结构的动力特性试验
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
3结构动载试验
3.4.4 结构疲劳试验
一、疲劳试验的目的和内容
疲劳试验机由控制系统（脉动负荷的上下限、脉动频率和 疲劳次数的设定与控制）、液压脉动器（产生正弦脉动油 压）和液压脉动加载器（施加脉动负荷）三部分组成。目 前国内一般情况下只能做单向（拉或压）应力疲劳试验， 如附有蓄力器系统，还可以进行拉压交变应力的疲劳试验。
结构疲劳试验机
结构疲劳试验机脉动器原理
炸药量和离距爆心的距离：按要求模拟的地震烈 度，考虑实际场地条件的特点，由要求的地面质 点运动的最大速度，确定炸药量和爆心至试验结 构的距离。一般来说，要使人工爆炸接近于天然 地震波，要求炸药量大，试验对象离爆心距离远。
3、人激振加载
利用人在结构物上的有规律的活动，即人的身体 作与结构自振周期同步的前后运动，使其产生足 够大的惯性力，对结构激振加载。适合于自振频 率比较低的大型结构。例如：利用这种方法曾在 一座15层的钢筋混凝土建筑上取得了振动记录。
两个频率相差两倍的简谐 振源引起的合成振动图形
三个简谐振源引起的复杂 的合成振动波形
拍振：当两个频率接近的简谐 振源共同作用时，将会引起拍振
随机振动波形
2、频率分析：根据结构强迫振动的频率和作用力的 频率相同的原则来确定主振源。对于简谐振动可以 直接在振动记录图上量出振动频率，而对于复杂的 合成振动则需将振动信号进行频谱分析（FFT变 换），幅值最大的频率就是主振源的频率。
地 震 模 拟 振 动 台 组 成
三向地震模拟振动台
五、其他加载方法
1、反冲激振器加载（火箭激振） 它适用于现场结构试验，但小冲量的也可用于实验室。目
前使用的反冲激振器的反冲力为 0.1～0.8 kN 和1～8kN。
2、人工爆炸加载--人工地震
工程结构实验与检测第3章 结构动力试验
使用时要定期标定。 压电式加速度计原理
四、测振配套仪器
1、放大器 微积分放大器：与位移、速度传感器相配。 电荷放大器：与压电式拾振器相配。 2、动态电阻应变仪 主要用于测动应变，还可以测位移、速度、 加速度、振幅等参数的变化过程。 3、记录仪器
常用的有数据采集仪。
5、仪器配套
磁电式 拾振器
微积分 放大器
其特点是运动具有周期性，作用的 大小和频率按一定规律变化，使结构产 生强迫振动。
离心力加载 ：机械式激振器
机械式激振器
使一对偏心块按相反方向运转，便由离心力产 生一定方向的加振力。改变质量或调整带动偏心质 量运转的电机的转速，可调整激振力的大小。
使用时将激振器底座固定在被测结构物上， 由底座把激振力传递给结构，致使结构受到简谐变 化激励作用。
2 1 2
1 2
振型:用共振法测建筑物振型
3、脉动法
脉动法：是通过测量建筑物由于外界环境脉 动（如地面脉动、气流脉动等）而产生的微幅振 动，来确定建筑物的动力特性。
脉动记录的分析方法有：主谐量法；频谱分析法。 主谐量法：脉动信号的主要成分是基频谐量，
在脉动记录里常常出现酷似“拍”的现象，在波形 光滑之处“拍”的现象最显著，振幅最大。凡有这 种现象之处，振动周期大多相同。这一周期往往即 是结构的基本周期。
时间标志
2i c2h2i
c1, c2 正负应变的标定常数
动应变频率： f
L0 L
f0
二、动位移测定
要全面了 解结构在动力 荷载作用下的 振动状态，可 以设置多个测 点进行动态变 位测量，以作 出振动变位图。
注意：振动变位与振型的区别。
三、动力系数测定
结构动力系数定义为:在移动荷载作用下，结构 的动挠度和静挠度的比值。
第六章 结构动载试验
某结构在受动力荷载 作用后，测得振动记录曲 线如下图所示，试根据图 示振动曲线所标明的数据， 计算该结构的自振频率和 阻尼比。
自振频率： f 1 =1/0.2=5(Hz)
T
阻尼比： 1 ln xn =1/(3*π)*ln(25/19)=0.291 k xnk
或： 1 ln xn 2k xnk
2、共振法
它利用一个频率可调的激振机（一般采用离心激振
器）对结构施加周期性的简谐振动，使结构产生强迫
振动，记录各个激振频率及对应振幅，并作A〜ω曲线。
利用干扰力频率与结构自振率相等时，结构产生共
振的原则,曲线极值对应的频率就是结构的固有频率；
结构的阻尼比： ω1 ω2 ω3
A 2
0.707 A1max A1maxA2max
3、疲劳试验目的：研究结构的结构性能及其变化规律， 确定疲劳极限（疲劳破坏时的强度值）和疲劳寿命 （荷载重复作用的次数）。
4、疲劳试验分类：等幅等频疲劳、变幅变频疲劳和随机 疲劳。
结构疲劳试验的方法
1．自由振动法
• 自振频率和阻力比：采用初位移或初速度的突卸荷载 或突加荷载的方法，使结构产生自由振动，并记录振 动波形。自振频率和阻尼比确定方法如下。
自振频率： f 1 T
阻尼比： 1 ln xn k xnk
当只或取两：个 相邻1的l峰n 值xn计算： 或 12lnk xn xnk
2 xn1
6.4 结构动力反应试验
• 动态参数：在测试部位布置适当的测振仪器，测定结 构的振幅、频率（频率谱）、速度、加速度、动应变、 动挠度等。
动应变和动挠度的测 定：如下图，可通过布置 动态应变仪或位移传感器 测出应变时程曲线或位移 时程曲线。
• 振型：结构按其固有频率振动时，由惯性力引起的弹 性变形曲线，属于结构的动力特性，与外荷载无关。
机械结构动力学性能测试与验证
机械结构动力学性能测试与验证机械结构的动力学性能是评估其稳定性和可靠性的重要指标。
对机械结构的动力学性能进行测试与验证，可以帮助我们了解其振动特性、动态响应以及抗震能力等关键参数。
本篇文章将围绕机械结构动力学性能测试与验证展开讨论。
一、动力学性能测试方法机械结构的动力学性能测试方法多种多样，常见的有模态测试、频率响应测试和振动台试验等。
1. 模态测试：模态测试主要是通过激励机械结构，在不同频率下测量其振型和固有频率。
这个测试方法可以帮助我们了解机械结构的主要振动模态，从而为后续的动态响应分析提供依据。
2. 频率响应测试：频率响应测试是通过施加一个或多个激励信号，测量机械结构的相应输出信号，从而得到结构在不同频率下的传递函数。
这个测试方法能够揭示机械结构在不同频率下的传递特性，为结构设计和分析提供重要依据。
3. 振动台试验：振动台试验是将机械结构固定在振动台上，通过振动台的激励来模拟不同频率和幅值的振动环境。
这个测试方法可以模拟真实的振动载荷，评估机械结构在振动环境下的稳定性和可靠性。
二、动力学性能验证手段机械结构的动力学性能验证可以通过计算分析和试验验证两种手段进行。
1. 计算分析：计算分析是基于有限元分析方法，采用数学模型对机械结构进行模拟。
通过建立合理的模型，进行动力学分析，可以预测机械结构的振动特性和动态响应等参数。
这种手段可以节省资源成本，提前评估机械结构的性能。
2. 试验验证：试验验证是通过实际测试来验证机械结构的动力学性能。
通过上述提到的测试方法，可以获取真实的动力学性能数据，与计算结果进行对比，进一步验证模型的准确性和可靠性。
试验验证结果可以帮助我们优化设计方案，提高机械结构的性能。
三、动力学性能测试与验证在工程中的应用动力学性能测试与验证在工程中发挥着重要的作用。
1. 优化设计：通过动力学性能测试和验证，我们可以了解机械结构的振动模态、频率响应和传递特性等参数。
这些数据可以帮助我们优化设计方案，改善机械结构的性能。
钢框架动力特性实验报告
钢框架模型动力特性试验报告前言建筑结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能。
它的主要内容包括结构的自振频率、振型、阻尼系数等一些基本参数。
这些特性是由结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质、构造连接等因素决定，但与外荷载无关，它反应了体系的固有特性。
建筑结构动力特性试验量测结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容，在研究建筑结构的抗震、抗风或抵御其他动力荷载的性能时，都必须要进行结构动力特性试验，了解结构的自振特性。
由于它可在小振幅试验下求得，不会使结构出现过大的振动和损坏，因此经常在现场进行结构的实物试验，主要分为人工激振法和环境随机振动法。
建筑物周围大地环境引起结构物振动的地脉动和风称为环境激振。
自然地脉动是由海浪、风、交通、机械等自然和人为活动所引起，其位移幅值从千分之几微米到几微米，频带从0.1Hz 到100Hz。
通过拾振器测得建筑物脉动反应后，对随机的脉动信号进行数据处理，可得到结构的基频率或较低几阶的频率。
可推导出脉动的功率谱峰值，这些峰值对应的频率即为结构的自振频率，而根据计算软件的精度不同，能得出较为精确的前几阶频率的数目也不同。
一．试验目的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；二．工程概况1. 结构如图1所示：试验结构为一个7层多自由度钢框架，平面内框架尺寸为400mm×105mm，模型板超出框架柱范围，尺寸为500mm×300mm×15mm，每层层高为300mm，每层各有八块95mm×90mm×10mm的铁质的配重。
结构材料为Q235钢，节点处通过连接板和螺栓进行连接，4个框架柱为 8的Q235钢。
图1 模型简图三．测试仪器2. 仪器（1）加速度传感器本次试验使用丹麦产4381V型加速度传感器。
结构力学的动力特性分析
结构力学的动力特性分析结构力学是工程学中重要的学科，它研究物体在外界作用力的作用下产生的力学行为及其相互关系。
动力特性分析是结构力学中的一个重要方向，它研究结构在外部激励下的振动特性以及对结构的影响。
本文将探讨结构力学的动力特性分析方法及其在实际工程中的应用。
一、动力特性分析的基本方法动力特性分析是研究结构振动行为的一种方法，它主要通过求解结构的固有频率、模态形态和频率响应等来描述结构对外界激励的响应情况。
以下是动力特性分析的基本方法：1. 固有频率分析：通过求解结构的本征值和本征向量，得到结构的固有频率和模态形态。
固有频率是结构在自由振动状态下的频率，也是结构振动的基本特性之一。
2. 频率响应分析：通过对结构施加外部激励，计算结构在不同频率下的响应特性。
频率响应分析可以帮助工程师了解结构对不同频率激励的响应情况，从而做出相应的优化设计。
3. 模态超几何分析：对于非线性结构或者多自由度结构，可以采用模态超几何分析方法来描述结构的动力特性。
该方法主要是在模态基础上引入非线性效应，研究结构在不同模态下的非线性行为。
二、动力特性分析的应用动力特性分析在工程实践中具有广泛的应用，以下是动力特性分析在各个领域的具体应用案例：1. 建筑工程：在建筑工程中，动力特性分析可以用于研究大楼、桥梁等结构的抗震性能。
通过分析结构的固有频率和模态形态，可以对结构进行合理的抗震设计，提高结构的地震安全性能。
2. 车辆工程：在汽车、火车等交通工具的设计中，动力特性分析可以用于优化车辆的悬挂系统、减震器等部件。
通过分析车辆在不同频率下的响应特性，可以改善车辆的行驶平稳性和乘坐舒适度。
3. 航空航天工程：在航空航天领域，动力特性分析可以用于研究飞机、火箭等载具的结构振动特性。
通过对结构的固有频率和模态形态的研究，可以对飞行器的结构强度和稳定性进行评估和设计。
4. 机械工程：在机械设计中，动力特性分析可以用于优化机械系统的结构和参数。
结构动力特性试验及损伤鉴定
ｃ ＝［ ２
其中 —— 第一个脚标 ｉ 表示位置符号 ， 第二个脚
其中［ ： ］ 表示广义质量矩阵 ， ［ 群 ］ 表示广义刚 度矩 阵．
将（ ２ ） 式代人 （ １ ） 式再左乘 ， 可得
［ ］ Ｑ （ ｔ ）＋［ ２
＝
］ ０ （ ｔ ）＋［ ］ Ｑ （ ｔ ）
（ ４ ）
Ｒ （ ） ＝ Ｅ ［ （ ） Ｙ Ａ ｔ ＋ ｒ ） ］＝∑。 ∑
ｒ Ｘ（ ｔ ） ＝２（ ｔ ）
ＬＬ Ｑ （ ｒ １ ） （ ｒ １ ） （ ． ｒ ＋ ７ － １ 一 ． ｒ ２ ） ｄ １ ｄ 丁 ｚ
（ １ ２ ）
结 构 的激励 Ｘ（ ｔ ）与响 应 ｙ （ ｔ ）之 间的 自功 率 谱 密度 函数矩 阵 之 间的关 系 ： Ｓ Ｈ（ 吐 ， ）＝
其 中
式中， ｈ ｏ １ （ ｒ ） ， 。 ｍ （ 丁 。 ） —— 表示脉冲响应函数．
环境激励主要来 自地面运动和风振． 输出信号
即为结构 对 于环境 激励 的 响应 ． 环 境激励 本身 是随 机 的， 而 且产 生原 因 多样 ， 实 际上 没有 测量 的必 要 ，
应后 ， 对脉动信号进行数据处理 ， 可得到结构的基 频率或较低阶的频率 ， 从而得出脉动的功率谱峰值 和结构的自 振频率． 近年来 ， 地震 等 自然 灾害 事件 频发 ， 地震后 ， 建
筑物倒 塌 、 破 坏严重 ， 需要 检测 、 鉴定 的建筑物 量 巨 大． 本文所述 方法 可 以方 便 的在地震 后 的现场进 行
检测 、 鉴定应 用 ， 并且 可 以为结 构加 固 、 维修等 提供
在分析中只考虑结构的响应． 将高层建筑结构简化 为多 自由度系统 ， 多 自由度系统的随机运动方程可
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实验和检测加固
第五章 结构动力试验
图5.3为对建筑物进行频率扫 描试验时所得到的时间历程曲 线。在共振频率附近逐渐调节 激振器的频率，同时记录结构 的振幅，就可做出频率—振幅 关系曲线（共振曲线）。曲线 上峰值所对应的频率值即为结 构的自振频率。
A
0
1
2
图5.3 共振时的振动图形和共振曲线
t 如果时程曲线上在 时间内包含若干个完整波形时，频率为：
f1 T
(Hz)
(5.1)
n 由动力学可知，结构自由振动时， 时刻的振幅：
n xn Ae tn (5.2)
式中：x n ― 时刻的振动位移；
Aetn－振幅；
－阻尼比；
―被测振动的圆频率。
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
n 1时刻的振幅：
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
从共振曲线上可以得到结构的阻尼系数，在图5.4中，在纵坐标最大值
2
xn1
(5.6)
阻尼系数：
c2m
(5.7)
为了提高计算的精度，实际阻尼比计算取k个周期的衰减进行计算：
1 ln xn 2k xnk
(5.8)
对于实际测试曲线无零线的情形：
21lnxn 1lnxn
2k xn k
k xn k
(5.9)
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
常用方法： 1 突加荷载法 突加荷载法也称初速度加载法，原理是利用锤击或落重物的方法使结 构在瞬间受到冲击，产生一个初速度，使结构产生振动。 2 突然卸载法 突然卸载法也称为初位移加载法，如图5.2（a）所示在结构上拉一钢丝 绳，使结构产生人为的初始位移，然后突然释放，使结构在静力平衡位 置附近作自由振动。
xn1A e tn1
(5.3)
则有：
x x n n 1A A e e t n t n 1 e (tn tn 1) eT
(5.4)
两边取自然对数，则有：
ln x n ln e T T x n 1
2' 2
(5.5)
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
阻尼比：
1 ln xn
第五章 结构动力试验
本章目录
5.1 概述 5.2 结构动荷载特性试验 5.3 结构动力特性试验 5.4 结构动力反应试验 5.5 结构风洞试验
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
第5.1节 概述
建筑结构在使用过程中除了承受静载作用外，还常常 承受各种动荷载的作用，如风荷载、地震作用、动力设 备对工业建筑的作用、冲击及爆炸荷载等。动荷载除了 增大结构受力外，还会引起结构的振动，甚至会引起结 构发生疲劳、共振破坏。为了确定动荷载的特性、结构 的动力特性、结构的动力反应以及结构的疲劳特性等， 常常需要进行结构动力试验。动力与静力试验明显的区 别在于荷载随时间连续变化、结构反应与自身动力特性 相关。
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
第5.2节 结构动荷载特性试验
动荷载的特性：作用力、方向、频率和阻尼等参数。 在研究风荷载、地震作用、工业建筑内的动力设备响应时，需要确定 振源的大小和作用规律，这些振源虽然可以根据统计值进行动力荷载特 性计算，但有时实际动力特性与统计值有较大的差距，用计算方法往往 不能获得振源的实际动力特性，因此，需要借助试验的方法进行确定。 对于动荷载特性的测定，可以采用直接测定法、间接测定法和比较测 定法等。
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
5.3.1 自由振动法
自由振动法是使结构产生一初位移或初速度，然后释放使其产生自由振动 ，通过记录仪获得有衰减的自由振动曲线（图5.1），由此可以利用动力学 知识求出结构的基本频率和阻尼系数。
建筑结构
实验和检测加固
图5.1 自由振动时程ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ线
第五章 结构动力试验
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
5.3.2共振法
共振法采用能够产生稳态简谐振动的起振机或激振器作为振源，使 结构产生强迫简谐振动，借助对结构受迫振动的测定，求得结构动力 特性的基本参数。
实验时，把激振器安装在结构的适当位置，加大激振器输出力量， 可以迫使结构产生周期性强迫振动。当干扰力的频率与结构本身自振 频率相等时，结构就会出现共振。因此，通过改变激振器的频率，可 促使结构产生共振反应，记录共振时共振曲线（图5.3）和振型曲线（ 图5.5），通过曲线分析，可以获得结构的自振频率和振型阻尼比。
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
第5.3节 结构动力特性试验
本节目录
1 自由振动法 2 共振法 3 脉动法
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
结构动力特性是结构本身固有的动态参数，包括固有频率、振型 和阻尼系数等，它们取决于结构的组成形式、刚度、质量分布、 材料形式等，与外荷载无关。结构的动力特性是进行结构抗震计 算、解决结构共振问题的基本依据。 常用的结构动力特性试验方法有自由振动法、共振法和脉冲法等 。
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
（1）直接测定法 直接测定法是指在测量对象上直接安装传感器，通过传感器 的反应来测定动荷载的各项参数。这种方法简单可靠，随着现 代量测技术的不断发展，各种传感器性能的逐步完善和提高， 使其应用范围也愈来愈广。
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
（2）间接测定法 间接测定法是把要测定动力的设备安装在有足够弹性变形的专用结构上 （3）比较测定法 当振源是可以开启、停止的情况下，可以采用比较测定法。先开动振源， 记录结构的振动情况，再开动激振器逐渐调节其频率和作用力的大小，使 结构产生同样振动。由于激振器的作用力和频率已知，这样可求得振源的 特性。
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
（a）
（b）
图5.2 用张拉突卸法对结构施加冲击力荷载
1-结构物；2-钢拉杆；3-保护索；4-钢丝绳；5-铰车； 6-模型；7-钢丝；
8-滑轮；9-支架；10-重物；11-减振垫层
建筑结构
实验和检测加固
第五章 结构动力试验
对于结构小模型可采用图5.2（b）的方法，通过悬挂的重物对模型 施加水平拉力，剪断钢丝绳产生突然卸荷，使结构产生振动。 优点：结构自振时荷载已不存在，重物本身对结构不会产生附加影 响。 利用自由振动法一般只能获得结构的基本频率及其阻尼。