第六章 结构动载试验

6.2 动力荷载特性试验
加载方法：惯性力、电磁激振、疲劳机和液压振动台、爆 炸冲击。
二、主振源的探测
分析实测振动波形，按照不同振源将会引起规律不同的强迫 振动这一特点，可以间接判定振源的某些性质，作为探测主 振源的参考依据。 • 冲击振源：振动图形是间隙性的阻尼振动，而且有明显尖峰 和衰减的特点，类似于有阻尼自由衰减振动。
2、共振法
它利用一个频率可调的激振机（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曲线。
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,曲线极值对应的频率就是结构的固有频率；
结构的阻尼比： ω1 ω2 ω3
A 2
0.707 A1max A1maxA2max
6.3 结构动力特性测定
指结构本身所固有的振动方式，表现为固有频率、 振型和阻尼等。这些特性由结构本身（材料、质量、 刚度等）决定，与外荷载无关。
固有频率、振型可以根据动力学原理计算得到， 但由于计算模型与实际结构有较大的差异，因此计算 误差较大。阻尼系数必须通过试验测得。
试验方法有自由振动法、共振法、脉动法等。
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，如刚度、固有频率、阻尼等；
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）振源需要移动，仅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。
6 结构动力试验
6.1 概述
结构动载试验是结构试验工作的一个重要组成部分。通 过动力加载设备直接对结构施加动力荷载，可以了解结构 的动力特性，研究结构在一定动荷载下的动力反应，评估 结构在动荷载作用下的承载力及疲劳寿命等特性。
结构动力测试包括四个方面的内容：
（1）动荷载特性的测定；（2）结构自振特性的测定；（3） 结构在动荷载作用下反应的测定；（4）结构的疲劳特性。
6.2 动力荷载特性试验
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．自由振动法
• 自振频率和阻力比：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。
自振频率： f 1 T
阻尼比： 1 ln xn k xnk
当只或取两：个 相邻1的l峰n 值xn计算： 或 12lnk xn xnk
2 xn1
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振源 引起的合成振动图形 三个简谐振源引起的复杂的 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
三、动荷载特性测定
• 直接测定法：通过传感器直接测定动荷载各种参数。 • 间接测定法：
• 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。
动力系数测定
• 承受移动荷载的结构如吊车梁、桥梁等，常常需要确 定它的动力系数，以判定结构的工作情况。动挠度与 静挠度的比值称为动力系数： yd
ys
慢速驶过
快速驶过
• 有轨时测定方法：先使移动荷载以最慢的速度驶过结 构，测得结构的最大挠度，然后使移动荷载按某种速 度驶过，测得各种速度驶过结构的最大挠度，从中找 出最大挠度的某一速度。
无轨时动力系数的测定
• 无轨时：由于两次行驶的线路不可能完全一样，故将 移动荷载一次性高速通过，取振动挠度曲线最大值yd 和振动挠度曲线之中线的最大值yj的比值作为动力系数。 yd
yj
疲劳试验
疲劳试验基本概念： 1、疲劳现象：结构在反复循环荷载作用下，由于结构某
一部分局部损伤的递增和积累，导致裂纹的形成并逐 步扩展，当循环达到一定次数时，结构应力在低于强 度设计值情况下发生脆性破坏，这就是结构或材料的 疲劳现象。 2、疲劳强度：一般与幅值和重复次数有关，当循环应力 小于某值时，荷载重复次数的增加不会引起疲劳破坏， 当超过该值时则会产生疲劳破坏，该值叫疲劳强度。
某结构在受动力荷载 作用后，测得振动记录曲 线如下图所示，试根据图 示振动曲线所标明的数据， 计算该结构的自振频率和 阻尼比。
自振频率： f 1 =1/0.2=5(Hz)
T
阻尼比： 1 ln xn =1/(3*π)*ln(25/19)=0.291 k xnk
或： 1 ln xn 2k xnk
0.707 A2max
t1 t2 t3
ω
3源自文库脉动法
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，可 得到结构的动力特性。
3、疲劳试验目的：研究结构的结构性能及其变化规律， 确定疲劳极限（疲劳破坏时的强度值）和疲劳寿命 （荷载重复作用的次数）。
4、疲劳试验分类：等幅等频疲劳、变幅变频疲劳和随机 疲劳。
结构疲劳试验的方法
6.4 结构动力反应试验
• 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、 动挠度等。
动应变和动挠度的测 定：如下图，可通过布置 动态应变仪或位移传感器 测出应变时程曲线或位移 时程曲线。
• 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。