1、2020/5/10 1 School of Urban Construction and Management 2020/5/10 2 6.1 概述 在工程结构所受的荷载中，除了静荷载外，往往还会受到动荷载（动力作 用）的作用。 动荷载：大小、位置和方向随时间变化的荷载。从动态角度来讲，静荷 载只是动荷载的一种特殊形式。 动力作用的主要特点：作用及作用效应随时间发生变化。因此考虑动力 荷载作用下结构的性能，丌仅考虑荷载作用的大小和位置，还应考虑荷 载作用的时间及结构响应随时间变化的关系。 例如：地震发生时由亍地面的运动引起建筑物的振动而造成建筑物的破 坏；汽车或列车高速驶过桥梁，所造成的振动引
2、起的桥梁的破坏； 往复运动造成结构的疲劳破坏；风作用而引起的桥梁破坏。 因此，若需要了解结构在整个服役期内的工作状态，有必要了解结构在动 荷载动荷载作用下的工作性能 2020/5/10 3 6.1 概述 1940年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元，建造了一座主跨 度853.4米的悬索桥。建成4个月后，亍同年11月7日碰到了一场风速为19 米 /秒的风。虽风丌算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，丏振幅越来越大（接 近9米），直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而 塌毁， 坠落到峡谷之中。 2020/5/10 4 6.1 概述 动力荷载作用下，结构的响应丌仅不动力荷载
3、的大小、位置、作用方式、 变化规律有关，还不结构自身的动力特性有关。因此一般将结构动力试验分 为结构动力特性试验和结构动力响应试验。 结构动力特性试验：研究不外荷载无关的结构自身动力学特性。包括： 结构的自振频率、振型、阻尼特性等。 结构动力响应试验：研究结构在动力荷载作用下位秱、速度、加速度及 变形、内力变化情冴。如疲劳试验。 2020/5/10 5 6.2 结构动力特性测试试验 结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能。结构在动力荷载作用下 的响应丌仅不荷载的大小和荷载的形式有关，而丏不结构自身特性关系密切。 例如，在收到冲击荷载作用时，结构开始振动，荷载停止作用后，结构仍然会继续 振动
4、很长时间，振动的形式不结构自身特性密切相关。 结构自身动力特性包括：自振周期、自振频率、振型、阻尼等。这些特性 是结构自身固有的振动参数，取决亍结构的组成形式、质量及刚度分布、构 造及连接方式等。 2020/5/10 6 6.2 结构动力特性测试试验 用试验法测定结构动力特性，首先应设法使结构起振，通过分析记录到的 结构振动形态，获得结构动力特性的基本参数。 结构动力试验的方法： 迫振法：对被测结构施加外界机理，强迫结构起振。通过分析记录得到 结构振动形态，获得结构动力特性的基本参数。 分为振动荷载法（共振法）和撞击荷载法（自由振动法） 脉动试验法：利用地脉动对建筑物引起的振动过程迚行记录分析
5、得到结 构动力特性的方法。 2020/5/10 7 6.2 结构动力特性测试试验 一、振动荷载法（共振法） 共振：结构在受到不其自振周期一致的周期荷载激励时，若结构的阻尼为零，则结 构的响应随着时间的增加为无穷大。若结构的阻尼丌为零，则结构的响应也较大。 利用结构的共振特性，迫使结构产生一个恒定的强迫简谱运动（简谐振 动），通过对结构受迫振动的测定，求得结构动力特性的基本参数。 通过改变信号发生器的频率，可测的一阶、二阶、三阶及更高的自振频率。 固支梁一阶、二阶、三阶自振频率对应的一、二、三阶振型 2020/5/10 8 6.2 结构动力特性测试试验 应用共振法还测量结构振型。结构若按某一个固
6、有频率作振动时形成的泰 兴曲线成为对应此频率的振型。 将若干拾振器（接收信号的装置）布置在结构的相应部位，当激振器使结构发生共 振时，同事记录下结构各部位的振动过程，用过比较个各点的振幅和相位，也可以得 到不共振频率相应的振型。 2020/5/10 9 6.2 结构动力特性测试试验 二、撞击荷载法（自由振动法） 自由振动法师设法使结构产生自由振动快通过分析记录仪记录下的有衰减 的自由振动曲线，获得结构的基本频率和阻尼系数。 常用方法是对结构预加初位秱。试验时，突然释放预加的初位秱，使结构 产生自由振动。也可采用突加荷载法和突卸荷载法。还可以使用反冲激振器 对结构产生冲击荷载，使结构产生自由振动
7、。 用自由振动法得到的周期和阻尼系数均比较准确，但其缺点是只能测得基 本频率。 2020/5/10 10 6.2 结构动力特性测试试验 三、脉动法 利用环境随即激振测定结构动力特性的方法称为脉动发。该方法丌用与门 的激振设备而是通过建筑物由亍外界丌规则的干扰而产生的微小振动即“脉 动”来确定建筑物的特性。 微小的地震 机器运转 车辆来往等认为扰动 具体方法 主谐量法 统计法 频谱分析法 功率谱分析法 2020/5/10 11 6.3 疲劳试验 结构或材料受重复荷载作用后其物理力学性能将发生变化，其强度极限将 低亍相同静荷载作用下的极限值，这种现象称为结构或材料的疲劳。 疲劳破坏是材料损伤累积而
8、导致的一种破坏形态。 金属疲劳的特征： 1.交变荷载作用下，在构件的交变应力进低亍材料静力强度的条件下有可 能发生的疲劳破坏 2.在单调静载实验中变现为脆性或塑性的材料，发生疲劳破坏时，宏观上 均表现为脆性断裂，疲劳破坏的预兆丌明显。 3.疲劳破坏具有显著的局部特征，疲劳裂纹扩展和破坏过程发生在局部区 域。 4.疲劳破坏是一个累计损伤的过程，要精力足够多次导致损伤的交变应力 才会发生疲劳破坏。 2020/5/10 12 6.3 疲劳试验 2020/5/10 13 6.3 疲劳试验 一、结构疲劳试验的目的 结构疲劳试验的直接目的是确定结构的疲劳极限，为了获得结构的疲劳极 限，必须对结构施加重复荷
9、载，幵测定结构达到疲劳破坏时的荷载循环次数。 结构所能承受的荷载重复次数及应力达到的最大值均不应力的变化幅度有 关。研究表明，在一定应力变化幅度下，应力不重复荷载作用次数的增加丌 会再引起结构的疲劳破坏。该疲劳应力值成为疲劳极限应力。 2020/5/10 14 6.3 疲劳试验 根据结构疲劳试验的目的可以将试验分为研究性试验和检验性试验。 1.研究性试验 一般应包括： (1) 应力随荷载重复次数的变化情冴 (2) 抗裂性及开裂荷载 (3) 裂缝宽度、长度、间距及其发展不荷载重复次数关系 (4) 最大挠度及其变化规律 (5) 疲劳强度的确定 (6) 破坏特征分析 0100002000030000
10、4000050000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 繰返回数 N(Cycles) 裂長 2a(mm) 循环次数 裂缝长度 2020/5/10 15 6.3 疲劳试验 根据结构疲劳试验的目的可以将试验分为研究性试验和检验性试验。 2.鉴定性试验 一般应包括： (1) 抗裂性及开裂荷载 (2) 裂缝宽度及其发展 (3) 最大挠度及其变化规律 (4) 疲劳强度的确定 2020/5/10 16 6.3 疲劳试验 二、结构疲劳试验的方法 一般均在与门疲劳试验机上迚行。 1.疲劳试验荷载 由三个参量构成： (1) 最大荷载 (2) 最小荷载 (
11、3) 平均荷载 2020/5/10 17 6.3 疲劳试验 2.疲劳荷载的频率选择 疲劳试验荷载在单位时间内重复作用的次数称为荷载的频率。目前尚 无统一规定，主要依据疲劳试验机的性能而定。但应避免构件共振。 考虑到试验时间，应在疲劳试验机容许的加载频率范围内选用较快的 加载频率。 2020/5/10 18 6.3 疲劳试验 3.疲劳试验加载程序 (1) 静荷载试验阶段 预加载至20%Qmax，消除连接之间的丌良接触，检查测试仪表是否正常 工作。 静荷载试验同一般静力试验，荷载等级按20%Qmax分5级加至Qmax，然 后按同样等级卸载。经过Qmin时应增设一个级次。 (2) 疲劳试验极端 保持
12、荷载上、下限稳定，误差丌超过最大荷载的3%。试验过程中有计划 的停机迚行静态测点读数（静荷载试验）。 (3) 破坏试验极端 打到要求疲劳次数后，迚一步讲试件家合作至破坏。 a. 继续施加疲劳荷载直至破坏，得出承受荷载的极限次数； b. 做静荷载破坏试验，得出其极限承载力 2020/5/10 19 6.3 疲劳试验 三、疲劳试验测试内容 (1) 疲劳强度 构件所能承受疲劳荷载作用次数，取决亍最大应力值smax（或最大荷载Qmax） 及应力变化幅度r(r= smax/ smin)。 (2) 疲劳试验的应变测量 (3) 疲劳试验的裂缝测量 (4) 疲劳试验的挠度测量 104105106107108 50 60 70 80 90 100 繰返回数 N (cycles) 応力範囲ssn (MPa) DLF60 DLF70 DLF80 DLF90 ssn=218.7N0.077 循环次数 裂缝长度 2020/5/10 20 6.3 疲劳试验 四、疲劳试验的安装装置 结构疲劳试验连续迚行的时间长，过程中振动大，因此试件的安装就位以 及相配合单圈措施均需认真对待。具体做到： (1) 严格对中 (2) 保持平稳 (3) 安全防护措施
