“结构动力特性测量实验”辅导资料
结构动力特性试验
结构动力特性试验答：指结构受力荷载激励时，在结构自由振动或强迫振动情况下测量结构自身所固有的动力性能的试验单调加载答：是指荷载从零开始，一直加到结构构件破坏的一次性连续加载方法延性系数是答：是指在低周反复加载试验所得的骨架曲线上，结构破坏时的极限变形与屈服时的屈服变形之比退化率答：是指在低周反复加载试验所得加载时，每施加一周荷载后强度或刚度降低的速率非破损检测技术答：是在不破坏结构构件材料内部结构、不影响结构整体工作性能和不危及结构安全的情况下，利用和依据物理学的力、声、电、磁和射线等原理、技术和方法，测定与结构材料性能有关的各种物理量，并以此推定结构构件材料强度和检测内部缺陷的一种测试技术低周反复静力加载试验答：是一种以控制结构变形或控制施加荷载，由小到大对结构构件进行多次低周反复作用的结构抗震静力试验试件支承装置答：指支承结构构件、正确传递作用力、模拟实际荷载图式和边界条件的设备，通常由支座和支两部分组成金属丝的灵敏系数答：表示单位应变引起的相对电阻变化数据修约答：是指根据试验要求和测量精度，按照有关的规定，对在试验中采集到的杂乱无章、位数长短不一的试验数据整理成规定有效位数的数值的过程骨架曲线答：在低周反复加载试验所得荷载一变形滞回曲线中，取所有每一级荷载第一次循环的峰点连接的包络线作为骨架曲线破损荷载答：试件经历最大承载力后，达到某一剩余承载能力时的截面内力或应力值仪器的频率响应答：指动测仪器输出信号的幅值和相位随输入信号的频率而变化的特性试验加载制度答：指的是试验进行期间荷载的大小和方向与时间的关系压电式加速度传感器幅值范围答：即传感器灵敏度保持在一定的误差大小时的输入加速度幅值的范围，也就是传感器保持线性的最大可测范围振型答：指结构在对应的某一固有频率下一个不变的振动形式重力加载答：是将物体本身的重力施加于结构上作为荷载测量仪器的灵敏度答：是指被测量的单位物理量所引起仪器输出或显示装置示值的大小，即仪器对被测量物理量变化的反应能力几何相似答：是指模型和原型结构之间所有对应部分尺寸成比例加载图式答：指的是试验荷载的空间布置结构动力系数答：是动度与静度的比值刚度检验法答：是指30%~60%的设计荷载进行加载，测得结构变形和材料的应变与理论计算对比，以检验试验结构和材料可靠性的检验方法缩尺模型答：原型结构缩小几何比例尺寸的试验代表称为缩尺模型液压脉动器答：是疲劳试验机的核心部分，是产生脉动负荷的主要机构整体结构的静力试验答：是指对已建成的建筑物进行机构试验，试验范围可以是整体结构、部分结构脉动答：建筑物由于受到外界的干扰而经常处于不规则的振动中，其振幅一般在10um，称之为脉动结构抗震试验答：是在地震或模拟地震作用下研究结构构件抗震性能和抗震能力的专门试验电磁加载答：是在磁场中放入动圈，通以交流电流，使固定于动圈上的顶杆等部件作往复运动，对试验对象施加荷载等效荷载答：指构件的控制截面和控制部位上能产生与原来荷载作用时相同的某一作用效应的荷载几何对中答：是指将构件轴线对准作用力的中心线的过程横向灵敏度比答：比即传感受器受到垂直于主轴方向振动时的灵敏度与沿主轴方向振动的灵敏度之比拟动力试验答：是利用计算机和电液伺服加载器联机系统进行结构抗震试验的又一种试验方法气压加载法答：主要是利用空气压力对试件施加荷载的一种方法时间相似答：是指结构模型在随时间变化的过程中和原型在对应的时刻进行比较，相对应的时间成比例原位试验答：是指试件的结构构件在生产或施工现场处于实际工作的位置、它的支撑情况、边界条件和工作状态完全一致的试验结构疲劳试验答：制研究结构构件在多次重复或反复荷载作用下地结构性能及其变化规律的试验测量仪器的稳定性答：指当被测物理量不变，仪器在规定的时间内保持示值与特性参数不变的能力应变答：是单位长度上的变形，在结构试验中，可以用两点之间的而相对位移来近似地表示两点之间的平均应变异位试验。
结构动力特性测试
T
n周
T= t / n
二：强迫振动法
' — —
1.激振方法：可变周期（变频）振动荷载、离心电机、电磁激励荷载 （荷载幅值不变） 2.测试方法：测量记录下结振幅——频率关系 A
振幅
ω1
ω2
ω3 ω4
ω
7.2.2 结构阻尼的测量
△
阻尼来源：结构内部、外部、支座 阻尼对振动影响： 共振时 1 抗震中：大好 p=ql 隔振中：小好
4. 检测方法 自由激振法
人工激振法
强迫激振法 环境随机振动法
7.2 人工激振法测量结构动力特性 7.2.1 人工激振测量自振频率
一：自由振动法 1.激振方法：人工施加初位移、初速度、突加荷 2.测试方法：测量记录下结构振幅（加速度或速度）—— 时间关系
A
振幅（位移、速度、加速度）
t 时间
Hale Waihona Puke TTt第七章 结构动力特性试验
7.1 概述 1.动力特性参数（或模态参数） 自振频率（周期）、阻尼参数、振型 是结构固有特性与外荷载无关 2.要求：动力试验的基本内容 结构动力计算和试验所必需的基本参数 3.作用：（1）抗震设计中 地震作用力大小—结构自振周期 动力计算模型——结构动力特性 （2）防共振、隔振、减振 （3）检测、诊断结构健康状态
xn+2 xn+k
1 xn λ =2 ln x n+k k
1 μ (θ )
p
百分表
c
p
ql/2 ql/2
拉
介绍：主要方法、振型的概念
7.2.3 振型测量
l/4 l/2 l/4
m
1
1
0.5
0.3
单自由度
结构动力特性试验
OFS
LPFG
FBG
EFPI
四、试验过程
1、熟悉传感器和测量仪器，并连线。 2、打开设备电源，预热10min。 3、启动DHDAS_5920动态信号采集分析软件，
熟悉界面。
4、测量参数设置 （1）分析参数设置 z 采样频率：1k~2kHz； z 采样方式：连续
其余不用设置。
OFS
LPFG
FBG
EFPI
OFS
应变片
m
Z 0(t)
LPFG
FBGZ1 ( t )
EFPI
（2）压电式加速度传感器
¾ 振动时质量块产
生的惯性力，使压
电元件产生变形，
从而产生与加速度
成正比的电荷，经
m
后级电荷放大器后
得到与加速度成正
比的电压值。
3
优点：
引出线
¾（1）体积小，重量轻，对被测体的影响小。
¾（2）频率范围宽、动态范围大、测量灵敏 度高。
25
EFPI
灵敏度的选择
（1）土木工程和超大型机械结构的振动 在1~100ms-2左右，可选300~30pC/ms-2 的加速度传感器。
（2）特殊的土木结构（如桩基）和机械 设备的振动在100~1000ms-2，可选择 20~2pC/ms-2 的加速度传感器。
（3）碰撞、冲击测量一般10k~1Mms-2， 可选则0.2~0.002pC/ms-2 的加速度传感 器。
OFS
LPFG
FBG
EFPI
频率选择
选择加速度传感器的频率范围应高于被 测试件的振动频率。有倍频分析要求的 加速度传感器频率响应应更高。
土木工程一般是低频振动，加速度传感 器频率响应范围可选择0.2~1kHz
(优选)结构动力特性测定次课.
以 A 2为纵座标，ω为横座
标作出共振曲线，如图在纵
座标最大值Ymax的0.707倍处
作一水平线与共振曲线相交 于A和B两点，其对应横座标
是ω1与ω2。
则阻尼比为：
2 1 2 0
19
以其推导过程如下
动力放大系数
D＝ P0 K
=
[(1 2 )2 (2 )2 ]1/ 2
0
D=
1 0
2、共振法 利用专门的激振器，对结构施加简谐动荷 载，使结构产生恒定的强迫简谐振动，借 助共振现象来观察结构的自振性质。
12
将激振器牢固地安装在建筑结构上，不使 其跳动，否则将影响试验结果。激振器的 激振方向和安装位置要根据所试验结构的 情况和试验目的而定。
13
一般说来，整体建筑物动荷载试验多为水 平方向激振，楼板和梁的动荷载试验多为 垂直方向激振。激振器的安装位置应选在 所要测量的各个振型曲线都不是节点的地 方。因此，试验前最好先对结构进行初步 的动力分析，做到对所测量的振型曲线的 大致形式心中有数。
结构物的固有频率及相应的振型虽然可由结 构动力学原理计算得到。但由于实际结构物的组 成和材料性质等因素，经过简化计算得出的理论 数据误差比较大。
阻尼系数则只能通过试验来确定。因此，采 用试验手段研究各种结构物的动力特性具有重要 的实际意义。
3
§2.5 结构动力特性测定
1、自由振动法 设法使结构产生自由振动，通过记录仪器 记下有衰减的自由振动曲线，由此求出基 本频率和阻尼系数。
16
测共振频率时，一般总是把激振器的转速由低到高， 进行几次连续变换的所谓“频率扫描’’试验，同 时记录下振动曲线图。在图上先找到使建筑物发生 共振的频率值。然后，再在共振频率附近进行稳定 的激振试验，仔细地测定结构的固有频率和振型。
结构动力特性-文档资料
一般采用惯性式机械离心激振器对结构施加周期性 和简谐振动，使结构产生简谐强迫振动。
二、共振法
（二）资料整理
（1）结构的固有频率测定
由结构动力学可知，当干扰力的频率与结构本身固 有频率相等时，结构就出现共振。
二、共振法
（2）确定结构的阻尼系数和阻尼比
采用半功率法（0.707法）由共振曲线图求得结构 的阻尼系数和阻尼比。
具体作法如下：
1.以振幅为纵坐标，ω为横坐标作出共振曲线见图5-14。 2.曲线上峰值对应的频率即为结构的固有频率。 3.从共振曲线上在纵坐标最大值ymax的0.707倍处作一水平 线与共振曲线相交于A和B两点，其对应横坐标是ω1和ω2， 则半功率点带宽为
连续改变激振器的频率，同时记录下结构的振幅，就 可作出频率――振幅关系曲线或共振曲线。
二、共振法
共振曲线中峰值对应的 频率即为结构的固有频 率（或周期）。如图513，第一个峰值对应的 频率为第一阶固有频率 （基本频率），第二个 峰值对应的频率为第二 阶固有频率。
图5-13 共振时的振动图形和共振曲线
（一）原理
脉动是不规则的，但当脉动的卓越频率接近（或等于）结 构的固有频率时，结构会产生“拍振”或“共振”，此时， 脉动记录光点振幅大，波形光滑，而且这样的情形总是多 次重复的。
注意：观测时，应避开外界有规则干扰。
• 1.主谐量法
• 建筑物固有频繁的 谐量是脉动里最主 要的成分，在脉动 图上可直接量出来。 凡是振幅大波形光 滑处的频率总是多 次重复出现。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， 那么，就可以确定 此频率为建筑物的 固有频率，见图516。
结构动力特性测试方法及原理
结构动力特性的测试方法及应用(讲稿)一. 概述每个结构都有自己的动力特性，惯称自振特性。
了解结构的动力特性是进行结构抗震设计和结构损伤检测的重要步骤。
目前，在结构地震反应分析中，广泛采用振型叠加原理的反应谱分析方法，但需要以确定结构的动力特性为前提。
n 个自由度的结构体系的振动方程如下：[][][]{}{})()()()(...t p t y K t y C t y M =+⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎭⎬⎫⎩⎨⎧ 式中[]M 、[]C 、[]K 分别为结构的总体质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵，均为n 维矩阵；{})(t p 为外部作用力的n 维随机过程列阵；{})(t y 为位移响应的n 维随机过程列阵；{})(t y为速度响应的n 维随机过程列阵；{})(t y为加速度响应的n 维随机过程列阵。
表征结构动力特性的主要参数是结构的自振频率f （其倒数即自振周期T ）、振型Y(i)和阻尼比ξ，这些数值在结构动力计算中经常用到。
任何结构都可看作是由刚度、质量、阻尼矩阵（统称结构参数）构成的动力学系统，结构一旦出现破损，结构参数也随之变化，从而导致系统频响函数和模态参数的改变，这种改变可视为结构破损发生的标志。
这样，可利用结构破损前后的测试动态数据来诊断结构的破损，进而提出修复方案，现代发展起来的“结构破损诊断”技术就是这样一种方法。
其最大优点是将导致结构振动的外界因素作为激励源，诊断过程不影响结构的正常使用，能方便地完成结构破损的在线监测与诊断。
从传感器测试设备到相应的信号处理软件,振动模态测量方法已有几十年发展历史，积累了丰富的经验，振动模态测量在桥梁损伤检测领域的发展也很快。
随着动态测试、信号处理、计算机辅助试验技术的提高，结构的振动信息可以在桥梁运营过程中利用环境激振来监测，并可得到比较精确的结构动态特性（如频响函数、模态参数等）。
目前，许多国家在一些已建和在建桥梁上进行该方面有益的尝试。
测量结构物自振特性的方法很多，目前主要有稳态正弦激振法、传递函数法、脉动测试法和自由振动法。
试验七脉动法结构动力特性测试
实验八：“建（构）筑物动力特性现场实测技术”试验大纲
（设计性、开放性）
一、实验目的
1. 了解脉动测试法的基本原理，掌握用脉动法测试结构的固有频率、阻尼及振型的方法；
2. 熟悉常用结构动力特性测试系统的组成和相关仪器的使用方法；
3. 熟悉建（构）筑物动力特性现场实测的基本方法和一些应该注意的问题；
4. 掌握DASP分析软件，并对实测数据进行结构动力特性分析。
二、可供使用的测试仪器及测试系统
三、实验内容及要求
要求学生以组为单位，采用脉动法对校园内某栋建筑物（例如土木实验大楼）进行动力特性现场测试，并独立完成、提交实测分析报告。
1. 收集资料：在对建筑结构物进行试验检测之前，应首先收集被检测建筑物的相关设计资料，了解建筑平、立、剖面尺寸及主要承重结构体系。
2. 环境调研:了解该建筑物的地理环境和建筑物周围的振动、噪音等情况。
3. 选择测试仪器安放位置；
4．确定测试方案；
5. 测点布置；
6. 数据采集；
7.数据分析处理。
四、实验报告
1. 绘制本次实测建筑结构的结构平面图，测点布置平面、立面图。
2 .设计测试方案，并阐述实测测点布置的理由。
3. 用DASP程序分析计算该结构的各阶频率、阻尼等动力特性。
并完成该建筑物的动力特性实测分析报告。
4. 通过该次实验，谈谈结构动力特性现场实测应注意的问题。
制定者：龚安礼
指导教师：王泽军、龚安礼、喻磊
审定者：张兴虎
批准者：王泽军
结构与抗震实验室
制定日期：2005年12月30日。
动力试验6讲义
联机试验 计算机加载流程框图
三、模拟地震振动台试验
加载设备：振动台； 控制方式：模拟控制与数字控制； 加载程序：一次加载和多次加载； 优点：很好地反应应变速率对结构材料 强度的影响。 缺点：设备昂贵，不能做大比模型试验， 不便于试验全过程观测。
试验四 结构疲劳试验
一、试验目的
目的：确定结构的疲劳极限。 研究疲劳试验的内容：
四、疲劳试验的安全装置
1、严格要求对中。荷载架上的分配梁、脉冲 千斤顶、试验构件、支座以及中间垫板都要对中， 特别是千斤顶轴心一定要同构件截面纵轴在一条 直线上。
2、保持平稳。疲劳试验的支座应是可调的， 并使之保持水平；千斤顶与试件之间、支座与支 墩之间、构件与支座之间都要严格找平，用砂浆 作找平层时不宜过厚。
试验二 结构动力反应的测定
一、动应变测定
动 应 变 测 量 示 波 图
应变频率： ；瞬时应变： f
L0 L
f0
t
( 0
/
H1
Hale Waihona Puke 2H3)ht1
二、动位移测定
双 外 伸 梁 的 振 动 变 位 图
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结构动力特性测量实验辅导资料
主题：结构动力特性测量实验的辅导资料
学习时间：2013年6月24日－7月21日
内容：
这周我们将学习结构动力特性测量实验的相关内容。
一、学习要求
学习要求及需要掌握的重点内容如下：
1、掌握实验的目的；
2、掌握实验主要的仪器和设备；
3、掌握实验的整个实验步骤；
4、掌握实验数据的处理方法。
二、主要内容
结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能，主要包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等，这些参数与外荷载无关。
测量结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容，在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抵御其它动荷载的性能和能力时，都必须要进行结构动力特性试验。
通过结构动力特性的测量，能够得到结构的自振频率，可以避免和防止动荷载所产生的干扰与结构共同作用产生的共振现象。
此外，受损开裂结构的刚度减小，导致结构自振周期变长，阻尼变大，因此结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资料和数据。
本次实验的题目为《结构动力特性测量实验》。
（一）本次试验的目的
1、了解动力参数的测量原理；
2、掌握传感器、仪器及使用方法；
3、通过振动衰减波形求出简支梁的固有频率和阻尼比；
（二）本次试验使用的仪器、设备及试验构件
本次实验需要用到的仪器和设备主要包括三个：
1、振动传感器DH105，也叫拾振器，主要是用来将振动信号转换成电荷信号输出；优点是体积小、重量轻、对被测物体影响小，频率范围宽、动态范围大，主要参数如表所示，我们在振动传感器的选择上最关心的指标是灵敏度、频率范围和量程。
2、与之配套的电荷适配器，主要作用是将压电传感器的电荷信号转换成电压信号；
3、东华DH5922动态信号测试分析仪，主要用来采集振动传感器输出的电信号，并将其转换成数字量传递给计算机。
除了上述传感器和数据采集设备，试验中还用到了用于数据记录的笔记本电脑、锤子和木制简支梁，其参数如下表所示：
（三）试验原理
1、阻尼比和固有频率的计算方法
究竟如何来确定体系的阻尼比和固有频率呢？同学们看下面公式：
21ζ-=f f d
这里ζ为阻尼比，f d 和f 分别为有阻尼和无阻尼振动频率。
由于工程实际中阻尼比常在0.02～0.2之间，远小于1，则有
f f f ≈-=21ζd
即，有阻尼的振动频率可以近似等于无阻尼的振动频率，相应地，有阻尼的振动周期可以近似等于无阻尼的振动周期：
T f f T d d =≈=
11
此处，T d 和T 分别为有阻尼和无阻尼振动周期。
因此，阻尼比可以近似等于
)
()(ln
d i i nT t A t A n +≈
πζ2 1
其中
)(i t A 代表第i 个周期的振幅，)(d i nT t A +代表i+n 个周期的振幅。
2、结构动力特性测量的主要方法 结构动力特性试验的方法主要有：（1）人工激振法（2） 环境随机振动法 试验室中通常采用人工激振法测量结构自振频率，包括强迫振动（也就是振动）和自由振动法。
自由振动法就是在试验中采用初位移或初速度的突卸载或突加载的方法，使结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。
本次实验采用手锤敲击的方法对简支梁进行激振，从而产生振动；
试验时将振动传感器布置在简支梁的跨中，通过振动传感器和动态测试仪器，对振动信号进行记录，可以得到结构的有阻尼自由振动曲线，在曲线上量取振动波型中相邻周期波峰所对应的时刻和振幅，通过时刻差可以直接求出振动周期，从而得到结构的自振频率；而通过相邻周期波峰的振幅，通过上述公式，可以直接计算出简支梁的阻尼比。
3、压电式加速度传感器
振动时质量块产生的惯性力，使压电元件产生变形，从而产生与加速度成正比的电荷，经后级电荷放大器后得到与加速度成正比的电压值。
优点：
（1）体积小，重量轻，对被测体的影响小。
（2）频率范围宽、动态范围大、测量灵敏度高。
因此，压电式应用较为广泛。
4、振动传感器的选择依据（拾振器的选择依据） 最为关心的技术指标为：灵敏度、频率范围和量程。
（1）灵敏度：土木工程和超大型机械结构的振动在1～100ms -2左右，可选300～30pC/ms -2的加速度传感器；
（2）频率：土木工程一般是低频振动，加速度传感器频率响应范围可选择0.2～1kHz ；
（3）传感器的横向比要小，以尽可能减小横向扰动对测量频率的影响； 5、使用的注意事项 安装面要平整、光洁。
安装方式：不同安装方式对测试频率的响应影响很大：某一振动传感器，螺钉刚性连接使用频率为10kHz ；胶粘安装6kHz ；磁力吸座2kHz ；双面胶1kHz 。
加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比，即灵敏度高，质量大的传感器使用频率低。
（四）实验步骤
1、下面我们进行连线。
首先将振动传感器与电荷适配器相连，之后将已连接好的设备与动态采集系统相连，最后将动态采集系统与记录数据的电脑相连。
2、开启计算机，打开动态应变仪的电源，预热10min 。
当采集系统中的红灯熄灭，表示系统自检完毕。
3、启动DHDAS-5920动态信号采集分析软件，熟悉界面。
4、设置测量参数： （1）分析参数设置 采样频率：1k ～2kHz ；
采用连续采样方式，即一直不断的采集和记录数据。
其余不用设置。
（2）系统参数设置
选定测量通道：2-1，并屏蔽未用通道，避免干扰。
灵敏度：将传感器灵敏度输入相应的通道的灵敏度设置栏内。
由于本试验采用的是加速度传感器，因此参数表中工程单位EU 应设为m/s 2，传感器灵敏度单位为PC/EU ，表示每个工程单位输出多少电荷，DH105振动传感器给定的参数的为300PC/EU ，即300PC/m/s 2。
量程范围：调整量程范围，使实验数据达到较好的信噪比。
调整原则：不要
引出线3质量块
1 壳体压电晶片m 4 2
使仪器过载，也不要使得信号过小。
5、现在设备已经预热完毕。
我来把整个过程演示一下，请同学们注意观察。
在进行测量之前，首先要对动态应变仪清零。
6、启动数据采集，用手锤敲击简支梁，使其产生自由衰减振动。
7、现在屏幕上显示的是拾振器测量的单自由度自由衰减振动波形，记录6次冲击后停止采集。
8、根据采集的波形可进行数据读取，如下图所示。
21.621.822.022.2
22.422.6
幅值 / m /s 2
时间 / s
本次试验中采集的数据如下表所示：
（五）数据处理
1、简支梁的基本数据如上表所示
2、为了提高准确度，选择波形较好的几个周期进行分析；
试验中得出的第i个周期和第i+n个周期的数据如上表所示；
3、将读取的数据填入到实验报告的表格中，根据实验数据按下列公式计算出简支梁的一阶固有频率和阻尼比，完成本次试验的计算内容。