1、第七章 结构动力特性试验v主要内容v7.1 概述v7.2 人工激振法测量结构动力特性v7.3 环境随机振动法测量结构动力特性7.1 概述v 建筑结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能。它的主要内容包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等一些基本参数，也称动力特性参数或振动模态参数。这些特性是由结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质，构造连接等因素决定，但与外荷载无关。v 建筑结构动力特性试验量测结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容，在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抗御其它动荷载的性能和能力时，都必须要进行结构动力特性试验，了解结构的自振特性。7.1 概述v1在结构抗震设计中，为了
2、确定地震作用的大小，必须了解各类结构的自振周期。同样，对于已建建筑的震后加固修复，也需了解结构的动力特性，建立结构的动力计算模型，才能进行地震反应分析。v2测量结构动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止动荷载作用所产生的干扰与结构产生共振或拍振现象。在设计中可以使结构避开干扰源的影响，同样也可以设法防止结构自身动力特性对于仪器设备的工作产生干扰的影响，可以帮助寻找采取相应的措施进行防震，隔震或消震。v3结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资料和数据。由于结构受动力作用，特别是地震作用后，结构受损开裂使结构刚度发生变化，刚度的减弱使结构自振周期变长，阻尼变大。由此，可以
3、从结构自身固有特性的变化来识别结构物的损伤程度，为结构的可靠度诊断和剩余寿命的估计提供依据。7.1 概述v建筑结构的动力特性可按结构动力学的理论进行计算。v但由于实际结构的组成，材料和连接等因素，经简化计算得出的理论数据往往会有一定误差。对于结构阻尼系数一般只能通过试验来加以确定。v因此，建筑结构动力特性试验就成为动力试验中的一个极为重要的组成部分。7.1 概述v结构动力特性试验是以研究结构自振特性为主，由于它可以在小振幅试验下求得，不会使结构出现过大的振动和损坏，因此经常可以在现场进行结构的实物试验，正如本章所介绍的试验实例。v随着对结构动力反应研究的需要，目前较多的结构动力试验，特别是研究
4、地震，风震反应的抗震动力试验，也可以通过试验室内的模型试验来测量它的动力特性。7.1 概述v人工激振法是一种早期使用的方法，试验得到的资料数据直观简单，容易处理；环境随机振动法是一种建立在计算机技术发展基础上采用数理统计处理数据的新方法，由于它是利用环境脉动的随机激振，不需要激振设备，对于现场测试特别有利。以上任何一种方法都能测得结构的各种自振特性参数。7.2 人工激振法测量结构动力特性v7.2.1 结构自振频率测量v1、自由振动法 v定义定义：在试验中采用初位移初位移或初速度初速度的突卸突卸或突加突加荷载的方法，使结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。v现场试验现场试验：反冲激振器对结构产生冲
5、击荷载；v工业厂房工业厂房：锻锤、冲床或利用行车的纵横向制动产生垂直或水平的自由振动；v桥梁桥梁：载重汽车越过障碍物或突然制动产生冲击荷载。v模型试验模型试验：锤击法激励模型产生自由振动。v通过测量仪器的记录，可以得到结构的有阻尼自由振动曲线。振动时程曲线，据记录纸带速度或时间座标，量取振动波形的周期，由此求得结构的自振频率f1T。7.2 人工激振法测量结构动力特性v7.2.1 结构自振频率测量v2、强迫振动法 强迫振动法也称共振法。一般都采用惯性式机械离心激振器对结构施加周期性的简谐振动，在模型试验时可采用电磁激振器激振，使结构和模型产生强迫振动。由结构动力学可知，当干扰力的频率与结构自振频
6、率相等时，结构产生共振。利用激振器可以连续改变激振频率的特点，当结构产生共振时振幅出现极大值，这时激振器的频率是结构的自振频率。7.2 人工激振法测量结构动力特性v7.2.2 结构阻尼的测量v阻尼对振动效应影响较大，与结构形式、材料性质、连接、支座有关。计算振幅考虑阻尼影响。v结构体系阻尼大，结构的弹性小，消耗地震荷载能量，结构有利。v1、自由振动法确定阻尼；v2、按强迫振动共振曲线确定结构的阻尼；v3、由动力系数求组你比。7.2 人工激振法测量结构动力特性v7.2.3 振型测量v结构各个点的位移、速度、加速度是时间和空间的函数。v单自由度对应频率有一个，只有一个振型；v多自由度对应固有频率和
7、若干个振型；v多自由度振型：称为第一振型、第二振型、7.2 人工激振法测量结构动力特性v7.2.3 振型测量v测振传感器布置：沿结构高度或跨度方向连续布置水平和垂直测振传感器，整体结构布置在各层楼面、屋面。v试验按振动记录曲线取某一固有频率结构振动时各个测点同时间位移值，并将位移值连线，得到结构振型曲线。v量测注意振动曲线的相位。7.2 人工激振法测量结构动力特性v实际工程测量：v某疾病控制中心实验楼建于1977年，原设计为六层，实际建成七层钢筋混凝土框架结构，基础为整体筏板基础，建筑面积约5880m2，建筑为典型的内廊式办公楼，平面布置规则，结构纵横方向平面尺寸分别为56m，15m，建筑高度
8、约为24m。7.2 人工激振法测量结构动力特性v该建筑平面较为规则，选择在走廊中部沿二至七层布置纵横两个方向的拾振器，测试时间为中午下班时间，以避免人为的干扰噪声；现场采用50Hz的采样频率对结构的脉动速度反应进行约1小时的采样，抗混滤波器设置20Hz的低通滤波，数据采集仪16通道分别对应X方向二七层的速度反应，712通道分别对应Y方向二七层的速度反应,图2和图3分别为X、Y方向各通道的时域波形。7.2 人工激振法测量结构动力特性v图图1 X方向各楼层速度反应时域波形7.2 人工激振法测量结构动力特性v图图2 Y方向各楼层速度反应时域波形7.2 人工激振法测量结构动力特性v图图4 X方向各楼层
9、与7层速度反应的互谱曲线：7.2 人工激振法测量结构动力特性v图5 Y方向各楼层与7层速度反应的互谱曲线 7.2 人工激振法测量结构动力特性v图2和图3所反映的楼层X、Y方向各通道的时域波形可以看出,随楼层的增加,结构的脉动反应呈放大趋势;对各楼层时域波形进行傅氏变换,以顶层质点作为参考,得到各楼层相对于顶层质点的互谱结果,具体见图4和图5,由图4和图5可以看出各层的互谱曲线均在结构的主频出现明显的波峰。v根据各楼层互谱幅值进行振型拟合,结果见表1和表2。7.2 人工激振法测量结构动力特性v表1 X方向前2阶测试振型结果：楼层相 对 幅 值振型1 阶TX1=1.7509S2阶TX2=0.581
10、0S71-160.958-0.64450.871-0.0340.7420.59430.5770.96920.3850.93510.1740.5090007.2 人工激振法测量结构动力特性v表2 X方向前2阶测试振型结果：楼层第1阶f1=2.002Hz第2阶f2=5.956Hz振型7F(6#)10.315386F(5#)0.86755-0.350965F(4#)0.65894-0.790384F(3#)0.49139-13F(2#)0.36225-0.840382F(1#)0.23444-0.498081F007.2 人工激振法测量结构动力特性vX方向前2阶测试振型结果 Y方向前2阶测试振型结果
11、 7.3 环境随机振动法测量结构动力特性v该工程为七层钢筋混凝土框架结构，平面布置规则，建筑各层高度分别为23.5m、53.4m，混凝土柱截面尺寸均为300400，混凝土强度为C20，采用SATWE程序对该结构进行计算，计算得到该楼两个方向前两阶振型和周期结果见表3表4，实测周期与计算周期的比较结果见表5。7.3 环境随机振动法测量结构动力特性v表3 X方向计算振型结果：楼层相 对 幅 值振型1 阶TX1=1.7509S2阶TX2=0.5810S71-160.958-0.64450.871-0.0340.7420.59430.5770.96920.3850.93510.1740.5090007
12、.3 环境随机振动法测量结构动力特性v表4 Y方向计算振型结果楼层相 对 幅 值振型1 阶TY1=1.4268S2阶TY2=0.4695S71160.9770.63850.880.00640.743-0.62330.571-0.98820.374-0.93710.163-0.4930007.3 环境随机振动法测量结构动力特性v表5 实测周期与计算周期的比较：cTsTscTT实测计算固有周期(秒)方向阶次X1阶0.52521.69260.312阶0.17810.57690.31Y1阶0.49951.38300.362阶0.16790.46760.367.3 环境随机振动法测量结构动力特性v框架结
13、构的计算周期较实测周期偏大甚多，其中一个较主要的因素是，框架结构在计算中，通常抗侧力构件只考虑承重的框架柱遭受破坏前，尤其在脉动反应中，结构整体处于线弹性工作阶段，框架填充墙与框架协同工作且其提供的抗侧刚度很大，这是造成结构计算周期与实测值相比偏大的主要原因。7.3 环境随机振动法测量结构动力特性v虽然填充墙能协同框架分担水平力，但不易计算。现行规范对框架结构的抗震计算通常采用不考虑填充墙的刚度和强度，只作为惯性重量集中到各楼层，以保证“进行结构抗震强度验算与所确定自振周期采取的计算简图相一致”，这一抗震设计方法是简单的，但须注意的是，对上重下轻（如底部空旷）的房屋，不宜随意把填充墙简化成惯性重量作用到框架上去，这样作容易使底层框架柱的实际剪力较多地超过不计上层填充墙时的计算剪力。7.3 环境随机振动法测量结构动力特性v从框架结构实测周期与计算周期的对比可以看出，填充墙在实际工作状况中的刚度贡献是客观存在的，在结构计算中虽然可采用不考虑填充墙刚度和强度的简化方法，但从抗震多道设防的观点出发，填充墙提供抗侧刚度，并分担水平地震力，应当采取必要的构造措施来避免其在地震过程中产生次生灾害，并在设计阶段充分考虑填充墙构成的附加刚度及结构体系在竖向刚度的连续性。
