同济大学土木工程7-结构动载试验.pptx

2024/4/24 周三1土木工程7-1 概述概述结构动载试验结构动载试验通过试验的方法对结构振动进行分析研究通过试验的方法对结构振动进行分析研究动荷载随时间发生变化动荷载随时间发生变化结构反应与本身动力特性相关结构反应与本身动力特性相关动载检测的应用：动载检测的应用：（1 1）结构抗震性能评价）结构抗震性能评价（2 2）工业厂房机械设备振动对结构、构件或精密仪表和机床的影响）工业厂房机械设备振动对结构、构件或精密仪表和机床的影响（3 3）高层结构、高耸构筑物、道路桥梁、堤坝的风水荷载或移动荷载）高层结构、高耸构筑物、道路桥梁、堤坝的风水荷载或移动荷载（4 4）建筑物抗爆）建筑物抗爆2024/4/24 周三2土木工程n惯性力加载惯性力加载n冲击力：重物、钢丝、弹簧冲击力：重物、钢丝、弹簧n离心力：偏心质量起振离心力：偏心质量起振n直线位移惯性力直线位移惯性力n电磁加载电磁加载：电磁试验台电磁试验台n疲劳试验机疲劳试验机：多次反复加载多次反复加载n液压振动台液压振动台：地震力地震力n运动荷载运动荷载：汽车、拖拉机、吊车汽车、拖拉机、吊车7-2 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备2024/4/24 周三3土木工程7-3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备1 1 惯性力加载惯性力加载（1 1）冲击力加载）冲击力加载突然加载法：适用于刚度较突然加载法：适用于刚度较突然加载法：适用于刚度较突然加载法：适用于刚度较大的结构，较小的荷载产生大的结构，较小的荷载产生大的结构，较小的荷载产生大的结构，较小的荷载产生较大的振幅；对结构有影响。较大的振幅；对结构有影响。较大的振幅；对结构有影响。较大的振幅；对结构有影响。突然卸载法：适用于刚度较突然卸载法：适用于刚度较突然卸载法：适用于刚度较突然卸载法：适用于刚度较小的结构，特别是柔性较小小的结构，特别是柔性较小小的结构，特别是柔性较小小的结构，特别是柔性较小的构件。的构件。的构件。的构件。2024/4/24 周三4土木工程7-3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备1 1 惯性力加载惯性力加载（2 2）离心力加载）离心力加载2024/4/24 周三5土木工程7-3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备1 1 惯性力加载惯性力加载（3 3）其它加载）其它加载特点：低频条件下可产生较大激振力，按要求控制位移和速度；特点：低频条件下可产生较大激振力，按要求控制位移和速度；特点：低频条件下可产生较大激振力，按要求控制位移和速度；特点：低频条件下可产生较大激振力，按要求控制位移和速度；只适用于低频激振（只适用于低频激振（只适用于低频激振（只适用于低频激振（1Hz1Hz以下的激振），设备较笨重。以下的激振），设备较笨重。以下的激振），设备较笨重。以下的激振），设备较笨重。2024/4/24 周三6土木工程7-3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备2 2 电磁加载电磁加载特点：频率范围较宽，重量轻，控制方便，可产生各种激振力；特点：频率范围较宽，重量轻，控制方便，可产生各种激振力；特点：频率范围较宽，重量轻，控制方便，可产生各种激振力；特点：频率范围较宽，重量轻，控制方便，可产生各种激振力；激振力不大，仅适用于小型结构。激振力不大，仅适用于小型结构。激振力不大，仅适用于小型结构。激振力不大，仅适用于小型结构。2024/4/24 周三7土木工程7-3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备3 3 液压加载液压加载2024/4/24 周三8土木工程一、一、自由振动法自由振动法：瞬态激振后的阻尼振荡瞬态激振后的阻尼振荡垂直突加、减荷载垂直突加、减荷载水平突加荷载水平突加荷载二、二、共振法共振法：起振机变频激振起振机变频激振三、三、脉动法脉动法：环境随机脉动环境随机脉动7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定2024/4/24 周三9土木工程7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定1 1 自由振动法自由振动法瞬态激振后的阻尼振荡瞬态激振后的阻尼振荡垂直突加、减荷载垂直突加、减荷载水平突加荷载水平突加荷载反冲激振器反冲激振器桥梁加载桥梁加载周期和阻尼比周期和阻尼比2024/4/24 周三10土木工程7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定2 2 共振法共振法共振产生条件：干扰频率与结构固有频率相同共振产生条件：干扰频率与结构固有频率相同使用使用起振机变频激振起振机变频激振2024/4/24 周三11土木工程7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定2 2 共振法共振法阻尼系数阻尼系数临界阻尼比临界阻尼比2024/4/24 周三12土木工程7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定2 2 共振法共振法建筑物的振形图建筑物的振形图对应于某一频率（共振时）对应于某一频率（共振时）2024/4/24 周三13土木工程7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定2 2 共振法共振法建筑物的振形图建筑物的振形图对应于某一频率对应于某一频率2024/4/24 周三14土木工程7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定3 3 脉动法脉动法环境脉动：环境随机激振而引起的结构物微小振动环境脉动：环境随机激振而引起的结构物微小振动地面脉动地面脉动气流脉动气流脉动基本原理基本原理固有频率固有频率的谐量是脉动图中最主要的成分的谐量是脉动图中最主要的成分振幅大、波形光滑处的频率总是振幅大、波形光滑处的频率总是多次重复出现多次重复出现主谐量法：主谐量法：频谱分析法：谐量分析法、相关或功率谱分析法频谱分析法：谐量分析法、相关或功率谱分析法特点特点不需要激振设备，不受结构形式和大小的限制不需要激振设备，不受结构形式和大小的限制信号弱，有好的记录设备信号弱，有好的记录设备2024/4/24 周三15土木工程7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定3 3 脉动法脉动法（1）主谐量法）主谐量法如果建筑物各部位在同一频率处的相位和振幅符合振型规律，此频如果建筑物各部位在同一频率处的相位和振幅符合振型规律，此频率就可确定为建筑物的固有频率，通常基频出现的机会最多率就可确定为建筑物的固有频率，通常基频出现的机会最多。2024/4/24 周三16土木工程7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定3 3 脉动法脉动法（1）主谐量法）主谐量法2024/4/24 周三17土木工程7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定3 3 脉动法脉动法（2）谐量分析法）谐量分析法2024/4/24 周三18土木工程7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定3 3 脉动法脉动法（3）功率谱分析法）功率谱分析法脉动的振幅谱的幅值确定建筑物的固有频率和振形。脉动的振幅谱的幅值确定建筑物的固有频率和振形。记录信号傅立叶分析记录信号傅立叶分析2024/4/24 周三19土木工程7-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定1 1 结构特定部位动参数的测定结构特定部位动参数的测定测点布置根据结构情况和试验目的布置。测点布置根据结构情况和试验目的布置。分布系数分布系数特定结构、特定振源情况下的振动分布情况特定结构、特定振源情况下的振动分布情况2024/4/24 周三20土木工程7-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定2 2 结构的振动变位图测定结构的振动变位图测定振型：结构本身的动力特性，与外荷载无关。振型：结构本身的动力特性，与外荷载无关。变位图：结构在特定荷载作用下的变形曲线。变位图：结构在特定荷载作用下的变形曲线。2024/4/24 周三21土木工程7-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定3 3 结构动力系数的试验测定结构动力系数的试验测定动力系数：动挠度与静挠度的比值动力系数：动挠度与静挠度的比值2024/4/24 周三22土木工程7-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定4 4 强震观测强震观测地震发生时，用仪器观测地面运动的过程和建筑物的动力反应。地震发生时，用仪器观测地面运动的过程和建筑物的动力反应。结构物在强震过程中的振动记录结构物在强震过程中的振动记录自动触发启动，蓄电池供电自动触发启动，蓄电池供电美国洛衫矶：凡新建六层以上、面积超过美国洛衫矶：凡新建六层以上、面积超过60006000平方英尺的建筑物平方英尺的建筑物必须设置强震仪必须设置强震仪3 3台。台。杨浦大桥和金茂大厦等十几个重要建筑物上都已安装了强震记录杨浦大桥和金茂大厦等十几个重要建筑物上都已安装了强震记录网络，仅金茂就安装了网络，仅金茂就安装了6 6台。上海计划在十五期间普及更多，通过台。上海计划在十五期间普及更多，通过立法，达到立法，达到1010层以上的建筑都安装。层以上的建筑都安装。浦东机场深井群安放了深度不同的地震记录仪，最浅浦东机场深井群安放了深度不同的地震记录仪，最浅3030米，最深米，最深300300多米，其他还有多米，其他还有5050米、米、100100多米及多米及200200多米，这些井群可以测量多米，这些井群可以测量到不同深度接收到的不同地震波的强度。到不同深度接收到的不同地震波的强度。2024/4/24 周三23土木工程7-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定4 4 强震观测强震观测中华人民共和国防震减灾法中华人民共和国防震减灾法要求在重大工程和生命线工程等建筑上安装强震动观测设备。要求在重大工程和生命线工程等建筑上安装强震动观测设备。一是可以检查建筑物的一是可以检查建筑物的“健康状况健康状况”，根据震动记录数据，及时掌，根据震动记录数据，及时掌握地震或其他强震动发生时建筑物受损情况；握地震或其他强震动发生时建筑物受损情况；二是从记录数据中总结经验，进而不断改进建筑物抗震设防设计；二是从记录数据中总结经验，进而不断改进建筑物抗震设防设计；三是通过已形成的观测网络的强震动观测，可以快速掌握地震裂度三是通过已形成的观测网络的强震动观测，可以快速掌握地震裂度分布情况，为地震预测与震后救灾提供可靠的信息。分布情况，为地震预测与震后救灾提供可靠的信息。2024/4/24 周三24土木工程7-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定4 4 强震观测强震观测地震安全性评价管理条例地震安全性评价管理条例国务院令国务院令四大工程须进行地震安全性评价。四大工程须进行地震安全性评价。l国家重大建设工程国家重大建设工程l受地震破坏后可能引发受地震破坏后可能引发水灾、火灾、爆炸、剧毒或者强腐蚀性物水灾、火灾、爆炸、剧毒或者强腐蚀性物质质大量泄露或者其他严重次生灾害的建设工程，包括水库大坝、堤大量泄露或者其他严重次生灾害的建设工程，包括水库大坝、堤防和贮油、贮气、贮存易燃易爆、剧毒或者强腐蚀性物质的设施以防和贮油、贮气、贮存易燃易爆、剧毒或者强腐蚀性物质的设施以及其他可能发生严重次生灾害的建设工程及其他可能发生严重次生灾害的建设工程l受地震破坏后可能引发放射性污染的受地震破坏后可能引发放射性污染的核电站和核设施核电站和核设施建设工程建设工程l省、区、市认为对本区域有省、区、市认为对本区域有重大价值或者有重大影响重大价值或者有重大影响2024/4/24 周三25土木工程7-7 结构疲劳试验结构疲劳试验概念概念结构物或构件在重复荷载作用下，达到破坏时的应力比其静力强度结构物或构件在重复荷载作用下，达到破坏时的应力比其静力强度要低得多。这种现象称为疲劳要低得多。这种现象称为疲劳试验目的试验目的了解重复荷载作用下，结构的性能及其变化规律了解重复荷载作用下，结构的性能及其变化规律2024/4/24 周三26土木工程7-7 结构疲劳试验结构疲劳试验1 1 疲劳试验项目疲劳试验项目（1 1）鉴定性试验）鉴定性试验抗裂性及开裂荷载抗裂性及开裂荷载裂缝宽度及发展裂缝宽度及发展最大挠度及其变化幅度最大挠度及其变化幅度疲劳强度疲劳强度（2 2）科研性疲劳试验）科研性疲劳试验各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律抗裂性及开裂荷载抗裂性及开裂荷载裂缝宽度、长度、间距及发展裂缝宽度、长度、间距及发展最大挠度及其变化规律最大挠度及其变化规律疲劳强度的确定疲劳强度的确定破坏特征分析破坏特征分析2024/4/24 周三27土木工程7-7 结构疲劳试验结构疲劳试验2 2 疲劳试验荷载疲劳试验荷载（1 1）疲劳试验荷载取值）疲劳试验荷载取值上限荷载：最大标准荷载最不利组合下产生的弯距计算上限荷载：最大标准荷载最不利组合下产生的弯距计算下限荷载：根据疲劳试验设备的要求而定。下限荷载：根据疲劳试验设备的要求而定。国内多采用等幅匀速荷载：国内多采用等幅匀速荷载：2024/4/24 周三28土木工程7-7 结构疲劳试验结构疲劳试验2 2 疲劳试验荷载疲劳试验荷载（2 2）疲劳试验荷载速度）疲劳试验荷载速度荷载频率影响材料的塑性变形和徐变，频率过高对试验设施有影响荷载频率影响材料的塑性变形和徐变，频率过高对试验设施有影响使构件在试验时实际工作时受力状态一致，使构件在试验时实际工作时受力状态一致，构件与荷载架不能发生共振构件与荷载架不能发生共振荷载频率荷载频率与结构固有频率与结构固有频率之比应满足：之比应满足：2024/4/24 周三29土木工程7-7 结构疲劳试验结构疲劳试验2 2 疲劳试验荷载疲劳试验荷载（3 3）疲劳试验的控制次数）疲劳试验的控制次数经受所确定控制次数的疲劳荷载作用后，其抗裂性、刚度、强经受所确定控制次数的疲劳荷载作用后，其抗裂性、刚度、强度等必须满足规范中有关规定。度等必须满足规范中有关规定。中级工作制吊车梁：中级工作制吊车梁：2102106 6 次次重级工作制吊车梁：重级工作制吊车梁：4104106 6 次次2024/4/24 周三30土木工程7-7 结构疲劳试验结构疲劳试验3 3 疲劳试验步骤疲劳试验步骤（1 1）预加静载）预加静载消除松动及接触不良，压牢构件，使测试仪表工作正常消除松动及接触不良，压牢构件，使测试仪表工作正常（2 2）正式疲劳试验）正式疲劳试验2024/4/24 周三31土木工程7-7 结构疲劳试验结构疲劳试验3 3 疲劳试验步骤疲劳试验步骤（2 2）正式疲劳试验）正式疲劳试验2024/4/24 周三32土木工程7-7 结构疲劳试验结构疲劳试验4 4 疲劳试件的安装疲劳试件的安装（1 1）严格对中）严格对中（2 2）保持平稳）保持平稳（3 3）安全防护）安全防护现行的疲劳试验都是采取试验室常幅疲劳试验方法。即疲劳强度是现行的疲劳试验都是采取试验室常幅疲劳试验方法。即疲劳强度是以一定的最小值和最大位重复荷载试验结果而确定。实际上结构构以一定的最小值和最大位重复荷载试验结果而确定。实际上结构构件是任意变化的重复荷载作用，随着测试技术的不断进步，常幅疲件是任意变化的重复荷载作用，随着测试技术的不断进步，常幅疲劳试验将为符合实际情况的变幅疲劳试验所代替。劳试验将为符合实际情况的变幅疲劳试验所代替。2024/4/24 周三33土木工程7-8 动力试验的数据处理动力试验的数据处理1 1 振动示波波图的分析振动示波波图的分析（1 1）简单波形的分析）简单波形的分析 2024/4/24 周三34土木工程时间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析频域分析频域分析7-8 动力试验的数据处理动力试验的数据处理2 2 谐量分析谐量分析：复杂周期振动的示波图分解成若干个单元频率正弦复杂周期振动的示波图分解成若干个单元频率正弦规律的简谐分量。规律的简谐分量。幅值幅值时间时间频率频率幅幅值值2024/4/24 周三35土木工程7-8 动力试验的数据处理动力试验的数据处理2 2 谐量分析谐量分析对复杂的振动信号进行分析时，把他分解成若干个单一频率的正弦对复杂的振动信号进行分析时，把他分解成若干个单一频率的正弦规律简谐分量的方法。规律简谐分量的方法。傅立叶级数原理傅立叶级数原理2024/4/24 周三36土木工程7-8 动力试验的数据处理动力试验的数据处理2 2 谐量分析谐量分析