结构动力反应测定分析
结构动力分析
【结构工程的软件时代】结构工程已全面进入软件时代，结构工程师要从繁琐的重复劳动中解脱出来，培养结构概念和体系，锻炼结构整体思维。
《结构概念和体系》是国际著名的结构大师林同炎广为流传的著作。
相信大多数从事建筑结构的工程人员都或多或少读过这本书。
其实，这本书可以说是结构工程师的必修课。
从事结构工作，很重要的一点就是在工作中培养结构概念体系和整体性思维的方法。
这对于结构工程师来讲，是十分重要的。
如今的软件技术已相当发达，很多繁琐的工作都可以通过软件完成，甚至于智能化到了“一键式完成”的地步。
设想，如果在软件再这么智能化而且功能强大下去，到时候，只要输入基本的设计参数和经济指标，按一个回车键，软件就将建筑方案设计、结构方案设计、施工图设计全部一条线完成出来了，那么对结构工程师来说不是一场灾难嘛。
软件取代所有主要工作，技术人员不就要下岗了啊。
所以，我认为，从一个角度来讲，结构工程软件时代的到来，意味着结构工程师的一场“危机”。
如何在这场即将到来的危机面前“明哲保身”，做软件所不能做到的事情是很关键和重要的，什么最关键而重要，我认为就是结构的概念和体系思维，这个才是将来结构工程师的价值所在，而这恰恰是软件所难以做到的。
闲话暂放，言归正传。
这篇博客将粗浅地探讨结构动力学问题的概念和体系问题。
之所以关注结构动力学问题，一是因为结构静力学研究已比较成熟，林同炎前辈的《结构概念和体系》一书中已阐明很完善精辟了，二是因为现阶段工程结构抗震问题是研究的热点和前沿，这个时代里不懂工程抗震概念的结构工程师很难成为一个好工程师。
构件→结构→结构体系，整体性思维，需要工程实践的锻炼以及不断思考的积累。
在实践中，反复向自己提问是培养结构概念的一个好方法。
比如，问自己什么叫振型分解法？有哪些假定？什么叫时程分析法？有哪些优缺点？……这样积累下来，很多概念就越辩越明，结构的概念也就逐渐得到建立。
【结构动力分析的分类】结构动力分析主要包括：特征值分析、反应谱分析、时程分析三大块。
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。
结构动力反应的试验测定方法
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
薄膜结构的动力反应分析
膜结构 的案 例 分 析 ， 总结 薄 膜 结 构 振 动 特性 以及 其 在
不 同平 均风速 和不 同边界 条件 下 的动力反应特 性 。
ｌ 薄膜 结构 非 线 性 动 力 分 析 方法
１ １ 动力分 析的 Ｎ ｗｍａ ｋ方 法 ． ｅ ｒ 结 构动力 平衡方 程 为 ： Ｍ／ ）＋ｃ ＋Ｋ ＝Ｐ（） Ｕ
结 构平 面外 刚度 小 ， 荷 载 作 用 下 产生 大 位 移 的几 何 在
非 线性 问 题 ， 文 用 收 敛 性 较 好 的 全 Ｎ ｗ ｏ —ａ ｈｏ 本 ｅ ｔ Ｒ ｐ ｓｎ ｎ
迭代 法进 行迭 代计算 。另 外 ， 当薄膜 结构 位 移较 大 时 ，
易发 生膜 材 的褶 皱 ， 理 褶 皱 的方 法 主 要 有 张 力 场理 处 论、 可变泊 松 比的方法 、 正变 形 梯度 的方 法 和 分又理 修 论等 。冯 虹等 指 出利 用第一 和 第二 主应 力 来判 别膜
在 Ｏ ０ ３ｓ时 ，５点 回到 了 ．３ ２
（） ｂ
好 。但 修正 Ｎ Ｒ迭代 法 在一 个 荷载 增 量 步 内的 各次 迭
代 中均采用 初 始 刚度 矩 阵 ， 更 新 非 平 衡 载荷 。 比较 仅 两 种方法 ， 文采用 全 Ｎ 本 Ｒ迭代法 。
１ ２ 应力 一主应变 判别准 则和修 正本构矩 阵法 ．
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ Ｎｅ ｔ ａ ｔ ｓ ｄ ｏ ｈ ｗｍａ ｋ ｒ ｍｅｈ ｄ ｉ ｙ ａ ｃ ａ ａｙ ｉ ｎ ｈｅ ｆ ｌ Ｎｅ ｏ Ｒａ ｓ ｎ ｔｒ ｔｏ ｔｏ ｎ ｔ ｏ ｎ ｄ ｎ ｍｉ ｎ ｌ ｓｓ ｄ ｔ ｕｌ ａ ｗｔｎ— ｐｈ ｏ ｉ ａｉｎ ｍｅｈ ｄ ｉ ｅ
振
第３ Ｏ卷第 ６期
结构动力实验报告
结构动力实验报告结构动力实验报告一、引言结构动力学是研究结构在外力作用下的振动特性和响应规律的学科。
通过实验研究结构的动力响应，可以了解结构的固有频率、振型、阻尼特性等重要参数，为结构设计和抗震设计提供依据。
本实验旨在通过一系列测试，探索结构的动力响应特性。
二、实验目的1. 测定结构的固有频率和振型。
2. 分析结构在不同外力激励下的动力响应特性。
3. 探究结构的阻尼特性。
三、实验装置与方法1. 实验装置：使用一台振动台和一根悬臂梁作为实验结构。
2. 实验方法：a. 测定固有频率和振型：在不同频率下，通过改变振动台的频率控制结构的激励频率，使用加速度传感器测定结构的振动响应，并记录下振动台的频率。
b. 测定动力响应特性：通过改变振动台的振幅，分析结构在不同外力激励下的振动响应，并记录下响应的幅值和相位。
c. 测定阻尼特性：在结构上添加不同阻尼装置，测定结构在不同阻尼条件下的振动响应，并记录下响应的幅值和相位。
四、实验结果与分析1. 测定固有频率和振型：根据实验数据，绘制结构的频率-振型曲线，确定结构的固有频率和振型。
分析不同频率下的振动响应，可以推测结构的模态分布情况。
2. 分析动力响应特性：对于不同外力激励下的振动响应，绘制振动幅值和相位的频率响应曲线，分析结构的频率响应特性，如共振频率、共振幅值等。
通过对比不同外力激励下的响应曲线，可以研究结构的非线性特性和耦合效应。
3. 探究阻尼特性：通过添加不同阻尼装置，测定结构在不同阻尼条件下的振动响应。
分析阻尼对结构响应的影响，可以评估结构的耗能能力和抗震性能。
五、实验结论1. 结构的固有频率和振型是结构动力学研究的重要参数，通过实验测定可以了解结构的模态分布情况。
2. 结构的动力响应特性与外力激励频率和振幅密切相关，通过分析响应曲线可以评估结构的共振情况和非线性特性。
3. 阻尼对结构的动力响应有重要影响，适当的阻尼装置可以提高结构的耗能能力和抗震性能。
结构试验-第五章 土木工程结构动载试验分析
型图。
五、结构动载试验
5.3 结构动力特性的试验测定
[振动荷载法]
结构频率扫描时间历程曲线
什么是模态？
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具 有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模 态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计 算或试验分析过程称为模态分析。
如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易 受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可 能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作 用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态 设计及设备的故障诊断的重要方法。
[脉动法、环境随机振动法]____频谱分析法、功率谱分析法 研究振动的某个物理量（如幅值）与频率之间的关系称之 为频谱分析。 它是将振动的时间域信号变换到频率域上进 行分析。（傅立叶变换，FFT）
五、结构动载试验
5.3 结构动力特性的试验测定
[脉动法、环境随机振动法]____频谱分析法、功率谱分析法 通过振幅谱可以确定各阶主频率的大小，但是对应振动形 态还不清楚。 可以将某一观测点做为参考信号，其他各点分别与它作互 相关分析，求出各测点间的相位关系。
五、结构动载试验
5.4 结构疲劳试验 [疲劳试验的目的]
五、结构动载试验
5.3 结构动力特性的试验测定
[振动荷载法] 带宽法、半功率法求结构的阻尼
1 2
2
衰减系数
0
共振曲线
阻尼比
五、结构动载试验
5.3 结构动力特性的试验测定
[振动荷载法]
注意： 振动荷载（即激励器）的安装方向和位置要根 据试验结构的具体情况而定。通常，整体结构（高 层建筑等）的动荷载试验在水平方向上激振，板和 梁的动荷载在垂直方向激振。
第7章 工程结构动力试验
测振仪器系统框图
测振仪器系统主要有以下三部分组成： 1、测振传感器：包含位移、速度、加速度、 应变、温度。 2、测振放大器：电荷放大器、电压放大器、 电阻应变仪等。 3、测振记录、显示系统。
一、测振仪器的性能指标
由于测量目的和试验对象的不同，对测振 仪器的性能指标也将提出不同的要求 。 （1）灵敏度：是指输出信号与输人信号之 比。 （2）频率范围：是指在灵敏度为一常量或 不超过某一允许值时，所对应的仪器可使用 的频率范围。 （3）动态线性范围：是指输出信号与输人 信号呈线性关系时，所对应的输人信号幅值 的范围。
磁电式的拾振器的输出电动势与被测振动 体的振动速度成正比，使用微分电路则可获得加 速度信号；使用积分电路则可获得位移信号。对 于磁电式拾振器，由于其产生电压量，采用电压 放大器。
2、电荷放大器
压电式加速度拾振器输出的电荷与被测振 动体的加速度成正比，使用积分电路可获得速度 信号，再使用一次积分电路则可获得位移信号。 对于压电式加速度计，由于其产生电荷量，所以 采用电荷放大器。
通解: 自由振动→衰减 特解:
y Y 0 Sin(t )
2、质量弹簧系统及运动方程
其中：
Y
0
Hale Waihona Puke X 0 n 1 n
2
2
2 2D n
2D
arctg
2、结构振动变位图测定
有时为了全面了解结构在动荷载下的振动 状态，需要测定结构的振动变位图。结构振动变 位图与结构的振型有些类似，但在本质上是有区 别的。前者是结构在动荷载作用下的变形曲线； 而后者是结构自由振动状态下的振动形状，是结 构的自振特性，它与外荷载无关 。测试过程中 将各测点同时记录，根据位移的正负方向、大小， 按一定比例做出振动波形图即可。
结构动力特性试验
第七章结构动力特性试验7.1概述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、阻尼系数和振型等一些基本参数，也称动力特性参数或振动模态参数。
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。
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，在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抗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，了解结构的自振特性。
1．在结构抗震设计中，为了确定地震作用的大小，必须了解各类结构的自振周期。
同样，对于已建建筑的震后加固修复，也需了解结构的动力特性，建立结构的动力计算模型，才能进行地震反应分析。
2测量结构动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止动荷载作用所产生的干扰与结构产生共振或拍振现象。
在设计中可以便结构避开干扰源的影响，同样也可以设法防止结构自身动力特性对于仪器设备的工作产生干扰的影响，可以帮助寻找采取相应的措施进行防震，隔震或消震。
3．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。
由于结构受动力作用，特别是地震作用后，结构受损开裂使结构刚度发生变化，刚度的减弱使结构自振周期变长，阻尼变大。
由此，可以从结构自身固有特性的变化来识别结构物的损伤程度，为结构的可靠度诊断和剩余寿命的估计提供依据。
建筑结构的动力特性可按结构动力学的理论进行计算。
但由于实际结构的组成，材料和连接等因素，经简化计算得出的理论数据往往会有一定误差。
对于结构阻尼系数一般只能通过试验来加以确定。
因此，建筑结构动力特性试验就成为动力试验中的一个极为重要的组成部分，而引起人们的关注和重视。
结构动力特性试验是以研究结构自振特性为主，由于它可以在小振幅试验下求得，不会使结构出现过大的振动和损坏，因此经常可以在现场进行结构的实物试验，正如本章所介绍的试验实例。
当然随着对结构动力反应研究的需要，目前较多的结构动力试验，特别是研究地震，风震反应的抗震动力试验，也可以通过试验室内的模型试验来测量它的动力特性。
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二、测定结构的振动变位图
为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振动变位图。
振动变位图的测量方法，将各个测点的振动 图用记录仪器同时记录下来，根据相位关系确定 变位的正负号，再按振幅（即变位）大小以一定 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。
结构动力反应测定分析
结构动力反应测定分析
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§2.7 结构疲劳试验
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得多，这种现象称为疲 劳。 对结构而言，它既有材料的疲劳问题又有结构本 身的疲劳问题。
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震结构的理论分析与试验研究以及设计方法提供客观
的工程数据。
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强震不是经常发生，而且很难预测其发生时刻， 所以强震仪设计了专门的触发装置，平时仪器不运 转，无需专人看管，地震发生时，强震仪的触发装 置便自动触发启动，仪器开始工作并将振动过程记 录下来。考虑到地震时可能中断供电，仪器一般采 用蓄电池供电。在建筑物底层和上层同时布置强震 仪。地震发生时底层记录到的是地面运动过程，上 层记录到的即为建筑物的加速度反应。
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§2.7 结构疲劳试验
确定了振动变位图后， 即有可能按结构力学的 理论近似地确定结构由 于动荷载所产生的内力。
y f (x)
M EJ y
Q EJ y
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三、结构动力系数的试验测定
承受移动荷载的结构如吊车梁、桥梁 等，常常要确定它的动力系数，以判定结 构的工作情况。
§2.7 结构疲劳试验
按其受力状况不同: 可分为压力疲劳、弯曲疲劳和扭转疲劳试验
按试验机产生的脉冲信号的大小: 可分为等幅疲劳和变幅疲劳试验
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§2.7 结构疲劳试验
此外，还有环境疲劳试验，如在腐蚀性环境 下的疲劳试验、高温或低温下的疲劳试验、加压 或真空等条件下的疲劳试验。不同条件下的疲劳 试验有不同的疲劳响应，试验结果也各有特点。 我们主要讨论结构构件的疲劳试验问题。
一、结构特定部位动参数的测定
实践中经常遇到需要测定结构物在动荷载作
用下特定部位的动参数如振幅、频率(或频率谱)
速度、加速度、动变形等。在这种情况下，只要
在结构振动时布置适当的仪器(如位移传感器、速
度传感器、加速度传感器或电阻应变计等)记录下
振动图即可。测点布置根据结构情况和试验目的
而定。
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注意:
这种测量和分析方法与前面讲过的确定振型 的方法类似。而结构的振动变位图是结构在特定 荷载作用下的变形曲线。一般说来并不和结构的 某一振型相一致。
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§2.6 结构动力反应的测定
移动荷载作用于结构上所产生的动挠
度，往往比静荷载时产生的挠度大。动挠
度和静挠度的比值称为动力系数。
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结构的动力系数一般用试验方法实测确定
为了求得动力系数，先使移动荷载以
最慢的速度驶过结构，测得挠度图如
图，然后使移动荷载按某种速度驶过，
2
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测点布置
1.为了校核结构强度就应将测点布置在最危
险的部位即控制断面上；
2.如果是测定振动对精密仪器的影响，一般 应在精密仪器基座处测定振动参数。
3.多层厂房常需要测定某个振源(如机床扰力)
引起的振动在建筑物内传布和衰减情况。
结构动力反应测定分析
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是例如：研究振动在同一楼层内传布情况。
在图中，振源为动力机床，以
振源处测得的振幅定为1，其
余各点测得的振幅与振源处的
振幅之比称为该点的传布系数，
将各点传布系数标在图上就可
明显地看出：此振源产生的振
动情况在楼层内的影响范围和
结衰构动减力反情应测况定分。析
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§2.6 结构动力反应的测定
生产和科研中提出的一些问题，往往要求对
结构动荷载作用下的动力反应进行试验测定
1.工业厂房在动力机械设备作用下振动情况
2.桥梁在列车通过时引起的振动；
3.高层结构在风荷载作用下的振动问题；
4.结构在地震作用下动力反应；
5.(震)要求的设备；
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这时结构产生最大挠度(实际测试中
采取以各种不同速度驶过，找出产生
最大挠度的某一速度)。从图上量得
最大静挠度yj和最大动挠度yd，即可
求得动力系数。
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K yd yj
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上述方法只适用于一些有轨的动荷 载如吊车荷载。对无轨的动荷载(如 汽车)不可能使两次行驶的路线完全 相同。这时可以采取只试验一次用 高速通过，记录图形如图。取曲线 最大值为yd，同时在曲线上绘出中 线，相应于yd处中线的纵座标即yj。 按公式即可求得动力系数。
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四、强震观测
强地震发生时以仪器为手段观测地面运动的过
程和建筑物的动力反应的工作称为强震观测。
强震观测的基本任务：
(1)取得地震时地面运动过程的记录。为研究地震影
响场和烈度分布规律提供科学资料。
(2)取得结构物在强震作用下振动过程的记录，为抗
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§2.6.4 强震观测
近二十年来，强震观测工作发展迅速， 很多国家已逐步形成强震观测台网，其中 尤以美国和日本领先。强震观测工作已成 为地震工程研究中最活跃的领域之一。
我国强震观测工作是在一些地震区和重要
建筑物上设置了强震观测站。