結構動載試驗 07次課40課件

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各種類型的工程結構，在實際使用過程中除了承受靜荷載作用外，常常還要受各種動荷載作用。

1.地震作用、風振

2.大型機械設備運轉產生的振動和沖擊作用

3.核爆炸等產生的瞬時沖擊作用

需要研究這些動荷載對工程結構的影響，以達到在結構設計時消除或減小動荷載的不利影響的目的。

第二章結構動載試驗§2.1

概述2

在工程結構中有許多振動的課題要求人們研究解決，工程結構中需要研究和解決的振動問題：抗震理論分析和試驗研究（為地震設防和抗震設計提供依據，提高各類建筑物的抗震能力。）設計和建筑工業廠房時，要考慮生產過程中產生的振動對廠房結構或構件的影響。§2.1

概述3高層建筑與高聳構筑物設計時，需要解決風荷載所引起振動問題。生產工藝對廠房的特殊要求（精密機床等），另外噪聲也會使勞動條件惡化，直接危害工人健康，必須采取防震、隔聲和消振措施。國防建設中，需要研究建筑物的抗爆問題。

§2.1

概述4

研究振動問題的手段：通過理論分析和試驗研究

結構動載試驗：

就是通過試驗的方法對結構振動進行分析研究。它是工程結構試驗工作的一個重要組成部分。§2.1

概述5

在結構動載試驗中將引起結構振動的動力源稱為振源。振源可歸納為固定振源、移動振源和特殊振源。§2.1

概述6

振源產生的動力荷載是復雜和多樣的，概括起來有三種荷載：撞擊荷載：撞擊荷載的作用時間極為短暫，一般在1/1000～1/10000秒，作用力的大小及其出現的時間間隔往往沒有規律。7振動荷載：振動荷載的作用是經常的，具有周期性，作用力的大小和頻率按照某一固定規律變化。復雜荷載。復雜荷載有可能是撞擊荷載和振動荷載的組合，也可能是地震、風、爆炸等特殊荷載或其組合，是實際生活中最常見的動力荷載。8

實際進行結構動載試驗，通常有以下幾種情況：1．測定結構物在實際工作時的振動水平（振幅，頻率）及性狀。動力機械作用下廠房結構的振動；車輛荷載作用下橋梁的振動；地震時結構的振動；風荷載作用下高層建筑或高聳構筑物的風振；精密機器設備、精密儀表所在環境的振動等。92．采用各種類型的激振手段，對原型結構或模型結構動荷載試驗。對各類建筑物進行穩態的正弦激振或隨機的自然激振試驗，以測定建筑物的動力特性參數；對結構物進行振動臺模型試驗，以測定結構的抗震性能和地震破壞機理；對結構物進行風洞模型試驗，以測定結構在風荷載作用下的性能；對結構物進行抗爆或沖擊波試驗，以測定結構的抗爆性能。10

3．結構構件的疲勞試驗。

確定結構構件在多次重復荷載作用下的受力性能，如抗裂性能、裂縫寬度、變形和強度等。11

結構動力試驗的內容：測定動力荷載或振源的特性，即測定引起振動的作用力的大小、作用方向、作用頻率及其規律。測定結構動力特性，包括結構的自振頻率、阻尼比、振型。測定結構在動力荷載作用下的反應，包括位移（振幅）、速度、加速度、動應力、動力系數等。結構抗震試驗。結構疲勞性能試驗。12一、振動量測系統框圖振動參量可以通過各種不同方法進行量測，有機械式振動測量系統、光學測量系統、還有電測系統，即電測法。電測法是將振動參量（位移、速度、加速度）轉換成電量，而后用電子儀器進行放大，顯示或記錄。電測法靈敏度高，且便于遙控、遙測，是目前最常用方法。§2.2

動載試驗的量測儀器13

根據所測對象的條件和量測目的而選擇不同類型的傳感器和量測儀表。電測法振動測量系統可以用框圖表示。

傳感器直接檢測振動信號并將其轉變為電量，測量(放大）電路對從傳感器輸入的電信號根據需要進行處理，即調制、放大、微分、積分等等，然后輸入到記錄設備和數據處理系統中。傳感器放大電路記錄器14二、慣性式測振傳感器力學原理

振動具有傳遞作用，測振時很難在振動體附近找到一個靜止點作為測量振動的基準點，這樣就需要在儀器內部設法構成一個基準點。由慣性質量和彈性元件組成的振動系統可以解決這個問題。§2.2

動載試驗的量測儀器15

工作原理：

慣性質量m由一個剛度為K的彈簧和一個阻尼系數為的阻尼器聯結在儀器的外殼上。測振時儀器的外殼框架固定在振動體上，并和振動體一起振動。我們直接測量得到是質量塊的相對于儀器外殼的振動，通過計算分析得到所測振動體振動。§2.2

動載試驗的量測儀器16設被測振動物體按下面表達式的規律振動以y表示質量塊m相對于儀器外殼的位移，質量塊m的總位移，x+y，或下一步是:§2.2

動載試驗的量測儀器17單自由度，有阻尼，強迫振動方程，上式第一項為自由振動，由于阻尼而很快衰減，第二項為強迫振動的解。其中：§2.2

動載試驗的量測儀器18以為橫坐標，以和為縱坐標，并使用不同的阻尼作圖。§2.2

動載試驗的量測儀器19§2.2

動載試驗的量測儀器

幅頻特性曲線

相頻特性曲線20

分析：（測位移的測振傳感器設計狀態）當增加時，也就是振動體振動頻率較之儀器的固有頻率大很多時，不管阻尼比D大還是小，趨近于1，而趨近180°，也就是質量塊的相對振幅和振動體的振幅趨近于相等而相位相反，這是測振儀器工作的理想狀態。21當接近1，若阻尼D=0.5～0.7，仍接近1，相位差隨著被測振動頻率的改變而改變，儀器所出的波形有畸變；22當小于1，→0，儀器不能反映所測的振動。23以上所述是為測位移的測振傳感器設計的狀態，如果使傳感器固有頻率遠遠大于所測振動頻率

24由于

25拾振器相對位移y近似與被測振動加速度成正比。26三、測振傳感器測振傳感器又稱拾振器，是振動的感受裝置，把振動信號轉換為電信號，其轉換方式是多種多樣的，如磁電式、壓電式、電阻應變式、差動變壓器式、壓電式、差容式。測量振動量是位移、速度、加速度。大部分做成慣性式也就是絕對式；也有少數相對式傳感器。§2.2

動載試驗的量測儀器271．磁電式速度傳感器

特點：靈敏度高，性能穩定；輸出阻抗低，頻率響應有一定寬度，通過對質量彈簧系統參數的不同設計，可以使傳感器即能量測非常微弱的振動，也能測比較強的振動。§2.2

動載試驗的量測儀器28

磁電式速度傳感器，由磁鋼和殼體相固連安裝在所測振動體上，并與振動體一起振動，芯軸與線圈組成傳感器的可動系統并由簧片和殼體連接，可動系統就是傳感器的慣性質量塊，測振時慣性質量塊和儀器殼體相對移動，因而線圈和磁鋼也相對移動，從而產生感應電動勢，根據電磁感應規律，E=BLnv

對于儀器系統BLn為常量，所以測振傳感器的輸出電壓與所測振動物體的振動速度成正比。29

對于這種類型的測振傳感器，慣性質量塊的位移反映所測振動位移，而傳感器輸出的電壓與振動速度成正比，所以也稱為慣性式速度傳感器。30磁電式速度傳感器：對于建筑工程中經常要測10Hz以下，甚至1Hz以下的低頻振動采用擺式測振傳感器，質量彈簧系統設計轉動的形式，以獲得更低的固有頻率根據所測振動是垂直方向還是水平方向有垂直擺、倒立擺、水平擺等。31磁電式測振傳感器的主要技術指標：固有頻率f。靈敏度K。頻率響應。阻尼系數32

振動的位移或加速度可以通過積分網絡和微分網絡來實現，無源積分網絡的工作原理：RcU設計積分電路時要阻抗R大大地大于容抗即

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傳感器輸出的電壓信號一般比較弱，需經過電壓放大器。放大器應與磁電式傳感器很好地匹配，首先放大器的輸入阻抗要大大地大于傳感器的輸出阻抗，這樣就可以把信號盡可能多地輸入到放大器的輸入端。放大器應有足夠的電壓放大倍數，同時信噪比要比較大。為了同時能夠適應于微弱的振動測量和較