“结构动力特性测量实验”辅导资料
结构动力特性测试方法及原理
结构动力特性的测试方法及应用(讲稿)一. 概述每个结构都有自己的动力特性，惯称自振特性。
了解结构的动力特性是进行结构抗震设计和结构损伤检测的重要步骤。
目前，在结构地震反应分析中，广泛采用振型叠加原理的反应谱分析方法，但需要以确定结构的动力特性为前提。
n 个自由度的结构体系的振动方程如下：[][][]{}{})()()()(...t p t y K t y C t y M =+⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎭⎬⎫⎩⎨⎧ 式中[]M 、[]C 、[]K 分别为结构的总体质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵，均为n 维矩阵；{})(t p 为外部作用力的n 维随机过程列阵；{})(t y 为位移响应的n 维随机过程列阵；{})(t y为速度响应的n 维随机过程列阵；{})(t y为加速度响应的n 维随机过程列阵。
表征结构动力特性的主要参数是结构的自振频率f （其倒数即自振周期T ）、振型Y(i)和阻尼比ξ，这些数值在结构动力计算中经常用到。
任何结构都可看作是由刚度、质量、阻尼矩阵（统称结构参数）构成的动力学系统，结构一旦出现破损，结构参数也随之变化，从而导致系统频响函数和模态参数的改变，这种改变可视为结构破损发生的标志。
这样，可利用结构破损前后的测试动态数据来诊断结构的破损，进而提出修复方案，现代发展起来的“结构破损诊断”技术就是这样一种方法。
其最大优点是将导致结构振动的外界因素作为激励源，诊断过程不影响结构的正常使用，能方便地完成结构破损的在线监测与诊断。
从传感器测试设备到相应的信号处理软件,振动模态测量方法已有几十年发展历史，积累了丰富的经验，振动模态测量在桥梁损伤检测领域的发展也很快。
随着动态测试、信号处理、计算机辅助试验技术的提高，结构的振动信息可以在桥梁运营过程中利用环境激振来监测，并可得到比较精确的结构动态特性（如频响函数、模态参数等）。
目前，许多国家在一些已建和在建桥梁上进行该方面有益的尝试。
测量结构物自振特性的方法很多，目前主要有稳态正弦激振法、传递函数法、脉动测试法和自由振动法。
结构动力特性测试
T
n周
T= t / n
二：强迫振动法
' — —
1.激振方法：可变周期（变频）振动荷载、离心电机、电磁激励荷载 （荷载幅值不变） 2.测试方法：测量记录下结振幅——频率关系 A
振幅
ω1
ω2
ω3 ω4
ω
7.2.2 结构阻尼的测量
△
阻尼来源：结构内部、外部、支座 阻尼对振动影响： 共振时 1 抗震中：大好 p=ql 隔振中：小好
4. 检测方法 自由激振法
人工激振法
强迫激振法 环境随机振动法
7.2 人工激振法测量结构动力特性 7.2.1 人工激振测量自振频率
一：自由振动法 1.激振方法：人工施加初位移、初速度、突加荷 2.测试方法：测量记录下结构振幅（加速度或速度）—— 时间关系
A
振幅（位移、速度、加速度）
t 时间
Hale Waihona Puke TTt第七章 结构动力特性试验
7.1 概述 1.动力特性参数（或模态参数） 自振频率（周期）、阻尼参数、振型 是结构固有特性与外荷载无关 2.要求：动力试验的基本内容 结构动力计算和试验所必需的基本参数 3.作用：（1）抗震设计中 地震作用力大小—结构自振周期 动力计算模型——结构动力特性 （2）防共振、隔振、减振 （3）检测、诊断结构健康状态
xn+2 xn+k
1 xn λ =2 ln x n+k k
1 μ (θ )
p
百分表
c
p
ql/2 ql/2
拉
介绍：主要方法、振型的概念
7.2.3 振型测量
l/4 l/2 l/4
m
1
1
0.5
0.3
单自由度
结构动力特性试验
OFS
LPFG
FBG
EFPI
四、试验过程
1、熟悉传感器和测量仪器，并连线。 2、打开设备电源，预热10min。 3、启动DHDAS_5920动态信号采集分析软件，
熟悉界面。
4、测量参数设置 （1）分析参数设置 z 采样频率：1k~2kHz； z 采样方式：连续
其余不用设置。
OFS
LPFG
FBG
EFPI
OFS
应变片
m
Z 0(t)
LPFG
FBGZ1 ( t )
EFPI
（2）压电式加速度传感器
¾ 振动时质量块产
生的惯性力，使压
电元件产生变形，
从而产生与加速度
成正比的电荷，经
m
后级电荷放大器后
得到与加速度成正
比的电压值。
3
优点：
引出线
¾（1）体积小，重量轻，对被测体的影响小。
¾（2）频率范围宽、动态范围大、测量灵敏 度高。
25
EFPI
灵敏度的选择
（1）土木工程和超大型机械结构的振动 在1~100ms-2左右，可选300~30pC/ms-2 的加速度传感器。
（2）特殊的土木结构（如桩基）和机械 设备的振动在100~1000ms-2，可选择 20~2pC/ms-2 的加速度传感器。
（3）碰撞、冲击测量一般10k~1Mms-2， 可选则0.2~0.002pC/ms-2 的加速度传感 器。
OFS
LPFG
FBG
EFPI
频率选择
选择加速度传感器的频率范围应高于被 测试件的振动频率。有倍频分析要求的 加速度传感器频率响应应更高。
土木工程一般是低频振动，加速度传感 器频率响应范围可选择0.2~1kHz
(优选)结构动力特性测定次课.
§2.5 结构动力特性测定
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，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 上去的重物附结构一起振动，对结构有一定 的影响。
5
§2.5 结构动力特性测定
➢突卸荷载，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 动振动。
物固有频率，需通过分析判断并区别之。
35
§2.5 结构动力特性测定
谐量分析法
36
§2.5 结构动力特性测定
(三) 相关或功率谱分析法 假设建筑物的脉动是一种平稳的各态历经的随机 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 况下上述假设是成立的。这样就可以利用脉动振 幅谱(均方根谱)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。
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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“频率扫描’’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。
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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。激振力与激振器转速 的平方成正比。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， 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。
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§2.5 结构动力特性测定
(a)为拾振器和激振器的布 置。
(b)为共振时记录下的振动 曲线图。
(c)为振型曲线。
绘制振型曲线图时，要规定位 移的正负值。在图上规定顶层 的拾振器(1)的位移为正，凡 与它相位相同的为正，反之则 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 型曲线。
(优选)结构动力特性测定次课.
以 A 2为纵座标，ω为横座
标作出共振曲线，如图在纵
座标最大值Ymax的0.707倍处
作一水平线与共振曲线相交 于A和B两点，其对应横座标
是ω1与ω2。
则阻尼比为：
2 1 2 0
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以其推导过程如下
动力放大系数
D＝ P0 K
=
[(1 2 )2 (2 )2 ]1/ 2
0
D=
1 0
2、共振法 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 助共振现象来观察结构的自振性质。
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将激振器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 激振方向和安装位置要根据所试验结构的 情况和试验目的而定。
13
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 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不是节点的地 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 大致形式心中有数。
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 成和材料性质等因素，经过简化计算得出的理论 数据误差比较大。
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 的实际意义。
3
§2.5 结构动力特性测定
1、自由振动法 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 本频率和阻尼系数。
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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“频率扫描’’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。
结构动力特性-文档资料
一般采用惯性式机械离心激振器对结构施加周期性 和简谐振动，使结构产生简谐强迫振动。
二、共振法
（二）资料整理
（1）结构的固有频率测定
由结构动力学可知，当干扰力的频率与结构本身固 有频率相等时，结构就出现共振。
二、共振法
（2）确定结构的阻尼系数和阻尼比
采用半功率法（0.707法）由共振曲线图求得结构 的阻尼系数和阻尼比。
具体作法如下：
1.以振幅为纵坐标，ω为横坐标作出共振曲线见图5-14。 2.曲线上峰值对应的频率即为结构的固有频率。 3.从共振曲线上在纵坐标最大值ymax的0.707倍处作一水平 线与共振曲线相交于A和B两点，其对应横坐标是ω1和ω2， 则半功率点带宽为
连续改变激振器的频率，同时记录下结构的振幅，就 可作出频率――振幅关系曲线或共振曲线。
二、共振法
共振曲线中峰值对应的 频率即为结构的固有频 率（或周期）。如图513，第一个峰值对应的 频率为第一阶固有频率 （基本频率），第二个 峰值对应的频率为第二 阶固有频率。
图5-13 共振时的振动图形和共振曲线
（一）原理
脉动是不规则的，但当脉动的卓越频率接近（或等于）结 构的固有频率时，结构会产生“拍振”或“共振”，此时， 脉动记录光点振幅大，波形光滑，而且这样的情形总是多 次重复的。
注意：观测时，应避开外界有规则干扰。
• 1.主谐量法
• 建筑物固有频繁的 谐量是脉动里最主 要的成分，在脉动 图上可直接量出来。 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 此频率为建筑物的 固有频率，见图516。
建筑结构试验第6章结构动载试验资料
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 频率和阻力比确定方法如下。
1 自振频率： f T xn 1 阻尼比： ln k xn k xn 1 或： ln 2k xn 2 k
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磁电式速度传感器见第3章内容
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。
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。
3）破坏试验阶段 在试验加载次数达到要求后，采用静载或疲劳试验的方 法，进行试件破坏试验。
三、观测设计 按荷载作用下的最不利组合确定试件主要受力部位和内力控 制截面。 梁式试件：主要检测其正截面和斜截面的疲劳强度、抗裂性 和挠度。 屋架疲劳试验：主要量测其杆件内力、抗裂性和屋架挠度、 承受悬挂吊车作用的节点和支座节点的疲劳性能。 预应力构件：量测预应力锚具和受预应力作用影响的受力部 位的疲劳性能。 四、安全装置 疲劳试验是较长时间的动态试验（如中级吊车梁2E6，按 500次/min计算需70h），试验过程中振动较大，因此应设置 专门的安全保护措施。
结构动力特性试验
第七章结构动力特性试验7.1概述建筑结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能。
它的主要内容包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等一些基本参数，也称动力特性参数或振动模态参数。
这些特性是由结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质，构造连接等因素决定，但与外荷载无关。
建筑结构动力特性试验量测结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容，在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抗御其它动荷载的性能和能力时，都必须要进行结构动力特性试验，了解结构的自振特性。
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。
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。
在设计中可以便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。
建筑结构的动力特性可按结构动力学的理论进行计算。
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，而引起人们的关注和重视。
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。
当然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。
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结构动力特性测量实验辅导资料
主题：结构动力特性测量实验的辅导资料
学习时间：2013年6月24日－7月21日
内容：
这周我们将学习结构动力特性测量实验的相关内容。
一、学习要求
学习要求及需要掌握的重点内容如下：
1、掌握实验的目的；
2、掌握实验主要的仪器和设备；
3、掌握实验的整个实验步骤；
4、掌握实验数据的处理方法。
二、主要内容
结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能，主要包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等，这些参数与外荷载无关。
测量结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容，在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抵御其它动荷载的性能和能力时，都必须要进行结构动力特性试验。
通过结构动力特性的测量，能够得到结构的自振频率，可以避免和防止动荷载所产生的干扰与结构共同作用产生的共振现象。
此外，受损开裂结构的刚度减小，导致结构自振周期变长，阻尼变大，因此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料和数据。
本次实验的题目为《结构动力特性测量实验》。
（一）本次试验的目的
1、了解动力参数的测量原理；
2、掌握传感器、仪器及使用方法；
3、通过振动衰减波形求出简支梁的固有频率和阻尼比；
（二）本次试验使用的仪器、设备及试验构件
本次实验需要用到的仪器和设备主要包括三个：
1、振动传感器DH105，也叫拾振器，主要是用来将振动信号转换成电荷信号输出；优点是体积小、重量轻、对被测物体影响小，频率范围宽、动态范围大，主要参数如表所示，我们在振动传感器的选择上最关心的指标是灵敏度、频率范围和量程。
2、与之配套的电荷适配器，主要作用是将压电传感器的电荷信号转换成电压信号；
3、东华DH5922动态信号测试分析仪，主要用来采集振动传感器输出的电信号，并将其转换成数字量传递给计算机。
除了上述传感器和数据采集设备，试验中还用到了用于数据记录的笔记本电脑、锤子和木制简支梁，其参数如下表所示：
（三）试验原理
1、阻尼比和固有频率的计算方法
究竟如何来确定体系的阻尼比和固有频率呢？同学们看下面公式：
21ζ-=f f d
这里ζ为阻尼比，f d 和f 分别为有阻尼和无阻尼振动频率。
由于工程实际中阻尼比常在0.02～0.2之间，远小于1，则有
f f f ≈-=21ζd
即，有阻尼的振动频率可以近似等于无阻尼的振动频率，相应地，有阻尼的振动周期可以近似等于无阻尼的振动周期：
T f f T d d =≈=
11
此处，T d 和T 分别为有阻尼和无阻尼振动周期。
因此，阻尼比可以近似等于
)
()(ln
d i i nT t A t A n +≈
πζ2 1
其中
)(i t A 代表第i 个周期的振幅，)(d i nT t A +代表i+n 个周期的振幅。
2、结构动力特性测量的主要方法
结构动力特性试验的方法主要有：（1）人工激振法（2） 环境随机振动法 试验室中通常采用人工激振法测量结构自振频率，包括强迫振动（也就是振动）和自由振动法。
自由振动法就是在试验中采用初位移或初速度的突卸载或突加载的方法，使结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。
本次实验采用手锤敲击的方法对简支梁
进行激振，从而产生振动；
试验时将振动传感器布置在简支梁的跨中，通过振动传感器和动态测试仪器，对振动信号进行记录，可以得到结构的有阻尼自由振动曲线，在曲线上量取振动波型中相邻周期波峰所对应的时刻和振幅，通过时刻差可以直接求出振动周期，从而得到结构的自振频率；而通过相邻周期波峰的振幅，通过上述公式，可以直接计算出简支梁的阻尼比。
3、压电式加速度传感器
振动时质量块产生的惯性力，使压电元件产生变形，从而产生与加速度成正比的电荷，经后级电荷放大器后得到与加速度成正比的电压值。
优点：
1
质量块
2
压电晶片
4、振动传感器的选择依据（拾振器的选择依据）
最为关心的技术指标为：灵敏度、频率范围和量程。
（1）灵敏度：土木工程和超大型机械结构的振动在1～100ms-2左右，可选300～30pC/ms-2的加速度传感器；
（2）频率：土木工程一般是低频振动，加速度传感器频率响应范围可选择0.2～1kHz；
（3）传感器的横向比要小，以尽可能减小横向扰动对测量频率的影响；
5、使用的注意事项
安装面要平整、光洁。
安装方式：不同安装方式对测试频率的响应影响很大：某一振动传感器，螺钉刚性连接使用频率为10kHz；胶粘安装6kHz；磁力吸座2kHz；双面胶1kHz。
加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比，即灵敏度高，质量大的传感器使用频率低。
（四）实验步骤
1、下面我们进行连线。
首先将振动传感器与电荷适配器相连，之后将已连接好的设备与动态采集系统相连，最后将动态采集系统与记录数据的电脑相连。
2、开启计算机，打开动态应变仪的电源，预热10min。
当采集系统中的红灯熄灭，表示系统自检完毕。
3、启动DHDAS-5920动态信号采集分析软件，熟悉界面。
4、设置测量参数：
（1）分析参数设置
采样频率：1k～2kHz；
采用连续采样方式，即一直不断的采集和记录数据。
其余不用设置。
（2）系统参数设置
选定测量通道：2-1，并屏蔽未用通道，避免干扰。
灵敏度：将传感器灵敏度输入相应的通道的灵敏度设置栏内。
由于本试验采用的是加速度传感器，因此参数表中工程单位EU应设为m/s2，传感器灵敏度单位为PC/EU，表示每个工程单位输出多少电荷，DH105振动传感器给定的参数的为300PC/EU，即300PC/m/s2。
量程范围：调整量程范围，使实验数据达到较好的信噪比。
调整原则：不要使仪器过载，也不要使得信号过小。
5、现在设备已经预热完毕。
我来把整个过程演示一下，请同学们注意观察。
在进行测量之前，首先要对动态应变仪清零。
6、启动数据采集，用手锤敲击简支梁，使其产生自由衰减振动。
7、现在屏幕上显示的是拾振器测量的单自由度自由衰减振动波形，记录6次冲击后停止采集。
8、根据采集的波形可进行数据读取，如下图所示。
21.621.822.022.222.422.6
幅值 / m /s 2
时间 / s
本次试验中采集的数据如下表所示：
（五）数据处理
1、简支梁的基本数据如上表所示
2、为了提高准确度，选择波形较好的几个周期进行分析；
试验中得出的第i个周期和第i+n个周期的数据如上表所示；
3、将读取的数据填入到实验报告的表格中，根据实验数据按下列公式计算出简支梁的一阶固有频率和阻尼比，完成本次试验的计算内容。