(结构试验)第六章结构动力试验
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结构所能承受的荷载重复次数及应力达到的最大值均与应力的变化幅度有 关。研究表明，在一定应力变化幅度下，应力与重复荷载作用次数的增加不 会再引起结构的疲劳破坏。该疲劳应力值成为疲劳极限应力。
2020/10/23
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6.3 疲劳试验
根据结构疲劳试验的目的可以将试验分为研究性试验和检验性试验。
1. 研究性试验
3. 疲劳破坏具有显著的局部特征，疲劳裂纹扩展和破坏过程发生在局部区域。
4. 疲劳破坏是一个累计损伤的过程，要精力足够多次导致损伤的交变应力才 会发生疲劳破坏。
2020/10/23
11Leabharlann 6.3 疲劳试验2020/10/23
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6.3 疲劳试验
一、结构疲劳试验的目的
结构疲劳试验的直接目的是确定结构的疲劳极限，为了获得结构的疲劳极 限，必须对结构施加重复荷载，并测定结构达到疲劳破坏时的荷载循环次数。
1940年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元，建造了一座主跨 度853.4米的悬索桥。建成4个月后，于同年11月7日碰到了一场风速为19 米 /秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接 近9米），直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而 塌毁， 坠落到峡谷之中。
第六章 结构动力试验
School of Urban Construction and Management
2020/10/23
1
6.1 概述
在工程结构所受的荷载中，除了静荷载外，往往还会受到动荷载（动力作 用）的作用。 动荷载：大小、位置和方向随时间变化的荷载。从动态角度来讲，静荷载 只是动荷载的一种特殊形式。 动力作用的主要特点：作用及作用效应随时间发生变化。因此考虑动力荷 载作用下结构的性能，不仅考虑荷载作用的大小和位置，还应考虑荷载作用 的时间及结构响应随时间变化的关系。
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6.2 结构动力特性测试试验
用试验法测定结构动力特性，首先应设法使结构起振，通过分析记录到的 结构振动形态，获得结构动力特性的基本参数。
结构动力试验的方法：
迫振法：对被测结构施加外界机理，强迫结构起振。通过分析记录得到结 构振动形态，获得结构动力特性的基本参数。
分为振动荷载法（共振法）和撞击荷载法（自由振动法）
结构或材料受重复荷载作用后其物理力学性能将发生变化，其强度极限将 低于相同静荷载作用下的极限值，这种现象称为结构或材料的疲劳。
疲劳破坏是材料损伤累积而导致的一种破坏形态。
金属疲劳的特征：
1. 交变荷载作用下，在构件的交变应力远低于材料静力强度的条件下有可能 发生的疲劳破坏
2. 在单调静载实验中变现为脆性或塑性的材料，发生疲劳破坏时，宏观上均 表现为脆性断裂，疲劳破坏的预兆不明显。
90
80
裂 缝 70 长 度
DLF60 DLF70 DLF80 DLF90
60
応力範囲ssn (MPa)
50
104
105
106
107
108
繰返し回数 N (cycles)
循环次数
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6.3 疲劳试验
四、疲劳试验的安装装置
结构疲劳试验连续进行的时间长，过程中振动大，因此试件的安装就位以 及相配合单圈措施均需认真对待。具体做到： (1)严格对中 (2)保持平稳 (3)安全防护措施
例如：地震发生时由于地面的运动引起建筑物的振动而造成建筑物的破坏； 汽车或列车高速驶过桥梁，所造成的振动引起的桥梁的破坏；往复运动造成 结构的疲劳破坏；风作用而引起的桥梁破坏。
因此，若需要了解结构在整个服役期内的工作状态，有必要了解结构在动 荷载动荷载作用下的工作性能
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6.1 概述
利用结构的共振特性，迫使结构产生一个恒定的强迫简谱运动（简谐振 动），通过对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性的基本参数。
通过改变信号发生器的频率，可测的一阶、二阶、三阶及更高的自振频率。
固支梁一阶、二阶、三阶自振频率对应的一、二、三阶振型
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6.2 结构动力特性测试试验
应用共振法还测量结构振型。结构若按某一个固有频率作振动时形成的泰 兴曲线成为对应此频率的振型。
一般应包括：
(1)应力随荷载重复次数的变化情况
(2)抗裂性及开裂荷载
(3)裂缝宽度、长度、间距及其发展与荷载重复次数关系
(4)最大挠度及其变化规律
(5)疲劳强度的确定 75
(6)破坏特征分析
70
65
60
55
き裂長さ 2a(mm)
50
裂 45 缝 40 长 35 度 30
25
20
15
10
5
0
0
10000
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6.3 疲劳试验
二、结构疲劳试验的方法 一般均在专门疲劳试验机上进行。
1. 疲劳试验荷载 由三个参量构成：
(1)最大荷载 (2)最小荷载 (3)平均荷载
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6.3 疲劳试验
2. 疲劳荷载的频率选择 疲劳试验荷载在单位时间内重复作用的次数称为荷载的频率。目前尚无统
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30000
40000
繰返し循回环数 N次(C数ycles)
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6.3 疲劳试验
根据结构疲劳试验的目的可以将试验分为研究性试验和检验性试验。
2. 鉴定性试验 一般应包括：
(1)抗裂性及开裂荷载 (2)裂缝宽度及其发展 (3)最大挠度及其变化规律 (4)疲劳强度的确定
脉动试验法：利用地脉动对建筑物引起的振动过程进行记录分析得到结构 动力特性的方法。
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6.2 结构动力特性测试试验
一、振动荷载法（共振法）
共振：结构在受到与其自振周期一致的周期荷载激励时，若结构的阻尼为零，则结 构的响应随着时间的增加为无穷大。若结构的阻尼不为零，则结构的响应也较大。
等级卸载。经过Qmin时应增设一个级次。
(2) 疲劳试验极端
保持荷载上、下限稳定，误差不超过最大荷载的3%。试验过程中有计划的停机进 行静态测点读数（静荷载试验）。
(3) 破坏试验极端
打到要求疲劳次数后，进一步讲试件家合作至破坏。 a. 继续施加疲劳荷载直至破坏，得出承受荷载的极限次数； b. 做静荷载破坏试验，得出其极限承载力
将若干拾振器（接收信号的装置）布置在结构的相应部位，当激振器使结构发生共 振时，同事记录下结构各部位的振动过程，用过比较个各点的振幅和相位，也可以得 到与共振频率相应的振型。
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6.2 结构动力特性测试试验
二、撞击荷载法（自由振动法）
自由振动法师设法使结构产生自由振动快通过分析记录仪记录下的有衰减 的自由振动曲线，获得结构的基本频率和阻尼系数。
一规定，主要依据疲劳试验机的性能而定。但应避免构件共振。考虑 到试验时间，应在疲劳试验机容许的加载频率范围内选用较快的加载 频率。
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6.3 疲劳试验
3. 疲劳试验加载程序 (1) 静荷载试验阶段
预加载至20%Qmax，消除连接之间的不良接触，检查测试仪表是否正常工作。 静荷载试验同一般静力试验，荷载等级按20%Qmax分5级加至Qmax，然后按同样
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6.3 疲劳试验
三、疲劳试验测试内容
(1) 疲劳强度
构件所能承受疲劳荷载作用次数，取决于最大应力值smax（或最大荷载Qmax）及应 力变化幅度r(r= smax/ smin)。
(2) 疲劳试验的应变测量
(3) 疲劳试验的裂缝测量
(4) 疲劳试验的挠度测量
100
ssn=218.7N−0.077
常用方法是对结构预加初位移。试验时，突然释放预加的初位移，使结构 产生自由振动。也可采用突加荷载法和突卸荷载法。还可以使用反冲激振器 对结构产生冲击荷载，使结构产生自由振动。
用自由振动法得到的周期和阻尼系数均比较准确，但其缺点是只能测得基 本频率。
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6.2 结构动力特性测试试验
三、脉动法
利用环境随即激振测定结构动力特性的方法称为脉动发。该方法不用专门 的激振设备而是通过建筑物由于外界不规则的干扰而产生的微小振动即“脉 动”来确定建筑物的特性。
微小的地震 机器运转 车辆来往等认为扰动
具体方法
主谐量法 统计法 频谱分析法 功率谱分析法
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6.3 疲劳试验
根据结构疲劳试验的目的可以将试验分为研究性试验和检验性试验。
1. 研究性试验
3. 疲劳破坏具有显著的局部特征，疲劳裂纹扩展和破坏过程发生在局部区域。
4. 疲劳破坏是一个累计损伤的过程，要精力足够多次导致损伤的交变应力才 会发生疲劳破坏。
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6.3 疲劳试验
一、结构疲劳试验的目的
结构疲劳试验的直接目的是确定结构的疲劳极限，为了获得结构的疲劳极 限，必须对结构施加重复荷载，并测定结构达到疲劳破坏时的荷载循环次数。
1940年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元，建造了一座主跨 度853.4米的悬索桥。建成4个月后，于同年11月7日碰到了一场风速为19 米 /秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接 近9米），直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而 塌毁， 坠落到峡谷之中。
第六章 结构动力试验
School of Urban Construction and Management
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6.1 概述
在工程结构所受的荷载中，除了静荷载外，往往还会受到动荷载（动力作 用）的作用。 动荷载：大小、位置和方向随时间变化的荷载。从动态角度来讲，静荷载 只是动荷载的一种特殊形式。 动力作用的主要特点：作用及作用效应随时间发生变化。因此考虑动力荷 载作用下结构的性能，不仅考虑荷载作用的大小和位置，还应考虑荷载作用 的时间及结构响应随时间变化的关系。
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6.2 结构动力特性测试试验
用试验法测定结构动力特性，首先应设法使结构起振，通过分析记录到的 结构振动形态，获得结构动力特性的基本参数。
结构动力试验的方法：
迫振法：对被测结构施加外界机理，强迫结构起振。通过分析记录得到结 构振动形态，获得结构动力特性的基本参数。
分为振动荷载法（共振法）和撞击荷载法（自由振动法）
结构或材料受重复荷载作用后其物理力学性能将发生变化，其强度极限将 低于相同静荷载作用下的极限值，这种现象称为结构或材料的疲劳。
疲劳破坏是材料损伤累积而导致的一种破坏形态。
金属疲劳的特征：
1. 交变荷载作用下，在构件的交变应力远低于材料静力强度的条件下有可能 发生的疲劳破坏
2. 在单调静载实验中变现为脆性或塑性的材料，发生疲劳破坏时，宏观上均 表现为脆性断裂，疲劳破坏的预兆不明显。
90
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裂 缝 70 长 度
DLF60 DLF70 DLF80 DLF90
60
応力範囲ssn (MPa)
50
104
105
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繰返し回数 N (cycles)
循环次数
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6.3 疲劳试验
四、疲劳试验的安装装置
结构疲劳试验连续进行的时间长，过程中振动大，因此试件的安装就位以 及相配合单圈措施均需认真对待。具体做到： (1)严格对中 (2)保持平稳 (3)安全防护措施
例如：地震发生时由于地面的运动引起建筑物的振动而造成建筑物的破坏； 汽车或列车高速驶过桥梁，所造成的振动引起的桥梁的破坏；往复运动造成 结构的疲劳破坏；风作用而引起的桥梁破坏。
因此，若需要了解结构在整个服役期内的工作状态，有必要了解结构在动 荷载动荷载作用下的工作性能
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6.1 概述
利用结构的共振特性，迫使结构产生一个恒定的强迫简谱运动（简谐振 动），通过对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性的基本参数。
通过改变信号发生器的频率，可测的一阶、二阶、三阶及更高的自振频率。
固支梁一阶、二阶、三阶自振频率对应的一、二、三阶振型
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6.2 结构动力特性测试试验
应用共振法还测量结构振型。结构若按某一个固有频率作振动时形成的泰 兴曲线成为对应此频率的振型。
一般应包括：
(1)应力随荷载重复次数的变化情况
(2)抗裂性及开裂荷载
(3)裂缝宽度、长度、间距及其发展与荷载重复次数关系
(4)最大挠度及其变化规律
(5)疲劳强度的确定 75
(6)破坏特征分析
70
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き裂長さ 2a(mm)
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裂 45 缝 40 长 35 度 30
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6.3 疲劳试验
二、结构疲劳试验的方法 一般均在专门疲劳试验机上进行。
1. 疲劳试验荷载 由三个参量构成：
(1)最大荷载 (2)最小荷载 (3)平均荷载
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2. 疲劳荷载的频率选择 疲劳试验荷载在单位时间内重复作用的次数称为荷载的频率。目前尚无统
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繰返し循回环数 N次(C数ycles)
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根据结构疲劳试验的目的可以将试验分为研究性试验和检验性试验。
2. 鉴定性试验 一般应包括：
(1)抗裂性及开裂荷载 (2)裂缝宽度及其发展 (3)最大挠度及其变化规律 (4)疲劳强度的确定
脉动试验法：利用地脉动对建筑物引起的振动过程进行记录分析得到结构 动力特性的方法。
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一、振动荷载法（共振法）
共振：结构在受到与其自振周期一致的周期荷载激励时，若结构的阻尼为零，则结 构的响应随着时间的增加为无穷大。若结构的阻尼不为零，则结构的响应也较大。
等级卸载。经过Qmin时应增设一个级次。
(2) 疲劳试验极端
保持荷载上、下限稳定，误差不超过最大荷载的3%。试验过程中有计划的停机进 行静态测点读数（静荷载试验）。
(3) 破坏试验极端
打到要求疲劳次数后，进一步讲试件家合作至破坏。 a. 继续施加疲劳荷载直至破坏，得出承受荷载的极限次数； b. 做静荷载破坏试验，得出其极限承载力
将若干拾振器（接收信号的装置）布置在结构的相应部位，当激振器使结构发生共 振时，同事记录下结构各部位的振动过程，用过比较个各点的振幅和相位，也可以得 到与共振频率相应的振型。
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6.2 结构动力特性测试试验
二、撞击荷载法（自由振动法）
自由振动法师设法使结构产生自由振动快通过分析记录仪记录下的有衰减 的自由振动曲线，获得结构的基本频率和阻尼系数。
一规定，主要依据疲劳试验机的性能而定。但应避免构件共振。考虑 到试验时间，应在疲劳试验机容许的加载频率范围内选用较快的加载 频率。
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6.3 疲劳试验
3. 疲劳试验加载程序 (1) 静荷载试验阶段
预加载至20%Qmax，消除连接之间的不良接触，检查测试仪表是否正常工作。 静荷载试验同一般静力试验，荷载等级按20%Qmax分5级加至Qmax，然后按同样
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6.3 疲劳试验
三、疲劳试验测试内容
(1) 疲劳强度
构件所能承受疲劳荷载作用次数，取决于最大应力值smax（或最大荷载Qmax）及应 力变化幅度r(r= smax/ smin)。
(2) 疲劳试验的应变测量
(3) 疲劳试验的裂缝测量
(4) 疲劳试验的挠度测量
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ssn=218.7N−0.077
常用方法是对结构预加初位移。试验时，突然释放预加的初位移，使结构 产生自由振动。也可采用突加荷载法和突卸荷载法。还可以使用反冲激振器 对结构产生冲击荷载，使结构产生自由振动。
用自由振动法得到的周期和阻尼系数均比较准确，但其缺点是只能测得基 本频率。
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6.2 结构动力特性测试试验
三、脉动法
利用环境随即激振测定结构动力特性的方法称为脉动发。该方法不用专门 的激振设备而是通过建筑物由于外界不规则的干扰而产生的微小振动即“脉 动”来确定建筑物的特性。
微小的地震 机器运转 车辆来往等认为扰动
具体方法
主谐量法 统计法 频谱分析法 功率谱分析法
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