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1、Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定 建筑结构的动力特性指：建筑结构的动力特性指：固有频率固有频率，振型及阻尼系数振型及阻尼系数等，是结构本身的固有参等，是结构本身的固有参数。它们决定于结构的组成形式、刚度，数。它们决定于结构的组成形式、刚度，质量分布，材料性质。质量分布，材料性质。1教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定 对于比较简单的动力问题，一般只注意结构对于比较简单的动力问题，一般只
2、注意结构的的基本频率基本频率。而为了研究结构的振动规律（如复。而为了研究结构的振动规律（如复杂的多自由度体系），有时还必须考虑第二、第杂的多自由度体系），有时还必须考虑第二、第三甚至三甚至更高阶的固有频率更高阶的固有频率以及相应的振型。以及相应的振型。2教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定 结构物的固有频率及相应的振型虽然可由结结构物的固有频率及相应的振型虽然可由结构动力学原理计算得到。但由于实际结构物的组构动力学原理计算得到。但由于实际结构物的组成和材料性质等因素，经过简化计算得出的理
3、论成和材料性质等因素，经过简化计算得出的理论数据数据误差比较大误差比较大。 阻尼系数则只能通过试验来确定。因此，采阻尼系数则只能通过试验来确定。因此，采用试验手段研究各种结构物的动力特性具有重要用试验手段研究各种结构物的动力特性具有重要的实际意义。的实际意义。3教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定1 1、自由振动法、自由振动法设法使结构产生自由振动，通过记录仪器设法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，由此求出基记下有衰减的自由振动曲线，由此求出基本频率和阻尼系数。本
4、频率和阻尼系数。4教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定结构产生自由振动的方法结构产生自由振动的方法: :突加荷载和突卸荷载两种方法。突加荷载和突卸荷载两种方法。突加荷载突加荷载，是将重物升到某一高度，然后，是将重物升到某一高度，然后释放，使结构产生自由振动，它的缺点是加释放，使结构产生自由振动，它的缺点是加上去的重物附结构一起振动，对结构有一定上去的重物附结构一起振动，对结构有一定的影响。的影响。5教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian
5、 Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定突卸荷载突卸荷载，使结构产生一个初位移，然后，使结构产生一个初位移，然后突然卸去荷载，利用结构的弹性使其产生自突然卸去荷载，利用结构的弹性使其产生自动振动。动振动。6教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定具体的方法：具体的方法：具有吊车的工业厂房，可利用小车突然刹车产生具有吊车的工业厂房，可利用小车突然刹车产生自由振动。自由振动。测定桥梁的动力特性，可以采用载重汽车越过障测定桥梁的动力特性，可以采用载重汽车越过障碍物的办法产生一个冲击荷
6、载。碍物的办法产生一个冲击荷载。用发射反冲小火箭（又称反冲激振器）的方法可用发射反冲小火箭（又称反冲激振器）的方法可以产生脉冲荷载，从而使结构发生自由振动。以产生脉冲荷载，从而使结构发生自由振动。7教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu量测方法量测方法采用自由振动法时，拾振器一般布置在振幅较大处，采用自由振动法时，拾振器一般布置在振幅较大处，要避开某些杆件的局部振动。要避开某些杆件的局部振动。通过测量仪器的记录，可以得到结构的有阻尼自由通过测量仪器的记录，可以得到结构的有阻尼自由振动曲线。在振动时程曲线上，根据时间座标，得到振动
7、曲线。在振动时程曲线上，根据时间座标，得到振动波形的周期或结构的自振频率。振动波形的周期或结构的自振频率。为了消除荷载影响，最初的一个、二个波不用，同为了消除荷载影响，最初的一个、二个波不用，同时，为了提高准确度，可以取若干波的总时间除以波时，为了提高准确度，可以取若干波的总时间除以波数得出平均数作为基本周期，其倒数即为基本频率，数得出平均数作为基本周期，其倒数即为基本频率，建筑物的阻尼特性用对数衰减率或临界阻尼比来表示。建筑物的阻尼特性用对数衰减率或临界阻尼比来表示。8教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性
8、测定结构动力特性测定实测得到的振动记录图一般实测得到的振动记录图一般没有零线，所以在测量阻尼没有零线，所以在测量阻尼时应采取从峰到峰的量法，时应采取从峰到峰的量法，这样比较方便，而且准确度，这样比较方便，而且准确度，对数衰减率为对数衰减率为 临界阻尼比临界阻尼比9教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu自由振动法的原理：自由振动法的原理： 10教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu自由振动法的原理：自由振动法的原理： 11教育教学Lab of Prof. Tian
9、ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定2 2、共振法、共振法利用专门的激振器，对结构施加简谐动荷利用专门的激振器，对结构施加简谐动荷载，使结构产生恒定的强迫简谐振动，借载，使结构产生恒定的强迫简谐振动，借助共振现象来观察结构的自振性质。助共振现象来观察结构的自振性质。12教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu将将激振器激振器牢固地安装在建筑结构上，不使牢固地安装在建筑结构上，不使其跳动，否则将影响试验结果。激振器的其跳动，否则将影响试验结果。激振器的激振激振方向方向和
10、安装和安装位置位置要根据所试验结构的要根据所试验结构的情况和试验目的而定。情况和试验目的而定。13教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu一般说来，整体建筑物动荷载试验多为水一般说来，整体建筑物动荷载试验多为水平方向激振，楼板和梁的动荷载试验多为平方向激振，楼板和梁的动荷载试验多为垂直方向激振。激振器的安装位置应选在垂直方向激振。激振器的安装位置应选在所要测量的各个振型曲线都所要测量的各个振型曲线都不是节点不是节点的地的地方。因此，试验前最好先对结构进行初步方。因此，试验前最好先对结构进行初步的动力分析，做到对所测量的振型曲线的的
11、动力分析，做到对所测量的振型曲线的大致形式心中有数。大致形式心中有数。14教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu由结构动力学可知，当干扰力的频率与结构由结构动力学可知，当干扰力的频率与结构本身固有频率相符时，结构就出现本身固有频率相符时，结构就出现共振共振。因。因此，此，连续连续改变激振器的改变激振器的频率频率，达到使结构产，达到使结构产生共振，这时记录下的频率，就是结构的固生共振，这时记录下的频率，就是结构的固有频率，连续激振下去，应可以得到第一次有频率，连续激振下去，应可以得到第一次共振，第二次共振，第三次共振等。共振，第二
12、次共振，第三次共振等。15教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu在理论上，结构有无限阶自振频率，但频在理论上，结构有无限阶自振频率，但频率越高输出越小，由于受检测仪表灵敏度率越高输出越小，由于受检测仪表灵敏度的限制，一般仅能测到有限阶的自振频率。的限制，一般仅能测到有限阶的自振频率。另外，对结构影响较大的是前几阶，而高另外，对结构影响较大的是前几阶，而高阶的影响较小。阶的影响较小。16教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu测共振频率时，一般总是把激振器的转速由低到
13、高，测共振频率时，一般总是把激振器的转速由低到高，进行几次连续变换的所谓进行几次连续变换的所谓“频率扫描频率扫描试验，同时试验，同时记录下振动曲线图。在图上先找到使建筑物发生共振记录下振动曲线图。在图上先找到使建筑物发生共振的频率值。然后，再在共振频率附近进行稳定的激振的频率值。然后，再在共振频率附近进行稳定的激振试验，仔细地测定结构的固有频率和振型。试验，仔细地测定结构的固有频率和振型。 17教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu当使用偏心式激振器时，应注意到转速不同，当使用偏心式激振器时，应注意到转速不同，激振力大小也不一样
14、。激振力与激振器转速激振力大小也不一样。激振力与激振器转速的的平方成正比平方成正比。为了准确地定出共振曲线，。为了准确地定出共振曲线，应把振幅折算为单位激振力作用下的振幅，应把振幅折算为单位激振力作用下的振幅，即振幅除以相应的激振力。或者把振幅换算即振幅除以相应的激振力。或者把振幅换算为在相同激振力作用下的振幅。为在相同激振力作用下的振幅。18教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu以以 为纵座标，为纵座标，为横座为横座标作出共振曲线，如图在纵标作出共振曲线，如图在纵座标最大值座标最大值Y Ymaxmax的的0.7070.707倍
15、处倍处作一水平线与共振曲线相交作一水平线与共振曲线相交于于A A和和B B两点，其对应横座标两点，其对应横座标是是1 1与与2 2。则阻尼比为：则阻尼比为：19教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu以其推导过程如下以其推导过程如下 动力放大系数动力放大系数 D= D=D= = 平方后平方后20教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu以其推导过程如下以其推导过程如下 忽略根号内忽略根号内 21教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Pro
16、f. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定由结构动力学可知，结构按某一固有频率由结构动力学可知，结构按某一固有频率作振动时形成的弹性曲线称为作振动时形成的弹性曲线称为结构按此频结构按此频率振动的振动形式率振动的振动形式，简称，简称振型振型。22教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定对应于基频、第二频率、第三频率分别有基本振对应于基频、第二频率、第三频率分别有基本振型型( (第一振型第一振型) )、第二振型、第三振型。用共振法、第二振型、第三振型。用共振法测量振型时
17、，要将若干个拾振器布置在结构的测量振型时，要将若干个拾振器布置在结构的各各个部位个部位。当激振器使结构发生共振时，。当激振器使结构发生共振时，同时记录同时记录下结构各部位的振动图，通过比较各点的下结构各部位的振动图，通过比较各点的振幅振幅和和相位相位，即可给出该频率的振型图。，即可给出该频率的振型图。23教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定(a)(a)为拾振器和激振器的布置。为拾振器和激振器的布置。(b)(b)为共振时记录下的振动为共振时记录下的振动曲线图。曲线图。(c)(c)为振型曲线
18、。为振型曲线。 绘制振型曲线图时，要规定位绘制振型曲线图时，要规定位移的正负值。在图上规定顶层移的正负值。在图上规定顶层的拾振器的拾振器(1)(1)的位移为正，凡的位移为正，凡与它相位相同的为正，反之则与它相位相同的为正，反之则为负。将各点的振幅按一定的为负。将各点的振幅按一定的比例和正负值画在图上即是振比例和正负值画在图上即是振型曲线。型曲线。24教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定 有有时时由由于于结结构构形形式式比比较较复复杂杂，测测点点数数超超过过已已有有拾拾振振器器数数量量或或
19、记记录录装装置置能能容容纳纳的的点点数数，这这时时可可以以逐逐次次移移动动拾拾振振器器，分分几几次次测测量量，但但是是必必须须有有一一个个测测点点作作为为参参考考点点，各各次次测测量量中中位位于于参参考考点点的的拾拾振振器器不不能能移移动动，而而且且各各次次测测量量的的结结果果部部要要与与参参考考点点的的曲曲线线比比较较相相位位。参参考考点点也也应应选选在在不是节点的部位。不是节点的部位。 25教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定3 3、脉动法、脉动法 脉动法是通过量测由环境随机激振而产
20、生的脉动法是通过量测由环境随机激振而产生的建筑物微小振动，即建筑物微小振动，即“脉动脉动”来分析建筑物动力来分析建筑物动力特性的方法。特性的方法。 这一方法被广泛地应用于建筑物的动力分析这一方法被广泛地应用于建筑物的动力分析研究中。可以从脉动信号中识别出结构物的研究中。可以从脉动信号中识别出结构物的固有固有频率、阻尼比、振型频率、阻尼比、振型等多种模态参数，还可以用等多种模态参数，还可以用脉动法识别扭转空间振型。脉动法识别扭转空间振型。26教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定建筑物的建筑
21、物的脉动脉动来自两个方面，一方面是来自两个方面，一方面是地面脉动地面脉动；另一方面是另一方面是大气变化大气变化即风和气压等引起的微幅振即风和气压等引起的微幅振动。建筑物的脉动是经常存在的，但及其微弱动。建筑物的脉动是经常存在的，但及其微弱一般只有一般只有几微米几微米到到几十微米几十微米。因此为测量这种信。因此为测量这种信号要使用低噪声和高灵敏度的拾振器和放大器，号要使用低噪声和高灵敏度的拾振器和放大器，数据采集系统，用这种方法进行实测，不需要专数据采集系统，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，门的激振设备，而且不受结构形式和大小的限制，适用于各种结构。适用于
22、各种结构。27教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定但是建筑物本身是一个复杂的体系，当振但是建筑物本身是一个复杂的体系，当振幅增大时，其刚度有所降低，所以，用脉幅增大时，其刚度有所降低，所以，用脉动法在微幅振动条件下所得到的动法在微幅振动条件下所得到的固有频率固有频率比用共振法所得要偏大一些比用共振法所得要偏大一些，应用试验成，应用试验成果时应注意到这一因素。果时应注意到这一因素。 28教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu
23、2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定从分析建筑物的动力特性这个目的出发，从分析建筑物的动力特性这个目的出发，量测建筑物的脉动时必须注意下列几点：量测建筑物的脉动时必须注意下列几点：1 1建筑物的脉动是由于环境随机振动而引起的，建筑物的脉动是由于环境随机振动而引起的，这就可能带来各种频率分量，为得到正确的记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，使所需要录，要求记录仪器有足够宽的频带，使所需要的频率分量不失真。的频率分量不失真。29教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结
24、构动力特性测定2 2根据脉动分析原理，脉动记录中不应有规则根据脉动分析原理，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，以保持脉避开机器或其他有规则的振动影响，以保持脉动记录的动记录的“纯洁纯洁”性。性。3 3为使每次记录的脉动均能反映建筑物的自振为使每次记录的脉动均能反映建筑物的自振特性，每次观测应持续足够长的时间并且重复特性，每次观测应持续足够长的时间并且重复几次。几次。30教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结
25、构动力特性测定4 4布置测点时应将建筑物视为空间体系，沿高布置测点时应将建筑物视为空间体系，沿高度和水平方向同时布置仪器。如仪器数量不足度和水平方向同时布置仪器。如仪器数量不足可作多次测量。这时应有一台仪器保持位置不可作多次测量。这时应有一台仪器保持位置不动作为各次测量比较标准。动作为各次测量比较标准。5 5每次观测最好能记下当时的天气，风向风速每次观测最好能记下当时的天气，风向风速以及附近地面的脉动，以便分析这些因素对脉以及附近地面的脉动，以便分析这些因素对脉动的影响。动的影响。31教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5
26、 结构动力特性测定结构动力特性测定建筑物脉动记录的分析通常采用以下几种方法：建筑物脉动记录的分析通常采用以下几种方法：( (一一) )主谐量法主谐量法建筑物固有频率的建筑物固有频率的谐量谐量是脉动里最主要的成分，是脉动里最主要的成分，在脉动图上可以在脉动图上可以直接直接量出来。凡是振幅大，波形量出来。凡是振幅大，波形光滑处的频率总是多次重复出现。如果建筑物各光滑处的频率总是多次重复出现。如果建筑物各部位在同一频率处的相位和振幅符合振型规律，部位在同一频率处的相位和振幅符合振型规律，那么，就可以确定此频率就是建筑物的那么，就可以确定此频率就是建筑物的固有频率。固有频率。32教育教学Lab of
27、Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定通常通常基频基频出现的机会出现的机会最多最多，比较容易确定。，比较容易确定。对一些较高的建筑物，有时第二、第三频对一些较高的建筑物，有时第二、第三频率也可能出现，但比基频少。记录的时间率也可能出现，但比基频少。记录的时间长一些，分析结果的可靠性就大一些。在长一些，分析结果的可靠性就大一些。在记录曲线比较规则的部分，确定是某一固记录曲线比较规则的部分，确定是某一固有频率后，可以分析出振型来有频率后，可以分析出振型来( (同共振法同共振法) )。33教育教学Lab of Pro
28、f. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu例：某高层建筑固有例：某高层建筑固有频率和振型实测频率和振型实测 34教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定( (二二) )谐量分析法谐量分析法 将建筑物脉动记录图看成是各种频率的谐量合成的结果。将建筑物脉动记录图看成是各种频率的谐量合成的结果。而建筑物固有频率的谐量和脉动源卓越频率处的谐量为其而建筑物固有频率的谐量和脉动源卓越频率处的谐量为其主要成分。因此，用付里叶级数的方法将脉动分解并作出主要成分。因此，用付里
29、叶级数的方法将脉动分解并作出其其频率谱频率谱，在频谱图上建筑物固有频率处和脉动源的振动，在频谱图上建筑物固有频率处和脉动源的振动频率处必然出现突出的峰。一般在基频处是非常突出的，频率处必然出现突出的峰。一般在基频处是非常突出的，而二频、三频处有时也很明显。但也不是所有峰都是建筑而二频、三频处有时也很明显。但也不是所有峰都是建筑物固有频率，需通过分析判断并区别之物固有频率，需通过分析判断并区别之。35教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定谐量分析法谐量分析法 36教育教学Lab of Pro
30、f. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定( (三三) ) 相关或功率谱分析法相关或功率谱分析法假设建筑物的脉动是一种平稳的假设建筑物的脉动是一种平稳的各态历经各态历经的随机的随机过程，并假设结构各阶阻尼比很小，各阶固有频过程，并假设结构各阶阻尼比很小，各阶固有频率相隔较远。在比较平稳的风载和地面脉动的情率相隔较远。在比较平稳的风载和地面脉动的情况下上述假设是成立的。这样就可以利用脉动振况下上述假设是成立的。这样就可以利用脉动振幅谱幅谱( (均方根谱均方根谱) )的峰值确定建筑物固有频率和振的峰值确定建筑物固有频率和振型，用各峰值处的半功率带宽确定阻尼比。型，用各峰值处的半功率带宽确定阻尼比。37教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu2.5 结构动力特性测定结构动力特性测定38教育教学Lab of Prof. Tian ShizhuLab of Prof. Tian Shizhu谢谢！39教育教学
