结构动力试验

由于电荷放大器的输出电压与连接它的电缆电容无关， 由于电荷放大器的输出电压与连接它的电缆电容无关，故电缆的传输距离可 3.动态电阻应变仪： 3.动态电阻应变仪：除了测动应变外，通过标定，可现场知位移、荷载、转角数 动态电阻应变仪 值和及变化过程。
5.3.4 测振记录仪
光线示波器 X—Y 函数记录仪 磁带记录仪
2.电荷放大器（只适用于输出为电荷的传感器） 2.电荷放大器（只适用于输出为电荷的传感器） 电荷放大器
U0是电荷放大器输出电压： 是电荷放大器输出电压：
式中
达百米，有利于远距离测试。 达百米，有利于远距离测试。
U0
= AU i = A
q Ci
A、Ci − 定值。则U 0 = Kq，式中K 为放大系数。
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第五章 工程结构动力试验
本章提要： 本章提要： 1.介绍动力试验的激振设备及其功能、原理和有关性能指标； 1.介绍动力试验的激振设备及其功能、原理和有关性能指标； 介绍动力试验的激振设备及其功能 2.测振仪器系统的构成及其功能、原理和性能指标； 2.测振仪器系统的构成及其功能、原理和性能指标； 测振仪器系统的构成及其功能 3.结构动力试验获取动参数的测试手段和方法 3.结构动力试验获取动参数的测试手段和方法。 结构动力试验获取动参数的测试手段和方法。
5.3.1 测振仪器的性能指标
；（2）频率范围；（ ；（3）相位差；（ ；（4）动态线性范围； （1）灵敏度；（ ）频率范围；（ ）相位差；（ ）动态线性范围； ）灵敏度；（ （5）抗干扰能力。 ）抗干扰能力。
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5.3.2 惯性式测振传感器
1.惯性式测振传感器的力学原理 1.惯性式测振传感器的力学原理
发展史
早期以测结构自振特性为主。日本20世纪初开始重视这个问题。 早期以测结构自振特性为主。日本20世纪初开始重视这个问题。美国 以测结构自振特性为主 20世纪初开始重视这个问题 1934年开展房屋自振特性现场实测。 1962年测了约400幢房屋及44座 1934年开展房屋自振特性现场实测。到1962年测了约400幢房屋及44座 年开展房屋自振特性现场实测 年测了约400幢房屋及44 高架水塔和许多特殊结构。 高架水塔和许多特殊结构。 我国60年代进行了大量砖石结构和钢混结构实测。1957年对武汉长江大 我国60年代进行了大量砖石结构和钢混结构实测。1957年对武汉长江大 60年代进行了大量砖石结构和钢混结构实测 桥进行了动力试验。70年代发展较快，测试工作开始活跃。高校、研究 桥进行了动力试验。70年代发展较快，测试工作开始活跃。高校、 年代发展较快 所加强了振动荷载、地震力对工程结构影响的研究。80年代北京、昆明、 所加强了振动荷载、地震力对工程结构影响的研究。80年代北京、昆明、 年代北京 南宁、苏州、石家庄等地先后进行了多次足尺抗震试验。 南宁、苏州、石家庄等地先后进行了多次足尺抗震试验。 近20年来我国大型结构试验机、模拟振动台、大型起振机、伪静力试验 20年来我国大型结构试验机、模拟振动台、大型起振机、 年来我国大型结构试验机 装置、高精度传感器、电液伺服控制加载系统、瞬态波形存储器、 装置、高精度传感器、电液伺服控制加载系统、瞬态波形存储器、动态 分析仪、信号采集数据处理与计算机联机，以及大型振动台、 分析仪、信号采集数据处理与计算机联机，以及大型振动台、风洞试验 室相继建立，标志着我国动力试验测试技术和装备提高到一个新的水平。 室相继建立，标志着我国动力试验测试技术和装备提高到一个新的水平。
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5.2 激振设备
振源： 振源： （1）自然振源：地面脉动、气流所致振动，爆破、动力设备、 自然振源：地面脉动、气流所致振动，爆破、动力设备、 运输设备、起重设备等运行中产生的振动； 运输设备、起重设备等运行中产生的振动； （2）人工振源：有目的的激振。（本节内容） 人工振源：有目的的激振。（本节内容） 。（本节内容 介绍三种设备： 电磁式激振器；2.机械偏心式激振器 机械偏心式激振器； 介绍三种设备：1. 电磁式激振器；2.机械偏心式激振器； 3.结构疲劳试验机。 3.结构疲劳试验机。 结构疲劳试验机 被 振 信号发生器 功率放大器
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5.1 概述
动荷载－随时间而变化的荷载。 冲击、随机荷载（ 地震）） 动荷载－随时间而变化的荷载。（冲击、随机荷载（风、地震）） 结构所承受的动力荷载的方式： 结构所承受的动力荷载的方式：
（1）地震作用 （2）机械设备振动和冲击荷载 （3）高层建筑和高耸结构的风载 （4）车辆运动对桥梁的振动 （5）海浪对采油平台的冲击 （6）爆炸引起的振动 （7）周围环境的随机振动
2.磁电式拾振器的换能原理 2.磁电式拾振器的换能原理 E = nBLv
n − 线圈的匝数； 式中 B − 磁钢与线圈间的磁场强度； L − 每匝线圈的平均长度； v − 线圈的运动速度。
输出电动势与被测振动体的振动速度成正比
磁电式拾振器换能原理
1－弹簧；2－质量；3－线圈；4－磁钢；5－仪器外壳
（振幅、频率、速度、加速度、动应变、动应力） 振幅、频率、速度、加速度、动应变、动应力）
5.4.1 动荷载特性的测定
动荷载的特点： 动荷载的特点：
1.大小、方向、作用规律随时间变化而变化； 1.大小、方向、作用规律随时间变化而变化； 大小 2.结构的动力反应除与动载有关，还与结构自身动力特性密切相关； 2.结构的动力反应除与动载有关，还与结构自身动力特性密切相关； 结构的动力反应除与动载有关 同样的动荷载作用，不同的结构自振特性其动力反应不同； 同样的动荷载作用，不同的结构自振特性其动力反应不同； 3.动荷载所产生的动力效应有时远大于相应的静力效应， 3.动荷载所产生的动力效应有时远大于相应的静力效应，甚至一个不 动荷载所产生的动力效应有时远大于相应的静力效应 大的动荷载可能导致结构严重破坏。 大的动荷载可能导致结构严重破坏。
激振
激振器
物
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5.2.1 电磁式激振器
工作原理
当动圈内通入交变电流时， 当动圈内通入交变电流时，载流动 圈在固定磁场作用下产生交变力F: 圈在固定磁场作用下产生交变力F:
F = I m BL sin ωt B − 磁场强度； 式中 L − 动圈绕线有效长度； I m − 通过动圈的电流幅值。
记录设备的种类
阴极射线示波器 瞬态波形记录仪 动态数据采集仪
1.光线示波器 1.光线示波器 2.动态数据采集仪 2.动态数据采集仪
光线示波器的工作原理
动态测试系统三种配套仪器系统
5.4 动参数的测量方法
动力试验通常包括三方面内容： 动力试验通常包括三方面内容：
1. 2. 3.
动荷载特性的测定； 大小、方向、频率、作用规律） 动荷载特性的测定； （大小、方向、频率、作用规律） 结构自振特性的测定；（自振频率、阻尼、振型） 结构自振特性的测定； 自振频率、阻尼、振型） 结构在动荷载作用下的动力反应的测定。 结构在动荷载作用下的动力反应的测定。
F合V = 2 F sin ωt = 2mω 2γ sin βωt
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优点：激振力范围大（由几十牛到几兆牛）。 优点：激振力范围大（由几十牛到几兆牛）。 缺点：频率范围较小，一般在100Hz以内，因此， 缺点：频率范围较小，一般在100Hz以内，因此，低频时激 100Hz以内 振力不太大。另外，激振力和频率不能各自独立变化。 振力不太大。另外，激振力和频率不能各自独立变化。处理 数据时为使激振力为常力，得进行处理。 数据时为使激振力为常力，得进行处理。
一周内垂直惯性力数值变化图
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5.2.3 结构疲劳试验机
结构疲劳试验机外观图
结构疲劳试验机脉动工作原理
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5.2.4 反冲小火箭
通过在其小型钢筒体内放入固体火药， 通过在其小型钢筒体内放入固体火药，采用直流电 源短路的方法点火，使筒体内产生高温（ 源短路的方法点火，使筒体内产生高温（可高达 2200－ 气体，并以高压、高速喷出， 2200－33000C）气体，并以高压、高速喷出，对被测 结构产生一个反推力，对结构激振。 结构产生一个反推力，对结构激振。
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5.3 测振仪器
动力试验测振仪器系统由三部分组成： 动力试验测振仪器系统由三部分组成：
测振传感器 测振放大器
测振仪器系统框图
测振记录仪
振源
测振传感器（拾振器）：把机械运动如位移、速度、加速度转换成电量输出。 测振传感器（拾振器）：把机械运动如位移、速度、加速度转换成电量输出。 ）：把机械运动如位移
电磁式激振结构图
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特点：体积小，使用方便，较经济， 特点：体积小，使用方便，较经济，是要求激振力不大的小型结构或
模型理想的激振设备，工程中应用较多。 模型理想的激振设备，工程中应用较多。
电磁式激振器各式安装示意图
1－试件；2－橡皮绳；3－连接杆；4－可升降装置；5－支架
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动荷载的测定
1.直接测定法 1.直接测定法 2.比较测定法 2.比较测定法
各种典型的震源 a.间歇型阻尼振动。有明显尖峰和衰减特点，说明是撞击振源引起； b.周期性简谐振动。转速恒定的机器运转引起； c.两个频率相差两倍的简谐振源引起的合成振动波形； d.三个不同频率的简谐振源引起的合成波； e.振幅周期性的由大变小，又由小变大。有两种可能：1.两个频率相近的简谐 振源共同作用；2.只有一个振源，其频率与结构的固有频率相接近。 f.随机振动波,如地震。
3.压电式加速度传感器 3.压电式加速度传感器
F = ma = C x q
m − 质量块； 式中 a − 振动体加速度； C x − 压电系数。
加速度传感器结构原理
1－仪器外壳；2－硬弹簧；3－质量块；4－压电晶体；5－输出线
测振放大器（放大、衰减，模拟运算） 5.3.3 测振放大器（放大、衰减，模拟运算）
5.4.2 结构自振特性的测定
自振频率；（ ；（2 阻尼；（ ；（3 结构自振特性包括（1）自振频率；（2）阻尼；（3）振型
实测结构自振特性的意义： 实测结构自振特性的意义：
（1）设计建筑物时，避免共振； 设计建筑物时，避免共振； （2）用等效静载进行动力计算时，内力分布与振型有关； 用等效静载进行动力计算时，内力分布与振型有关； （3）用振型分解法计算结构振动时，结构动力特性必须预先知道。 用振型分解法计算结构振动时，结构动力特性必须预先知道。
土木工程结构试验 对结构进行动力分析的目的：保证结构在整个使用期间， 对结构进行动力分析的目的：保证结构在整个使用期间，在可能 发生的动荷载作用下能正常工作，并确保其一定的可靠度。 发生的动荷载作用下能正常工作，并确保其一定的可靠度。 结构动力测试主要包括： 结构动力测试主要包括： （1）动荷载特性的测定； ）动荷载特性的测定； 动荷载的大小、作用方向、作用频率及其规律性质） （动荷载的大小、作用方向、作用频率及其规律性质） （2）结构自振特性的测定；（自振频率、阻尼比、振型） ）结构自振特性的测定； 自振频率、阻尼比、振型） （3）结构在动荷载作用下的反应的测定。 wk.baidu.com结构在动荷载作用下的反应的测定。 （振幅、速度、加速度、动应力、动力系数） 振幅、速度、加速度、动应力、动力系数） 结构动力测试的目的：研究动荷载的振动对工程结构的影响， 结构动力测试的目的：研究动荷载的振动对工程结构的影响，以 及抵御或减缓这种影响提供所必须的数据。 及抵御或减缓这种影响提供所必须的数据。
1.电压放大器 1.电压放大器
（1）积分电路 （2）微分电路 磁电式拾振器使用微分电路可获得加速度信号；使用积分电路可获位移信号。 磁电式拾振器使用微分电路可获得加速度信号；使用积分电路可获位移信号。 压电式拾振器使用积分电路得速度信号，再使用一次得位移信号。 压电式拾振器使用积分电路得速度信号，再使用一次得位移信号。
5.2.2 偏心式激振器
工作原理
一个偏心质量块随转轮转动时产生离心力： 一个偏心质量块随转轮转动时产生离心力：
F = mω 2γ m − 偏心质量块的质量； 式中
ω − 偏心质量块旋转圆频率； γ − 偏心质量块旋转半径。
当上下两个偏心质量块左右对称放置，然后作等速反向旋转时， 当上下两个偏心质量块左右对称放置，然后作等速反向旋转时，两偏心块 的惯性力的合力在水平方向为零，竖直方向作简谐振动。 的惯性力的合力在水平方向为零，竖直方向作简谐振动。