动荷载试验.ppt
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各种振源产生的动力荷载概括起来有三种： 1.撞击荷载：作用时间极短，一般在千分之一到万分之一秒，作用力的大小和频率
按照某一固定规律变化。 2.振动荷载：作用是经常的，具有周期性，作用力的大小及其出现的时间间隔往往
没有规律性。 3.复杂荷载：有可能就撞击荷载和振动荷载的组合，也可能是地震、风、爆炸等特
x0
1 2 n
x0
这时拾振器反应的示值与振动体的速度成正比，故称为速度计。
很大21，n 相频为特比性例曲系线数的，线阻性尼度比就愈很大差，，拾因振而器含输有出多灵频敏率度成愈分低波。形设的计测速试度失计真时也，较由大于。要同求时的速阻度尼计比的 有用频率范围也非常狭窄，因而工程中很少使用。
当两个频率接近的简谐振源共 同作用时，将会引起拍振，见 图5-1(e)。
图5-1(f)为随机振动波形。
图5-1 各种振源的振动波形
§5-1 概述
结构的动态变形和内力不仅与动力荷载的性质、数量、大小、作用方式、变化规 律及结构本身的动力特性有关，还与结构的组成形式、材料性质以及细部构造等 密切相关。结构动力问题的精密计算相当麻烦且有较大出入，因而借助试验来确 定结构的动力特性及动力反应是不可缺少的手段。
惯性式拾振器原理需要在仪器内部设 法构成一个基准点。由惯性质量和弹性 元件组成的振动系统可以解决这个问题， 其工作原理见图5-2所示。惯性质量块 m由一个刚度为k弹簧和一个阻尼系数 为β的阻尼器连接在仪器的外壳框架上。 测振时，仪器固定在振动体上和振动体 一起振动。
k
β
m
xm
振动体
x
图5－2 拾振器力学原理
§5-2 振动测量系统
设被测振动物体按下面表达式的规律振动
x x0 sin t 式(5-1)
式中： x ——振动体对固定参考坐标的位移；
x—0 —被测振动体的振幅；
——被测振动的圆频率。
根据达朗贝原理有：
m
d 2 x xm
dt 2
dxm dt
kxm
0
式（5-2）
惯性力
阻尼力 弹性恢复力
这种现象称之为“频率响应”。
由式（5-5）可得质量块m相对振幅Y0与振动体的振幅X0之比为：
x0m
n
2
式（5-7）
x0
1
n
2
2
2
n
2
§5-2 振动测量系统
将器式 的（ 幅5频-特7）性和曲式线（（5见-6图）5所-3表）述和的相xx0频0m 特及性曲与线（见n的图关5系-4绘）成。曲线，则分别称之为测振仪
即：
m d 2 xm dxm
dt 2
dt
式（5-3）
kxm mx0 2 sin t
式中： xm——质量块m相对于仪器外壳的位移； — —阻尼；
k——弹簧刚度。
§5-2 振动测量系统
式（5-3）是单自由度、有阻尼、强迫振动的方程,其解为
其中： n
xm ，
Be nt cos
2 n 2 式t （ 5-4x）0m sin t
n
2
2
2
n
2
x0m x0
这时质量m相对于仪器外壳的最大振幅近似等于振动体的振幅，称为位移计（这时幅频特性曲线、相 频特性曲线趋于平直。
平直部分频率下限与阻尼比有关，对无阻尼或小阻尼频率下限可取 =4～5，当 =0.6～0.7时，
频率比可放宽到2.5左右，此时幅频特性曲线有最宽的平直段（有较宽的频率使用范 围n ）。
n
将式（5-4）中的第二项与n式 （mk5-1）相比较，可以看出质量块m相对于仪器外 壳的运动规律与振动体的运动规律一致，但两者相差一个相位角 。
§5-2 振动测量系统
2．频率响应特性
由式（5-5）和式（5-6）可知x0m、
都是频率比
的函数，当输入信号的振幅
n
x及0
阻尼比 为一定值时输出信号的振幅 x0m及其相位差会随输入信号的频率不同而变化，
第五章 结构动力试验
概述 振动测量系统 结构动力特性的试验测定 结构动力反应测定 结构抗震试验 结构疲劳试验
§5-1 概述
5-1-1 结构动力荷载的类型
引起结构振动的动力源称为振源。振源可归纳为固定振源(固定动力设备)、移动振 源(运输设备起重运输设备)和特殊振源（风力、地震力和爆炸力）三种。
一般建筑结构物第一阶固有频率较低，要求拾振器具有很低的自振频率，为降低必须加大惯性质量，
因此一般位移计的体积较大和较重，对质量较小的振动体不太合适。
§5-2 振动测量系统
2）当 1， n
»1时，由式（5-7）得
x0m x0
来自百度文库
n
2
1
n
2
2
2
n
2
2 n
所以
x0m
2 n
图5-3 位移计的幅频特性曲线
图5-4 相频特性曲线
§5-2 振动测量系统
从拾振器的幅频特性曲线和相频特性曲线可以看出振幅和相位均随阻尼比 的变化而变
化，当取不同频率比 时，拾振器将输出不同的振动参数。 n
1）当 »1， <1时，由式（5-7）得
n 所以
x0m x0
n
2
1
1
殊荷载或其组合。
§5-1 概述
撞击性振源所引起的振动(图51a)。
图5-1(b)是具有单一简谐振源 的接近正弦规律的振动图形。 这可能是一台机器或多台转速 一样的机器所引起的振动。
图5-1(c)是两个频率相差两倍的 简谐振源引起的合成振动图形。
图5-1(d)是三个简谐振源引起 的复杂的合成振动波形。
为相位角。第一项为有阻尼自由振动解，由于阻尼而很快衰减，而第二项为强
迫振动解2m，其中
x0m
x0式 （n 52-5)
1
n
2
2
2
n
2
arctan 式2（5n -6)
1
n
2
§5-2 振动测量系统
式中： ——阻尼比，即阻尼系数 与临界阻尼系数 之 比c （
）；
c——2 质m量k 弹簧系统的固有频率，
1．振动测量系统组成
拾振器
测振放大器
记录仪
2．功能作用
拾振器：感应振动信号并将其转换成机械的、光学的或电学的信号输出； 放大器：把传感器转换后输出的信号进行放大并输出； 记录器：将振动的模拟信号记录下来以便事后的分析处理。
§5-2 振动测量系统
5-2-1惯性式拾振器原理
一、基本原理
1．力学原理
5-1-2 结构动力试验的内容
1. 测定动力荷载或振动的特性，即测定引起振动的作用的大小、作用方向、作用 频率及其规律。
2. 测定结构的动力特性，包括结构的自振频率、阻尼比和振型。 3. 测定结构在动力荷载作用下的反应，包括位移(振幅)、速度、加速度、动应力、
动力系数等。
§5-2 振动测量系统
按照某一固定规律变化。 2.振动荷载：作用是经常的，具有周期性，作用力的大小及其出现的时间间隔往往
没有规律性。 3.复杂荷载：有可能就撞击荷载和振动荷载的组合，也可能是地震、风、爆炸等特
x0
1 2 n
x0
这时拾振器反应的示值与振动体的速度成正比，故称为速度计。
很大21，n 相频为特比性例曲系线数的，线阻性尼度比就愈很大差，，拾因振而器含输有出多灵频敏率度成愈分低波。形设的计测速试度失计真时也，较由大于。要同求时的速阻度尼计比的 有用频率范围也非常狭窄，因而工程中很少使用。
当两个频率接近的简谐振源共 同作用时，将会引起拍振，见 图5-1(e)。
图5-1(f)为随机振动波形。
图5-1 各种振源的振动波形
§5-1 概述
结构的动态变形和内力不仅与动力荷载的性质、数量、大小、作用方式、变化规 律及结构本身的动力特性有关，还与结构的组成形式、材料性质以及细部构造等 密切相关。结构动力问题的精密计算相当麻烦且有较大出入，因而借助试验来确 定结构的动力特性及动力反应是不可缺少的手段。
惯性式拾振器原理需要在仪器内部设 法构成一个基准点。由惯性质量和弹性 元件组成的振动系统可以解决这个问题， 其工作原理见图5-2所示。惯性质量块 m由一个刚度为k弹簧和一个阻尼系数 为β的阻尼器连接在仪器的外壳框架上。 测振时，仪器固定在振动体上和振动体 一起振动。
k
β
m
xm
振动体
x
图5－2 拾振器力学原理
§5-2 振动测量系统
设被测振动物体按下面表达式的规律振动
x x0 sin t 式(5-1)
式中： x ——振动体对固定参考坐标的位移；
x—0 —被测振动体的振幅；
——被测振动的圆频率。
根据达朗贝原理有：
m
d 2 x xm
dt 2
dxm dt
kxm
0
式（5-2）
惯性力
阻尼力 弹性恢复力
这种现象称之为“频率响应”。
由式（5-5）可得质量块m相对振幅Y0与振动体的振幅X0之比为：
x0m
n
2
式（5-7）
x0
1
n
2
2
2
n
2
§5-2 振动测量系统
将器式 的（ 幅5频-特7）性和曲式线（（5见-6图）5所-3表）述和的相xx0频0m 特及性曲与线（见n的图关5系-4绘）成。曲线，则分别称之为测振仪
即：
m d 2 xm dxm
dt 2
dt
式（5-3）
kxm mx0 2 sin t
式中： xm——质量块m相对于仪器外壳的位移； — —阻尼；
k——弹簧刚度。
§5-2 振动测量系统
式（5-3）是单自由度、有阻尼、强迫振动的方程,其解为
其中： n
xm ，
Be nt cos
2 n 2 式t （ 5-4x）0m sin t
n
2
2
2
n
2
x0m x0
这时质量m相对于仪器外壳的最大振幅近似等于振动体的振幅，称为位移计（这时幅频特性曲线、相 频特性曲线趋于平直。
平直部分频率下限与阻尼比有关，对无阻尼或小阻尼频率下限可取 =4～5，当 =0.6～0.7时，
频率比可放宽到2.5左右，此时幅频特性曲线有最宽的平直段（有较宽的频率使用范 围n ）。
n
将式（5-4）中的第二项与n式 （mk5-1）相比较，可以看出质量块m相对于仪器外 壳的运动规律与振动体的运动规律一致，但两者相差一个相位角 。
§5-2 振动测量系统
2．频率响应特性
由式（5-5）和式（5-6）可知x0m、
都是频率比
的函数，当输入信号的振幅
n
x及0
阻尼比 为一定值时输出信号的振幅 x0m及其相位差会随输入信号的频率不同而变化，
第五章 结构动力试验
概述 振动测量系统 结构动力特性的试验测定 结构动力反应测定 结构抗震试验 结构疲劳试验
§5-1 概述
5-1-1 结构动力荷载的类型
引起结构振动的动力源称为振源。振源可归纳为固定振源(固定动力设备)、移动振 源(运输设备起重运输设备)和特殊振源（风力、地震力和爆炸力）三种。
一般建筑结构物第一阶固有频率较低，要求拾振器具有很低的自振频率，为降低必须加大惯性质量，
因此一般位移计的体积较大和较重，对质量较小的振动体不太合适。
§5-2 振动测量系统
2）当 1， n
»1时，由式（5-7）得
x0m x0
来自百度文库
n
2
1
n
2
2
2
n
2
2 n
所以
x0m
2 n
图5-3 位移计的幅频特性曲线
图5-4 相频特性曲线
§5-2 振动测量系统
从拾振器的幅频特性曲线和相频特性曲线可以看出振幅和相位均随阻尼比 的变化而变
化，当取不同频率比 时，拾振器将输出不同的振动参数。 n
1）当 »1， <1时，由式（5-7）得
n 所以
x0m x0
n
2
1
1
殊荷载或其组合。
§5-1 概述
撞击性振源所引起的振动(图51a)。
图5-1(b)是具有单一简谐振源 的接近正弦规律的振动图形。 这可能是一台机器或多台转速 一样的机器所引起的振动。
图5-1(c)是两个频率相差两倍的 简谐振源引起的合成振动图形。
图5-1(d)是三个简谐振源引起 的复杂的合成振动波形。
为相位角。第一项为有阻尼自由振动解，由于阻尼而很快衰减，而第二项为强
迫振动解2m，其中
x0m
x0式 （n 52-5)
1
n
2
2
2
n
2
arctan 式2（5n -6)
1
n
2
§5-2 振动测量系统
式中： ——阻尼比，即阻尼系数 与临界阻尼系数 之 比c （
）；
c——2 质m量k 弹簧系统的固有频率，
1．振动测量系统组成
拾振器
测振放大器
记录仪
2．功能作用
拾振器：感应振动信号并将其转换成机械的、光学的或电学的信号输出； 放大器：把传感器转换后输出的信号进行放大并输出； 记录器：将振动的模拟信号记录下来以便事后的分析处理。
§5-2 振动测量系统
5-2-1惯性式拾振器原理
一、基本原理
1．力学原理
5-1-2 结构动力试验的内容
1. 测定动力荷载或振动的特性，即测定引起振动的作用的大小、作用方向、作用 频率及其规律。
2. 测定结构的动力特性，包括结构的自振频率、阻尼比和振型。 3. 测定结构在动力荷载作用下的反应，包括位移(振幅)、速度、加速度、动应力、
动力系数等。
§5-2 振动测量系统