结构动力性能及试验技术
工程结构实验与检测第3章 结构动力试验
使用时要定期标定。 压电式加速度计原理
四、测振配套仪器
1、放大器 微积分放大器：与位移、速度传感器相配。 电荷放大器：与压电式拾振器相配。 2、动态电阻应变仪 主要用于测动应变，还可以测位移、速度、 加速度、振幅等参数的变化过程。 3、记录仪器
常用的有数据采集仪。
5、仪器配套
磁电式 拾振器
微积分 放大器
其特点是运动具有周期性，作用的 大小和频率按一定规律变化，使结构产 生强迫振动。
离心力加载 ：机械式激振器
机械式激振器
使一对偏心块按相反方向运转，便由离心力产 生一定方向的加振力。改变质量或调整带动偏心质 量运转的电机的转速，可调整激振力的大小。
使用时将激振器底座固定在被测结构物上， 由底座把激振力传递给结构，致使结构受到简谐变 化激励作用。
2 1 2
1 2
振型:用共振法测建筑物振型
3、脉动法
脉动法：是通过测量建筑物由于外界环境脉 动（如地面脉动、气流脉动等）而产生的微幅振 动，来确定建筑物的动力特性。
脉动记录的分析方法有：主谐量法；频谱分析法。 主谐量法：脉动信号的主要成分是基频谐量，
在脉动记录里常常出现酷似“拍”的现象，在波形 光滑之处“拍”的现象最显著，振幅最大。凡有这 种现象之处，振动周期大多相同。这一周期往往即 是结构的基本周期。
时间标志
2i c2h2i
c1, c2 正负应变的标定常数
动应变频率： f
L0 L
f0
二、动位移测定
要全面了 解结构在动力 荷载作用下的 振动状态，可 以设置多个测 点进行动态变 位测量，以作 出振动变位图。
注意：振动变位与振型的区别。
三、动力系数测定
结构动力系数定义为:在移动荷载作用下，结构 的动挠度和静挠度的比值。
建筑结构试验第四章结构动载试验
疲劳试验
❖示例
本章小结
1 概述 2 动载试验仪器仪表 3 结构振动测试 4 结构抗震试验 5 结构疲劳试验
宝山壁画
❖ 宝山壁画是引人注目的昂贵文物。此壁画发现于阿鲁科 尔沁旗东沙布乡境内。1994年列为“全国十大考古新发 现”之一。宝山壁画中最引人注目的是《杨贵妃教鹦鹉 图》。该画高0.7米、宽2.3米，用于笔重彩绘制，最突 出的表现了 晚唐风格。唐代擅长绘贵妇仕女的大师周昉 绘制了《杨贵妃教鹦鹉图》，不仅享誉中原，而且还影 响全国各地。发现于阿旗宝山古墓里的这幅画，就是契 丹人聘请中原画家按照周氏风格绘制的， 技法深得周氏 画风的真传。在唐人真迹稀如星风的今天，能够从中完 整了解唐代人物画的杰出成就，堪称美术史研究的辛事。 这幅壁画现今保存在阿鲁科尔沁旗博物馆，历经千年， 恍如新绘，是该馆的镇馆之宝。
结构抗震试验——伪静力试验
❖常用的三种加载方法 ①控制位移加载法；常以屈服位移或最大层间位移
的某一百分比来控制加载 ②控制荷载加载法； ③控制荷载和位移混合加载法。
结构抗震试验——拟动力试验
❖拟动力试验，其实质就是按照某种确定性的地震 反应进行加载。
❖ 由于结构的恢复力模型未知，运动方程无法求解， 故采用“边试验、边求解”的方法分步得到实测 的结构恢复力模型，然后可完成整个试验加载过 程。
结构抗震试验——伪静力试验
❖结构低周反复加载试验的主要研究内容： ♦ 恢复力模型：相当于结构的物理方程 ♦ 抗震性能判定：强度、刚度、变形、延性、耗能 ♦ 破坏机制研究：为抗震设计提供方法和依据
❖伪静力试验的特点： 试验装置及加载设备简单、观测方便，但加载制 度是人为确定的，与真实情况差异较大，且不能 考虑应变速度及阻尼的影响。试验值偏低，一般 情况下低周反复加载静力试验结果偏于安全。
土木工程结构试验与检测
研究性试验：验证结构设计的某一理论，或验证各种科学的判断、推理、假设及概念的正确性，或者为了创造某种新型结构体系及计算理论，而系统地进行的试验研究。
静力试验：所谓“静力”一般是指试验过程中，结构本身运动均加速度效应（惯性力效应）可以忽略不计。
单调静力荷载试验：试验荷载逐渐单调增加到结构破坏或预定的状态目标，研究结构受力性能的试验。
拟静力试验：也叫低周期反复荷载试验或伪静力试验。
利用加载系统对结构施加逐渐增大的反复作用荷载或交替变化的位移，使结构或构件受力的历程与结构在地震作用下的受力历程基本相似，属于结构抗震试验方法，但其加载速度远低于实际结构在地震作用下所经历的变形速度。
结构动力试验主要包括：①动荷载的特性试验方法：直接测定法、间接测定法、比较测定法。
②结构动力特性试验；③结构的动力反应试验；④模拟振动地震台试验；⑤风洞试验；⑥疲劳试验。
实体试验和模型试验；试验室试验和现场试验；非破坏性试验和破坏性试验。
结构检测：是为了评定结构工程的质量或鉴定既有结构的性能等所实施的检测工作。
研究性试验包括哪几个阶段？设计阶段→准备阶段→实施阶段→总结阶段。
试验阶段试验加载图式：试验荷载在试验结构构件上的布置（包括荷载类型和分布情况）称为加载图示。
试验装置：①试验装置应有足够的刚度，在最大的试验荷载作用下，应有足够承载力（包括疲劳强度）和稳定性。
②试验结构构件的跨度、支撑方式、支撑等条件和受力状态应符合设计计算简图，且在整个试验过程中保持不变。
③试验装置要满足构件的边界条件和受力变形的真实状态，且不应分担试验结构构件承受的试验荷载和不应阻碍结构构件变形的自由发展。
④应满足试件就位支撑、荷载设备安装、试验荷载传递和试验过程的正常工作要求。
加载制度：是指试验进行期间荷载与时间的关系。
测点的选择与布置：用仪器对结构或构件进行内力、变形等参数的量测时，测点的选择与布置应满足以下原则。
仪器选择与测读原则：①选择的仪器，必须能满足试验所需的精度与量程要求。
机械结构动力学性能测试与验证
机械结构动力学性能测试与验证机械结构的动力学性能是评估其稳定性和可靠性的重要指标。
对机械结构的动力学性能进行测试与验证，可以帮助我们了解其振动特性、动态响应以及抗震能力等关键参数。
本篇文章将围绕机械结构动力学性能测试与验证展开讨论。
一、动力学性能测试方法机械结构的动力学性能测试方法多种多样，常见的有模态测试、频率响应测试和振动台试验等。
1. 模态测试：模态测试主要是通过激励机械结构，在不同频率下测量其振型和固有频率。
这个测试方法可以帮助我们了解机械结构的主要振动模态，从而为后续的动态响应分析提供依据。
2. 频率响应测试：频率响应测试是通过施加一个或多个激励信号，测量机械结构的相应输出信号，从而得到结构在不同频率下的传递函数。
这个测试方法能够揭示机械结构在不同频率下的传递特性，为结构设计和分析提供重要依据。
3. 振动台试验：振动台试验是将机械结构固定在振动台上，通过振动台的激励来模拟不同频率和幅值的振动环境。
这个测试方法可以模拟真实的振动载荷，评估机械结构在振动环境下的稳定性和可靠性。
二、动力学性能验证手段机械结构的动力学性能验证可以通过计算分析和试验验证两种手段进行。
1. 计算分析：计算分析是基于有限元分析方法，采用数学模型对机械结构进行模拟。
通过建立合理的模型，进行动力学分析，可以预测机械结构的振动特性和动态响应等参数。
这种手段可以节省资源成本，提前评估机械结构的性能。
2. 试验验证：试验验证是通过实际测试来验证机械结构的动力学性能。
通过上述提到的测试方法，可以获取真实的动力学性能数据，与计算结果进行对比，进一步验证模型的准确性和可靠性。
试验验证结果可以帮助我们优化设计方案，提高机械结构的性能。
三、动力学性能测试与验证在工程中的应用动力学性能测试与验证在工程中发挥着重要的作用。
1. 优化设计：通过动力学性能测试和验证，我们可以了解机械结构的振动模态、频率响应和传递特性等参数。
这些数据可以帮助我们优化设计方案，改善机械结构的性能。
结构动载试验
突加荷载法施加冲击力荷载 1－摆锤；2－结构；3－落重；4－砂垫层；5－试件
• 产生简谐激励的方法：通过扫频方式，使结 构产生共振，来检测结构动力特性，包括： 固有频率、阻尼比、振型等。
1通过旋转偏心轮的离心力产生简谐激励。
2电磁激振器加载
• 液压振动台：用于地震模拟试验、其它动 载试验的加载，可以施加简谐激励、随机 激励。
结构动载试验
• (4) 配有精密设备厂房的防振、隔振和减振，以保 证这些设备的正常工作和工件的加工精度；振动 引起的环境噪声的治理，改善劳动条件、保证工 人健康。
• (5) 桥梁设计与建造中需要考虑车辆运动荷载作用 下的桥梁振动、流水浮冰对桥墩的冲刷和冲击、 大雨使斜拉桥的斜拉索产生的雨振并使索塔产生 振动等。
这些参数取决于结构自身特性，而与外荷载无关。结构的 动力特性是进行结构动力响应计算、进行结构动力和抗震 设计、解决工程共振问题的基本依据，因而结构动力参数 的测试是结构动载试验的最基本内容。
• (2) 振源识别和动荷载特性测定 • 振源识别就是寻找对结构振动起主导作用而危害最大的主
振源，这是振动环境治理的前提。动荷载特性测定是建筑 结构进行动力分析和隔振设计所必须掌握的，直接影响到 结构的动力响应。动荷载特性测定包括：测定结构动荷载 的大小、方向、频率及其作用规律等。
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惯性式传感器的力学原理
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n
1
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2
建筑结构试验名词解释
建筑结构试验一、名词解释1、结构动力特性试验：指结构受动力荷载鼓励时，在结构自由振动或强迫振动情况下量测结构自身所固有的动力性能的试验。
一八 10 082、结构动力反响试验：指结构在动力荷载作用下，量测结构或特定部位动力性能参数和动态反响的试验。
3、结构劳累试验：指结构构件在等幅稳定、屡次重复荷载的作用下，为测试结构劳累性能而进行的动力试验。
二七八4、地震模拟振动台试验：指在地震模拟振动台上进行的结构抗震动力试验。
5、短期荷载试验：指结构试验时限与试验条件、试验时间或其它各种因素和基于及时解决问题的需要，经常对实际承受长期荷载作用的结构构件，在试验时将荷载从零开始到最后结构破坏或某个阶段进行卸载，整个试验的过程和时间总和仅在一个较短时间段内完成的结构试验。
一八6、长期荷载试验：指结构在长期荷载作用下研究结构变形随时间变化规律的试验。
七7、现场试验：指在生产或施工现场进行的实际结构的试验。
8、相似模型试验：按照相似理论进行模型设计、制作与试验。
十9、缩尺模型：原型结构缩小几何比例尺寸的试验代表物。
07 09原型相似：对象是实际结构〔实物〕或者是实际的结构构件模型相似：是仿照〔真实结构〕并按肯定比例关系复制而成的试验代表物，它具有实际结构的全部或局部特征，但大局部结构模型是尺寸比原型小得多的缩尺结构。
结构抗震试验：是在地震或模拟地震荷载作用下研究结构构件抗震性能和抗震能力的特意试验。
拟动力试验：是利用计算机和电液伺服加载器联机系统进行结构抗震试验的一种试验方法。
地震模拟震动台试验：是指在地震模拟振动台上进行的结构抗震动力试验。
低周反复加载静力试验：是一种以操纵结构变形或操纵施加荷载，由小到大对结构构件进行屡次低周期反复作用的结构抗震尽力试验。
短期荷载试验：是指结构试验时限与试验条件、试验时间或其他各种因素和基于及时解决问题的需要，经常对实际承受长期何在作用的结构构件，在试验时将荷载从零开始到最后机构破坏或某个阶段进行卸载，整个试验的过程和时间总和仅在一个较短时间段内〔如几天、几小时、甚至几分钟〕完成的结构试验长期荷载试验：是指结构在长期何在作用下研究结构变形随时间变化规律的试验。
动力试验原理
动力试验原理
动力试验原理是指利用外部力作用于被试体上，从而产生位移、变形或断裂等响应，通过对这些响应的测量和分析获得被试体的材料性能或结构性能的试验方法。
其基本原理可以总结为以下几点：
1.动力试验的本质是探测被试体的本构性质：即在某一外部载荷下，被试体内部的应力和应变关系。
通过研究被试体在各种载荷情况下的响应表现，可以了解其受载能力、材料强度等性能。
2.动力试验的基本量是“位移”：即被试体在外部载荷下的位移量。
而位移量与被试体内部的应力和应变之间存在一定的关系，因此通过测量位移量能够较为准确地反映被试体在受力情况下的响应情况。
3.动力试验所用载荷为短时间内的大载荷：即通过一定的冲击或震荡作用，迅速产生大量能量输入到被试体中，从而在瞬间引起其破坏或变形。
因为大部分材料的应变速率是与应力有关的，所以采用短时间内大载荷的方法能够更好地体现被试体的本构性质。
4.动力试验的最终结果要经过一系列的数据处理和分析，如数据滤波、波形识别、信号处理等，才能得出可靠的试验结果。
因此，动力试验的过程不仅需要高精度的仪器设备和科学的试验方法，还需要专业的技术人员进行设计、实施和分析。
物理实验技术中的材料动力学性能测试方法与实验技巧
物理实验技术中的材料动力学性能测试方法与实验技巧材料科学与工程是一门涉及物质结构和性能的学科，其发展对于现代工程领域的进步至关重要。
而材料的动力学性能测试是衡量材料力学特性的重要手段之一。
本文将介绍一些常用的材料动力学性能测试方法以及相关的实验技巧。
一、拉伸试验拉伸试验是最常用的动力学性能测试方法之一，用于测量材料的抗拉强度、屈服强度、断裂强度等力学性质。
在进行拉伸试验时，需要注意以下几点实验技巧：1. 选择合适的样品准备方法：样品的形状和尺寸对实验结果具有重要影响。
如果样品的准备不当，可能导致测试结果的误差。
因此，选择合适的样品准备方法非常重要。
2. 控制试验速度：拉伸试验中，试验速度对测试结果有显著影响。
通常来说，拉伸速度越快，材料的应力和应变率越大，从而导致材料的应力应变曲线出现偏差。
因此，控制试验速度是确保实验结果准确的一项重要技巧。
3. 注意样品的夹持方式：在拉伸试验中，样品的夹持方式也需要注意。
夹具必须能够牢固地固定样品，以避免在试验过程中产生额外的应力和应变。
二、压缩试验压缩试验是另一种常用的动力学性能测试方法，用于测量材料在压缩方向上的力学性质。
在进行压缩试验时，以下注意事项需要掌握：1. 选择合适的压缩模式：压缩试验可以采用静态压缩或动态压缩。
选择合适的压缩模式取决于具体的测试要求。
静态压缩适用于测量材料的弹性性质，而动态压缩则适用于测量材料的塑性行为。
2. 设置合适的试验参数：在进行压缩试验之前，需要确定合适的试验参数，如压力加载速率、加载方式等。
试验参数的选择应根据具体应用场景和样品特性来确定。
3. 注意装置的稳定性：在进行压缩试验时，试验装置的稳定性也非常重要。
试验装置应能够稳固地固定样品，并能够承受样品施加的压力，以确保试验结果的准确性。
三、冲击试验冲击试验用于评估材料的韧性和抗冲击能力，常用于评估金属、陶瓷和复合材料等的动态性能。
在进行冲击试验时，需要注意以下实验技巧：1. 选择合适的试验方法：冲击试验可以采用冲击弯曲试验、冲击拉伸试验等不同方法。
土木工程结构试验与检测
土木工程结构试验与检测土木工程结构试验与检测是指对土木工程结构进行各种试验和检测，以评估、验证和保证结构的安全性、可靠性和持久性。
土木工程结构试验与检测是土木工程中的重要环节，对于确保结构的安全运行具有重要意义。
下面将从试验方法、试验内容和检测技术等方面进行介绍。
一、试验方法1.非破坏试验：非破坏试验是指在不破坏结构的情况下，通过测量结构的变形、应力和振动等参数进行试验和检测。
常用的非破坏试验方法包括振动试验、应变测量、声发射、红外热像法等。
2.破坏试验：破坏试验是通过对结构进行一定负荷或冲击，直至结构失效，从而得到结构的极限承载力和破坏模式。
常用的破坏试验方法包括静载试验、冲击试验、疲劳试验、地震模拟试验等。
二、试验内容1.静力试验：静力试验是通过对结构施加静力负荷来测量结构的变形、应力和变形。
静力试验可以评估结构的承载力、抗侧扭刚度、抗震性能等。
2.动力试验：动力试验是通过对结构施加动力负荷，例如地震波或施加冲击负荷，来模拟结构在实际使用中的动态响应。
动力试验可以评估结构的动态性能、抗震性能等。
3.环境试验：环境试验是对结构在不同环境条件下的性能进行测试，例如高温试验、低温试验、湿度试验等。
环境试验可以评估结构在不同环境条件下的耐久性和可靠性。
三、检测技术1.传统试验测量技术：传统试验测量技术主要包括应变测量、变形测量、振动测量等。
这些技术通过悬挂传感器或安装测量仪器对结构的变形、应力和振动等参数进行实时监测和测量。
2.无损检测技术：无损检测技术是指在不破坏结构的情况下，通过使用电磁、超声波、红外线等方法，对结构进行缺陷检测和强度评估。
常用的无损检测技术包括超声波检测、磁粉检测、涡流检测等。
综上所述，土木工程结构试验与检测是土木工程中的重要环节，通过对结构进行试验和检测，可以评估结构的安全性、可靠性和持久性。
试验方法包括非破坏试验和破坏试验两种，试验内容包括静力试验、动力试验和环境试验，检测技术包括传统试验测量技术和无损检测技术。
结构的动力特性试验课件
载荷形式和大小
环境因素
动载荷的形式和大小对结构的动力特性有 重要影响，特别是对于一些特殊载荷，如 冲击载荷和共振载荷。
温度、湿度、腐蚀等因素也会影响结构的 动力特性，因此在长期监测和维护过程中 需要特别关注。
CHAPTER 03
结构动力特性试验方法
试验前的准备
明确试验目的 在开始试验前，需要明确试验的 目的和要求，以便选择合适的试 验方法、确定试验参数和制定试 验计划。
准备试件 根据试验要求，准备合适的试件 ，确保试件的质量、尺寸和形状 符合要求，并对其进行必要的预 处理。
选择合适的试验装置 根据试验目的和要求，选择合适 的试验装置，包括激振器、测力 计、位移计等，并确保其精度和 可靠性。
搭建试验台 根据试验要求，搭建合适的试验 台，包括基础、支撑结构、固定 装置等，确保试验台稳定可靠。
模型简化与真实情况的偏 离
为了简化试验过程和提高效率 ，现有的试验方法通常会采用 简化的模型，这可能导致与真 实结构的动力特性存在偏差。
环境因素对试验结果的影 响
温度、湿度、风载等环境因素 可能对试验结果产生影响，但 现有方法难以完全消除这些影 响。
未来研究的方向与重点
发展先进的试验技术与方法
研究和发展更高效、准确和经济的结构动力特性试验方法，包括新型 的传感器技术、数据采集和处理技术等。
试验过程
安装试件
将试件安装在试验台 上，确保安装位置准 确、稳定可靠。
设置激振器
根据试验要求，设置 合适的激振器，包括 频率、振幅、波形等 参数，以产生所需的 激励力。
数据采集
在试验过程中，使用 各种传感器采集所需 的响应数据，如位移 、速度、加速度、应 力等。
调整激振参数
结构动力模型试验相似理论及其验证
结构动力模型试验相似理论及其验证一、本文概述《结构动力模型试验相似理论及其验证》这篇文章主要探讨结构动力模型试验中的相似理论及其应用。
结构动力模型试验是土木工程领域常用的一种研究方法，通过构建实际结构的小比例模型，在实验室环境下模拟结构在动力荷载作用下的响应，以研究结构的动力性能和抗震性能。
相似理论作为结构动力模型试验的基础，为模型设计和试验结果的解读提供了重要的理论依据。
本文首先介绍了结构动力模型试验的基本原理和方法，阐述了相似理论在模型设计中的重要性和必要性。
接着，文章详细阐述了相似理论的基本概念和原则，包括几何相似、运动相似、动力相似等方面，为后续的模型设计和试验验证提供了理论基础。
在此基础上，文章通过具体的案例分析和试验验证，探讨了相似理论在结构动力模型试验中的应用。
通过对不同比例模型的试验结果进行对比分析，验证了相似理论的正确性和有效性。
文章还探讨了相似理论在实际应用中的限制和影响因素，提出了相应的改进措施和建议。
本文旨在深入探讨结构动力模型试验中的相似理论及其应用，为土木工程领域的相关研究提供有益的参考和借鉴。
通过本文的研究，可以更好地理解和应用相似理论，提高结构动力模型试验的准确性和可靠性，为土木工程结构的动力性能分析和抗震设计提供有力的支持。
二、相似理论基础相似理论是结构动力模型试验的理论基础，其核心在于通过构建与实际结构在几何、材料、边界条件等方面相似的模型，以预测实际结构的动力行为。
该理论建立在量纲分析的基础之上，通过导出相似准则，为模型设计和试验条件的确定提供了指导。
在相似理论中，相似准则是判断模型与实际结构是否相似的关键。
这些准则包括几何相似、运动相似、动力相似等。
几何相似要求模型与实际结构在尺寸上具有相似的比例；运动相似则要求模型与实际结构在对应点的运动轨迹相似；动力相似则要求模型与实际结构在受力、变形、加速度等方面具有相似的特性。
为了实现这些相似准则，需要在模型设计和制作过程中，对材料的物理性能、加载条件、边界约束等进行控制。
3 结构动载试验
K ,阻力比D C ,频率比u
m
2mn
n
传感器系统的稳态解：
y Y0 sin(t )
二、幅频特性和相频特性
1〕位移传感器：
ω/ωn》1(>5) 时， Y0/X0≈1,φ≈180。
Y0
u2
X0 1u2 2 4D2u2
2）加速度传感器
振动体的加速度
xX02sint amsint
加速度传感器的幅性 频公 特式为：
1、波形分析：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。
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。
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。
2、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）。
3、疲劳试验分类：等幅等频疲劳、变幅变频疲劳和随机疲劳。
4、疲劳试验内容：
生产性疲劳试验：结构构件疲劳抗裂性能、裂缝宽度及发展 情况、结构构件最大挠度及变化幅度和疲劳极限强度等。中 级：2E6，重级4E6。
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。
结构动力特性测试方法及原理
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：M y(t) C y(t) K y(t) p(t)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；p(t)为外部作用力的n维随机过程列阵；y(t) 为位移响应的n维随机过程列阵；y(t)为速度响应的n维随机过程列阵；y(t)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_：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，进而提岀修复方案，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。
稳态正弦激振法是给结构以一定的稳态正弦激励力，通过频率扫描的办法确定各共振频率下结构的振型和对应的阻尼比。
结构动力特性分析
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第四节 整体结构的动力性能
一、周期与阻尼 二、内力重分布与变形集中 三、双向地震作用 四、扭转反应
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一、周期与阻尼
• 对建筑物进行大规模的自振特性的观测，积累了 数以千计的试验数据，得到经验公式，按我国试 验数据总结的常见结构基本周期计算公式。
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一、周期与阻尼
• 结构自振周期的大小与结构的变形阶段密切相关。 上述经验结果一般是指在弹性变形状态下的值。 在非线性变形状态下，结构自振周期是一个变量。
• 带构造柱多层砖房试验结果说明，开裂后，结构 第一频率下降约一半，相当于结构刚度降低4倍； 开裂后，较高振型振动所消耗能量显著增加。
一、钢筋混凝土构件
1、受弯构件； 2、压弯构件； 3、受扭构件； 4、梁-柱节点； 5、剪力墙；
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1、受弯构件
• 受弯构件：受弯构件是指没有轴力影响，且以弯矩作 用为主的梁式构件。
• 在循环往复荷载下的破坏属于纤维性破坏，即受拉钢 筋超过屈服应力后受压钢筋压曲而破坏，因此，构件 具有较大的延性。
一、自振特性试验
自 振 特 性 试 验 以 获 取 或 确 定 结 构 的自振周期、振型和阻尼为目的。
实用的方法通常有三种： 1、自由振动法 2、共振法 3、脉动法。
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1、自由振动法
动力特性测定
• 自由振动法利用阻尼振动衰减原理求取自振特性。
• 该法借助一定的张拉释放装置或反冲激振器使结构在一定的初位移（或初速度） 状态下开始自由衰减振动，通过记录振动衰减曲线，便可利用动力学理论求出自 振周期。
建筑结构试验基本知识
土木工程试验一、基本知识1、静力试验：缺点：不能反映应变速度对结构的影响2、动力试验：抗震动力试验一般用电液伺服加载设备或地震模拟振动台等设备来进行。
注意：对每个试验、每次加载、每个测点、每个仪表都应该有十分明确的目的性和针对性，切忌盲目追求试验次数多，仪表测点多，以及不切实际的提高量测精度。
3、试验大纲是指导整个试验的技术文件，包含：（1）试验目的（2）试件设计与制作要求（3）试件的支撑要求与加载方法（4）量测要求（5）安全措施（6）实验人员的组织分工，试验进度计划的制定（7）经费预算及消耗性材料的用量，实验设备仪表清单（8）辅助试验内容注意：制定大纲时，一定要对试验目的进行充分的研究，对试验对象作出初步的理论计算分析。
试件的制作：制作尺寸偏差应控制在5%以内。
试件的制作过程中应记施工记录日志，注明试件浇筑日期、原材料情况、配比、振捣养护情况、箍筋实际尺寸、保护层厚度、预埋件位臵等，凡制作过程中的一切变动，均应详细如实的记录。
在准备工作阶段和试验阶段每天记工作日志。
4、模型或小试件试验对于微型混凝土截面在4cm×6cm或5cm×5cm以内或微型砌体（砖块尺寸为1.5cm×3cm×6cm），普通混凝土截面小于10cm×10cm，砖砌体小于74cm×36cm，砌块砌体小于60cm×120cm的试件都有尺寸效应，必须加以考虑。
当砌块砌体试件大到120cm×244cm，尺寸效应才不显著。
因此普通混凝土试件截面边长在12cm以上，砌体墙最好是真型的1/4以上。
但是，在满足构造模型要求的条件下太大的试件尺寸也没有必要。
因此，局部性的试件尺寸可取真型的1/4～1，整体性的结构试验试件可取1/10～1/2.作为基本构件性能研究，压弯构件的截面尺寸为16cm×16cm～35cm ×35cm，短柱（偏压剪）为15cm×15cm～50cm×50cm，双向受力构件为10cm×10cm～30cm×30cm。
结构动力反应试验解决的问题
结构动力反应试验解决的问题1. 引言结构动力反应试验，即通过对结构物施加外部载荷或激励，测量结构物的动力反应，从而评估结构的动力性能和安全性。
它是结构工程中的重要分析手段，用于验证设计、改进结构和预防灾害。
本文将介绍结构动力反应试验的目的、步骤和应用，并着重讨论它解决的问题。
2. 结构动力反应试验的目的结构动力反应试验的目的在于获取结构物在不同工况下的动力响应数据，从而评估结构物的振动特性、耐震能力和结构健康状态，解决以下问题：2.1 结构物的振动特性分析结构物在受到外界激励时会发生振动，振动特性是结构物的重要属性。
通过结构动力反应试验可以获取结构物的频率响应函数、模态参数等振动特征数据，从而了解结构物的固有频率、阻尼比、振型等信息。
这些数据有助于工程师理解结构物的动力行为，从而进行结构优化和改进。
2.2 结构物的耐震能力评估结构物的耐震能力是指结构物在地震等外界激励下的抗震性能。
通过模拟地震波加载等动力试验，可以获取结构物在地震作用下的反应信息，如加速度响应、位移响应等。
通过分析这些数据，可以评估结构物在不同地震强度下的抗震能力，指导结构物的抗震设计。
2.3 结构物的健康状态监测结构物在使用过程中会受到各种因素的影响，如材料老化、破损等。
通过结构动力反应试验可以对结构物进行健康状态监测。
例如，利用结构反应数据可以检测结构物是否存在裂缝、松动、变形等问题，判断结构物的安全性和可靠性。
3. 结构动力反应试验的步骤结构动力反应试验一般包括以下几个步骤：3.1 实验准备在进行试验之前，需要对试验对象进行检查和准备工作。
首先，确定试验对象的几何形状、材料参数等基本信息，并选择适当的试验方法和设备。
然后，进行结构物的测量和标定，包括安装加速度计、位移计等传感器，并校准传感器的灵敏度和精度。
3.2 实施试验激励根据试验的目的和要求，选择适当的激励方式，如施加静载荷、冲击载荷或模拟地震波加载。
在进行试验激励时，需要保证载荷的准确度和均匀性，并避免对结构物造成不可修复的损伤。
建筑工程质量验收标准中的建筑物动力性能要求
建筑工程质量验收标准中的建筑物动力性能要求建筑工程是一个综合性的工程项目，涉及到建筑物的结构安全、使用功能以及性能要求等方面。
在建筑工程质量验收中，建筑物的动力性能是一个重要的考量指标。
建筑物动力性能要求的合理性和满足程度，直接关系到建筑物的安全性、舒适性和耐久性等方面。
本文将就建筑工程质量验收标准中的建筑物动力性能要求进行探讨。
一、建筑物动力性能的定义和重要性建筑物动力性能是指建筑结构在外部荷载或者自重作用下的抗震、抗风、抗震荡、减震等性能。
在地震、风灾、振动和震荡等自然灾害的冲击下，建筑物的动力性能可以减少震害，保护人们的生命和财产安全。
因此，建筑物动力性能的要求至关重要。
二、建筑物动力性能要求的内容1. 抗震性能要求抗震性能是建筑物在地震作用下的抵抗能力。
建筑物的抗震性能要求包括建筑物的整体稳定性、结构强度、刚度、稳定性等。
在建筑工程质量验收中，一般要根据地震危害性、建筑物的用途、区域地质条件等因素综合考虑，确定相应的抗震等级，并进行有效的设计和施工。
2. 抗风性能要求抗风性能是建筑物在强风作用下的抵抗能力。
建筑物的抗风性能要求包括建筑物的整体稳定性、结构强度、风压抗力等。
根据地区的气候条件、建筑物的高度和形状等因素，制定相应的抗风设计标准，并进行相应的检测和验收。
3. 抗震荡性能要求抗震荡性能是指建筑物在地震荡颤作用下的抵抗能力。
建筑物的抗震荡性能要求主要包括结构的减震措施、减震材料的应用、与基础的连接方式等。
通过减震措施的应用，可以减小地震对建筑物的破坏程度，提高建筑物的抵抗能力。
4. 舒适性能要求舒适性能是指建筑物在使用过程中对人体生理、心理和社会需求的满足程度。
建筑物的舒适性能要求包括建筑物的采光、通风、隔音、照明、空气质量等方面。
通过科学的设计和合理的建筑节能措施，可以提高建筑物的舒适性。
三、建筑物动力性能要求的实施和评估建筑工程质量验收标准中对建筑物动力性能的要求一般通过以下方式进行实施和评估：1. 设计和施工阶段在建筑物设计和施工的过程中，需要根据相关地震、风灾等自然灾害的设计标准，对建筑物的结构、材料、连接方式等进行合理的设计和施工。
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第9章结构动力性能及试验技术结构动力性能包括结构的自振频率、振型、阻尼比、滞回特性等，是结构本身的特性。
在进行结构抗震设计和研究结构的地震反应时必须同时了解和掌握地震动的特性和结构动力性能。
关于地震动的特性在前面已讲，下面介绍结构的动力特性和为获得这些特性所需的相关试验技术。
9.1地震作用下结构的受力和变形特点地震作用下结构的受力和变形是复杂的时间过程，其主要特点体现在以下三个方面：1、低频振动结构的自振频率（基频）范围较窄，一般在0.05s～15s（20Hz～0.07Hz）之间，例如，0.05s—基岩上的设备、单层房屋竖向振（震）动时；15s—大跨度悬索桥。
在结构的地震反应中，高阶振型有影响，但第一振型，或较低阶振型所占的比例较大，因此结构的整体反应以低频振动为主。
2、多次往复（大变形）在地震作用下，结构反应可能超过弹性，产生大变形，并导致结构的局部破坏。
地震作用是一种短期的往复动力作用，其持续时间可达几十秒到一、二分钟，结构的反应可以往复几次或者几十次，在往复荷载作用下，结构的破坏不断累加、破坏程度逐渐发展，可经历由弹性阶段→开裂（RC，砖结构）→屈服→极限状态→倒塌的过程，称为低周疲劳。
在地震作用下结构的变形（位移）速度较低，约为几分之一秒量级。
而爆炸冲击波：正压，负压为一次，无往复，材料快速变形（为毫秒量级）；车辆荷载：多次重复，但应力水平低（无屈服），高周次（>100万次）。
3、累积破坏地震造成的结构积累破坏可以表现在以下三中情况中：① 一次地震中，结构在地震作用下发生屈服，以后每一个振动循环往复都将造成结构破坏积累。
② 主震时，结构发生破坏，但未倒塌；余震时，结构变形增加，破坏加重，甚至发生倒塌。
③ 以前地震中结构发生轻微破坏，未予修复；下次地震时产生破坏严重。
从结构地震反应的特点可以看出，要正确进行结构地震反应分析计算，必须了解结构的阻尼，振型，自振频率等基本动力特性，同时必须研究材料、构件和结构的强非线性或接近破坏阶段的动力特性，以及强度与变形的发展变化规律等。
9.2 结构的动力特性及其量测结构动力特性量测的目的主要包括以下几个方面：① 建立结构基本自振频率计算的经验公式；② 为结构动力反应分析计算提供参数，如阻尼比等；③ 检验设计计算及计算模型和计算方法的合理性和可靠性；④ 安全监测，健康诊断—模态识别破损，例如香港青马大桥的安全监测系统；⑤ 地震后建筑性能评定（检测）。
国外已经在研究震后抢险救灾时对结构安全性能的快速评测方法。
在结构的动力特性中，结构的自振频率（周期）、振型和阻尼比是最基本和最主要的三个特性，它们是结构的固有特性，是结构弹性性能的表征，但其变化可在一定程度上反映结构的破坏状况。
下面先简要介绍量测结构这三个动力特性的三种方法。
1、自由振动法在自由振动测量方法中，可以采用对结构先张拉，然后突然释放（如图9.1所示）；或采用重力锤撞击或小型火箭冲击的方法使结构产生自由振动。
后一种方法适用于刚度大的结构，如核反应堆等。
绞盘或卷扬机保护索钢棒 模型钢丝减震垫层重物图9.1 通过张拉使结构产生自由振动的方法采用自由振动试验可以得到图9.2所示的结构有阻尼自由振动曲线。
通过对振动曲线的分析可以得到结构的自振周期、自振频率和阻尼比。
图9.2 结构有阻尼自由振动曲线自振周期T ：完成一次振动循环所需要的时间。
例如两相邻峰值点之间的间隔时间（如图9.2所示）。
自振频率f ：等于自振周期的倒数，计算公式为T f /1=阻尼比：用对数衰减率法获得，21ln 21a a πζ=a 1和a 2为振动的相邻峰值比。
自由振动测量方法的优点：简单、明了；缺点：一般情况下仅能得到结构的一阶振型和频率。
但如果能激发出高阶振型，也可以测量结构高阶振型的阻尼比，例如芜湖大桥钢索的自由振动测量。
2、强迫振动法有两种实现结构强迫振动的方法：起振机激振和振动台振动。
①起振机激振实验。
可以量测结构的自振频率、振型和振型阻尼比，不但可以测量结构的平动，也可以测量结构的转动振型。
②振动台振动试验。
理论上可行，但一般情况下相似关系很难满足，特别是与结构阻尼有关的测量方面。
通过改变激振频率（扫频，频率扫描），采用强迫振动方法可以给出结构的振幅－频率关系曲线（如图9.3所示）。
由此曲线可以得到，阻尼比—用半功率点法得到结构振型阻尼比；自振频率—由振幅－频率曲线峰点直接量测。
123f 振幅图9.3 振幅－频率关系曲线针对结构的每一自振频率，通过对结构各测点记录的振幅和相位关系的分析，又可以得到结构的各阶振型（如图9.4所示）。
为得到良好的结果，要求布设的测点足够多。
三阶振型二阶振型一阶振型图9.4 结构的前三阶振型3、脉动方法由人为活动和自然环境的影响引起的建筑物经常存在的微幅振动（振幅以微米计）被称为建筑物的脉动（反应）。
脉动方法即通过量测建筑物的脉动来确定结构的自振特性。
脉动方法的优点主要包括：实验方法简便，不需要人工震源。
震源为人为活动、车辆活动、微小地震（裂）、风和海浪等。
如果拾振器精度高，分析设备好，再加上良好的测量和分析工作经验，脉动方法可以给出效果很好的实验结果。
对于体积较大的结构，脉动法往往可以得到比其它方法更好的测量结果，例如在进行香港青马大桥基本结构单元动力特性的现场实验时，分别采用了脉动法和锤击法，量测结果表明脉动方法的结果优于锤击法。
由于用自由振动和强迫振动测量结构阻尼比的方法在结构动力学中已经介绍，而脉动方法又具有经济、简便、精度高的优点，并在实际工作中得到了广泛应用，下面将详细介绍脉动测量方法。
9.3 脉动信号的量测1、基本假设应用脉动方法时存在两条基本假设：1）输入（激励）和输出（反应）都是随机振动，并且是各态历经的平稳过程，因此振动的统计特性可以用单个样本描述，与时间点无关。
由于脉动是由无数随机的震源产生的，因而脉动是随机振动过程，但实际的脉动是非平稳的随机过程，但可以选取适当时间段来近似满足平稳性要求。
平稳—函数(随机过程)的统计特征(可以是概率密度函数)与子样函数的选择时刻无关；各态历经—任一子样函数均可以代表其它所有的子样函数。
2）结构各阶阻尼很小，而且各阶自振频率相隔较远。
这样可以用建筑物脉动信号（反应）的功率谱峰值确定结构的自振频率和振型，用半功率带宽（点）法确定结构阻尼比。
风输入(激励) 系统输出(反应)图9.5 脉动法测量工作示意图用脉动方法所研究的是输入未知而输出可测问题，通过对这一问题的分析可以确定结构的动力特性。
2、量测系统脉动测量系统如图9.6所示，主要包括以下部分：1）加速度传感器（或速度传感器，亦称拾振器）为获得可靠的测量结果，要求传感器具有较宽的工作频率，较高的灵敏度，良好的分辨率和较强的抗干扰能力。
例如，在对香港青马大桥进行现场脉动试验测量时，对传感器提出的要求为：频率范围宽(DC －400Hz)；灵敏度高：5V /g ；分辨率高：5×10-6g ；抗干扰能力强，即信噪比高。
2）放大器放大器用于放大由拾振器测得的加速度信号。
3）记录器记录器可以是磁带记录或数值记录仪（计算机）。
磁带记录器可以记录模拟信号，而计算机可以直接记录数值信号。
4）直流电源、示波器等。
通常的脉动试验量测系统如图9.6所示，其中磁带记录仪也常常被计算机替代。
分析仪器可以是专用的谱分析仪，或安装了相关分析软件的计算机。
磁带记录仪图9.6 脉动试验量测系统3、测点布置测点的布置与结构类型和要量测的内容有关。
布设原则是保留和最大限度地测量与所需内容有关的量，去掉不需要量测的量。
图9.7为建筑结构和悬索桥的平、立面图。
对于这两类结构，需要量测的内容有所不同，建筑结构：一般需测量两个水平主轴方向和扭转的振动特性，较少量测竖向振动； 大跨桥梁：需要测量结构的侧移，竖向，绕纵轴的扭转，以及桥塔的振动。
桥梁平面结构图9.7 结构的平面和立面传感器（测点）布设的原则是：测量平移振动时：传感器尽可能靠近结构中心（刚度中心），减少扭转分量。
测量扭转振动时：尽可能远离中心，置于两端，扭转分量相位差180º。
沿结构高度方向：测点均匀分布，每隔一定楼层，例如每3～5层布设测点，从上到下尽可能满足均匀分布。
如果一次测量中传感器数量不够，则可以分几次完成量测；但要有一组（位于同一点）传感器不动，作为参照系。
图9.8给出在高层结构的平、立面，以及悬索桥结构的剖面上测点的布设情况。
青马桥剖面沿高度分布测扭转测平动图9.8 结构与测点布置4、记录时间（样本长度）数据测量的记录时间与结构的最低振动频率相关，频率越低，记录的时间越长，实际操作中，应保证有足够长的时间记录，高层建筑一次记录要45分钟～1小时。
当要测量结构的阻尼比时，要求记录的时间更长，其时间长度要求有理论公式为依据，与结构阻尼的大小有关。
同时一次记录时间也与分析时需要采用的样本数量有关。
9.4 数据分析理论基础用脉动法测量结构的动力特性，是指测量结构的自振频率、振型和阻尼比，前两项是结构的频域特性，阻尼比也可以用频域的结果得到（采用半功率点法）。
因此，仅须采用频域分析法即可得到结构的这些动力特性。
当采用磁带记录仪时，记录的信号是结构反应的模拟信号，需转换成数字化数据，然后用快速Fourier 变换（FFT ）在频域内作数据处理。
1、传递函数（复频反应函数、频响函数）传递函数是频域分析中的重要概念，其定义是：结构体系受到简谐干扰时，稳态反应与干扰之比。
单自由度体系运动（振动）方程为)()()()(t p t ku t u c t um =++&&& 若p (t )为简谐荷载，即t i e p t p ω0)(=p 0—简谐荷载的幅值，ω—简谐荷载的频率。
根据传递函数的定义，结构反应可用传递函数H (ω)表示为t i e p H t u ωω0)()(=将p (t )和u (t )代入运动方程，得传递函数H (ω)为)/(2)/(111)(2n n i k H ωωζωωω+−= k －结构刚度；ωn －结构自振频率；ζ－结构阻尼比；i ＝√-1，为单位虚数。
传递函数H (ω)为复函数，其幅值|H (ω)|为结构体系反应幅值与干扰力幅值之比；相角为结构反应与干扰力之间的相位差。
图9.9给出传递函数幅值|H (ω)|与频率ω的关系曲线。
图9.9 |H (ω)|与ω关系曲线|H (ω)|的峰值点对应的频率即为结构的自振频率ωn ，当ω＝ωn 时，|H (ω)|取得极值，ζω211)(max k H = 对于地震动输入üg (t )，单自由度体系的平衡方程为()0)()()()(=+++t ku t u c t u t um g &&&&& 移项得体系的运动方程为)()()()(t u m t ku t u c t um g &&&&&−=++ 则相对位移反应u (t )对地震动输入üg (t )的传递函数为)/(2)/(111)(22n n n i H ωωζωωωω+−−=2、频域分析结构的动力反应取决于动力荷载和结构的性质。