土木工程试验 TUMU GONGCHENG SHIYAN 王吉民 浙江科技学院建筑工程学院 2014年03月.

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1 土木工程试验 TUMU GONGCHENG SHIYAN 王吉民 浙江科技学院建筑工程学院 2014年03月

2 结构的动载试验 1.1 概述 1.2 工程结构动力特性试验 1.3 工程结构动力反应试验 1.4 工程结构疲劳试验
1.5 工程结构的风洞试验

3 1.1 概述 1.1.1 桥梁动力荷载的类型 1.在移动车辆荷载作用下桥梁结构激励振动 2.在地震作用下桥梁结构产生的激励振动
3.在风荷载作用下斜拉桥、悬索桥等大跨度桥梁的激励振动 4.在风、雨共同作用下斜拉桥的斜拉索等结构的激励振动 5.爆炸等冲击作用对桥梁结构的振动激励

4 1.1 概述 1.1.2 结构动力试验的内容 1. 测定动力荷载或振源的特性 引起振动的作用力的大小、作用方向、作用 频率及其规律
2. 测定结构动力特性 结构的自振频率、阻尼和振型 3. 测定结构在动力荷载作用下的反应 位移、速度、加速度、动应变、动力系数 4. 测定结构在疲劳荷载作用下的反应 疲劳强度

5 1.1 概述 1.1.3 结构动力试验程序 1.估计需要测量的振动类型(周期性、随机、冲 击、瞬变)、振动频率和振型；
1.估计需要测量的振动类型(周期性、随机、冲 击、瞬变)、振动频率和振型； 2.确定测试参数和记录分析方式； 3.选择合适的测振传感器类型，记录环境条件； 4.正确选择量测仪器的上、下限频率； 5.标定量测仪器； 6.确定测振传感器最理想的安装方式(消除寄生振动)； 1.确定荷载行程的水平情况，确定荷载的行驶 速度和通过建筑物某指定地点的时间和方法。

6 1.2 工程结构动力特性试验 1.2.1 结构动力特性的定义及其实际作用
1.定义：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。 2.测定结构动力特性的实际作用 (1)在结构抗震设计时确定地震作用的大小； (2)避免动荷载使结构产生自振或拍振； (3)为检测、诊断结构的损伤积累提供资料 和数据(刚度—阻尼比、固有频率)。

7 1.2 工程结构动力特性试验 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性 1.自由振动法 加载方法：初位移加载法，初速度加载法。
测量方法：将测振传感器布置在结构可能产生最大振幅的部位，记录结构的有阻尼自由振动曲线。只能测定结构的一阶频率。多取几个波形。 T nT

8 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性 2.强迫振动法 加载方法：用激振设备使结构产生共振。
测量方法：将激振器及测振传感器安装在结构上，将激振器的转速由低到高连续变换(频率扫描)，在达到一定频率时结构产生共振，该频率即为结构的自振频率。 1 2 3  A

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10 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性 x 3.结构阻尼系数的测量 1）自由振动法 N时刻的振幅 xn+1 xn t N＋1时刻的振幅 T
对数衰减率： 阻尼比： ； 阻尼系数：

11 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性 xn 3.结构阻尼系数的测量 xn+k 1）自由振动法
T xn xn+k 1）自由振动法 (1)实际阻尼比计算取k个周期的衰减进行计算： (2)对于实际测试曲线无零线的情形(上图)：

12 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性 3.结构阻尼系数的测量 2）强迫振动法 自由振动０ 强迫振动

13 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性 3.结构阻尼系数的测量 2）强迫振动法  1 2 () 
当=0(无阻尼)，=时，产生共振，B。 当0(有阻尼)，=时，产生共振，()=1/2。 半功率法：()= 时，对应1及2，阻尼比为：

14 1.2.2 人工激振法测定结构动力特性 4.结构振型的测量 振型： 测量原理：
将若干个测振传感器沿结构的高度或跨度方向连续布置(至少5个)，当结构自由振动或共振时，同时记录下结构各部位的振动情况，通过比较各点的振幅和相位，并将各测点同一时刻的位移值连接成一条曲线，即可得到结构的振型图。 结构按某一固有频率做振动时形成的弹性曲线。 2 3 4 5 6 +０.1 -０.3 1 +０.3 -０.8 -０.5 2 3 4 5 6 A1 /A1=1.0 A2 /A1=0.1 A3 /A1=0.3 A4 /A1=-0.3 A5 /A1=-0.8 A6 /A1=-0.5

15 1.2.3 环境随机振动法(脉动法)测量结构动力特性
1.脉动法及其特点 建筑物由于受外界干扰而处于微小而不规则的振动中。 (1)振幅小 A<10m。 (2)不规则 x f(t)。 (3)频谱丰富 T=0.1~0.8s。 (4)能明显反映建筑物的固有频率及自振特性。 (5)适用于测量整体结构的动力特性。

16 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性 2.脉动法测量结构动力特性的要求
(1)要求记录的仪器有足够宽的频带，使所需要的主要频率分量不失真； (2)脉动记录中不应有规则的干扰或仪器本身带近来的噪音；—平稳过程 (3)记录时间应足够长，并重复几次(排除偶然因素)；—各态历经 (4)如果仪器数量不足，可以分多次测量，但应有一个测点(比较点)保持不动； (5)要有专门的设备进行数据分析及处理(得到高频振动周期)。

17 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性 拱圈自振时域图谱(2.5m)

18 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性 拱圈自振频域图谱

19 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性 3.脉动法测量结构动力特性的分析方法 (1)主谐量法
建筑物固有频率的谐量是脉动里的主要成分，当脉动信号频率与结构自振频率接近时信号被放大，因此在脉动图上，凡是振幅最大，波形最光滑的地方总是多次重复出现，如果建筑物各部位各有同一频率处的相位和振幅符合振型规律，该频率即为建筑物的固有频率。

20 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性 3.脉动法测量结构动力特性的分析方法 (2)频谱分析法
a.结构物脉动记录可以看成是各种频率谐量的合成结果(即结构振动时不只是以单一的频率振动) b. 每一种频率引起的结构振幅是不相同的 c. 建筑物固有频率的谐量和脉动源频率处的谐量为起主要成分。 d.用傅立叶变化将各种频率的正弦波分离出来，每一种频率对应一个振幅(时域信号A-t频域信号A-)，对应振幅最大的频率即为结构的自振频率。

21 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性 3.脉动法测量结构动力特性的分析方法 (2)频谱分析法 时域图—时程曲线 1 2 3 
A 傅立叶变换 频域图—功率谱密度函数

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23 FFT傅立叶变换后(2048点,50Hz)

24 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性 3.脉动法测量结构动力特性的分析方法 (2)频谱分析法
阻尼比：由分析软件可在图形上得出1，并找出0.101倍最大振幅所对应的两个频率’和’’，即可计算出阻尼比1。 A 1 2 3 

25 1.2.3 环境随机振动法测量结构动力特性 3.脉动法测量结构动力特性的分析方法 (2)频谱分析法
振型：由分析软件可查出两点振动的幅值A1及A2，两数值的比值即为振幅比；由分析软件还可查出两点的相位差(0°—同相，180°—反向),即可得到振动方向的关系。 1 2 3  A A1 1 2 3  A A2

26 1.3 工程结构动力反应试验 1.3.1 结构动力反应试验的任务与内容 确定动荷载特性—寻找主振源、确定其特性；
确定动荷载在结构中引起的附加动应力 ——验算结构强度； 确定动荷载引起结构物的振动位移 ——判断结构刚度； 确定移动的动荷载对结构物的动力效应 ——提供实测动力系数； 测试内容：振幅、频率、速度、加速度、动应变。

27 1.3 工程结构动力反应试验 1.3.2 探测主振源的方法 1.直接测定法：通过测定动荷载本身参数以确 定其特性。
1.直接测定法：通过测定动荷载本身参数以确 定其特性。 2.间接测定法：将动力机器安装在专用的、有足 够变形的弹性结构上，测试结构的振动情况。 3.比较测定法：将待测振源的振动情况与已知 动荷载作用下的振动情况进行比较。

28 1.3 工程结构动力反应试验 1.3.3 结构特定部位动参数的测定 1.动应力的测定
　　用动态电阻应变仪配合高速记录仪(磁带记录仪或计算机)测试记录动态应变。 测量要求： 1.选用疲劳寿命长的应变片； 2.选用小标距应变片用以进行高频测量； 3.连接应变片的导线捆扎成束，消除电容； 4.仪器的工作频率范围大于被测动应变信号频率； 5.若测试时间较长，试验前后要对仪器进行标定。

29 1.3 工程结构动力反应试验 1.3.3 结构特定部位动参数的测定 2.动位移(挠度)的测定
×－表示测点位置；●－表示实测振幅 图1-13 楼层振动传布图 2.动位移(挠度)的测定 　　在结构控制断面或在有特殊生产工艺要求的位置布置位移测点。(可选用机电百分表或其他动态位移测量仪器)。

30 1－时间信号; 2－结构 (梁); 3-拾振器; 4－记录曲线; 5-t=t1时结构变位图
1.3.4 测定结构振动变位图 　测量方法与结构振型的测量方法基本相同，但其区别在于结构的振型是由惯性力引起的弹性振动曲线，与外荷载无关，属于结构本身的动力特性；而振动变位图时结构在特定外荷载作用下的变形曲线。一般说，两者的图形不相一致。 曲线图——弹性曲线方程： 1－时间信号; 2－结构 (梁); 3-拾振器; 4－记录曲线; 5-t=t1时结构变位图 图1-14 结构振动变位图 弯矩： 剪力：

31 1.3.5 结构动力系数的试验测定 　　对于承受动力荷载的桥梁结构等，需要考察的动力系数包括挠度、应力等，称为动力放大系数或冲击系数： 　　动挠度＞静挠度 有轨动荷载 f动 f静 以各种速度通过结构物 以慢速通过结构物 无轨动荷载

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34 1.4 工程结构疲劳试验 1.4.1 概述 　　 疲劳现象：桥梁等承受往复荷载作用的结构构件在远低于材料强度的工作应力水平下发生的累计损伤断裂破坏。 　　疲劳检试验测目的：了解在重复荷载作用下结构的疲劳性能及其变化规律，确定结构的疲劳极限值。 　　疲劳包括材料疲劳和构件疲劳：钢结构构件及其连接的疲劳；钢筋混凝土构件钢筋、混凝土的疲劳；组合构件如结合梁的连接疲劳等。

35 1.4.2 疲劳试验项目 (二)研究性试验 (一)鉴定性试验 1.抗裂性及开裂荷载 1.各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律。
2.裂缝宽度及其发展 2.抗裂性及开裂荷载 ３.最大挠度及其变化幅度 ３.裂缝宽度、长度、间距及其发展 ４.疲劳强度及其疲劳寿命 ４.最大挠度及其变化规律 ５.疲劳强度的确定 6.破坏特征分析

36 (A) 一般气流试验位置 (B) 斜风试验位置 (C) 不规则风试验位置
1.5 工程结构的风洞试验 (A) 一般气流试验位置 (B) 斜风试验位置 (C) 不规则风试验位置 图1-20 大型风洞试验设施构成图 风是由强大的热气流形成空气动力现象，其特性主要表现在风速和风向 。而实测试验要等待有强风的情况下才能测量，耗时很长，且需要大量的人力、物力和财力，难度较大。为此，科学家们为了系统地研究风力对各种结构的作用，除了实测试验之外，还采用缩小模型或相似模型在专门的试验装置内模拟风力试验，即风洞试验。

37 1.5 工程结构的风洞试验