第4章结构动力试验

这些结构物或构件在重复荷载作用下达 到破坏时的力比其静力强度要低得多。 这种现象称为“疲劳”。

一、结构疲劳试验的目的
目的：确定结构的疲劳极限。 结构或构件在疲劳荷载作用下的反
应。
二、结构疲劳试验的方法
1、疲劳试验荷载
荷载取值：上限值根据构件在荷载标准值 最不利组合下产生的弯距计算求得；下限值 根据疲劳试验机的设备性能而定。 频率选择： 0.5或 1.3 荷载频率

控制次数： n 2 10 6 次； 中级工作制吊车梁： n 4 10 6 次。 重级工作制吊车梁：
构件固有频率
2、疲劳试验加载程序
两种：一是从头到尾施加重复荷载； 另一是静荷载和疲劳荷载交替施加。
变 更 荷 载 上 限 的 加 载 程 序
等幅疲劳加载方案
等 幅 疲 劳 加 载 程 序
动力系数：

yd ys
结构动力系数一般用试验方法实测确定。试验时， 先用移动荷载以最慢的速度驶过结构，测定静挠度， 再使移动荷载以某种速度驶过，这时结构产生的最大 挠度，即认为是动挠度。
动力系数测定
§4-6

结构疲劳试验
工程结构中存在着许多疲劳现象，如承 受吊车荷载作用的吊车梁，直接承受悬 挂吊车作用的屋架。
拾振器的分类:
按测量参数：位移式、速度式和加速度式。 按构造原理：磁电式、压电式、应变式、电感式。
从使用角度: 绝对式、相对式。
拾振器的性能指标：


灵敏度:输出信号与输入信号之比。
频率范围：灵敏度保持不变或者不超过某一允 许值时，所对应的仪器可使用的频率范围。 动态线性范围：输出信号与输入信号保持线性 关系时，所对应的输入信号幅值范围。 相位差：输出信号与输入信号波形的相位差。 抗干扰能力：仪器对外界环境的抗干扰能力。
振动体
n
2 2
y Bent sin(t )
[1 ( ) ] [2
2 n
sin(t )
]
振幅：
y0
( n ) 2 [1 ( n ) ] [2
2 2
n
]
2
x0
相位角：
arctg
2
n
1 ( n ) 2
二、动力试验的分类 1、结构动力特性测定试验 2、结构动力反应测定试验 3、结构疲劳试验
三、振动试验系统组成
信号源
功放
振动台
激振器 拾振器
模型
放大器
记录仪
振动试验系统原理框图
§4-2
振动测量系统
振动测量系统的测量仪表，包括拾振器、测
振放大器和记录仪。 拾振器是将机械振动信号变换成电参量的一 种敏感元件。
共振法测量原理框图
频率测定
频率-振幅关系曲线
阻尼
单自由度体系有阻尼强迫振动的运动方程：
μ(θ)：动力放大系数。
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。
4、频普分析仪
5、仪器配套
磁电式 拾振器 微积分 放大器 记录仪器
磁电式 测振系统 压电式 测振系统
压电式 加速度计
电荷放 大器等
光线示波器或 磁带记录仪 光线示波器
数值计算法 分析仪
应变 传感器
动态 应变仪
磁带记录仪 A/D
专用计算机 通用计算机
应变式测振系统
4-3 动载试验的加载方法


§4-5

结构动力反应的测定
在日常生产和生活中，有很多动荷载，如工业建 (构)筑物中的各种动力设备，吊车在吊车梁上运 行，汽车、火车驶过桥梁，高耸建(构)筑物受风 荷载作用等均将引起结构的振动。
研究结构在这类动力荷载作用下的动力反应不需 要专门的起振设备，只要选择测定位置并布置量 测仪表即可记录下结构振动图形，例如结构在动 力荷载作用下的动应变、动挠度和动力系数等。
y0 x0
幅频特性曲线(测位移)
相频特性曲线
1) 当
1 n
， 1 时， [1 ( ) 2 ]2 [2
n
( n ) 2
n
]
2
1
y0 x0
则：
y0 x0
满足此条件的测振仪称位移计。
2) 当
1， 1时， n
2 2 2 2 n [1 ( ) ] [2 ]

一、动应变测定

动应变是一个随时间变化的函数，对其进行测
量时，要把各种仪器组成测量系统。应变传感器
感应的应变通过测量桥路和动态应变仪的转换、
放大，滤波后送入各种记录仪进行记录。最后将 记录得到的应变随时间的变化过程送入频谱分析 仪或数据处理机进行数据处理和分析。
动应变时程曲线
1i c1h1i 2i c2 h2i
作用在结构上的动荷载在许多情况下是 由多个振源产生的，应首先找出对结构振动 起主导作用而危害最大的主振源，然后测定 其特性。 1、主振源探测 逐台开动法 波形分析法
各种振源的振动记录图
a撞击荷载 ； b简谐荷载（正弦波）； c两个简谐荷载（频率相差2倍）； d三个简谐荷载； e拍振； f随机荷载
工程实例
第4章
结构动力试验
主要内容
◆ ◆
◆
◆
◆
概述 振动测量系统及加载方法 结构动力特性测定试验 结构动力反应测定试验 结构疲劳试验
§4-1
概述
一、动力试验的几个概念 振源：引起结构振动的动力源。 振源分类：固定振源、移动振源和特殊 振源。 动荷载：随时间而变化的荷载，如：冲 击荷载、地震荷载、风荷载。


一、惯性式拾振器
质量块m的运动微分方程：
拾 振 器 y
m( ) cy ky 0 x y
2 其中：k m n ；c 2nm c ； cc 2mn c
c
x x0 sin t
y
解之：
n:衰减系数
ωn：拾振器自振圆频率
( n ) 2 x0
L0 动应变频率： f L f 0
时间标志
c1 , c2 正负应变的标定常数
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。
钢筋砼框架简图
实测框架振动记录图
这种振动是由两个频率值接近的简谐振动合成
的结果。运用分析“拍振”的方法可得出，组成
“拍振”的两个分振动的频率分别是2.09Hz和 2.28Hz，相当于125.4次／分和136.8次／分。 经过调查，原来距此框架30多米处是该厂压缩 机车间。车间有六台大型卧式压缩机，其中4台为 136转／分，2台为125转／分。因此可以确定出振源 就是大型空气压缩机。
冲击力加载 离心力加载 电磁加载法 地震模拟振动台 结构疲劳试验机
一、冲击力加载
特点：荷载作用时间极为短促，在它的
作用下使被加载结构产生自由振动，适 于进行结构动力特性试验。 常用的加载方法：初位移加载法、初速 度加载法。
(1)初位移加载法
也称“张拉突卸法”。
优点：结构自振时荷载不附加在结构上。 缺点：由于加载作用点的偏差而使结构在 另一平面内同时振动产生干扰。
n n
( n ) 2
1 则： y0 2 x0 , y0 2 x0 n n
这时拾振器反应的示值与振动体的速度成正
比称速度计。
3) 当
1 n
， 1 时， [1 ( ) 2 ] 2 [2
n
1
n
]
2
1
拾振器反应的位移与振动体的加速度成正比 称加速度计。 幅 测频 加特 速性 度曲 线
2 1 x 则： y0 2 x0 , y0 2 0 n n
( )
y0n2 x0
二、磁电式拾振器
原理：
E BLnv
弹簧 质量块 磁钢
线圈
外壳
磁电式拾振器换能原理
三、压电式拾振器
原理：利用压电晶体材 料具有压电效应制成。
F ma C x q
Cx：压电系数
绝缘垫 压电 质量块 晶体片 基座
拾振器 撞击 结 构 物 位移传感器 放大器 桥 盒
动态电阻 应变仪
记录仪
自由振动量测系统
有阻尼单自由度体系的自 由振动时程曲线
x 有阻尼自由振动的运动方程： m cx kx 0
运动方程的解为：


x(t ) x m e t sin(t )
2 T k m
用初位移加载法施加冲击力荷载
(2)初速度加载法
利用 摆锤或落 重的方法 使结构在 瞬间受到 水平或垂 直的冲击
荷载，并 产生初速 度。
二、离心力加载
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
电磁式激振器
电磁式激振器是由磁系统(包括 励磁线圈、铁芯、磁极板)、动圈(工 作线圈)、弹簧、顶杆等部件组成。