1、1 土木工程学院土木工程学院结构实验技术结构实验技术 田石柱田石柱 教授教授2 各种类型的工程结构，在实际使用过程中除了承各种类型的工程结构，在实际使用过程中除了承受静荷载作用外，常常还要受各种受静荷载作用外，常常还要受各种动荷载动荷载作用。作用。1.地震作用地震作用、风振风振 2.大型机械设备运转产生的振动和冲击作用大型机械设备运转产生的振动和冲击作用 3.核爆炸等产生的瞬时冲击作用核爆炸等产生的瞬时冲击作用 需要研究这些需要研究这些动荷载动荷载对工程结构的影响，以达到在结构设对工程结构的影响，以达到在结构设计时计时消除或减小动荷载的不利影响消除或减小动荷载的不利影响的目的。的目的。第二章第
2、二章 结构动载试验结构动载试验 2.1 概述概述3 在工程结构中有许多振动的课题要求人们研究解在工程结构中有许多振动的课题要求人们研究解决，工程结构中需要研究和解决的决，工程结构中需要研究和解决的振动问题振动问题：抗震理论分析和试验研究（为地震设防和抗震设抗震理论分析和试验研究（为地震设防和抗震设计提供依据，提高各类建筑物的计提供依据，提高各类建筑物的抗震能力抗震能力。）。）设计和建筑工业厂房时，要考虑生产过程中产生设计和建筑工业厂房时，要考虑生产过程中产生的的振动振动对厂房结构或构件的影响。对厂房结构或构件的影响。2.1 概概 述述4高层建筑与高耸构筑物设计时，需要解决高层建筑与高耸构筑物设
3、计时，需要解决风荷载风荷载所引起振动问题。所引起振动问题。生产工艺对厂房的生产工艺对厂房的特殊要求特殊要求（精密机床等），另（精密机床等），另外噪声也会使劳动条件恶化，直接危害工人健康，外噪声也会使劳动条件恶化，直接危害工人健康，必须采取防震、隔声和消振措施。必须采取防震、隔声和消振措施。国防建设中，需要研究建筑物的国防建设中，需要研究建筑物的抗爆抗爆问题。问题。2.1 概概 述述5研究振动问题的手段：研究振动问题的手段：通过通过理论分析理论分析和和试验研究试验研究 结构动载试验：结构动载试验：就是通过试验的方法对结构振动进行分析研就是通过试验的方法对结构振动进行分析研究。它是工程结构试验工作
4、的一个重要组成部分。究。它是工程结构试验工作的一个重要组成部分。2.1 概概 述述6在结构动载试验中将引起结构振动的在结构动载试验中将引起结构振动的动力源称为动力源称为振源振源。振源可归纳为。振源可归纳为固定振源固定振源、移动振源移动振源和和特殊振源特殊振源。2.1 概概 述述7 振源产生的动力荷载是复杂和多样的，概振源产生的动力荷载是复杂和多样的，概括起来有括起来有三种三种荷载：荷载：撞击荷载撞击荷载：撞击荷载的作用时间极为短暂，：撞击荷载的作用时间极为短暂，一般在一般在1/10001/10001/100001/10000秒，作用力的大小秒，作用力的大小及其出现的时间间隔往往及其出现的时间间
5、隔往往没有规律没有规律。8振动荷载振动荷载：振动荷载的作用是经常的，具：振动荷载的作用是经常的，具有周期性，作用力的有周期性，作用力的大小大小和和频率频率按照某一按照某一固定规律变化。固定规律变化。复杂荷载复杂荷载。复杂荷载有可能是撞击荷载和。复杂荷载有可能是撞击荷载和振动荷载的组合，也可能是地震、风、爆振动荷载的组合，也可能是地震、风、爆炸等特殊荷载或其组合，是实际生活中最炸等特殊荷载或其组合，是实际生活中最常见的常见的动力荷载动力荷载。9 实际进行结构动载试验，通常有以下实际进行结构动载试验，通常有以下几种情况几种情况：1 1测定测定结构物在实际工作时的振动水平（振幅，频率）结构物在实际工
6、作时的振动水平（振幅，频率）及性状。及性状。动力机械作用下厂房结构的振动；动力机械作用下厂房结构的振动；车辆荷载作用下桥梁的振动；车辆荷载作用下桥梁的振动；地震时结构的振动；地震时结构的振动；风荷载作用下高层建筑或高耸构筑物的风振；风荷载作用下高层建筑或高耸构筑物的风振；精密机器设备、精密仪表所在环境的振动等。精密机器设备、精密仪表所在环境的振动等。102 2采用各种类型的采用各种类型的激振手段激振手段，对原型结构或模型结，对原型结构或模型结构动荷载试验。构动荷载试验。对各类建筑物进行稳态的正弦激振或随机的自然对各类建筑物进行稳态的正弦激振或随机的自然激振试验，以测定建筑物的动力特性参数；激振
7、试验，以测定建筑物的动力特性参数；对结构物进行振动台模型试验，以测定结构的抗对结构物进行振动台模型试验，以测定结构的抗震性能和地震破坏机理；震性能和地震破坏机理；对结构物进行风洞模型试验，以测定结构在风荷对结构物进行风洞模型试验，以测定结构在风荷载作用下的性能；载作用下的性能；对结构物进行抗爆或冲击波试验，以测定结构的对结构物进行抗爆或冲击波试验，以测定结构的抗爆性能。抗爆性能。11 3 3结构构件的结构构件的疲劳试验疲劳试验。确定结构构件在多次确定结构构件在多次重复荷载重复荷载作用下的受力作用下的受力性能，如抗裂性能、裂缝宽度、变形和强度等。性能，如抗裂性能、裂缝宽度、变形和强度等。12 结
8、构动力试验的内容结构动力试验的内容：测定动力荷载或振源的特性，即测定引起振动的测定动力荷载或振源的特性，即测定引起振动的作用力的大小、作用方向、作用频率及其规律。作用力的大小、作用方向、作用频率及其规律。测定结构动力特性，包括结构的自振频率、阻尼测定结构动力特性，包括结构的自振频率、阻尼比、振型。比、振型。测定结构在动力荷载作用下的反应，包括位移测定结构在动力荷载作用下的反应，包括位移（振幅）、速度、加速度、动应力、动力系数等。（振幅）、速度、加速度、动应力、动力系数等。结构抗震试验。结构抗震试验。结构疲劳性能试验。结构疲劳性能试验。13一、振动量测系统框图一、振动量测系统框图 振动参量可以通
9、过各种不同方法进行量测，有机振动参量可以通过各种不同方法进行量测，有机械式振动测量系统、光学测量系统、还有电测系械式振动测量系统、光学测量系统、还有电测系统，即统，即电测法电测法。电测法是将振动参量（位移、速度、加速度）转电测法是将振动参量（位移、速度、加速度）转换成电量，而后用电子仪器进行放大，显示或记换成电量，而后用电子仪器进行放大，显示或记录。电测法灵敏度高，且便于遥控、遥测，是目录。电测法灵敏度高，且便于遥控、遥测，是目前前最常用方法最常用方法。2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器14 根据所测对象的条件和量测目的而选择不同类型根据所测对象的条件和量测目的而选择不同类型的传感器
10、和量测仪表。电测法振动测量系统可以的传感器和量测仪表。电测法振动测量系统可以用用框图框图表示。表示。传感器传感器直接检测振动信号并将其转变为电量，直接检测振动信号并将其转变为电量，测测量量(放大）电路放大）电路对从传感器输入的电信号根据需对从传感器输入的电信号根据需要进行处理，即调制、放大、微分、积分等等，要进行处理，即调制、放大、微分、积分等等，然后输入到然后输入到记录设备记录设备和数据处理系统中。和数据处理系统中。传感器传感器放大电路放大电路记录器记录器15二、惯性式测振传感器力学原理二、惯性式测振传感器力学原理 振动具有传递作用，测振时很难在振动体附近找振动具有传递作用，测振时很难在振动
11、体附近找到一个静止点作为测量振动的基准点，这样就需到一个静止点作为测量振动的基准点，这样就需要在仪器内部设法构成一个要在仪器内部设法构成一个基准点基准点。由惯性质量由惯性质量和弹性元件组成的振动系统可以解决这个问题。和弹性元件组成的振动系统可以解决这个问题。2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器16 工作原理：工作原理：惯性质量惯性质量m m由一个刚度为由一个刚度为K K的弹簧和一个的弹簧和一个阻尼系数为阻尼系数为 的阻尼器联结在仪器的外的阻尼器联结在仪器的外壳上。壳上。测振时仪器的外壳框架固定在振动体上，测振时仪器的外壳框架固定在振动体上，并和振动体一起振动。并和振动体一起振动。我们直
12、接测量得到是质量块的相对于仪我们直接测量得到是质量块的相对于仪器器外壳的振动外壳的振动，通过计算分析得到所测，通过计算分析得到所测振动体振动振动体振动。2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器17设被测振动物体按下面表达式的规律振动设被测振动物体按下面表达式的规律振动以以y y表示质量块表示质量块m m相对于仪器外壳的位移，质量块相对于仪器外壳的位移，质量块m m的总的总位移，位移，x+yx+y，或下一步是或下一步是:2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器0sinxxt22()0mdxydykydtdt2202sind ydymkymxtdtdt18单自由度，有阻尼，强迫振动方程，单
13、自由度，有阻尼，强迫振动方程，上式第一项为自由振动，由于阻尼而很快衰减，第二上式第一项为自由振动，由于阻尼而很快衰减，第二项为强迫振动的解。其中：项为强迫振动的解。其中：2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器220cos()sin()nty Bentyt20022212nnnxyD221nnDarctg19以以 为横坐标，以为横坐标，以 和和 为纵坐标，并使用不同的阻为纵坐标，并使用不同的阻尼作图。尼作图。2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器221nnDarctg222200)2()(1)(nnnDxyn00yx202.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器 幅频特性曲线幅频特
14、性曲线 相频特性曲线相频特性曲线 21 分析：分析：（测位移的测振传感器设计状态）（测位移的测振传感器设计状态）当当 增加时，也就是振动体振动频率增加时，也就是振动体振动频率较之仪器的固有频率大很多时，不管较之仪器的固有频率大很多时，不管阻尼比阻尼比D D大还是小，大还是小，趋近于趋近于1 1，而，而 趋近趋近180180，也就是质量块的相对振幅，也就是质量块的相对振幅和振动体的振幅趋近于相等而相位相和振动体的振幅趋近于相等而相位相反，这是测振仪器工作的理想状态。反，这是测振仪器工作的理想状态。n00yx22当当 接近接近1 1，若阻尼，若阻尼D=0.5D=0.50.70.7，仍接近仍接近1
15、1，相位差，相位差 随着被测振动频率的改变而随着被测振动频率的改变而改变，仪器所出的波形有畸改变，仪器所出的波形有畸变；变；n00yx23当当 小于小于1 1，0 0，仪器不，仪器不能反映所测的振动。能反映所测的振动。n00yx24以上所述是为测位移的测振传感器设计的状态，如以上所述是为测位移的测振传感器设计的状态，如果使传感器果使传感器固有频率固有频率远远大于所测振动频率远远大于所测振动频率 20022212nnnxyD221nnDarctg2002nyx0tg25由于由于 0sinxxt2202sind xxtdt0sin()yyt2202221sin()nnxd xytydt 26220
16、2221sin()nnxd xytydt 拾振器相对位移拾振器相对位移y y近似与被近似与被测振动加速度成正比。测振动加速度成正比。2221nd xydt 27三、测振传感器三、测振传感器测振传感器又称测振传感器又称拾振器拾振器，是振动的感受装置，把，是振动的感受装置，把振动信号转换为电信号，其转换方式是多种多样振动信号转换为电信号，其转换方式是多种多样的，如磁电式、压电式、电阻应变式、差动变压的，如磁电式、压电式、电阻应变式、差动变压器式、压电式、差容式。器式、压电式、差容式。测量振动量是测量振动量是位移、速度、加速度位移、速度、加速度。大部分做成。大部分做成惯性式也就是绝对式；也有少数相对
17、式传感器。惯性式也就是绝对式；也有少数相对式传感器。2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器281磁电式速度传感器磁电式速度传感器 特点：灵敏度高，性能稳定；输出阻抗低，特点：灵敏度高，性能稳定；输出阻抗低，频率响应有一定宽度，通过对质量弹簧系统频率响应有一定宽度，通过对质量弹簧系统参数的不同设计，可以使传感器即能量测非参数的不同设计，可以使传感器即能量测非常微弱的振动，也能测比较强的振动。常微弱的振动，也能测比较强的振动。2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器29 磁电式速度传感器磁电式速度传感器，由，由磁钢磁钢和和壳体壳体相固连安装在相固连安装在所测振动体上，并与振动体一起振动，
18、所测振动体上，并与振动体一起振动，芯轴与线芯轴与线圈圈组成传感器的可动系统并由簧片和壳体连接，组成传感器的可动系统并由簧片和壳体连接，可动系统就是传感器的可动系统就是传感器的惯性质量块惯性质量块，测振时惯性，测振时惯性质量块和仪器壳体相对移动，因而线圈和磁钢也质量块和仪器壳体相对移动，因而线圈和磁钢也相对移动，从而产生感应电动势，根据电磁感应相对移动，从而产生感应电动势，根据电磁感应规律，规律，E=BLnvE=BLnv 对于仪器系统对于仪器系统BLnBLn为常量，所以测振传感器的输出为常量，所以测振传感器的输出电压与所测振动物体的振动速度成正比。电压与所测振动物体的振动速度成正比。30 对于这
19、种类型的测振传感器，惯性质量块的对于这种类型的测振传感器，惯性质量块的位移反映所测振动位移位移反映所测振动位移，而传感器输出的电，而传感器输出的电压与振动速度成正比，所以也称为惯性式速压与振动速度成正比，所以也称为惯性式速度传感器。度传感器。31磁电式速度传感器：磁电式速度传感器：对于对于建筑工程中经常要测建筑工程中经常要测10Hz10Hz以下，甚至以下，甚至1Hz1Hz以下以下的的低频振动低频振动采用摆式测振传感器，质量弹簧系统设计转动的采用摆式测振传感器，质量弹簧系统设计转动的形式，以获得更低的固有频率形式，以获得更低的固有频率 根据所测振动是垂直方向还是水平方向有垂直摆、根据所测振动是垂
20、直方向还是水平方向有垂直摆、倒立摆、水平摆等。倒立摆、水平摆等。32磁电式测振传感器的主要技术指标：磁电式测振传感器的主要技术指标：固有频率固有频率f f。灵敏度灵敏度K K。频率响应。频率响应。阻尼系数阻尼系数33 振动的振动的位移位移或或加速度加速度可以通过积分网络和微分网可以通过积分网络和微分网络来实现，无源积分网络的工作原理：络来实现，无源积分网络的工作原理：RcUIdtCIRUUUCR122)1(CRUI设计积分电路时要阻设计积分电路时要阻抗抗R R大大地大于容抗大大地大于容抗即即 CR1UdtRCdtRUCIdtCUC11134 传感器输出的电压信号一般比较弱，需经过电压传感器输出
21、的电压信号一般比较弱，需经过电压放大器。放大器应与磁电式传感器很好地放大器。放大器应与磁电式传感器很好地匹配匹配，首先放大器的输入阻抗要大大地大于传感器的输首先放大器的输入阻抗要大大地大于传感器的输出阻抗，出阻抗，这样就可以把信号尽可能多地输入到放这样就可以把信号尽可能多地输入到放大器的输入端大器的输入端。放大器应有足够的电压放大倍数，。放大器应有足够的电压放大倍数，同时信噪比要比较大。为了同时能够适应于微弱同时信噪比要比较大。为了同时能够适应于微弱的振动测量和较大的振动测量，通常放大器设多的振动测量和较大的振动测量，通常放大器设多级衰减器级衰减器。35谢谢！36固定振源：固定振源：包括各种固定的动力设备。包括各种固定的动力设备。金属切削机床（车床、钻床、铣床及刨床金属切削机床（车床、钻床、铣床及刨床等）等）各种带有旋转部件的机械设备（电动机、各种带有旋转部件的机械设备（电动机、通风机、空气压缩机等）通风机、空气压缩机等）压力加工设备（锻锤、气锤）压力加工设备（锻锤、气锤）37移动振源：移动振源：各种运输设备（汽车、机车等）各种运输设备（汽车、机车等）起重运输机械（吊车、传送带）起重运输机械（吊车、传送带）38特殊振源：特殊振源：风力风力地震力地震力爆炸力爆炸力 39
