第6章 土木工程結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

第6章土木工程結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

6.1

概述

6.2工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的試驗(yàn)測(cè)定

6.3工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)試驗(yàn)測(cè)定

6.4工程結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)

6.5試驗(yàn)資料的整理與分析

（1）熟悉結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)常用的荷載模擬技術(shù)；（2）熟悉動(dòng)載試驗(yàn)量測(cè)儀器的工作原理及技術(shù)指標(biāo)；（3）掌握結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的各種測(cè)試方法；（4）掌握結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的各種測(cè)試方法；（5）了解地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、強(qiáng)震觀測(cè)和人工爆破模擬地震試驗(yàn)等；（6）了解結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的方法。工程結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載下的振動(dòng)影響問(wèn)題：1.實(shí)側(cè)工程結(jié)構(gòu)物在實(shí)際動(dòng)荷載下的振動(dòng)反應(yīng)(振幅、頻率、加速度、動(dòng)應(yīng)力等)。通過(guò)量測(cè)得到的數(shù)據(jù)和資料，研究由于受振動(dòng)影響的結(jié)構(gòu)性能是否安全可靠、存在什么問(wèn)題。2.采用各種類型的激振手段，對(duì)原型結(jié)構(gòu)或模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn)。主要測(cè)定工程結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等，動(dòng)力性能參數(shù)亦稱自振特性參數(shù)或振動(dòng)模態(tài)參數(shù)。這是研究結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)性能和能力的基本參數(shù)。3.工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(橋梁等)的疲勞試驗(yàn)。研究和實(shí)測(cè)移動(dòng)荷載及重復(fù)荷載作用下的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。6.1概述定義：

工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性又稱結(jié)構(gòu)的自振特性，是反映結(jié)構(gòu)本身所固有的動(dòng)態(tài)參數(shù)，主要包括結(jié)構(gòu)的自振頻率，阻尼系數(shù)和振型等一些基本參數(shù)。

6.2工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的試驗(yàn)測(cè)定

方法：

結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能試驗(yàn)的激振方法主要有人工激振法和環(huán)境隨機(jī)激振法。人工激振法又可分為自由振動(dòng)法和強(qiáng)迫振動(dòng)法1.自由振動(dòng)法

在試驗(yàn)中采用初位移或初速度的突卸或突加荷載的方法，使結(jié)構(gòu)受一沖擊荷載作用而產(chǎn)生自由振動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)一般將測(cè)振傳感器布置在結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生最大振幅的部位，但要避開(kāi)某些桿件可能產(chǎn)生的局部振動(dòng)。

(a)—突卸荷載產(chǎn)生的自由振動(dòng)；(b)—撞擊荷載位置與拾震器布置較遠(yuǎn)時(shí)的振動(dòng)記錄圖；(c)—是吊車剎車時(shí)的制動(dòng)力引起的廠房自由振動(dòng)圖形；(d)—是結(jié)構(gòu)作整體激振時(shí)，其組成構(gòu)件也作振動(dòng)，它們之間頻率相差較大，從而形成兩種波形合成的自由振動(dòng)圖。各種類型的振動(dòng)記錄

人工激振法（1）振動(dòng)頻率的測(cè)定（2）結(jié)構(gòu)的阻尼特性測(cè)定阻尼特性用對(duì)數(shù)衰減率或阻尼比來(lái)表示：對(duì)數(shù)衰減率為：在實(shí)際工程測(cè)量中，常采用平均對(duì)數(shù)衰減率，在實(shí)測(cè)振動(dòng)圖中量取k個(gè)波，其平均值為：阻尼比：有阻尼的結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)圖2.強(qiáng)迫振動(dòng)法（1）結(jié)構(gòu)的固有頻率(第一頻率或基本頻率)測(cè)定：

利用激振器可以連續(xù)改變激振頻率的特點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生第一次共振，第二次共振……當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振時(shí)振幅出現(xiàn)最大值，這時(shí)候記錄下振動(dòng)波形圖，在圖上可以找到最大振幅對(duì)應(yīng)的頻率就是結(jié)構(gòu)的第一自振頻率(即基本頻率)。然后，再在共振頻率附近進(jìn)行穩(wěn)定的激振試驗(yàn)，仔細(xì)地測(cè)定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。

共振時(shí)的振動(dòng)圖形和共振曲線（2）由共振曲線確定結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)和阻尼比和

按照結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，采用半功率法由共振曲線圖求得結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)和阻尼比。具體作法如下：共振曲線的縱坐標(biāo)最大值的0．707倍處作一水平線與共振曲線相交于A和B兩點(diǎn)，則半功率點(diǎn)帶寬為：阻尼系數(shù)：

阻尼比：

共振曲線⑶結(jié)構(gòu)的振型測(cè)量測(cè)量結(jié)構(gòu)振型是最常用的基本試驗(yàn)方法是共振法。

(a)(b)(c)(a)-為測(cè)振傳感器的布置；(b)-為共振時(shí)記錄下的振動(dòng)波形圖；(c)-為建筑物的振型曲線。

用共振法測(cè)量建筑物振型

環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法又稱為脈動(dòng)法，即利用脈動(dòng)來(lái)測(cè)量和分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法。人們?cè)谠囼?yàn)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，建筑物由于受外界環(huán)境的干擾而經(jīng)常處于微小而不規(guī)則的振動(dòng)之中，其振幅一般在0.01mm以下，這種環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)稱之為脈動(dòng)。波形圖的分析通常采用以下幾種方法：1.主諧量法2.頻譜分析法3.功率譜分析法環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法1.尋找主振源的試驗(yàn)測(cè)定方法

（1）逐臺(tái)開(kāi)動(dòng)法當(dāng)有多臺(tái)動(dòng)力機(jī)械設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，可以逐臺(tái)開(kāi)動(dòng)，實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)在每個(gè)振源影響下的振動(dòng)反應(yīng)，從中找出影響最大的主振源。

（2）實(shí)測(cè)波形識(shí)別法根據(jù)不同振源將會(huì)引起規(guī)律不同的強(qiáng)迫振動(dòng)這一特點(diǎn)，其實(shí)測(cè)振動(dòng)波形一定有明顯的不同特征，如下圖所示。因此可采用波形識(shí)別法判定振源的性質(zhì)，作為探測(cè)主振源的參考依據(jù)。6.3工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)試驗(yàn)測(cè)定

各種振源的振動(dòng)記錄圖2.結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)的量測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)的量測(cè)就是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。3.工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力系數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定

移動(dòng)荷載作用于結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的動(dòng)撓度，往往比靜荷載時(shí)產(chǎn)生的撓度大。動(dòng)撓度和靜撓度的比值稱為動(dòng)力系數(shù)。

動(dòng)力系數(shù)測(cè)定

在工程結(jié)構(gòu)中，有一些結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件，如承受吊車荷載作用的吊車梁，直接承受懸掛吊車作用的屋架等，它們主要承受重復(fù)性的荷載作用。而這些結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件在重復(fù)荷載作用下達(dá)到破壞時(shí)的強(qiáng)度比其靜力強(qiáng)度要低得多，這種現(xiàn)象稱為疲勞。結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的目的就是要了解在重復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)的性能及其變化規(guī)律。

疲勞試驗(yàn)一般均在專門的疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，對(duì)構(gòu)件施加等幅勻速脈動(dòng)荷載，借以模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用階段不斷反復(fù)加載和卸載的受力狀態(tài)。

6.4工程結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)荷載簡(jiǎn)圖1.疲勞試驗(yàn)項(xiàng)目

（1）對(duì)于鑒定性疲勞試驗(yàn)

⑴抗裂性及開(kāi)裂荷載；⑵裂縫寬度及其發(fā)展；⑶最大撓度及其變化幅度；⑷疲勞強(qiáng)度。（2）對(duì)于科研性的疲勞試驗(yàn)

⑴各階段截面應(yīng)力分布狀況，中和軸變化規(guī)律；⑵抗裂性及開(kāi)裂荷載；⑶裂縫寬度、長(zhǎng)度、間距及其發(fā)展；⑷最大撓度及其變化規(guī)律；⑸疲勞強(qiáng)度的確定；⑹破壞特征分析。2.疲勞試驗(yàn)荷載（1）疲勞試驗(yàn)荷載取值

疲勞試驗(yàn)的上限荷載根據(jù)構(gòu)件在最大標(biāo)準(zhǔn)荷載最不利組合下產(chǎn)生的彎矩計(jì)算而得，荷載下限根據(jù)疲勞試驗(yàn)設(shè)備的要求而定。

（2）疲勞試驗(yàn)速度

荷載頻率不應(yīng)使構(gòu)件及荷載架發(fā)生共振，同時(shí)，應(yīng)使構(gòu)件在試驗(yàn)時(shí)與實(shí)際工作時(shí)的受力狀態(tài)一致或（3）疲勞試驗(yàn)的控制次數(shù)中級(jí)工作制吊車梁：重級(jí)工作制吊車梁：3.疲勞試驗(yàn)的步驟變更荷載上限帶裂縫構(gòu)件一般構(gòu)件4.疲勞試驗(yàn)的觀測(cè)（1）疲勞強(qiáng)度

構(gòu)件是以疲勞極限強(qiáng)度和疲勞極限荷載作為最大的疲勞承載能力，構(gòu)件達(dá)到疲勞破壞時(shí)的荷載上限值為疲勞極限荷載，構(gòu)件達(dá)到疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力最大值為疲勞極限強(qiáng)度。

（2）疲勞試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量

一般采用電阻應(yīng)變片測(cè)量動(dòng)應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)布置依試驗(yàn)具體要求而定。

（3）疲勞試驗(yàn)的裂縫測(cè)量

目前測(cè)裂縫的方法還是利用光學(xué)儀器目測(cè)或利用應(yīng)變傳感器電測(cè)裂縫等

（4）疲勞試驗(yàn)的撓度測(cè)量

疲勞試驗(yàn)中動(dòng)撓度測(cè)量可采用接觸式測(cè)振儀、差動(dòng)變壓器式位移計(jì)和電阻應(yīng)變式位移傳感器等。5.疲勞試驗(yàn)試件的安裝⑴嚴(yán)格對(duì)中。荷載架上的分布梁、脈沖千斤頂、試驗(yàn)構(gòu)件、支座以及中間墊板都要對(duì)中，特別是千斤頂軸心一定要同構(gòu)件斷面縱軸在一條直線上。⑵保持平穩(wěn)。疲勞試驗(yàn)的支座最好是可調(diào)的，即使構(gòu)件不夠平直也能調(diào)整安裝水平，另外千斤頂與試件之間、支座與文墩之間、構(gòu)件與支座之間都要確實(shí)找平，用砂漿找平時(shí)不宜鋪厚，因?yàn)楹裆皾{層易壓酥。⑶安全防護(hù)。疲勞破壞通常是脆性斷裂、事先沒(méi)有明顯預(yù)兆。為防止發(fā)生事故，對(duì)人身安全、儀器安全均應(yīng)很好注意。6.5試驗(yàn)資料的整理與分析1.合成波形的諧量分析

（1）典型合成波形的簡(jiǎn)化分析法：拍振波形分析包絡(luò)線法（2）復(fù)雜周期振動(dòng)波形分解法復(fù)雜周期振動(dòng)波形的近似積分法2.工程結(jié)構(gòu)自振特性的數(shù)據(jù)處理方法

（1）自振頻率的求取實(shí)測(cè)波形的頻率計(jì)算法計(jì)算公式如下：（2）阻尼的求取采用自由振動(dòng)法求阻尼

實(shí)測(cè)波形的阻尼比算法在共振法的共振曲線上求取阻尼

動(dòng)力放大系數(shù)的曲線3.結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的目的就是了解在重復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)的性能和變化規(guī)律，結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)包括試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)荷載、