第五章工程結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)(NXP)

1、125.1 概 述 結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)工作的一個(gè)重要組成部分。通過動(dòng)力加載設(shè)備直接對(duì)結(jié)構(gòu)施加動(dòng)力荷載，可以了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，測(cè)試結(jié)構(gòu)在一定動(dòng)荷載下的動(dòng)力反應(yīng)，評(píng)估結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的承載力及疲勞壽命等特性。3土木工程中需要研究和解決的動(dòng)力問題包括以下幾個(gè)方面： 1、抗震理論分析和研究，為地震設(shè)防和抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)，提高各類工程結(jié)構(gòu)的抗震能力。 2、設(shè)計(jì)和建筑工業(yè)廠房時(shí)要考慮生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的影響。 3、高層建筑和高聳構(gòu)筑物設(shè)計(jì)時(shí)要解決風(fēng)荷載所引起的振動(dòng)問題。 4、橋梁設(shè)計(jì)與建設(shè)中需要考慮車輛運(yùn)動(dòng)對(duì)橋梁的振動(dòng)及危害問題。 5、海洋采油平臺(tái)設(shè)計(jì)中需要解決海浪的沖擊對(duì)海洋采

2、油平臺(tái)等不利影響問題。 6、研究建筑物如何抵抗爆炸等所產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。4結(jié)構(gòu)工程事故5結(jié)構(gòu)振動(dòng)的動(dòng)荷載是隨時(shí)間而改變的；美國(guó)塔科馬美國(guó)塔科馬(Tacoma)大橋大橋,1940年毀于風(fēng)振！年毀于風(fēng)振！從此將航空風(fēng)洞技術(shù)引入了橋梁工程、建筑工程的應(yīng)用！從此將航空風(fēng)洞技術(shù)引入了橋梁工程、建筑工程的應(yīng)用！6動(dòng)荷載產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)，有時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相應(yīng)的靜力效應(yīng)；但有時(shí)可能小于相應(yīng)的靜力效應(yīng)。7結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載的作用下的反應(yīng)與結(jié)構(gòu)本身動(dòng)力特性有密切關(guān)系；8結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)的基本內(nèi)容1、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試 結(jié)構(gòu)的自身動(dòng)力特性包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼、振型等參數(shù)。這些參數(shù)決定與結(jié)構(gòu)的形式、剛度、質(zhì)量分布、材

3、料特性及構(gòu)造連接等因素，而與外載無關(guān)。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算、解決工程共振問題及診斷結(jié)構(gòu)累積損傷的基本依據(jù)。2、動(dòng)力荷載或振源特性測(cè)試 測(cè)量引起振動(dòng)的作用力大小、方向、頻率及其規(guī)律。9 2）振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。 地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是由于地面運(yùn)動(dòng)引起的一種慣性力。通過振動(dòng)臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)輸入正弦波或?qū)崪y(cè)地震波，可以較準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。3、結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)試 1）測(cè)定實(shí)際結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作時(shí)的振動(dòng)水平（振幅、頻率）及性狀，例如： 動(dòng)力機(jī)器作用廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng) 移動(dòng)荷載作用下橋梁的振動(dòng)反應(yīng) 地震時(shí)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)104、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞試驗(yàn) 確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件在多次重復(fù)荷載作用下的疲勞強(qiáng)度。 土木工程結(jié)構(gòu)

4、中遇到的振動(dòng)形式有些是確定性振動(dòng)，但大多數(shù)情況則屬于隨機(jī)振動(dòng)。5、風(fēng)洞試驗(yàn) 研究結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)及風(fēng)振控制。115.2 動(dòng)載試驗(yàn)荷載模擬技術(shù)5.2.1 慣性力加載 慣性力加載是利用運(yùn)動(dòng)物體的慣性力，對(duì)結(jié)構(gòu)施加動(dòng)荷載。 按產(chǎn)生慣性力的方法可分為沖擊力、離心力及直線位移慣性力加載等。1、沖擊荷載 沖擊荷載作用于試件上的時(shí)間較短，屬于突然加載，一般用于測(cè)定試驗(yàn)在沖擊荷載作用下的承載力、抗裂性能等；也用于測(cè)定結(jié)構(gòu)本身的各種動(dòng)力特性，如固有頻率等。12 優(yōu)點(diǎn)：用較小的荷載可以產(chǎn)生較大的振幅。 缺點(diǎn)：加上的重物隨結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響；重物落下時(shí)的撞擊也會(huì)引起結(jié)構(gòu)的局部破壞。q 突加荷載法（初始速

5、度法）13q 突卸荷載法（初始位移法）142、離心力加載 離心力加載是根據(jù)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生離心力的原理對(duì)結(jié)構(gòu)施加簡(jiǎn)諧振動(dòng)。trmPtrmPrmPHVcossin222trmPVsin22trmPHcos22(a)(b)(c)153、曲柄連桿式機(jī)械振動(dòng)臺(tái) 機(jī)械振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易產(chǎn)生較大的振動(dòng)力和振幅；缺點(diǎn)是頻率范圍較小，振幅調(diào)節(jié)比較困難，機(jī)械摩擦影響大，波形失真也大。 曲柄連桿帶動(dòng)臺(tái)面作水平振動(dòng)，臺(tái)面振幅由偏心距 e 的大小調(diào)節(jié)，臺(tái)面振動(dòng)頻率由變速箱調(diào)整，因而振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)幅與頻率變化無關(guān)。164、落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī) XJL-300B型落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)最大沖擊能量：300J最大沖擊高度：2m錘體質(zhì)量：0

6、.25-15kg175.2.2 電磁加載 通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中，會(huì)受到與磁場(chǎng)方向相垂直的作用力。根據(jù)這一原理，在磁場(chǎng)中放入動(dòng)圈，通以交變電流，則可以使固定于動(dòng)圈上的頂桿等部件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)載。目前常見的電磁加載設(shè)備為電磁式激振器與振動(dòng)臺(tái)電磁式激振器與振動(dòng)臺(tái)。 電磁式激振器電磁式激振器頻率范圍較寬；重頻率范圍較寬；重量輕，控制方便，量輕，控制方便，按給定信號(hào)可產(chǎn)生按給定信號(hào)可產(chǎn)生各種波形的激振力。各種波形的激振力。但激振力不大，僅但激振力不大，僅適用于小型結(jié)構(gòu)或適用于小型結(jié)構(gòu)或小模型試驗(yàn)。小模型試驗(yàn)。18 電磁式振動(dòng)臺(tái)是利用電磁式激振器來推動(dòng)一個(gè)活動(dòng)臺(tái)面構(gòu)成的。但由于振動(dòng)臺(tái)的激振器輸入勵(lì)磁線圈和活

7、動(dòng)線圈的電流都比較大，工作時(shí)間長(zhǎng)了易發(fā)熱，故附有冷卻系統(tǒng)。 電磁式振動(dòng)臺(tái)操作方便；振動(dòng)波形好，頻率范圍廣，電磁式振動(dòng)臺(tái)操作方便；振動(dòng)波形好，頻率范圍廣，但激振力較小，僅幾百但激振力較小，僅幾百N至幾十至幾十kN。195.2.3 液壓振動(dòng)臺(tái) 液壓振動(dòng)臺(tái)有單向運(yùn)動(dòng)、雙向運(yùn)動(dòng)和三向運(yùn)動(dòng)等幾種，振動(dòng)臺(tái)多采用電液伺服系統(tǒng)推動(dòng)。在各種結(jié)構(gòu)模型（或足尺）動(dòng)力試驗(yàn)中，模擬地震振動(dòng)臺(tái)是最理想的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)備。振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室位于中國(guó)建筑科學(xué)研究院研發(fā)基地，建筑面積3300平米，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)擁有全國(guó)最大的6m6m三向六自由度大型高性能模擬地震振動(dòng)臺(tái)。新聞:中國(guó)建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所承接的中央電視臺(tái)新臺(tái)址CCTV主樓模

8、擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)項(xiàng)目順利完成。2005.1120 模擬地震振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)包括：臺(tái)面及基礎(chǔ)、泵源及油壓分配系統(tǒng)、加振器、?？?、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)；此外還有與模控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相接的計(jì)算機(jī)。215.3 動(dòng)載試驗(yàn)量測(cè)設(shè)備 振動(dòng)參量量測(cè)方法有振動(dòng)測(cè)量法振動(dòng)測(cè)量法、光學(xué)測(cè)量法光學(xué)測(cè)量法和和電測(cè)法電測(cè)法等。 電測(cè)法將振動(dòng)參量（位移、速度、加速度）振動(dòng)參量（位移、速度、加速度）轉(zhuǎn)換成電量，而后用電子儀器放大、顯示或記錄。電測(cè)法靈敏度高，且便于遙控、遙測(cè)，是目前最常用的方法。 振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)由拾振器、測(cè)振放大器和記錄儀等部分組成。225.3.1 測(cè)振傳感器的力學(xué)原理tXxsin00)(mmmkxxxxm )sin(

9、)cos(022tXtnBexmntm設(shè)被測(cè)振動(dòng)物體規(guī)律質(zhì)量塊m的振動(dòng)微分方程為上式通解為其中：mk /2mn/22322220021nnnmXX212nnarctg22220021nnnmXXnn/其中：阻尼比241）當(dāng)）當(dāng) ， 時(shí)時(shí)1/n11212222nnn180 滿足此條件的測(cè)振滿足此條件的測(cè)振儀稱位移計(jì)。一般位移儀稱位移計(jì)。一般位移計(jì)的體積較大也較重，計(jì)的體積較大也較重，使用時(shí)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)有一使用時(shí)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)有一定影響，特別對(duì)于一些定影響，特別對(duì)于一些質(zhì)量較小的振動(dòng)體不太質(zhì)量較小的振動(dòng)體不太適用。適用。252）當(dāng)）當(dāng) ， 時(shí)時(shí)1/n11211222nn0tg 滿足此條件的滿足此條件的測(cè)

10、振儀稱加速度計(jì)。測(cè)振儀稱加速度計(jì)。0220XXnmxxnm 21265.3.2 測(cè)振傳感器 拾振器除應(yīng)正確反映振動(dòng)體的振動(dòng)反映振動(dòng)體的振動(dòng)外，尚應(yīng)不失真地將位移、速度及加速度等振動(dòng)參量轉(zhuǎn)換為電量振動(dòng)參量轉(zhuǎn)換為電量，以便用量電器進(jìn)行測(cè)量。27 磁電式速度傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高、性能穩(wěn)定、輸出阻抗低、頻率響應(yīng)范圍有一定寬度，通過對(duì)質(zhì)量彈簧系統(tǒng)參數(shù)的不同設(shè)計(jì)，可以使傳感器既能量測(cè)非常微弱的振動(dòng)，也能量測(cè)較強(qiáng)的振動(dòng)，是工程振動(dòng)測(cè)量中最常用的拾振儀器。 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可表達(dá)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可表達(dá)為：1、磁電式速度傳感器BLnvE q 右圖為一典型的磁右圖為一典型的磁電式速度傳感器。此類電式速度傳感器。此類傳感器

11、慣性質(zhì)量塊的位傳感器慣性質(zhì)量塊的位移反映所測(cè)振動(dòng)的位移，移反映所測(cè)振動(dòng)的位移，而傳感器輸出的電壓與而傳感器輸出的電壓與振動(dòng)速度成正比，又稱振動(dòng)速度成正比，又稱慣性式速度傳感器。慣性式速度傳感器。28q 建筑工程中常需10Hz以下甚至1Hz以下的低頻振動(dòng)，這時(shí)常采用擺式測(cè)振傳感器，這種類型的傳感器將質(zhì)量彈簧系統(tǒng)設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，因而可以獲得更低的儀器固有頻率。 根據(jù)所測(cè)振動(dòng)是垂直方向還是水平方向，擺式傳感器有垂直擺、倒立擺和水平擺等。輸出電壓也與振動(dòng)速度成正比。擺式傳感器的構(gòu)造原理擺式傳感器的構(gòu)造原理29q 磁電式傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有磁電式傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有： （1）固有頻率：傳感器質(zhì)量彈

12、簧系統(tǒng)本身的固有頻率是傳感器的一個(gè)重要參數(shù)。 （2）靈敏度：傳感器的拾振方向感受到一個(gè)單位振動(dòng)速度時(shí)，傳感器的輸出電壓。 （3）頻率響應(yīng)：靈敏度隨所測(cè)頻率不同有所變化，這個(gè)變化的規(guī)律就是傳感器的頻率響應(yīng)。對(duì)于阻尼值固定的傳感器，頻率響應(yīng)曲線只有一條。如傳感器阻尼可選擇和調(diào)整，則阻尼不同，傳感器頻率響應(yīng)曲線也不同。 （4）阻尼系數(shù)：磁電式測(cè)振傳感器質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的阻尼比，通常磁電式測(cè)振傳感器的阻尼比設(shè)計(jì)為0.50.7。302、壓電式加速度傳感器 壓電式拾振器是利用壓電晶體材料具有的壓電效應(yīng)制成。當(dāng)壓電晶片電軸方向受到外力而產(chǎn)生壓縮或拉伸變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其相應(yīng)的兩個(gè)表面上出現(xiàn)異號(hào)電

13、相應(yīng)的兩個(gè)表面上出現(xiàn)異號(hào)電荷，形成電場(chǎng)荷，形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。壓電晶體受外力產(chǎn)生的荷載為：AGQ 壓電材料中，石英晶體壓電材料中，石英晶體具有較高的穩(wěn)定性、高機(jī)械具有較高的穩(wěn)定性、高機(jī)械強(qiáng)度和很寬的工作溫度，但強(qiáng)度和很寬的工作溫度，但靈敏度較低；壓電陶瓷可得靈敏度較低；壓電陶瓷可得到較高的靈敏度和很寬的工到較高的靈敏度和很寬的工作溫度，易于制成所需形狀。作溫度，易于制成所需形狀。31q 壓電式加速傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、重壓電式加速傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、重量輕、體積小等特點(diǎn)。其主要技術(shù)指標(biāo)有：靈敏

14、度、安裝量輕、體積小等特點(diǎn)。其主要技術(shù)指標(biāo)有：靈敏度、安裝諧振頻率、頻率響應(yīng)、橫向靈敏度比和幅值范圍等。諧振頻率、頻率響應(yīng)、橫向靈敏度比和幅值范圍等。325.3.3 記錄設(shè)備q 光線示波器光線示波器33q XY函數(shù)記錄儀函數(shù)記錄儀q 磁帶記錄儀磁帶記錄儀q 瞬態(tài)記錄儀瞬態(tài)記錄儀345.4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn) 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼、自振頻率、阻尼、振型振型等參數(shù)。這些參數(shù)是結(jié)構(gòu)的固有參數(shù)，決定與結(jié)構(gòu)的形式、剛度、質(zhì)量分布、材料特性及構(gòu)造連接等因素，而與外載無關(guān)與外載無關(guān)。 結(jié)構(gòu)物的固有頻率固有頻率及相應(yīng)的振型雖然可以由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算，但經(jīng)過簡(jiǎn)化計(jì)算簡(jiǎn)化計(jì)算得出的

15、理論數(shù)值一般誤差較大誤差較大，而阻尼系數(shù)則只能通過試而阻尼系數(shù)則只能通過試驗(yàn)來確定。驗(yàn)來確定。因此，采用試驗(yàn)手段研究各種結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特性具有重要的實(shí)際意義。355.4.1 自由振動(dòng)法 使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)，通過使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)，通過記錄儀器記下有衰減的自由振動(dòng)記錄儀器記下有衰減的自由振動(dòng)曲線，由此求出結(jié)構(gòu)的基本頻率曲線，由此求出結(jié)構(gòu)的基本頻率和阻尼系數(shù)。和阻尼系數(shù)。2ln1nnaanT/2基本頻率：)sin()(tAetxnt阻尼系數(shù)：365.4.2 簡(jiǎn)諧強(qiáng)迫振動(dòng)法 利用專門的激振器，對(duì)結(jié)構(gòu)施加簡(jiǎn)諧動(dòng)荷載，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的簡(jiǎn)諧強(qiáng)迫振動(dòng)，借助對(duì)結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)的測(cè)定，求得結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的基本參數(shù)。0n

16、 212n衰減系數(shù)：阻尼比：37385.4.3 脈動(dòng)法 工程結(jié)構(gòu)脈動(dòng)來自兩個(gè)方面，一方面是地面脈動(dòng)；另一方面是大氣變化即風(fēng)和氣壓等引起的微幅振動(dòng)。脈動(dòng)能夠明顯反映出結(jié)構(gòu)的固有頻率。從脈動(dòng)信號(hào)中可識(shí)別出結(jié)構(gòu)物的固有頻率、阻尼比、振型等多種模態(tài)參數(shù)。 測(cè)量脈動(dòng)信號(hào)要使用低噪聲、高靈敏度的拾振器和放大器，并應(yīng)配有記錄儀器和信號(hào)分析儀。 脈動(dòng)法測(cè)量的記錄波形圖分析通常采用以下幾種方法： 主諧量法主諧量法頻譜分析法頻譜分析法功率譜分析法功率譜分析法統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)法391、主諧量法 建筑物的固有頻率的諧量是脈動(dòng)信號(hào)中最主要的成份，在實(shí)測(cè)脈動(dòng)波形記錄上可直接反映出來。凡是振幅大，“拍” 現(xiàn)象尤為明顯，其波形光滑

17、處的頻率總是多次重復(fù)出現(xiàn)。如果建筑物各部位在同一頻率的相位和振幅符合振型規(guī)律，就可以確定該頻率就是建筑物的固有頻率?；l出現(xiàn)的機(jī)會(huì)最多，比較容易確定。40圖圖 主諧量和頻譜分析法分析脈動(dòng)記錄曲線主諧量和頻譜分析法分析脈動(dòng)記錄曲線 對(duì)一些較高的建筑、斜拉橋等，有時(shí)第二、第三頻率也可能出現(xiàn)，但相對(duì)基頻出現(xiàn)次數(shù)少。在記錄比較規(guī)則的部分，確定是某一固有頻率后，就可分析出頻率對(duì)應(yīng)的振型。41 422、頻譜分析法 一般工程結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)記錄波形應(yīng)看成是各種頻率的諧量的合成的結(jié)果，而建筑物固有頻率的諧量和脈動(dòng)源卓越頻率處的諧量為其主要成分。應(yīng)用傅里葉級(jí)數(shù)積分傅里葉級(jí)數(shù)積分方法將脈動(dòng)信號(hào)分解并作出其頻譜圖，在頻譜

18、圖上建筑物固有頻率處和脈動(dòng)源的振動(dòng)頻率處必然出現(xiàn)突出的峰，一般基頻處更為突出，第二、第三頻率處有時(shí)也較明顯。 432、頻譜分析法 443、功率譜分析法 如果建（構(gòu)）筑物的脈動(dòng)是一種平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程，且結(jié)構(gòu)各階阻尼比很小，各階固有頻率相隔較遠(yuǎn)。則可以利用脈動(dòng)振幅譜確定建（構(gòu)）筑物的固有頻率和振型，并用各峰值處的半功率帶寬確定阻尼比。 453、功率譜分析法 46例例: 用應(yīng)變測(cè)試，測(cè)試壓縮上銅管的工作狀態(tài)。用應(yīng)變測(cè)試，測(cè)試壓縮上銅管的工作狀態(tài)。 在現(xiàn)場(chǎng)做振動(dòng)測(cè)試時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)做振動(dòng)測(cè)試時(shí), 看到時(shí)域曲線以為是有噪聲干擾，后來將曲看到時(shí)域曲線以為是有噪聲干擾，后來將曲線放大及線放大及FFT變換后，

19、應(yīng)該是振動(dòng)測(cè)試曲線反應(yīng)機(jī)器的不同工作頻率。變換后，應(yīng)該是振動(dòng)測(cè)試曲線反應(yīng)機(jī)器的不同工作頻率。是是 47 曲線放大圖48 FFT圖49 FFT放大圖50 515.5 動(dòng)力荷載或振源特性試驗(yàn)5.5.1 常見振源的振動(dòng)波形動(dòng)荷載或振源特性包括：作用力的大小、方向、頻率及其作用規(guī)律等。間歇性的阻尼振動(dòng)，有明顯的尖峰和衰減，說明是撞擊性振源引起的振動(dòng) 有周期性的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，一臺(tái)或多臺(tái)轉(zhuǎn)速一樣的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)所引起的振動(dòng)； 兩頻率相差兩倍的簡(jiǎn)諧振源引起的合成振動(dòng)； 三簡(jiǎn)諧振源引起的更為復(fù)雜的合成振動(dòng)； 符合“拍振”的規(guī)律，振幅周期性地由小變大，又由大變小，這有兩種可能，一種是由兩個(gè)頻率接近的簡(jiǎn)諧振源共同作用；另外

20、一種是只有一個(gè)振源，但其頻率和結(jié)構(gòu)的自振頻率相近； 是隨機(jī)振動(dòng)的記錄圖形，它是由隨機(jī)性動(dòng)荷載引起的，例如液體或氣體的壓力脈沖及地震波。 525.5 動(dòng)力荷載或振源特性試驗(yàn)5.5.2 探測(cè)主振源的方法結(jié)構(gòu)周圍存在多個(gè)振源時(shí)，有必要找出對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大的，起主導(dǎo)作用的振源，稱為主振源。探測(cè)方法有兩種：1.有周圍環(huán)境振源資料時(shí)，只需測(cè)出結(jié)構(gòu)被強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率，通過比較找出與結(jié)構(gòu)頻率相同或接近的振源，則可能是主振源；2.無周圍環(huán)境振源資料時(shí)，通過實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)的波形分析，若是單一簡(jiǎn)諧波形，此振動(dòng)波形的頻率即為主振源的頻率；若是復(fù)雜的合成波形，則可用諧量分析法將復(fù)雜波形分解出來，從中找出幅值較大的波形所對(duì)

21、應(yīng)的頻率即為主振源的頻率535.5 動(dòng)力荷載或振源特性試驗(yàn)5.5.3 主振源特性的測(cè)定方法測(cè)定難度在于要注意將它與實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分開來。搞不好測(cè)得的是結(jié)構(gòu)在振源作用下的反應(yīng)。探測(cè)方法有兩種：直接法、比較法1.直接法，是最好的方法。同時(shí)也是實(shí)施起來難度較大的一種方法。它原則上是讓傳感器直接感受其振動(dòng)荷載。直接法雖在有些時(shí)候不易實(shí)現(xiàn)，但在可能的情況和條件下優(yōu)先選用。下面看看幾種直接法的具體做法：545.5 動(dòng)力荷載或振源特性試驗(yàn)5.5.3 主振源特性的測(cè)定方法1.直接法：直接法雖在有些時(shí)候不易實(shí)現(xiàn)，但在可能的情況和條件下優(yōu)先選用！555.5 動(dòng)力荷載或振源特性試驗(yàn)5.5.3 主振源特性的測(cè)

22、定方法2.比較法：采用此種方法需要激振設(shè)備，且被測(cè)的動(dòng)荷載（振源）必須是可以開啟和關(guān)閉。通過開閉振源和激振器，使得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)波形所顯示的特性與振源作用該結(jié)構(gòu)所顯示的波形特性一致時(shí)，該激振設(shè)備所顯示的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如激振力的大小、方向、作用頻率、作用規(guī)律等即為振源動(dòng)荷載的特性。565.6 結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)試驗(yàn)1、動(dòng)應(yīng)變測(cè)定5.6.1 動(dòng)力反應(yīng) 測(cè)定方法572、動(dòng)位移測(cè)定58 承受移動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)如吊車梁、橋梁等，常常要確定其動(dòng)力系數(shù)，以判定結(jié)構(gòu)的工作情況。 5.6.2 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定diyy 動(dòng)撓度和靜撓度的比值稱為動(dòng)力系數(shù)。59 地震發(fā)生時(shí)，特別是強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)，以儀器為手段觀測(cè)地面運(yùn)動(dòng)過程中

23、工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)的工作稱為強(qiáng)震觀測(cè)。 強(qiáng)震觀測(cè)能夠?yàn)榈卣鸸こ炭茖W(xué)研究和抗震設(shè)計(jì)提供確切數(shù)據(jù)，并用來驗(yàn)證抗震理論和抗震措施是否符合實(shí)際。 強(qiáng)震觀測(cè)一般采用加速度計(jì)測(cè)量。 5.6.3 強(qiáng)震觀測(cè)5.6.4 模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 試驗(yàn)可以再現(xiàn)各種形式地震波輸入后的反應(yīng)和地震震害發(fā)生的過程，觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)在相應(yīng)各個(gè)階段的力學(xué)性能，進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，研究新型結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的正確性，有助于建立力學(xué)計(jì)算模型。 1、試驗(yàn)?zāi)Ｐ突疽?2、輸入地震波。常見輸入波：強(qiáng)震實(shí)際記錄、人工地震波。 3、試驗(yàn)方法 （1）輸入運(yùn)動(dòng)的選擇：一般采用加速度控制振動(dòng)臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)。 （2）加載過程：分一次性加載和多次性加載。 60東營(yíng)黃河

24、公路大橋:位于山東省東營(yíng)市，南北跨越墾利縣和利津縣，距黃河入?？诩s70km，是目前黃河下游最后一座橋梁。該項(xiàng)目是國(guó)家規(guī)劃的“五縱”、“四橫”干線公路網(wǎng)及山東省綜合運(yùn)輸網(wǎng)主框架的重要組成部分。東營(yíng)黃河公路大橋按高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，全長(zhǎng)2743.1m，為雙向4車道，橋?qū)?6m，設(shè)計(jì)行車速度100km/h，設(shè)計(jì)荷載汽一超20，掛一120；主橋?yàn)?16+200+220+200+116m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)一連續(xù)組合梁，主墩為壁厚1.8m、中心距8m的雙薄壁墩，其他各墩均為矩形截面實(shí)體墩，全橋均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。目前該橋已通車運(yùn)行。該橋在施工過程中經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換，施工過程復(fù)雜，且影響因素較多，這些不確定性因

25、素可能引起結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如梁重、結(jié)構(gòu)剛度等的變化，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)理想狀態(tài)偏離，且這些參數(shù)誤差具有累計(jì)性，必須在施工過程中不斷地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、識(shí)別、控制。該橋的服役環(huán)境相當(dāng)惡劣，加之疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)、材料老化和超載等不利因素的影響，結(jié)構(gòu)不可避免地要產(chǎn)生損傷累積、抗力衰減。在該橋運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形必須進(jìn)行適時(shí)健康監(jiān)測(cè)。另外新橋在通車前必須進(jìn)行荷載實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證本橋設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量、了解橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力。從監(jiān)測(cè)信息銜接的完整性角度，該橋是目前世界上唯一集施工監(jiān)測(cè)、成橋試驗(yàn)、健康該橋是目前世界上唯一集施工監(jiān)測(cè)、成橋試驗(yàn)、健康監(jiān)測(cè)三位一體的大橋。監(jiān)測(cè)三位一體的大橋。 6162635.7

26、 結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)5.7.1 結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的目的 結(jié)構(gòu)或材料受重復(fù)荷載作用后，其強(qiáng)度極限將低于相同荷載作用結(jié)構(gòu)或材料受重復(fù)荷載作用后，其強(qiáng)度極限將低于相同荷載作用下的極限值，這種現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)或材料的疲勞。下的極限值，這種現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)或材料的疲勞。 直接目的：確定結(jié)構(gòu)的疲勞極限，測(cè)定結(jié)構(gòu)達(dá)到疲勞破壞時(shí)荷載的重復(fù)次數(shù)。 結(jié)構(gòu)所能承受的荷載重復(fù)次數(shù)及應(yīng)力達(dá)到的最大值均與應(yīng)力的變化幅度有關(guān)。當(dāng)疲勞應(yīng)力小于某一應(yīng)力值后，荷載重復(fù)次數(shù)的增加不會(huì)在當(dāng)疲勞應(yīng)力小于某一應(yīng)力值后，荷載重復(fù)次數(shù)的增加不會(huì)在引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。該疲勞應(yīng)力值稱疲勞極限應(yīng)力，引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。該疲勞應(yīng)力值稱疲勞極限應(yīng)力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格

27、按照疲勞極限應(yīng)力設(shè)計(jì)。 641、鑒定性疲勞試驗(yàn)。在重復(fù)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，在規(guī)定的荷載重復(fù)次數(shù)內(nèi)，對(duì)下列內(nèi)容進(jìn)行檢驗(yàn)： （1）抗裂性及其開裂荷載； （2）裂縫寬度及其發(fā)展； （3）最大撓度及其變化幅度； （4）疲勞極限強(qiáng)度。2、科研性疲勞試驗(yàn)。一般有以下內(nèi)容： （1）鋼筋及混凝土的應(yīng)力隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化； （2）開裂荷載及開裂情況； （3）裂縫的寬度、長(zhǎng)度、間距及其隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化； （4）疲勞破壞荷載及承受疲勞的重復(fù)次數(shù)； （5）最大撓度及其變化規(guī)律； （6）疲勞破壞特征。655.7.2 疲勞試驗(yàn)的步驟 1、疲勞試驗(yàn)前預(yù)加靜載試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)前預(yù)加靜載試驗(yàn) 荷載：不大于上限荷載的20 次數(shù)

28、：12次 2、正式疲勞試驗(yàn)、正式疲勞試驗(yàn) 第一步：疲勞前的靜載試驗(yàn)。荷載分級(jí)加到疲勞上限荷載。分級(jí)荷載可取上限荷載的20，臨近開裂荷載時(shí)適當(dāng)加密，每級(jí)荷載加完后停歇1015分鐘，加滿后分兩次或一次卸載。 第二步：疲勞試驗(yàn)。 第三步：破壞試驗(yàn)。兩種方法：一種是繼續(xù)施加疲勞荷載直至破壞，得到承受疲勞荷載的次數(shù)；另一種是作靜載破壞試驗(yàn)。66疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟，隨試驗(yàn)的目的和要求可有所不同。疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟，隨試驗(yàn)的目的和要求可有所不同。靜載不分級(jí)緩慢地加到第一條可見裂縫出現(xiàn)為止，然后開始疲勞試驗(yàn)。提高疲勞荷載上限，可在達(dá)到疲勞次數(shù)之前，也可在達(dá)到要求疲勞次數(shù)之后。675.8 風(fēng)洞試驗(yàn) 1、流體力學(xué)

29、 是力學(xué)的一門分支，是研究流體現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)?？砂囱芯繉?duì)象的運(yùn)動(dòng)方式分為流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)，還可按應(yīng)用范圍分為水力學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)等等。理論流體力學(xué)的基本微分方程是所謂“納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equation）”，簡(jiǎn)稱N-S方程。 682、風(fēng)洞，是指在一個(gè)管道內(nèi)，用動(dòng)力設(shè)備驅(qū)動(dòng)一股速度可控的氣流，用以對(duì)模型進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)的一種設(shè)備。最常見的是低速風(fēng)洞。最近位于四川綿陽的中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)研究和發(fā)展中心已建成具有世界水平的2.4米跨聲速風(fēng)洞(風(fēng)洞常以試驗(yàn)段尺度命名)。這樣大尺度的跨聲速風(fēng)洞，世界上只有美國(guó)和俄羅斯等少數(shù)國(guó)家才有。風(fēng)洞是發(fā)展航空航天事業(yè)的關(guān)鍵設(shè)

30、備，研制任何飛機(jī)，包括軍用飛機(jī)、民用飛機(jī)以及航天飛機(jī)，都必須首先在風(fēng)洞中進(jìn)行大量試驗(yàn)，試驗(yàn)飛機(jī)能不能飛起來，能飛多高多快和多遠(yuǎn)以及其他各項(xiàng)飛行性能等。693、風(fēng)洞研制飛行器的先行官?zèng)Q定一架飛機(jī)或其他飛行器的飛行性能，如速度、高度等，除飛機(jī)重量、發(fā)動(dòng)機(jī)推力等要素外，最重要的因素是作用于飛機(jī)的空氣動(dòng)力。70p 5.81 風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)展風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)展1、世界上公認(rèn)的第一個(gè)風(fēng)洞是英國(guó)人于1871年建成的。美國(guó)的萊特兄弟(O.Wright和W.wright)于1901年制造了試驗(yàn)段0.56米見方，風(fēng)速12/s的風(fēng)洞，從而于1903年發(fā)明了世界上第一架實(shí)用的飛機(jī)。風(fēng)洞的大量出現(xiàn)是在20世紀(jì)中葉。2、為了試驗(yàn)炮

31、彈的氣動(dòng)力作用和研究超聲速流動(dòng)，瑞士阿克雷特(G.Ackttet)于1932年建成了世界第一座超聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段面積0.4米04米，馬赫數(shù)(風(fēng)速與聲速之比）為2，適應(yīng)跨超聲速飛行器的發(fā)展，1956年美國(guó)建成世界最大的跨超聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段面積488米4.88米，馬赫數(shù)0.8-4.88，功率為16.1萬kW。1958年，美國(guó)航天局建成試驗(yàn)段直徑0.56米，馬赫數(shù)可高達(dá)18-22的高超聲速風(fēng)洞。71p 5.81 風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)展風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)展3、為了提高風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的雷諾數(shù)(模擬尺度或粘性效應(yīng)的相似準(zhǔn)則)，1980年，美國(guó)將一座舊的低速風(fēng)洞改造成為世界最大的全尺寸風(fēng)洞(可以直接把原形飛機(jī)放進(jìn)試驗(yàn)段中吹風(fēng))，試

32、驗(yàn)段面積24.4米12.2米，風(fēng)速150m/s，功率10萬kW。1975年，英國(guó)建成一座低速壓力風(fēng)洞，試驗(yàn)段5米4.2米，風(fēng)速95-110m/s，壓力3個(gè)大氣壓，功率1.4萬kW，試驗(yàn)雷諾數(shù)(它是一個(gè)無量綱數(shù))8106。80年代，美國(guó)建成一座低溫風(fēng)洞，以氮?dú)?氮?dú)饽厅c(diǎn)低，適于低溫下工作)為工作介質(zhì)，溫度范圍340-78K，壓力可達(dá)9個(gè)大氣壓，試驗(yàn)段2.5米2.5米，馬赫數(shù)0.2-1.2，雷諾數(shù)高達(dá)120106。72p 5.81 風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)展風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)展我國(guó)的風(fēng)洞建設(shè)發(fā)展迅速：1977年，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心建成亞洲最大的低速風(fēng)洞，串聯(lián)雙試驗(yàn)段：8米6米和16米l2米，風(fēng)速100m/s，

33、功率7800kW。1999年，又建成具有世界規(guī)模的跨聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段口徑2.4米，馬赫數(shù)0.6-1.2。73p 5.81 風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)展風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)展一般工業(yè)部門：反映各行各業(yè)的發(fā)展越來越需要空氣動(dòng)力學(xué)和風(fēng)洞試驗(yàn)的參與，已經(jīng)形成了新的學(xué)科：“工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)”和“風(fēng)工程學(xué)”。例如，當(dāng)汽車速度達(dá)到180km/h時(shí)，空氣阻力可占總阻力的1/3。對(duì)小汽車模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，合理修形。可使氣動(dòng)阻力減小75%。對(duì)建筑物模型進(jìn)行風(fēng)載荷試驗(yàn)，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范，大型建筑物如大橋、電視塔、大型水壩、高層建筑群等，己規(guī)定必須要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，而且模型必綱模擬實(shí)物的剛度(即彈性模型)，測(cè)量“風(fēng)振特性“。這方

34、面已有教訓(xùn)。1940年，美國(guó)塔科馬年，美國(guó)塔科馬(Tacoma)大橋，一大橋，一座大型鋼索吊橋，因?yàn)椴⒉缓艽蟮娘L(fēng)載荷，導(dǎo)致橋體強(qiáng)迫振動(dòng)和共振，座大型鋼索吊橋，因?yàn)椴⒉缓艽蟮娘L(fēng)載荷，導(dǎo)致橋體強(qiáng)迫振動(dòng)和共振，引起斷塌，因而受到學(xué)界廣泛重視。引起斷塌，因而受到學(xué)界廣泛重視。對(duì)于大型工廠、礦山群，也要做成模型，在風(fēng)洞中進(jìn)行防止污染和擴(kuò)散的試驗(yàn)。為此，應(yīng)運(yùn)而生出現(xiàn)了許多“大氣邊界層風(fēng)洞“。在這種風(fēng)洞中，試驗(yàn)段的氣流并不是均勻的，從風(fēng)洞底板向上，速度逐漸增加，模擬地面“風(fēng)“的運(yùn)動(dòng)情況(稱為大氣邊界層)。國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)了十幾座這樣的風(fēng)洞。74p 5.81 風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)展風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)展75p 5.82 風(fēng)洞試驗(yàn)操作風(fēng)

35、洞試驗(yàn)操作76p 5.82 風(fēng)洞試驗(yàn)操作風(fēng)洞試驗(yàn)操作77p 5.82 風(fēng)洞試驗(yàn)操作風(fēng)洞試驗(yàn)操作78p 5.82 風(fēng)洞試驗(yàn)操作風(fēng)洞試驗(yàn)操作79p 5.82 風(fēng)洞試驗(yàn)操作風(fēng)洞試驗(yàn)操作805.83 風(fēng)洞試驗(yàn)的科學(xué)研究風(fēng)洞試驗(yàn)的科學(xué)研究一、重慶大劇院模型風(fēng)洞試驗(yàn)與分析研究重慶大劇院模型風(fēng)洞試驗(yàn)與分析研究1、風(fēng)壓測(cè)量試驗(yàn)風(fēng)壓測(cè)量試驗(yàn) n中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速氣動(dòng)力研究所中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速氣動(dòng)力研究所4m3m風(fēng)洞風(fēng)洞816、風(fēng)洞試驗(yàn) 5.83 風(fēng)洞試驗(yàn)的科學(xué)研究風(fēng)洞試驗(yàn)的科學(xué)研究826、風(fēng)荷載數(shù)值模擬風(fēng)荷載數(shù)值模擬0方向來流時(shí)風(fēng)壓云圖方向來流時(shí)風(fēng)壓云圖5.83 風(fēng)洞試驗(yàn)的科學(xué)研究風(fēng)洞試驗(yàn)的科學(xué)研究836、風(fēng)荷載數(shù)值模擬風(fēng)荷載數(shù)值模擬90方向來流時(shí)風(fēng)壓云方向來流時(shí)風(fēng)壓云圖圖5.83 風(fēng)洞試驗(yàn)的科學(xué)研究風(fēng)洞試驗(yàn)的科學(xué)研究84、剛性模型剛性模型5.83 風(fēng)洞試驗(yàn)的科學(xué)研究風(fēng)洞試驗(yàn)的科學(xué)研究85