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。
1）把机器安装在钢梁上，机器静止，测定结构的静 力和动力特性，如刚度、固有频率、阻尼等；
2）开动机器，测定结构的振动情况，确定机器振动 造成的振动荷载。
3）振源需要移动，仅用于产品检验和标定。
• 比较测定法：
1）先开振动源，测量结构振动波形； 2）停机后，开启激振设备，逐渐调整激振设备的频 率和激振力等参数，使结构的振动波形与振动源产生 的一样。此时激振设备的参数即为振动源的动荷载参 数。
转速恒定的机器设备振源：具 有周期性的振动，波形具有接近 正弦规律。 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
三、动荷载特性测定
• 直接测定法：通过传感器直接测定动荷载各种参数。 • 间接测定法：
6 结构动力试验
6.1 概述
结构动载试验是结构试验工作的一个重要组成部分。通 过动力加载设备直接对结构施加动力荷载，可以了解结构 的动力特性，研究结构在一定动荷载下的动力反应，评估 结构在动荷载作用下的承载力及疲劳寿命等特性。
结构动力测试包括四个方面的内容：
（1）动荷载特性的测定；（2）结构自振特性的测定；（3） 结构在动荷载作用下反应的测定；（4）结构的疲劳特性。
6.2 动力荷载特性试验
加载方法：惯性力、电磁激振、疲劳机和液压振动台、爆 炸冲击。
二、主振源的探测
分析实测振动波形，按照不同振源将会引起规律不同的强迫 振动这一特点，可以间接判定振源的某些性质，作为探测主 振源的参考依据。 • 冲击振源：振动图形是间隙性的阻尼振动，而且有明显尖峰 和衰减的特点，类似于有阻尼自由衰减振动。
• 振动变形图：结构在特定荷载下的变形曲线，一般不 与结构的某一振型一致。
动力系数测定
• 承受移动荷载的结构如吊车梁、桥梁等，常常需要确 定它的动力系数，以判定结构的工作情况。动挠度与 静挠度的比值称为动力系数： yd
ys
慢速驶过
快速驶过
• 有轨时测定方法：先使移动荷载以最慢的速度驶过结 构，测得结构的最大挠度，然后使移动荷载按某种速 度驶过，测得各种速度驶过结构的最大挠度，从中找 出最大挠度的某一速度。
无轨时动力系数的测定
• 无轨时：由于两次行驶的线路不可能完全一样，故将 移动荷载一次性高速通过，取振动挠度曲线最大值yd 和振动挠度曲线之中线的最大值yj的比值作为动力系数。 yd
yj
疲劳试验
疲劳试验基本概念： 1、疲劳现象：结构在反复循环荷载作用下，由于结构某
一部分局部损伤的递增和积累，导致裂纹的形成并逐 步扩展，当循环达到一定次数时，结构应力在低于强 度设计值情况下发生脆性破坏，这就是结构或材料的 疲劳现象。 2、疲劳强度：一般与幅值和重复次数有关，当循环应力 小于某值时，荷载重复次数的增加不会引起疲劳破坏， 当超过该值时则会产生疲劳破坏，该值叫疲劳强度。
6.3 结构动力特性测定
指结构本身所固有的振动方式，表现为固有频率、 振型和阻尼等。这些特性由结构本身（材料、质量、 刚度等）决定，与外荷载无关。
固有频率、振型可以根据动力学原理计算得到， 但由于计算模型与实际结构有较大的差异，因此计算 误差较大。阻尼系数必须通过试验测得。
试验方法有自由振动法、共振法、脉动法等。
6.2 动力荷载特性试验
一、结构动力荷载的类型
1.地震作用：对地震进行观测和预报，对建筑结构进行抗震试验研 究。
2.设备振动：如锻锤、吊车制动力，多层工业厂房机器等。 3.风振：风载在高层和高耸结构设计中控制作用，影响舒适度。 4.环境振动：对精密机床、集成电路制造等设备将产生不良影响。
为此，需对地脉动进行测试，根据振动能量的分布确定防振、隔 振或消能措施。 5.爆炸振动：研究建筑物的抗爆问题，研究如何抵抗核爆炸所产生 的瞬时冲击荷载对结构的影响。
0.707 A2max
t1 t2 t3
ω
3、脉动法
脉动法：利用被测建筑物周围不规则微弱干扰（如地 面脉动、空气流动等）所产生的微弱振动作为激励来 测定建筑物自振特性的一种方法。该法的最大优点是 不用专门的激振设备。简便易行，且不受结构物大小 的限制。
测试方法：采用测振传感器测量地面自由场的脉动源 和结构的脉动反应，将获得的波形进行频谱分析，可 得到结构的动力特性。