结构动力反应的试验测定方法
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。
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。
混凝土结构动力响应测试技术规程
混凝土结构动力响应测试技术规程一、前言混凝土结构动力响应测试技术是一种重要的非破坏性测试方法，可以用于评估混凝土结构的抗震性能、结构健康状态以及结构损伤程度等方面。
本技术规程旨在规范混凝土结构动力响应测试的操作流程和方法，确保测试结果准确可靠。
二、术语和定义1.混凝土结构：由混凝土构成的工程结构，包括框架、墙体、柱子、梁等。
2.动力响应测试：一种利用地震、爆炸或其他外力激发混凝土结构振动后，通过测量结构响应形变和速度等参数，对混凝土结构进行评估的测试方法。
3.加速度计：一种用于测量加速度的传感器，通常用于测量混凝土结构振动响应。
4.自由振动：混凝土结构在受到外力激发后，不受任何外力干扰自行振动的状态。
5.阻尼比：描述结构振动时，能量耗散的程度，常用于描述结构的阻尼特性。
三、设备和工具1.加速度计：用于测量混凝土结构振动响应。
2.数据采集仪：用于采集加速度计测量的振动响应数据，并将数据传输到计算机上进行处理。
3.计算机：用于处理和分析采集到的振动响应数据。
4.振动激励器：用于激发混凝土结构振动，并记录激发时的振动参数。
5.支撑设备：用于支撑和稳定混凝土结构，以保证测试过程中结构的稳定性。
四、测试流程1.准备工作（1）确定测试目的和测试区域。
（2）确定测试方案和测试点。
（3）安装加速度计和振动激励器，并检测设备是否工作正常。
（4）测量和记录混凝土结构的基本参数，包括结构尺寸、材料强度等。
2.进行自由振动测试（1）将振动激励器放置在混凝土结构的表面，并记录激发时的振动参数，如激发频率、振幅等。
（2）记录加速度计测量到的结构振动响应数据，并保存在数据采集仪中。
（3）根据采集到的数据，计算混凝土结构的自由振动频率、阻尼比等参数。
3.进行受激振动测试（1）按照测试方案，在混凝土结构指定的测试点上安装加速度计。
（2）将振动激励器放置在混凝土结构的表面，并按照测试方案记录激发时的振动参数。
（3）激发振动激励器，并记录加速度计测量到的结构振动响应数据，并保存在数据采集仪中。
第六章 结构动力试验
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结构动力试验
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结构动力试验
（3）结构疲劳试验的观测设计 ① 梁式试件：正截面和斜截面的疲劳强度、抗裂性、 挠度；② 屋架：杆件内力、抗裂性、屋架挠度、节点疲
劳性能；③ 预应力构件：预应力锚具和受预应力影响部 位的疲劳性能。
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第六章
结构动力试验
结构动力试验
1、概述
（1）结构动力荷载的类型
建筑物承受的动力荷载主要有：地震作用；机械设备 振动和冲击荷载；高层建筑和高耸结构物的风振；环境 振动；爆炸振动。 （2）结构试验的内容 结构动力试验的内容包括：测定动力荷载或振源特性 （作用力大小、方向、频率等）；测定结构动力特性（ 自振频率、阻尼、振型）；测定结构在动力作用下的反 应（位移、速度、加速度、动应力等）。
yd ys
yd ——构件最大动挠度；
ys
——构件最大静挠度；
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5、结构疲劳试验
（1）结构疲劳试验的内容 ① 测定结构构件的开裂荷载；
② 测量裂缝宽度、间距、分布形态以及随荷载重复次 数的变化情况；
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（3）结构动力系数测量 对于承受动荷载作用的结构，如交通工程中的桥梁， 工业建筑中的吊车梁等，需要确定其动力系数，用以判 定结构的工作情况。 动力系数：动挠度与静挠度的比值。
结构动力反应标准版资料
一定比例画在变位图上，最后连成结构在实际动荷载作用下的振动变位图见图5-24（b）。
在动荷载作用下，结构的动挠度 与静挠度 的比值。
则曲线上任一时刻的实际应变可推出：
图5-22动态应变仪记录标定结果曲线
则应变仪灵敏度取测量前后两次标定值的平均值，即取
图5-22动态应变仪记录标定结果曲线
❖ 则应变仪灵敏度取测量前后两次标定值的平 均值，即取
(即
,a 为振动的峰-峰值) ，由此可求出动力系数。
2．测量电桥
在电桥盒上可接全桥和半桥，见图5-21。
Rg3 Rg1
Rg2
Vi+
+Eg
_
Vi
-Eg
短接片
Rg4 Rg1 Rg2
G
Vi+
+Eg
_ Vi
图5-21 桥盒接桥图
动态应变多点测量时，一个测点一个电 桥，测点电桥一一对应，不能采用“公 共补偿技术”。因为：动态应变随时间 而变化，如果采用公共补偿技术，就不 能将应变随时间而变化的时间－历程曲 线连续完整地记录下来。
(2)无轨动荷载
必须把应变随时间采而变取化的一时间次－历高程曲速线连通续完过整地，记录记下来录，然图后再形进行如定量图分析5。-22（b），取曲线最
动应力指数值或方向随时间而变化的应力。
大度值即为为 ，(即同时在曲线上,a 绘为出振中动线的，峰相-峰应值于) ，处由中此线可的求高 yy 图（5一-2）2动动态态应应变变测仪试记的录特标点定结果d曲线
（二）DH5937动态应变仪
图5-21 桥盒接桥图
先使移动荷载以极慢的速度驶过结构，由此得跨中最大静挠度，然后，再使移动荷载以各种速度驶过，找出最大动挠度，见图5-23
(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。
土木工程结构动载试验祥解
定义： 工程结构的动力特性又称结构的自振特性，是反映
结构本身所固有的动态参数，主要包括结构的自振频率， 阻尼系数和振型等一些基本参数。
方法： 结构动力性能试验的激振方法主要有人工激振法和
环境随机激振法。人工激振法又可分为自由振动法和强 迫振动法
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人工激振法
（2）疲劳试验的应变测量
一般采用电阻应变片测量动应变，测点布置依试验具体要求而定。
（3）疲劳试验的裂缝测量
目前测裂缝的方法还是利用光学仪器目测或利用应变传感器电测裂缝等
（4）疲劳试验的挠度测量
疲劳试验中动挠度测量可采用接触式测振仪、差动变压器式位移计 和电阻应变式位移传感器等 。
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5.疲劳试验试件的安装
在工程结构中，有一些结构物或构件，如承受吊车荷载作 用的吊车梁，直接承受悬挂吊车作用的屋架等，它们主要承受 重复性的荷载作用。而这些结构物或构件在重复荷载作用下达 到破坏时的强度比其静力强度要低得多，这种现象称为疲劳。 结构疲劳试验的目的就是要了解在重复荷载作用下结构的性能 及其变化规律。
疲劳试验荷载简图
6.3工程结构的动力反应试验测定
1.寻找主振源的试验测定方法
（1）逐台开动法 当有多台动力机械设备同时工作时，可以逐台开动，实测结构在每
个振源影响下的振动反应，从中找出影响最大的主振源。 （2）实测波形识别法 根据不同振源将会引起规律不同的强迫振动这一特点，其实测振动波
形一定有明显的不同特征，如下图所示。因此可采用波形识别法判定振源 的性质，作为探测主振源的参考依据。
2 1
阻尼系数： 2 1
2
2
阻尼比：
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二、疲劳试验荷载
（一）疲劳试验荷载取值： 疲劳试验的上限荷载Qmax是根据构件在最大标准 荷载最不利组合下产生的弯矩计算而得，荷载下限 根据疲劳试验设备的要求而定。
（二）疲劳试验荷载速度 荷载频率不应使构件和荷载架发生共振，同时 应使构件在试验时与实际工作时的受力状态一致， 为此荷载频率与构件固有频率应满足一定条件：
（3）疲劳试验：首先调整最大、最小荷载，待稳定 后开始记数，直到需做静载试验的次数。在运行 过程中，需要做动态挠度与动应变测量。 （4）破坏试验：构件在达到要求的疲劳次数后，一 般需做破坏试验。这时加载情况有两种：第一种 加载情况是继续做疲劳试验直至破坏，构件出现 疲劳极限标志，得出疲劳荷载的极限次数，这需 要很长时间，甚至构件不能破坏；第二种是做静 载破坏试验，得到疲劳后的承载力极混凝土构件 的疲劳性能的研究比较重视？ 9.疲劳试验时，如何确定试验荷载取值、荷载速度 及作用次数？ 10.通常情况，疲劳试验的过程是怎样的？
0.5或1.3
（三）疲劳试验的控制次数 中级工作制吊车梁：200万次疲劳 高级工作制吊车梁：400万次疲劳
三、疲劳试验的步骤
疲劳试验的加载程序可归纳为两种：一种是 为了求得疲劳极限而对构件从头到尾施加重复 荷载；另一种是静荷载与疲劳荷载交替施加。 疲劳试验过程中要进行四种形式的试验 （ 1）预加载：预加载值为最大荷载的 20%，以消 除支座等连接件之间的不良接触，检查仪器工 作是否正常。 （2）静载试验：静载试验的最大荷载按正常使用 的最不利组合选取。试验方法按结构静载试验 各章介绍的方法进行，观测项目可适当简化。 在正常情况下，如果出现裂缝，应与静载试验 一样描述裂缝开裂情况。
（一）疲劳试验前预加静载试验
（二）正式疲劳试验 （三）破坏试验
四、疲劳试验的观测
（1）疲劳强度 疲劳荷载作用次数n取决于最大应力值及应力 变化幅度。 疲劳极限荷载：构件达到疲劳破坏时的荷载上限值。 疲劳极限强度：构件达到疲劳破坏时的应力最大值。
受弯构件的疲劳破坏标志（根据规范）例如： 正截面疲劳破坏标志：纵向主筋疲劳断裂，这是 当配筋率正常或较低时可能发生的；受压区混凝 土疲劳破坏，这是当配筋率过高或倒T形截面时可 能发生的。 钢筋与混凝土锚固疲劳破坏：这种情况常发生在 采用热处理钢筋、冷拔低碳钢丝、钢绞线配筋的 预应力混凝土结构中。
（2）疲劳试验的应变测量 动态或静动态应变仪测量。 裂缝测量：裂缝的开始出现和微裂缝的宽度很重要。 目前利用光学仪器或应变传感器电测。
（3）疲劳试验的挠度测量
（4）疲劳试验的安装 疲劳试验需要连续进行时间很长，振动荷载很大，试件安装及试验过程中需 要充分注意安全措施。 （1）试件安装时，严格对中，保证平稳，尽可能不用分配梁，如需多点加载 可用多个脉冲千斤顶。要在砂浆找平层的强度足够时才能做试验。 （2）试验过程中，要经常巡视，发现隐患，立刻排除。 （3）注意安全防护，设置支架等保护措施。
【思 考 题】
1.列举几个建筑工程中需要考虑振动问题的方面？ 2.结构动载试验主要包括哪三类情况？ 3.测振系统由哪几部分组成？画出仪器组成框图， 并说明各部分的作用？什么是压电效应？ 4.动载试验中产生动荷载的方法有哪几种？ 5.何为结构的动力反应与动力特性？它们有何区别？ 6.结构动力特性试验测定方法有哪三种？简述共振 法的测定原理？ 7.光线示波器的工作原理？
三、结构动力系数的试验测定
吊车梁、桥梁等常常要确定它的动力系数，以判 断结构的工作情况。
动挠度和静挠度的比值称为动力系数。一般用试 验方法实测确定。
第七节 结构疲劳试验
• 疲劳：结构物或构件在重复荷载作用下达 到破坏时的应力比其静力强度要低的多。 结构疲劳试验的目的就是要了解在重复荷 载作用下结构的性能和其变化规律。 • 为什么对结构构件 —— 特别是钢筋混凝土 构件的疲劳性能的研究比较重视？
一、疲劳试验项目
结构疲劳试验按试验目的的不同可分为研究性疲 劳试验和检验性疲劳试验两类。 研究性疲劳试验一般包括以下内容：开裂荷载和 开裂情况；裂缝的宽度、长度、间距及其随荷载 重复次数的变化；最大挠度及其变化；疲劳极限； 疲劳破坏特征。 检验性疲劳试验一般包括以下内容：抗裂性能； 开裂荷载、裂缝宽度及开展情况；最大挠度的变 化情况。
第六节 结构动力反应的试验测定
结构在动载作用下的动力反应，例如： 工业厂房机械设备作用下的振动情况 桥梁在列车通过时引起的振动等。
一、结构特定部位动参数的测定 如振幅、频率、速度、加速度、动变形等。 二、测定结构的振动变位图 当需要全面了解结构在动荷载作用下的振动状态， 可以安设多个测点作出振动变位图。