建筑结构试验课件第七章结构动力特性试验详解演示文稿
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第23页，共23页。
❖ 7.2.1 结构自振频率测量 ❖ 2、强迫振动法
强迫振动法也称共振法。一般都采用惯性式机械离心 激振器对结构施加周期性的简谐振动，在模型试验时可采用 电磁激振器激振，使结构和模型产生强迫振动。由结构动力 学可知，当干扰力的频率与结构自振频率相等时，结构产生 共振。
利用激振器可以连续改变激振频率的特点，当结构产 生共振时振幅出现极大值，这时激振器的频率是结构的自振 频率。
❖ 7.2.3 振型测量 ❖ 测振传感器布置：沿结构高度或跨度方向连
续布置水平和垂直测振传感器，整体结构布 置在各层楼面、屋面。 ❖ 试验按振动记录曲线取某一固有频率结构振 动时各个测点同时间位移值，并将位移值连 线，得到结构振型曲线。 ❖ 量测注意振动曲线的相位。
第11页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 2．测量结构动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止动荷
载作用所产生的干扰与结构产生共振或拍振现象。在设计中可以使结 构避开干扰源的影响，同样也可以设法防止结构自身动力特性对于仪 器设备的工作产生干扰的影响，可以帮助寻找采取相应的措施进行防 震，隔震或消震。
❖ 3．结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资
❖ 随着对结构动力反应研究的需要，目前较多 的结构动力试验，特别是研究地震，风震反 应的抗震动力试验，也可以通过试验室内的 模型试验来测量它的动力特性。
第5页，共23页。
7.1 概述
❖ 人工激振法是一种早期使用的方法，试验得到的资料数据直 观简单，容易处理；环境随机振动法是一种建立在计算机技 术发展基础上采用数理统计处理数据的新方法，由于它是利 用环境脉动的随机激振，不需要激振设备，对于现场测试特 别有利。以上任何一种方法都能测得结构的各种自振特性参 数。
1.6E-11 1.4E-11 1.2E-11
1E-11 8E-12 6E-12
3#6-1互谱幅值(m/s*m/s) 3#6-2互谱幅值(m/s*m/s) 3#6-3互谱幅值(m/s*m/s) 3#6-4互谱幅值(m/s*m/s) 3#6-5互谱幅值(m/s*m/s)
4E-12
3#6-6互谱幅值(m/s*m/s)
料和数据。由于结构受动力作用，特别是地震作用后，结构受损开裂使 结构刚度发生变化，刚度的减弱使结构自振周期变长，阻尼变大。由此， 可以从结构自身固有特性的变化来识别结构物的损伤程度，为结构的可 靠度诊断和剩余寿命的估计提供依据。
第3页，共23页。
7.1 概述
❖ 建筑结构的动力特性可按结构动力学的理论 进行计算。
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-2 -1
0
1
2
第21页，共23页。
7.3 环境随机振动法测量结构动力特性
❖ 该工程为七层钢筋混凝土框架结构，平面布 置规则，建筑各层高度分别为2×3.5m、 5×3.4m，混凝土柱截面尺寸均为300×400， 混凝土强度为C20，采用SATWE程序对该结 构进行计算，计算得到该楼两个方向前两阶 振型和周期结果见表3～表4，实测周期与计 算周期的比较结果见表5。
❖ 图2和图3所反映的楼层X、Y方向各通道的时 域波形可以看出,随楼层的增加,结构的脉动反 应呈放大趋势;对各楼层时域波形进行傅氏变 换,以顶层质点作为参考,得到各楼层相对于顶 层质点的互谱结果,具体见图4和图5,由图4和 图5可以看出各层的互谱曲线均在结构的主频 出现明显的波峰。
❖ 根据各楼层互谱幅值进行振型拟合,结果见表 1和表2。
❖ 该建筑平面较为规则，选择在走廊中部沿二 至七层布置纵横两个方向的拾振器，测试时 间为中午下班时间，以避免人为的干扰噪声； 现场采用50Hz的采样频率对结构的脉动速度 反应进行约1小时的采样，抗混滤波器设置 20Hz的低通滤波，数据采集仪1～6通道分别 对应X方向二～七层的速度反应，7～12通道 分别对应Y方向二～七层的速度反应,图2和图 3分别为X、Y方向各通道的时域波形。
第22页，共23页。
7.3 环境随机振动法测量结构动力特性
❖ 表3 X方向计算振型结果：
楼层
相对幅值
1阶 TX1=1.7509S
2阶 TX2=0.5810S
振型
7
1
6
0.958
5
0.871
4
0.742
3
0.577
2
0.385
1
0.174
0
0
-1 -0.644 -0.03 0.594 0.969 0.935 0.509
2E-12
0
Hz
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 第16页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 图5 Y方向各楼层与7层速度反应的互谱曲线
互谱幅值
1.2E-11
1E-11
3#12-7互谱幅值(m/s*m/s)
8E-12
3#12-8互谱幅值(m/s*m/s)
0
0.31538 -0.35096 -0.79038
-1 -0.84038 -0.49808
0
8 7
6 5 4 3
2
1
-2 -1
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ X方向前2阶测试振型结果 Y方向前2阶测试振型结果
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3 2
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1
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8 7
6 5 4 3
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振型
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 表2 X方向前2阶测试振型结果：
楼层
第1阶 f1=2.002Hz
第2阶 f2=5.956Hz
振型
7F(6#) 6F(5#) 5F(4#) 4F(3#) 3F(2#) 2F(1#)
1F
1 0.86755 0.65894 0.49139 0.36225 0.23444
6E-12 4E-12
3#12-9互谱幅值(m/s*m/s) 3#12-10互谱幅值(m/s*m/s) 3#12-11互谱幅值(m/s*m/s)
2E-12
3#12-12互谱幅值(m/s*m/s)
0
Hz
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 第17页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 实际工程测量：
❖ 某疾病控制中心实验楼建于1977年，原设计为六层，实际建成七层钢筋混凝土 框架结构，基础为整体筏板基础，建筑面积约5880m2，建筑为典型的内廊式办公 楼，平面布置规则，结构纵横方向平面尺寸分别为56m，15m，建筑高度约为24m 。
第12页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力பைடு நூலகம்性
第9页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 7.2.3 振型测量 ❖ 结构各个点的位移、速度、加速度是时间和
空间的函数。
❖ 单自由度对应频率有一个，只有一个振型； ❖ 多自由度对应固有频率和若干个振型； ❖ 多自由度振型：称为第一振型、第二振型、、、、
第10页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
第8页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 7.2.2 结构阻尼的测量
❖ 阻尼对振动效应影响较大，与结构形式、材料性质、连接、 支座有关。计算振幅考虑阻尼影响。
❖ 结构体系阻尼大，结构的弹性小，消耗地震荷载能量， 结构有利。
❖ 1、自由振动法确定阻尼； ❖ 2、按强迫振动共振曲线确定结构的阻尼； ❖ 3、由动力系数求组你比。
第6页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 7.2.1 结构自振频率测量 ❖ 1、自由振动法 ❖ 定义：在试验中采用初位移或初速度的突卸或突加荷载的方法，使
结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。 ❖ 现场试验：反冲激振器对结构产生冲击荷载；
❖ 工业厂房：锻锤、冲床或利用行车的纵横向制动产生垂直或水平的
第13页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 图1 X方向各楼层速度反应时域波形
第14页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 图2 Y方向各楼层速度反应时域波形
第15页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 图4 X方向各楼层与7层速度反应的互谱曲线：
互谱幅值
❖ 但由于实际结构的组成，材料和连接等因素， 经简化计算得出的理论数据往往会有一定误 差。对于结构阻尼系数一般只能通过试验来 加以确定。
❖ 因此，建筑结构动力特性试验就成为动力试 验中的一个极为重要的组成部分。
第4页，共23页。
7.1 概述
❖ 结构动力特性试验是以研究结构自振特性为 主，由于它可以在小振幅试验下求得，不会 使结构出现过大的振动和损坏，因此经常可 以在现场进行结构的实物试验，正如本章所 介绍的试验实例。
建筑结构试验课件第七章结构 动力特性试验详解演示文稿
第1页，共23页。
优选建筑结构试验课件第七章 结构动力特性试验
第2页，共23页。
7.1 概述
❖ 1．在结构抗震设计中，为了确定地震作用的大小，必须了解各类结构
的自振周期。同样，对于已建建筑的震后加固修复，也需了解结构的动 力特性，建立结构的动力计算模型，才能进行地震反应分析。
自由振动；
❖ 桥梁：载重汽车越过障碍物或突然制动产生冲击荷载。
❖ 模型试验：锤击法激励模型产生自由振动。
❖ 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。
振动时程曲线，据记录纸带速度或时间座标，量取振动波形的周期， 由此求得结构的自振频率f＝1／T。
第7页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
第18页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 表1 X方向前2阶测试振型结果：
楼层
7 6 5 4 3 2 1 0
相对幅值
1阶 TX1=1.7509S
2阶 TX2=0.5810S
1 0.958 0.871 0.742 0.577 0.385 0.174
0
-1 -0.644 -0.03 0.594 0.969 0.935 0.509
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❖ 7.2.1 结构自振频率测量 ❖ 2、强迫振动法
强迫振动法也称共振法。一般都采用惯性式机械离心 激振器对结构施加周期性的简谐振动，在模型试验时可采用 电磁激振器激振，使结构和模型产生强迫振动。由结构动力 学可知，当干扰力的频率与结构自振频率相等时，结构产生 共振。
利用激振器可以连续改变激振频率的特点，当结构产 生共振时振幅出现极大值，这时激振器的频率是结构的自振 频率。
❖ 7.2.3 振型测量 ❖ 测振传感器布置：沿结构高度或跨度方向连
续布置水平和垂直测振传感器，整体结构布 置在各层楼面、屋面。 ❖ 试验按振动记录曲线取某一固有频率结构振 动时各个测点同时间位移值，并将位移值连 线，得到结构振型曲线。 ❖ 量测注意振动曲线的相位。
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 2．测量结构动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止动荷
载作用所产生的干扰与结构产生共振或拍振现象。在设计中可以使结 构避开干扰源的影响，同样也可以设法防止结构自身动力特性对于仪 器设备的工作产生干扰的影响，可以帮助寻找采取相应的措施进行防 震，隔震或消震。
❖ 3．结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资
❖ 随着对结构动力反应研究的需要，目前较多 的结构动力试验，特别是研究地震，风震反 应的抗震动力试验，也可以通过试验室内的 模型试验来测量它的动力特性。
第5页，共23页。
7.1 概述
❖ 人工激振法是一种早期使用的方法，试验得到的资料数据直 观简单，容易处理；环境随机振动法是一种建立在计算机技 术发展基础上采用数理统计处理数据的新方法，由于它是利 用环境脉动的随机激振，不需要激振设备，对于现场测试特 别有利。以上任何一种方法都能测得结构的各种自振特性参 数。
1.6E-11 1.4E-11 1.2E-11
1E-11 8E-12 6E-12
3#6-1互谱幅值(m/s*m/s) 3#6-2互谱幅值(m/s*m/s) 3#6-3互谱幅值(m/s*m/s) 3#6-4互谱幅值(m/s*m/s) 3#6-5互谱幅值(m/s*m/s)
4E-12
3#6-6互谱幅值(m/s*m/s)
料和数据。由于结构受动力作用，特别是地震作用后，结构受损开裂使 结构刚度发生变化，刚度的减弱使结构自振周期变长，阻尼变大。由此， 可以从结构自身固有特性的变化来识别结构物的损伤程度，为结构的可 靠度诊断和剩余寿命的估计提供依据。
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7.1 概述
❖ 建筑结构的动力特性可按结构动力学的理论 进行计算。
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7.3 环境随机振动法测量结构动力特性
❖ 该工程为七层钢筋混凝土框架结构，平面布 置规则，建筑各层高度分别为2×3.5m、 5×3.4m，混凝土柱截面尺寸均为300×400， 混凝土强度为C20，采用SATWE程序对该结 构进行计算，计算得到该楼两个方向前两阶 振型和周期结果见表3～表4，实测周期与计 算周期的比较结果见表5。
❖ 图2和图3所反映的楼层X、Y方向各通道的时 域波形可以看出,随楼层的增加,结构的脉动反 应呈放大趋势;对各楼层时域波形进行傅氏变 换,以顶层质点作为参考,得到各楼层相对于顶 层质点的互谱结果,具体见图4和图5,由图4和 图5可以看出各层的互谱曲线均在结构的主频 出现明显的波峰。
❖ 根据各楼层互谱幅值进行振型拟合,结果见表 1和表2。
❖ 该建筑平面较为规则，选择在走廊中部沿二 至七层布置纵横两个方向的拾振器，测试时 间为中午下班时间，以避免人为的干扰噪声； 现场采用50Hz的采样频率对结构的脉动速度 反应进行约1小时的采样，抗混滤波器设置 20Hz的低通滤波，数据采集仪1～6通道分别 对应X方向二～七层的速度反应，7～12通道 分别对应Y方向二～七层的速度反应,图2和图 3分别为X、Y方向各通道的时域波形。
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7.3 环境随机振动法测量结构动力特性
❖ 表3 X方向计算振型结果：
楼层
相对幅值
1阶 TX1=1.7509S
2阶 TX2=0.5810S
振型
7
1
6
0.958
5
0.871
4
0.742
3
0.577
2
0.385
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0.174
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-1 -0.644 -0.03 0.594 0.969 0.935 0.509
2E-12
0
Hz
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 第16页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 图5 Y方向各楼层与7层速度反应的互谱曲线
互谱幅值
1.2E-11
1E-11
3#12-7互谱幅值(m/s*m/s)
8E-12
3#12-8互谱幅值(m/s*m/s)
0
0.31538 -0.35096 -0.79038
-1 -0.84038 -0.49808
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ X方向前2阶测试振型结果 Y方向前2阶测试振型结果
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振型
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 表2 X方向前2阶测试振型结果：
楼层
第1阶 f1=2.002Hz
第2阶 f2=5.956Hz
振型
7F(6#) 6F(5#) 5F(4#) 4F(3#) 3F(2#) 2F(1#)
1F
1 0.86755 0.65894 0.49139 0.36225 0.23444
6E-12 4E-12
3#12-9互谱幅值(m/s*m/s) 3#12-10互谱幅值(m/s*m/s) 3#12-11互谱幅值(m/s*m/s)
2E-12
3#12-12互谱幅值(m/s*m/s)
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 实际工程测量：
❖ 某疾病控制中心实验楼建于1977年，原设计为六层，实际建成七层钢筋混凝土 框架结构，基础为整体筏板基础，建筑面积约5880m2，建筑为典型的内廊式办公 楼，平面布置规则，结构纵横方向平面尺寸分别为56m，15m，建筑高度约为24m 。
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7.2 人工激振法测量结构动力பைடு நூலகம்性
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 7.2.3 振型测量 ❖ 结构各个点的位移、速度、加速度是时间和
空间的函数。
❖ 单自由度对应频率有一个，只有一个振型； ❖ 多自由度对应固有频率和若干个振型； ❖ 多自由度振型：称为第一振型、第二振型、、、、
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 7.2.2 结构阻尼的测量
❖ 阻尼对振动效应影响较大，与结构形式、材料性质、连接、 支座有关。计算振幅考虑阻尼影响。
❖ 结构体系阻尼大，结构的弹性小，消耗地震荷载能量， 结构有利。
❖ 1、自由振动法确定阻尼； ❖ 2、按强迫振动共振曲线确定结构的阻尼； ❖ 3、由动力系数求组你比。
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 7.2.1 结构自振频率测量 ❖ 1、自由振动法 ❖ 定义：在试验中采用初位移或初速度的突卸或突加荷载的方法，使
结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。 ❖ 现场试验：反冲激振器对结构产生冲击荷载；
❖ 工业厂房：锻锤、冲床或利用行车的纵横向制动产生垂直或水平的
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 图1 X方向各楼层速度反应时域波形
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 图2 Y方向各楼层速度反应时域波形
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 图4 X方向各楼层与7层速度反应的互谱曲线：
互谱幅值
❖ 但由于实际结构的组成，材料和连接等因素， 经简化计算得出的理论数据往往会有一定误 差。对于结构阻尼系数一般只能通过试验来 加以确定。
❖ 因此，建筑结构动力特性试验就成为动力试 验中的一个极为重要的组成部分。
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7.1 概述
❖ 结构动力特性试验是以研究结构自振特性为 主，由于它可以在小振幅试验下求得，不会 使结构出现过大的振动和损坏，因此经常可 以在现场进行结构的实物试验，正如本章所 介绍的试验实例。
建筑结构试验课件第七章结构 动力特性试验详解演示文稿
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优选建筑结构试验课件第七章 结构动力特性试验
第2页，共23页。
7.1 概述
❖ 1．在结构抗震设计中，为了确定地震作用的大小，必须了解各类结构
的自振周期。同样，对于已建建筑的震后加固修复，也需了解结构的动 力特性，建立结构的动力计算模型，才能进行地震反应分析。
自由振动；
❖ 桥梁：载重汽车越过障碍物或突然制动产生冲击荷载。
❖ 模型试验：锤击法激励模型产生自由振动。
❖ 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。
振动时程曲线，据记录纸带速度或时间座标，量取振动波形的周期， 由此求得结构的自振频率f＝1／T。
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
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7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 表1 X方向前2阶测试振型结果：
楼层
7 6 5 4 3 2 1 0
相对幅值
1阶 TX1=1.7509S
2阶 TX2=0.5810S
1 0.958 0.871 0.742 0.577 0.385 0.174
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-1 -0.644 -0.03 0.594 0.969 0.935 0.509