中南大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課件-第5章-動載試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中南大學(xué)土木工程學(xué)院2012五、結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)5.1

概述5.2測量系統(tǒng)（已講）5.3結(jié)構(gòu)動力特性測定5.4結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測定5.5結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)強(qiáng)烈的振動將使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形均很大，從而使其發(fā)生嚴(yán)重的破壞。

橋梁、高層建筑、屋蓋、冷卻塔等引起結(jié)構(gòu)振動的動力源一般可分為三種:固定源：機(jī)械設(shè)備等（風(fēng)機(jī)、機(jī)床…)移動源：車輛等特殊源：風(fēng)、地震、爆炸…各種振動源所帶來的振動荷載也是復(fù)雜多樣的，可概況為三種：撞擊荷載、振動荷載、復(fù)雜荷載四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.1

概述一般說來，結(jié)構(gòu)動力測試主要包括如下三方面的內(nèi)容：（1）動荷載特性的測定；（2）結(jié)構(gòu)動力特性的測定；（3）結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的反應(yīng)的測定自振頻率阻尼系數(shù)振型疲勞抗震抗風(fēng)四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.1

概述五、結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)5.1

概述5.2測量系統(tǒng)（已講）5.3結(jié)構(gòu)動力特性測定5.4結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測定5.5結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)每個結(jié)構(gòu)都有其自身的動力特性，它是結(jié)構(gòu)物自身所固有的一種屬性。它取決于結(jié)構(gòu)的組成形式，如材料性質(zhì)、剛度、質(zhì)量大小及其分布情況等。它與外荷載無關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)確定后，其自振特性也就隨之確定下來。結(jié)構(gòu)自振特性主要包括：自振頻率；阻尼；振型四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.3

結(jié)構(gòu)動力特性一般通過試驗(yàn)測定結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)由于結(jié)構(gòu)形式差異很大，所用的方法、儀器也不同，因此試驗(yàn)結(jié)果會出現(xiàn)較大差異，可進(jìn)行多次反復(fù)試驗(yàn)，獲得可靠的試驗(yàn)結(jié)果。通常的做法，通過某種方法對結(jié)構(gòu)激振，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，依據(jù)儀器記錄到的振動波形進(jìn)行分析。人工激振法環(huán)境隨機(jī)振動法自由振動法強(qiáng)迫振動法四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.3

結(jié)構(gòu)動力特性對于體積過大的結(jié)構(gòu)，采用突加或突卸荷載不足以使結(jié)構(gòu)起振時，可改用初位移法。5.3

結(jié)構(gòu)動力特性（1）自由振動法四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)對小尺度的模型試驗(yàn)，可采用錘擊法激勵模型產(chǎn)生自由振動5.3

結(jié)構(gòu)動力特性（1）自由振動法四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.3

結(jié)構(gòu)動力特性（1）自由振動法自由振動時間歷程曲線η為衰減系數(shù)周期或頻率：從圖中直接讀出，或取若干個周期進(jìn)行平均，提高精度衰減系數(shù)(η)：阻尼比(ζ)：（1）自由振動法優(yōu)點(diǎn)：該方法所得到的周期和阻尼系數(shù)是可靠的，試驗(yàn)結(jié)果的整理比較容易缺點(diǎn)：但往往只能測得一階的固有頻率和振型5.3

結(jié)構(gòu)動力特性（1）自由振動法四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.3

結(jié)構(gòu)動力特性（1）強(qiáng)迫振動法借助按一定規(guī)律振動的荷載，迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個恒定的強(qiáng)迫簡諧振動，通過對結(jié)構(gòu)受迫振動的測定，求得結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)。P139

當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時，用拾振器同時測量結(jié)構(gòu)各部位的振動信號，比較各測點(diǎn)的振幅和相位，即可得到該頻率下的振型圖。結(jié)構(gòu)頻率掃描時間歷程曲線5.3

結(jié)構(gòu)動力特性（1）振動荷載法___“強(qiáng)迫振動法”四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)當(dāng)采用偏心式激振器時，激振力與其頻率的平方成正比。當(dāng)偏心塊旋轉(zhuǎn)頻率逐漸增大，其激振力也隨之增加，這樣就破壞了共振所引起被測物振動幅值增大的“純潔”性。解決的方法是在繪制共振曲線時將其縱坐標(biāo)更改為A/ω25.3

結(jié)構(gòu)動力特性（2）強(qiáng)迫振動法四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)共振曲線帶寬法、半功率法求結(jié)構(gòu)的阻尼衰減系數(shù)阻尼比5.3

結(jié)構(gòu)動力特性（2）強(qiáng)迫振動法四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：對于較復(fù)雜的動力問題，可得到若干個固有頻率。缺點(diǎn)：需專門的激振器。5.3

結(jié)構(gòu)動力特性（2）強(qiáng)迫振動法四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.3

結(jié)構(gòu)動力特性（3）脈動法、環(huán)境隨機(jī)振動法四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)注意：

當(dāng)外界脈動的卓越頻率接近建筑物一階頻率時，建筑物的脈動圖中，一階模態(tài)的分量必然占主導(dǎo)作用。若外界頻率接近二階或三階頻率時，其對應(yīng)模態(tài)將其主導(dǎo)作用。為得到建筑物整體振動特性，應(yīng)沿高度或水平方向同時布置測量儀器。若儀器數(shù)量不足，可固定一臺，作相位參考。為全面反映地面不規(guī)則運(yùn)動的脈動，儀器應(yīng)有足夠的頻響范圍。分析方法：

主諧量法

統(tǒng)計(jì)法 頻譜分析法、功率譜分析法5.3

結(jié)構(gòu)動力特性（3）脈動法、環(huán)境隨機(jī)振動法四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)五、結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)5.1

概述5.2測量系統(tǒng)（已講）5.3結(jié)構(gòu)動力特性測定5.4結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測定5.5結(jié)構(gòu)疲勞性能在了解了結(jié)構(gòu)動力特性的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)在動荷載的作用下的動力反應(yīng)機(jī)械振動、車輛運(yùn)動、風(fēng)荷載、地振動等動應(yīng)變、動位移動力系數(shù)等四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)（1）動應(yīng)變的測量（2）動位移的測量 由動位移的測量確定結(jié)構(gòu)振動形態(tài)。 注意這種振動變位與結(jié)構(gòu)振型（模態(tài)）的區(qū)別。（3）動力系數(shù)的測量動位移的測定：可通過各個測點(diǎn)上的位移得到動荷載作用下的振動變位圖。注意：該方法與確定振型的方法類似，但兩者有本質(zhì)上的區(qū)別。四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)有時為了全面了解結(jié)構(gòu)在動荷載下的振動狀態(tài)，需要測定結(jié)構(gòu)的振動變位圖。結(jié)構(gòu)振動變位圖與結(jié)構(gòu)的振型有些類似，但在本質(zhì)上是有區(qū)別的。前者是結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的變形曲線；而后者是結(jié)構(gòu)自由振動狀態(tài)下的振動形狀，是結(jié)構(gòu)的自振特性，它與外荷載無關(guān)。動位移的測定：四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)動力系數(shù)的測定：四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng) 實(shí)踐證明，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在移動荷載作用下產(chǎn)生的撓度比在同樣大小的靜荷載作用下的撓度要大，即同樣荷載大小的情況下，動荷載效應(yīng)大于靜荷載效應(yīng)。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)加大抗力，乘上一個大于1的系數(shù)（以確保在動荷載下結(jié)構(gòu)的安全），該系數(shù)為動力系數(shù)。慢速駛過快速駛過有軌時測定方法：先使移動荷載以最慢的速度駛過結(jié)構(gòu)，測得結(jié)構(gòu)的最大撓度，然后使移動荷載按某種速度駛過，測得各種速度駛過結(jié)構(gòu)的最大撓度，從中找出最大撓度的某一速度。動力系數(shù)的測定：四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)無軌道時，由于兩次行駛的線路不可能完全一樣，故將移動荷載一次性高速通過，取振動撓度曲線之中線的最大值yj，振動撓度曲線最大值yd

動力系數(shù)的測定：四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)五、結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)5.1

概述5.2測量系統(tǒng)（已講）5.3結(jié)構(gòu)動力特性測定5.4結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測定5.5結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)材料或結(jié)構(gòu)在重復(fù)荷載的作用后，物理學(xué)性能將發(fā)生變化，其強(qiáng)度極限將低于相同靜荷載作用下的極限值，這種現(xiàn)象稱為疲勞。生活中、工程中，疲勞破壞的例子隨處可見。四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.5

結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)墜入水中的車輛多達(dá)50多輛，已造成7人死亡，60多人受傷，其中20多人傷勢嚴(yán)重的后果。

Minneapolis橋梁疲勞倒塌/wiki/I-35W_Mississippi_River_bridge當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復(fù)作用下材料和結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞現(xiàn)象：結(jié)構(gòu)多次重復(fù)荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)某一部分局部損傷的遞增和積累，導(dǎo)致裂紋的形成并逐步擴(kuò)展，材料的極限強(qiáng)度降低，以致結(jié)構(gòu)在低于極限靜力荷載作用情況下被破壞。四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.5

結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)靜力破壞與疲勞破壞的區(qū)別靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞；疲勞破壞是多次反復(fù)載荷作用下的破壞，它不是短期內(nèi)發(fā)生的，而是要經(jīng)歷一定的時間，甚至很長時間才發(fā)生破壞。

當(dāng)靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時，不會發(fā)生靜力破壞；而交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。

靜力破壞通常有明顯的塑性變形產(chǎn)生；疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形跡象，哪怕是塑性良好的金屬也這樣，就像脆性破壞一樣，事先不易覺察出來，這就表明疲勞破壞具有更大的危險(xiǎn)性。

四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.5

結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)[疲勞試驗(yàn)的目的]確定結(jié)構(gòu)的疲勞極限；在重復(fù)荷載下，測定結(jié)構(gòu)達(dá)到疲勞破壞時荷載重復(fù)次數(shù)。（１）各階段截面的應(yīng)力分布狀況，中和軸變化規(guī)律；（２）抗裂性及開裂荷載；（３）裂縫寬度、長度、間距及其發(fā)展；（４）最大撓度及其變化規(guī)律；（５）疲勞強(qiáng)度的確定；（６）破壞特征分析。對于科研性的疲勞試驗(yàn)：四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)對于鑒定性的疲勞試驗(yàn)，在控制疲勞次數(shù)內(nèi)，測量：（１）抗裂性及開裂荷載；（２）裂縫寬度及其發(fā)展；（３）最大撓度及其變化幅度；（４）疲勞強(qiáng)度及其疲勞壽命。疲勞次數(shù)的規(guī)定：中級工作制吊車梁2*106次

重級工作制吊車梁4*106次5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)[疲勞試驗(yàn)的目的]四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)[疲勞試驗(yàn)的方法]疲勞荷載的取值：荷載上限值Qmax：按試件在荷載標(biāo)準(zhǔn)值的最不利組合產(chǎn)生的效應(yīng)值計(jì)算而得的。荷載下限值Qmin

：根據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)性能而定，但不應(yīng)小于液壓脈動加載器最大動荷載的3％。四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)[疲勞試驗(yàn)的方法]疲勞荷載的頻率：尚無統(tǒng)一規(guī)定，主要依據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)的性能而定，但為了保證構(gòu)件在疲勞試驗(yàn)中不發(fā)生共振，荷載頻率應(yīng)遠(yuǎn)離共振區(qū)θ/ω<0.5或>1.3四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)[疲勞試驗(yàn)的方法]加載程序P163,

通常依據(jù)“混凝土構(gòu)件質(zhì)量檢驗(yàn)與評定標(biāo)準(zhǔn)GBJ321-90”所推薦的“等幅疲勞加載程序”進(jìn)行。四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)

[疲勞試驗(yàn)的方法]加載程序－－－等幅疲勞加載程序（1）靜載試驗(yàn)階段（2）疲勞試驗(yàn)階段（3）破壞試驗(yàn)階段P164四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)[疲勞試驗(yàn)的方法]加載程序－－－其他加載程序帶裂縫的疲勞試驗(yàn)，靜載可不分級緩慢地加到第一條可見裂縫出現(xiàn)為止，然后開始做疲勞試驗(yàn)變荷載上限的疲勞試驗(yàn)四、結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)5.4結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)[疲勞試驗(yàn)的破壞標(biāo)志]配筋率正?；蜉^低時： 截面中縱向受拉主筋可能發(fā)生疲勞斷裂破壞配筋率較高或?yàn)榈筎形截面時：