华科结构试验结构动载试验

第四章 工程结构动力试验 4.1 概 述
一、结构动力荷载的类型
1）地震作用：对地震进行观测和预报，对建筑结构进行抗震 试验研究。 2）设备振动：如锻锤、吊车制动力，多层工业厂房机器等。 3）风振：风载在高层和高耸结构设计中控制作用，影响舒适 度 4）环境振动：对精密机床、集成电路制造等设备将产生不良 影响。为此，需对地脉动进行测试，根据振动能量的分布 确定防振、隔振或消能措施。 5）爆炸振动：研究建筑物的抗爆问题，研究如何抵抗核爆炸 所产生的瞬时冲击荷载对结构的影响。
1 自振频率： f T xn 1 阻尼比： ln k xn k xn 1 或： ln 2k xn 2 k
振型测量 振型：指在结构某一固有频率下，结构振动形式即变形曲线， 称为频率的振型。 方法：可在结构的不同楼层布置传感器，根据传感器测得的 同一时刻不同楼层的振动幅值来确定结构的振型。（用自由 振动法测量结构的自振特性时，一般只能测得结构的一阶振 型。）
迫位移，然后突然释放，让结构作自由振动。这 种方法的优点是结构自振时荷载已不存在于结构， 没有附加质量的影响，但它仅适用于刚度不大的 结构。同时注意怎样牵拉和释放才能使结构仅在 一个平面内产生振动。
2）初速度加载法（突加荷载法）
方法：利用摆锤或落重（落点处铺设1OO～2OO
mm的砂垫层，小于结构自重的0.1%），作用力的 总持续时间应小于结构的自振周期。
类似的微幅振动，称之为建筑物的脉动反应。通 过量测仪器可以测得脉动反应的波形，波形中近 似“拍”振的区段的振动频率就是结构的自振频 率。
多层房屋脉动反应记录曲线
单层工业厂房脉动反应记录曲线
4.3 振动测量仪器
一、测振传感器原理 质量—弹簧—阻尼系统。 把它固定在振动体上，通过测 量惯性质量相对于传感器外壳 的运动，来获得振动体的振动。
炸药量和离距爆心的距离：按要求模拟的地震烈
度，考虑实际场地条件的特点，由要求的地面质 点运动的最大速度，确定炸药量和爆心至试验结 构的距离。一般来说，要使人工爆炸接近于天然 地震波，要求炸药量大，试验对象离爆心距离远。
3、人激振加载
利用人在结构物上的有规律的活动，即人的身体
作与结构自振周期同步的前后运动，使其产生足 够大的惯性力，对结构激振加载。适合于自振频 率比较低的大型结构。例如：利用这种方法曾在 一座15层的钢筋混凝土建筑上取得了振动记录。
传感器系统的振动方程 为： m( x y) cy ky 0 设被测振动为： x X 0 sin t，则有 my cy ky m X0 sin t
通解为：
y Bent cos 2 n 2 t Y0 sin(t ) 式中：n C / 2m, Y0 X 0u 2 2 Du , arct an 2 2 2 1 u 4D u K C , 阻力比D , 频率比u m 2mn n
利用物体质量在运动时产生的惯性力对结构
施加动力荷载。按产生惯性力的方法，可分为冲
击力加载和离心力加载两种方法。
1 、冲击力加载 特点：作用时间极短，在它的作用下，结构 将产生自由振动，适用于进行结构动力特性的试 验。常用的方法有突然加载法和突然卸载法。
1）初位移加载法（张拉突卸法）
在结构上拉一根钢丝绳，使结构产生一个初始强
试验的一种先进试验设备，其特点是具有自动控制 和数据采集及处理系统，采用了计算机和闭环伺服 液压控制技术，并配合先进的振动测量仪器，可以 在实验室内进行结构物的地震模拟试验，以求得地 震反应对结构的影响。
地震模拟振动台由台面、液压驱动系统、控制系统、
测试和分析系统组成。
地 震 模 拟 振 动 台 组 成
转速恒定的机器设备振源：
具有周期性的振动，波形 具有接近正弦规律。
两个频率相差两倍的简谐 三个简谐振源引起的复杂
振源引起的合成振动图形
的合成振动波形
拍振：当两个频率接近的简谐
振源共同作用时，将会引起拍振
随机振动波形
2、频率分析：根据结构强迫振动的频率和作用力的 频率相同的原则来确定主振源。对于简谐振动可以 直接在振动记录图上量出振动频率，而对于复杂的 合成振动则需将振动信号进行频谱分析（FFT变 换），幅值最大的频率就是主振源的频率。
三向地震模拟振动台
五、其他加载方法
1、反冲激振器加载（火箭激振） 它适用于现场结构试验，但小冲量的也可用于实验室。目 前使用的反冲激振器的反冲力为 0.1～0.8 kN 和1～8kN。
2、人工爆炸加载--人工地震
利用在地面或地下炸药爆炸的方法产生地面运动
的瞬时动力效应，模拟某一烈度的天然地震对结 构的影响，称之为“人工地震”。
4.4.2 结构动力特性试验
一、结构动力特性 包括结构的自振频率、阻尼比、振型等基本参数，也称振 动模态参数。这些特性由结构本身（质量、刚度等）决定， 与外荷载无关。
二、测定方法 自由振动法、共振动法、脉动法 1．自由振动法 自振频率和阻尼比：采用初位移或初速度的突卸荷载或突加 荷载的方法，使结构产生自由振动，并记录振动波形。自振 频率和阻尼比确定方法如下。
频率确定：频谱曲线上的每一个峰值对应于结构的
一阶固有频率。
阻力确定：利用半功率法可得到结构的各阶阻尼比。
4.4.3 结构动力反应的测定
1、动态参数：在测试部位布置适当的测振仪器，测定结构的 振幅、频率（频率谱）、速度、加速度、动应变等。 2、振动形态：结构在动荷载作用下的振动变形图，测量和分 析方法与振型确定方法相同。 注意振动变形与振型的区别： 振型：结构按其固有频率 振动时，由惯性力引起的弹 性变形曲线，属于结构的动 力特性，与外荷载无关。 振动变形图：结构在特定 荷载下的变形曲线，一般不 与结构的某一振型一致。 根据振动变形图，可以确 定结构的动内力。
3、脉动法
脉动法：利用被测建筑物周围不规则微弱干扰（如
地面脉动、空气流动等）所产生的微弱振动作为激 励来测定建筑物自振特性的一种方法。该法的最大 优点是不用专门的激振设备。简便易行，且不受结 构物大小的限制。
测试方法：采用测振传感器测量地面自由场的脉动
源和结构的脉动反应，将获得的波形进行频谱分析 （FFT,时域向频率的转换），可得到结构的动力特 性。
二、动力荷载特性测定 直接测定法：通过测定动荷载本身参数以确定其特性。 间接测定法： 1）把机器安装在钢梁上，机器静止，测定结 构的静力和动力特性；2）开动机器，测定结构的振动情况， 确定机器振动造成的振动荷载。3）振源可以移动，适用于 产品检验和标定。 比较测定法： 1）先开振动源，测量结构振动波形； 2）停 机后，开启激振设备，逐渐调整激振设备的频率和激振力等 参数，使结构的振动波形与振动源产生的一样。此时激振设 备的参数即为振动源的动荷载参数。
可能大，可取5～10。 测加速度：应使ω/ωn尽 可能小，可取0.1～0.2 。
加速度传感器的幅频特性曲线
三、磁电式速度传感器 根据电磁感应的原理制成：振动体振动时，线圈与磁钢之 间发生相对运动，根据电磁感应定律，感应电动势E的大小为： E=BLnv 即E正比于v。

磁电式速度速度传感器
特 点：低频性能较好0.5-100Hz；灵敏度高。既能
技术指标： 1）灵敏度。有电荷灵敏度Sq（pC／g）和电压灵敏 度Sv(mV／g）。传感器几何尺寸愈大，灵敏度愈 高，但使用频率愈窄。反之：灵敏度也减小，使 用频率范围加宽。 2）安装谐振频率f 。 3）频率响应。取传感器安装谐振频率的1/5～1/10为 测量频率的上限，测量频率的下限可以很低。 4）幅值范围。
二、 结构动载试验的内容
加载方法：惯性力、电磁激振、疲劳机和液压振
动台、爆炸冲击
测定振源特性：测定振动的大小、方向、频率及
其规律。
测定结构动力特性：结构自振频率、阻尼比和振
型。
测定结构的动力反应：位移（振幅）、速度、加
速度、动应力、动力系数
4.2 动载试验加载方法
一、 惯性力加载法
1--外壳 2a、2b--弹簧 3--动圈 4--铁芯 5--励磁线圈 5--顶杆
优点：激振频率范围较宽（一般200Hz以内，个别
可达 1000HZ），推力较小（10kN以内），重量轻， 控制方便，可按给定信号可产生各种波形的激振力。 缺点：激振力不大，位移小。仅适合于小型结构及 模型试验。
2、离心力加载
离心力加载是根据旋转质量产生的离心力对结构施加简谐
振动荷载。其特点是运动具有周期性，作用力的大小和频 率按一定规律变化，使结构产生强迫振动。
二、电磁加载法
1、电磁式激振器
根据电磁感应原理，当磁场中的线圈通过简 谐变化的交变电流时，顶杆作用于结构的激振力 也按同样规律变化，且激振力与通过线圈的电流 成正比。
加速度传感器的幅频特 性公式为： Y0 am
2 n
1 u
1 4 D 2u 2
2 2
当 / 《1( 0.2)时，Y 2 / a 1, 相位差趋于 1800。 n 0 n m
振动测量时，根据振动 频率和测振传感器自振 频率之间的关系，来选 择合适的传感器。
测量位移：应使ω/ωn尽
2、共振动法 它利用专门的起振机（一般采用离心激振器）对结构施加 周期性的简谐振动，使结构产生强迫振动，记录各个激振频率 及对应振幅，并作A~ω。利用干扰力频率与结构自振频率相等 时，结构产生共振的原则确定结构自振频率，利用半功率法确 定结构的阻尼比。振型测量与自由振动相同。 y
Ym 0.707Ym

适调器：有电压放大器和电荷放大器两种。
五、记录仪
一）数据采集仪 A/D转换器：核心是多路电子开关、A/D转换器和采 样保持器。（模拟量转换为数字量） 计算机：数据采集与分析软件（控制数据采集） 二）磁带记录仪 类似于录音机。