振動疲勞試驗系統(tǒng)機械裝置的設(shè)計翻譯--刁海洋

1、Chen, G., X. Yang and H. Mu, “ 裂紋混凝土結(jié)構(gòu)非線性振動的穩(wěn)定性 ”。振動理論及應(yīng)用高級問題的國際會議中國，西安， 2000 年 6 月 1922 日，科學(xué)出版社， pp.457-462 。裂紋混凝土結(jié)構(gòu)非線性振動的穩(wěn)定性G. D. Chen, X. B. Yang and H. M. Mu密蘇里大學(xué)羅拉分校土木工程系羅拉 , MO 65409-0030 美國摘要鋼筋混凝土（ RC）結(jié)構(gòu)往往要經(jīng)受打擊甚至是超額負載。在他們的壽命中，由于人為或自然意外的負載，如卡車相撞，地震事件，裂紋可能會擴張。當(dāng)裂縫達到足夠的寬度和深度， 足以造成明顯的軟化時， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在

2、非線性的方式來回應(yīng)動態(tài)負載， 即使是在弱振動水平。 這種軟化有時會導(dǎo)致不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)振動。在本文中，兩個鋼筋混凝土梁的試驗結(jié)果提出在諧波負載下研究破裂結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)和固定屬性。 通過一系列試驗測試， 變形和加速度傳遞函數(shù)都獲得了。 一些現(xiàn)象與非線性振動在測試過程中被觀察到， 物理的見解也被獲得。 關(guān)于非線性特性額外自重的作用是實驗研究的目的。1 引言基于振動的損傷檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于機械和航空航天工程結(jié)構(gòu)。 其鋼筋混凝土（RC）結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序有一個最近的起源。 在這一領(lǐng)域的主要發(fā)展已經(jīng)被報導(dǎo)在幾個審查文件中。 在這些應(yīng)用中的關(guān)鍵問題之一是了解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，當(dāng)嚴重時會由裂痕。模型試驗經(jīng)常

3、被用來研究這個問題 .在理想的邊界條件下，聲發(fā)射已被用來研究一個小規(guī)模的鋼筋混凝土梁的動態(tài)行為。本文報導(dǎo)了兩個完整的大型鋼筋混凝土梁在實驗室的測試結(jié)果。 這項研究的目的是了解破獲鋼筋混凝土在瞬態(tài)和固定屬性動態(tài)載荷下的結(jié)構(gòu)。 重點是放在附加費意見和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的振動的不穩(wěn)定與穩(wěn)定的物理解釋。 額外的自重對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響被廣泛的研究。2檢驗標(biāo)本和安裝2.1測試標(biāo)本兩個相同的鋼筋混凝土梁被投出并在實驗室測試。他們長 6.1 米（20 英尺），截面寬 38 厘米（15 英寸）深 47 厘米（18.5 英寸）。所用的混凝土材料具有 39.8 兆帕（ 5,770 psi ）的抗壓強度和 0.0038

4、 的極限應(yīng)變。混凝土梁被兩個 5 號與兩個 6 號在底部的鋼筋增強。 在實驗室的熱軋帶肋鋼筋測試表明， 五號和六號分別增援屈服強度 345 兆帕（ 50,000 psi ）及 6 號 552 兆帕（ 80,000 磅）。無壓縮加固梁且每一個在韌性特性上都設(shè)計失敗。彈性模量鋼筋是200 帕（ 29'106PSI ）。2.2測試裝置每個混凝土梁都被安置在兩輥 5.79 中號（ 19 英尺）中。兩個橫梁進一步支持了輥錨入螺紋桿的堅硬地板。為了保持在橫向穩(wěn)定性， 4 個支架被用在兩個梁的兩端，以防止在測試過程中的任何橫向移動。 筋混凝土梁還被綁在強地板的兩端，利用其支撐以消除潛在隆起，如圖 1

5、 所示。圖1對于靜態(tài)和動態(tài)測試，均采用集中力量在跨中。靜態(tài)負載提供30 噸的液壓千斤頂，在 30 噸甜甜圈稱重傳感器的系列連接，被安裝在反應(yīng)框架和混凝土梁之間，如圖 2 所示。每個靜態(tài)測試后，稱重傳感器都被拆除為安裝機械振蕩器（搖床）騰出空間。動態(tài)負載是振動篩所產(chǎn)生的， 該振動篩被連接到一個電動馬達作為軸，如圖 3 所示。圖 23 測試計劃和程序3.1測試計劃在密蘇里州，每個鋼筋混凝土梁代表一個堅實狀態(tài)板橋。 梁截面開裂和最終的時刻分別等于到 53.3 KN.M（39.3 kip.ft ）和 176.3 KN.M（130 kip.ft ）。他們在跨中相應(yīng)的點負載分別為 PCR=36.6千牛（8

6、.22 窯子）和 PU=121.0 千牛（27.2窯子）。根據(jù)大橋上的交通負荷即梁所表示的，梁在跨中相當(dāng)于受到 Pser=40.5 千牛（ 9.1 服務(wù)負載窯子）。圖 3通過動態(tài)測試得到的梁在添加輔助自重的概念用于穩(wěn)定梁的振動。 這兩個標(biāo)準(zhǔn)被設(shè)置用以確定最大的死重， 這兩個標(biāo)準(zhǔn)被稱為該文件中的預(yù)緊力。 一是要避免任何潛在堆載預(yù)壓加動態(tài)測試梁開裂加載自動態(tài)試驗不應(yīng)該施加任何額外的裂縫。由于現(xiàn)有混凝土板梁橋的負載服務(wù) , 二是要限制的最大預(yù)緊內(nèi)在跨中的等效點負載。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，最大的預(yù)緊力估計是 19.8 千牛（ 4.45 窯子）其提供的阻尼比梁被假定為開始開裂時為 1。對于梁測試，采用預(yù)緊高達

7、11.9 千牛（ 2.68 窯子）在動態(tài)測試中， 它代表的總重量約鋼筋混凝土梁的 50%。這些負荷的身體緊緊附加在梁頂部的鋼板上，如圖 3 所示。有兩個因素被認為是確定梁試驗的動態(tài)負載峰值。一是要避免任何梁的運動，在其支持下。另一種是考慮軟化效應(yīng)對頻率裂縫中束和一個預(yù)置效果 （質(zhì)量）的發(fā)展，這大約相當(dāng)于自然頻率減少 50。第一個因素是考慮限制束加速不到一個 g（重力加速度）。二是實施估計最低的自然頻率破獲了一個完整的預(yù)壓束。在遵守上述兩個標(biāo)準(zhǔn)的條件下，動態(tài)負載的大小被確定為： P0 =413 氮（ 92.9 磅）。3.2測試程序同時進行靜態(tài)和動態(tài)試驗。 每個鋼筋混凝土梁測試失敗的七個階段的狀態(tài)

8、。對于每個階段，梁逐漸在跨中分別加載到 35.6 千牛（窯子）， 44.5 千牛（ 10 窯子）， 62.3 千牛（ 14 窯子）， 80.1 千牛（ 18 窯子），97.9 千牛（ 22 窯子） 115.7千牛（ 26 窯子），或 124.6 千牛（ 28 窯子）。在此之后，梁連續(xù)加載失敗。一系列動態(tài)測試在其原始狀態(tài)， 兩對光束進行測試連續(xù)靜力試驗。 具體來說， 每個周期的靜態(tài)動態(tài)測試 ?包括兩個步驟：1 ） 靜態(tài)加載和卸載跨中梁至預(yù)定的水平。 梁第一次測試， 一次負載在上一個周期的水平， 研究上的動態(tài)效果梁屬性， 然后在預(yù)定水平的兩倍確保測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性。2 ）動態(tài)測試在跨中正弦負載的梁。

9、鋼作為動態(tài)測試前的預(yù)載板。一套房被選定為迫使頻率諧波測試。 每次運行都進行了一個頻率和動態(tài)測試， 在負載序列中完成的增加或減少頻率， 。4 測試結(jié)果和分析4.1荷載 -撓度關(guān)系為了簡化分析，一束損害的嚴重性代表最大靜負荷。兩束光的載荷-位移關(guān)系介紹圖 4 和圖 5。據(jù)觀察，裂紋在負載啟動兩束約 35.6 千牛（窯子）。最大的時刻在這個級別的梁等于 51.5 KN.M （ 38 硤英尺），符合理論分析。頭梁倒塌在 133.5 千牛（ 30 窯子）左右，大約 115.7 千牛（ 26 窯子）第二。它們分別對應(yīng)到 193.32 KN.M的最終時刻（ 142.5 硤英尺）和 167.4 KN.M的（

10、123.5 千磅英尺）。都非常接近理論預(yù)測畝 =176.3 KN.M（130 基普英尺）。圖 4圖 54.2 剛度退化和動態(tài)效果有趣的是，在測試過程中明顯知道梁剛度降低。 圖 4 和圖 5 表明剛度退化不太可能發(fā)生。在這個問題上細看是由兩個周期在梁的靜力試驗研究圖所示的相同的負荷水平，如圖 6 所示?？梢钥闯?，斜坡荷載 - 撓度曲線有兩個差別不大的連續(xù)的測試周期。這證實了早期整個荷載 - 撓度曲線的觀測。圖 6雖然在測試中使用的動態(tài)負載要比靜載荷小得多， 它仍可能會改變一個響應(yīng)裂紋梁。圖 7 顯示的荷載 - 撓度曲線 1 束負荷在 115.7 千牛（ 26 窯子）一級。顯然，在斜坡的荷載 -

11、撓度曲線在動態(tài)測試前后保持不變，表明其對剛度的影響不大。負載偏轉(zhuǎn)曲線似乎已經(jīng)轉(zhuǎn)移到右側(cè)較大變形處。 得出的結(jié)論是從偏轉(zhuǎn)移位結(jié)果不相關(guān)的動態(tài)測試之前和之后的撓度記錄。 然而，磁滯回線的面積由于在動態(tài)測試中搖晃而略微減少。 這意味著， 裂紋表面狀況已經(jīng)改變， 因此一個重要部分內(nèi)部的摩擦力消耗的能量損失了。圖 74.3 裂紋混凝土梁的振動失穩(wěn)據(jù)觀察在 1 梁梁振動的測試開始時為一定幅度， 然后突然下降到小得多的激勵頻率在一定范圍內(nèi)的幅度。這種看法反映在非線性系統(tǒng)振動的跳躍現(xiàn)象. 圖 8顯示了跨中振幅作為一個功能的靜力試驗后的第5 階段的偏轉(zhuǎn)（DMAX）激勵頻率。這種關(guān)系被稱為傳遞函數(shù)。 可以看出，四

12、個功能顯著彼此不同諧波測試時進行激勵頻率序列的增加或減少 . 傳遞函數(shù)表示顯著性差異的功能上裝載的依賴歷史。此外，這些功能都沒有響應(yīng)“共振”的頻率域的峰值。類似撓度和加速度傳遞函數(shù)的性質(zhì)從梁 2 試驗觀察反應(yīng)，如圖 9 及圖 10 所示。歪斜左右的峰值的傳遞函數(shù)響應(yīng)低頻一方。 雖然這種現(xiàn)象代表了典型的非線性振動問題， 但在測試過程中會發(fā)現(xiàn)這些功能最終會收斂為一個經(jīng)過長時間振動， 代表梁振動的瞬態(tài)特性。 由于靜載荷沿裂縫，可能會導(dǎo)致不穩(wěn)定的表面狀況（松散顆粒） 。然而，表面狀況松散顆粒墜毀后表現(xiàn)穩(wěn)定。 這種看法是驗證動態(tài)測試后滯環(huán)變得更小的事實， 如圖5所示。圖 8圖 94.4 預(yù)壓的影響與預(yù)壓

13、（ PP）的彈性梁的基本頻率跨中可以使用微擾理論推導(dǎo)，并表示為F = f P0/ 1+2 PP /w（1）其中， W代表梁的總重量 ; f和 FP0 分別表示為頻率的光束和沒有預(yù)置。由公式計算，梁之間并沒有預(yù)置頻率比（1）與圖 11 實驗結(jié)果相比?？梢钥闯觯碚撉€與實驗數(shù)據(jù)非常符合，因此它可以用來轉(zhuǎn)換頻共振測試與預(yù)緊力的光束，成單獨的光束，無論是否靜態(tài)負荷水平。圖11 可以復(fù)制顯示在圖 12 中，頻率比加載和處女束（ FS0）可作為靜態(tài)載荷的功能。正如人們可以看到，頻率比保持在彈性范圍內(nèi)的恒定當(dāng)梁開始開裂時迅速減小。 頻率比和靜載荷之間的獨特的關(guān)系，使人們有可能量化在鋼筋混凝土梁的破壞的嚴重

14、性。圖 10圖 11預(yù)壓也影響傳遞函數(shù)的幅度和形狀， 如圖 13 和 14 所示。假設(shè)以往任何時候梁都靜態(tài)承受極限荷載的 81或 96。最大動態(tài)無預(yù)載梁的響應(yīng)略微不同發(fā)生在不同的激勵頻率下， 如果梁分別從低到高和高到低的頻率。 然而，峰值響應(yīng)的差異，頻移盡可能抑制，預(yù)緊梁重量的 30應(yīng)用在橫梁上，如圖 14 所示。這是因為預(yù)緊可以保持在微裂打開的尖端。 人們相信微裂導(dǎo)致頻移， 并在相應(yīng)的峰值變化反應(yīng)。圖 14 清楚地表明，共振頻率容易識別通過預(yù)壓測試。此觀察在測試過程中被確認。事實上，它需要大約 10或更少的時間來確定共振頻率比較，如圖 13 所示。圖 12圖 135 結(jié)論本文提出了兩個完整規(guī)

15、模的橫梁 RC靜態(tài)和動態(tài)試驗的實驗結(jié)果。在鋼筋混凝土的破壞的嚴重性束可以很好地與基本頻率結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。 根據(jù)這項研究， 可以得出以下結(jié)論：1 ）動態(tài)測試中預(yù)壓的概念可以應(yīng)用于提高收集試驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并節(jié)省了很多時間在確定的基本頻率上破獲 RC結(jié)構(gòu)。這是因為預(yù)載能保持微裂紋始終開放，使梁和預(yù)緊系統(tǒng)線性振動時受到動態(tài)載荷。2 ）鋼筋混凝土梁的頻率可以根據(jù)確定預(yù)壓系統(tǒng)時梁直接共振試驗來確定。梁頻率與無預(yù)載之間的理論關(guān)系適用于所有情況無論發(fā)生在結(jié)構(gòu)上損傷程度如何。3) 一些獨特的功能在諧波測試的期間被觀察。 他們有關(guān)破獲的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性振動與結(jié)構(gòu)寬帶的動態(tài)負載通常不能被捕獲測試。由于開裂軟化效

16、果，獲得傳遞函數(shù)這項研究通常偏向低頻方面。 高峰功能發(fā)生在不同的激勵頻率時，諧波進行測試頻率的增加和遞減順序。 在測試過程中著名非線性振動的跳躍現(xiàn)象也在測試中觀察到。這些觀測暗示，表面狀況不穩(wěn)定隨裂縫存在。4 ）破裂的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的振動在穩(wěn)態(tài)方面的瞬態(tài)和平穩(wěn)特性響應(yīng)。傳遞函數(shù)在諧波的測試后開始變化， 在結(jié)構(gòu)損害后立刻變化， 但最終收斂隨著動態(tài)測試的數(shù)量增加。相應(yīng)地，跳躍現(xiàn)象消失。致謝這項研究是在安東尼南尼博士的指導(dǎo)下， 部分贊助密蘇里羅拉大學(xué)密蘇里州部運輸和基礎(chǔ)設(shè)施工程研究中心提供的。 這些支持被極大的贊賞。 作者同樣感謝吳靜寧，塔里克 Alkhrdaji 和曹強陳他們在兩個鋼筋混凝土化驗梁

17、下的協(xié)助。參考文獻1 Doebling, S.W., Farrar, C.R. and Prime, M.B., A summary reviewof vibration-based damageidentification methods. The shock and vibration digest. Vol.30. No.2. pp.91-105. 1988.2 Doebling, S.W., Farrar,C.R., Prime, M.B. and Shevitz,D.W.,Damage identificationand healthmonitoringofstructuralandmechanical systems from changes in their vibration characteristics: a literature rev