器轴心一定要同构件断面纵轴在一条直线上。 Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu342 2保持平稳保持平稳。疲劳试验的支座最好是可调的，即。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。另外作动器使构件不够平直也能调整安装水平。另外作动器与试件之间、支座与支墩之间、构件与支座之间与试件之间、支座与支墩之间、构件与支座之间都要确实找平，用砂浆找平时不宜铺厚，因为厚都要确实找平，用砂浆找平时不宜铺厚，因为厚砂浆层易压酥。砂浆层易压酥。3 3安全防护安全防护。疲劳破坏通常是脆性断裂，事先没。疲劳破坏通常是脆性断裂，事先没有明显预兆。为防止发生事故，对人身安全、仪有明显预兆。为防止发生事故，对人身安全、仪器安全均应很好注意。器安全均应很好注意。Lab of Prof. Tian Lab of Prof. Tian ShizhuShizhu35谢谢谢谢！
