1、工程结构动力试验工程结构动力试验本章提要：本章提要：1.1.介绍动力试验的介绍动力试验的激振设备激振设备及其功能、原理和有关性能指标；及其功能、原理和有关性能指标；2.2.测振仪器测振仪器系统的构成及其功能、原理和性能指标；系统的构成及其功能、原理和性能指标；3.3.结构动力试验获取结构动力试验获取动参数的测试手段和方法动参数的测试手段和方法。1 1 概述概述动荷载随时间而变化的荷载。动荷载随时间而变化的荷载。（冲击、随机荷载（风、地震）（冲击、随机荷载（风、地震）结构所承受的动力荷载的方式：结构所承受的动力荷载的方式：（1 1）地震作用）地震作用 （2 2）机械设备振动和冲击荷载）机械设备振
2、动和冲击荷载 （3 3）高层建筑和高耸结构的风载）高层建筑和高耸结构的风载 （4 4）车辆运动对桥梁的振动）车辆运动对桥梁的振动 （5 5）海浪对采油平台的冲击）海浪对采油平台的冲击 （6 6）爆炸引起的振动）爆炸引起的振动 （7 7）周围环境的随机振动）周围环境的随机振动2 2 激振设备激振设备振源：振源：（1 1）自然振源：地面脉动、气流所致振动，爆破、动力设备、）自然振源：地面脉动、气流所致振动，爆破、动力设备、运输设备、起重设备等运行中产生的振动；运输设备、起重设备等运行中产生的振动；（2 2）人工振源：有目的的激振。（本节内容）人工振源：有目的的激振。（本节内容）介绍三种设备：介绍三
3、种设备：1.1.电磁式激振器；电磁式激振器；2.2.机械偏心式激振器；机械偏心式激振器；3.3.结构疲劳试验机。结构疲劳试验机。信号发生器功率放大器激振器被振物激振系统框图2.1 2.1 电磁式激振器电磁式激振器工作原理工作原理当动圈内通入交变电流时，载流动当动圈内通入交变电流时，载流动圈在固定磁场作用下产生交变力圈在固定磁场作用下产生交变力F:F:sinmmFI BLtBLI磁场强度；式中动圈绕线有效长度；通过动圈的电流幅值。电磁式激振结构图 特点：特点：体积小，使用方便，较经济，是要求激振力不大的小型结构或体积小，使用方便，较经济，是要求激振力不大的小型结构或模型理想的激振设备，工程中应用
4、较多。模型理想的激振设备，工程中应用较多。电磁式激振器各式安装示意图 1试件；2橡皮绳；3连接杆；4可升降装置；5支架 2.2 2.2 偏心式激振器优点：激振力范围大（由几十牛到几兆牛）。优点：激振力范围大（由几十牛到几兆牛）。缺点：频率范围较小，一般在缺点：频率范围较小，一般在100Hz100Hz以内，因此，低频时激以内，因此，低频时激振力不太大。另外，激振力和频率不能各自独立变化。处理振力不太大。另外，激振力和频率不能各自独立变化。处理数据时为使激振力为常力，得进行处理。数据时为使激振力为常力，得进行处理。一周内垂直惯性力数值变化图偏心式激振器工作原理工作原理一个偏心质量块随转轮转动时产生
5、离心力：一个偏心质量块随转轮转动时产生离心力：当上下两个偏心质量块左右对称放置，然后作等速反向旋转时，两偏心块当上下两个偏心质量块左右对称放置，然后作等速反向旋转时，两偏心块的惯性力的合力在水平方向为零，竖直方向作简谐振动。的惯性力的合力在水平方向为零，竖直方向作简谐振动。2Fmm 偏心质量块的质量；式中偏心质量块旋转圆频率；偏心质量块旋转半径。22sin2sinVFFtmt 合2.3 2.3 结构疲劳试验机结构疲劳试验机 结构疲劳试验机外观图 结构疲劳试验机脉动工作原理 2.4 2.4 反冲小火箭反冲小火箭通过在其小型钢筒体内放入固体火药，采用直流电通过在其小型钢筒体内放入固体火药，采用直流
6、电源短路的方法点火，使筒体内产生高温（可高达源短路的方法点火，使筒体内产生高温（可高达22002200330033000 0C C）气体，并以高压、高速喷出，对被测）气体，并以高压、高速喷出，对被测结构产生一个反推力，对结构激振。结构产生一个反推力，对结构激振。3 3 测振仪器测振仪器动力试验测振仪器系统由三部分组成：动力试验测振仪器系统由三部分组成：5.3.1 测振仪器的性能指标测振仪器的性能指标（1）灵敏度；（）灵敏度；（2）频率范围；（）频率范围；（3）相位差；（）相位差；（4）动态线性范围；）动态线性范围；（5）抗干扰能力。）抗干扰能力。测振传感器测振放大器测振记录仪振源振源测振传感器
7、（拾振器）：测振传感器（拾振器）：把机械运动如位移、速度、加速度转换成电量输出。把机械运动如位移、速度、加速度转换成电量输出。测振仪器系统框图3.2 3.2 惯性式测振传感器惯性式测振传感器 1.1.惯性式测振传感器的力学原理惯性式测振传感器的力学原理 2.2.磁电式拾振器的换能原理磁电式拾振器的换能原理 输出电动势与被测振动体的振动速度成正比输出电动势与被测振动体的振动速度成正比nBLvEnBLv线圈的匝数；磁钢与线圈间的磁场强度；式中每匝线圈的平均长度；线圈的运动速度。磁电式拾振器换能原理 1弹簧；2质量；3线圈；4磁钢；5仪器外壳3.3.压电式加速度传感器压电式加速度传感器xxmaCFm
8、aC q质量块；式中振动体加速度；压电系数。加速度传感器结构原理1仪器外壳；2硬弹簧；3质量块；4压电晶体；5输出线3.3 3.3 测振放大器（放大、衰减，模拟运算）测振放大器（放大、衰减，模拟运算）1.1.电压放大器电压放大器（1 1）积分电路）积分电路（2 2）微分电路）微分电路磁电式拾振器使用微分电路可获得加速度信号；使用积分电路可获位移信号。磁电式拾振器使用微分电路可获得加速度信号；使用积分电路可获位移信号。压电式拾振器使用积分电路得速度信号，再使用一次得位移信号。压电式拾振器使用积分电路得速度信号，再使用一次得位移信号。2.2.电荷放大器电荷放大器（只适用于输出为电荷（只适用于输出为
9、电荷的传感器）的传感器）U U0 0是电荷放大器输出电压：是电荷放大器输出电压：由于电荷放大器的输出电压与连由于电荷放大器的输出电压与连接它的电缆电容无关，故电缆的传接它的电缆电容无关，故电缆的传输距离可达百米，有利于远距离测输距离可达百米，有利于远距离测试。试。00iiiUUqAUACACKqK式中、定值。则，式中 为放大系数。3.3.动态电阻应变仪：动态电阻应变仪：除了测动应变外，通过标定，可现场知位移、荷载、转角数值和及变化过程。u3.4 3.4 测振记录仪测振记录仪 记录设备的种类记录设备的种类光线示波器XY 函数记录仪磁带记录仪阴极射线示波器瞬态波形记录仪动态数据采集仪 1.1.光线
10、示波器光线示波器 2.2.动态数据采集仪动态数据采集仪光线示波器的工作原理 动态测试系统三种配套仪器系统 4 4 动参数的测量方法动参数的测量方法动力试验通常包括三方面内容：动力试验通常包括三方面内容：1.动荷载特性的测定；动荷载特性的测定；（大小、方向、频率、作用规律）（大小、方向、频率、作用规律）2.结构自振特性的测定；结构自振特性的测定；（自振频率、阻尼、振型）（自振频率、阻尼、振型）3.结构在动荷载作用下的动力反应的测定。结构在动荷载作用下的动力反应的测定。（振幅、（振幅、频率、速度、加速度、动应变、动应力）频率、速度、加速度、动应变、动应力）4.1 4.1 动荷载特性的测定动荷载特性
11、的测定 动荷载的特点：动荷载的特点：1.1.大小、方向、作用规律随时间变化而变化；大小、方向、作用规律随时间变化而变化；2.2.结构的动力反应除与动载有关，还与结构自身动力特性密切相关；结构的动力反应除与动载有关，还与结构自身动力特性密切相关；同样的动荷载作用，不同的结构自振特性其动力反应不同；同样的动荷载作用，不同的结构自振特性其动力反应不同；3.3.动荷载所产生的动力效应有时远大于相应的静力效应，甚至一个不动荷载所产生的动力效应有时远大于相应的静力效应，甚至一个不大的动荷载可能导致结构严重破坏。大的动荷载可能导致结构严重破坏。动荷载的测定动荷载的测定 1.1.直接测定法直接测定法 2.2.
12、比较测定法比较测定法 各种典型的震源 a.间歇型阻尼振动。有明显尖峰和衰减特点，说明是撞击振源引起；b.周期性简谐振动。转速恒定的机器运转引起；c.两个频率相差两倍的简谐振源引起的合成振动波形；d.三个不同频率的简谐振源引起的合成波；e.振幅周期性的由大变小，又由小变大。有两种可能：1.两个频率相近的简谐 振源共同作用；2.只有一个振源，其频率与结构的固有频率相接近。f.随机振动波,如地震。结构自振特性的测定结构自振特性的测定（1 1）自由振动法：）自由振动法：a.a.初速度法（突然加载法）初速度法（突然加载法）b.b.初位移法（突然卸载法）初位移法（突然卸载法）（2 2）共振法）共振法（3
13、3）脉动法）脉动法共振时的振动图形和共振曲线4.2 4.2 结构自振特性的测定结构自振特性的测定v 结构自振特性包括结构自振特性包括（1 1）自振频率；（自振频率；（2 2）阻尼；（）阻尼；（3 3）振型）振型 垂直自由落体突然加载法 水平撞击式突然加载法 重锤敲击法张拉释放式突然卸载法悬挂重物突然卸载法对脆性材料施加力的突然卸载法4.3 结构动力反应测定结构动力反应测定1.结构特定部位动参数的测定：结构特定部位动参数的测定：振幅、频率、速度、加速度、动应变、动应力等；振幅、频率、速度、加速度、动应变、动应力等；2.结构振动变位图测定：结构振动变位图测定：振动变位图：振动变位图：动荷载作用下的
14、变形曲线；动荷载作用下的变形曲线；振型：振型：结构自由振动状态下的振动形状。结构自由振动状态下的振动形状。3.结构动力系数测定结构动力系数测定结构振动变位图3.3.结构动力系数测定结构动力系数测定ddjdjyKyYY式中：、分别为吊车梁、桥梁等的跨中动挠度和静挠度。ddjdjyKyYY式中：、分别为吊车梁、桥梁等的跨中动挠度和静挠度。有轨时实测结构动力系数无轨时实测结构动力系数动力系数定义：在动力荷载作用下，结构动挠度与静挠度之比。动力系数定义：在动力荷载作用下，结构动挠度与静挠度之比。实践表明：实践表明：djYY动力系数的测定方法：动力系数的测定方法：有轨：有轨：无轨：无轨：4.4 4.4
15、结构疲劳试验结构疲劳试验处于一种多次反复加载和卸载的受处于一种多次反复加载和卸载的受力状态使结构物或构件的破坏应力下降。力状态使结构物或构件的破坏应力下降。了解在多次反复性荷载作了解在多次反复性荷载作用下的用下的疲劳性能疲劳性能或或状态状态以及以及变化规律变化规律，以，以确定其疲劳极限（疲劳极限荷载、疲劳强确定其疲劳极限（疲劳极限荷载、疲劳强度）。度）。疲劳试验项目疲劳试验项目鉴定性试验：鉴定性试验：1.抗裂性及开裂荷载；抗裂性及开裂荷载；2.裂缝宽度及其发展；裂缝宽度及其发展；3.最大挠度及其变化幅度；最大挠度及其变化幅度；4.疲劳强度及其疲劳寿命。疲劳强度及其疲劳寿命。科研性试验：科研性试
16、验：1.各阶段截面的应力分布状况，中和轴变化规律；各阶段截面的应力分布状况，中和轴变化规律；2.抗裂性及开裂荷载；抗裂性及开裂荷载；3.裂缝宽度、长度、间距及其发展；裂缝宽度、长度、间距及其发展；4.最大挠度及其变化规律；最大挠度及其变化规律；5.疲劳强度的确定；疲劳强度的确定；6.破坏特征分析破坏特征分析疲劳试验荷载疲劳试验荷载 原则：不发生共振、与实际工作情况接近。原则：不发生共振、与实际工作情况接近。要求：要求：3.3.疲劳试验的控制次数疲劳试验的控制次数要求：构件经受控制次数后，抗裂性、刚度、强度必须满足现行规范要求。要求：构件经受控制次数后，抗裂性、刚度、强度必须满足现行规范要求。中级制吊车梁：中级制吊车梁：n=2n=210106 6次次 重级制吊车梁：重级制吊车梁：n=2n=210104 4次次0.51.3或构件固有频率；荷载频率。疲劳试验步骤示意图带裂缝疲劳试验步骤示意图变更荷载上限的疲劳试验 疲劳试验步骤疲劳试验步骤
