土木工程测试结构动载试验课件.pptx

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1、17-1 概述概述结构动载试验结构动载试验通过试验的方法对结构振动进行分析研究通过试验的方法对结构振动进行分析研究动荷载随时间发生变化动荷载随时间发生变化结构反应与本身动力特性相关结构反应与本身动力特性相关动载检测的应用：动载检测的应用：（1 1）结构抗震性能评价）结构抗震性能评价（2 2）工业厂房机械设备振动对结构、构件或精密仪表和机床的影响）工业厂房机械设备振动对结构、构件或精密仪表和机床的影响（3 3）高层结构、高耸构筑物、道路桥梁、堤坝的风水荷载或移动荷载）高层结构、高耸构筑物、道路桥梁、堤坝的风水荷载或移动荷载（4 4）建筑物抗爆）建筑物抗爆2n惯性力加载惯性力加载n冲击力：重物、钢

2、丝、弹簧冲击力：重物、钢丝、弹簧n离心力：偏心质量起振离心力：偏心质量起振n直线位移惯性力直线位移惯性力n电磁加载电磁加载：电磁试验台电磁试验台n疲劳试验机疲劳试验机：多次反复加载多次反复加载n液压振动台液压振动台：地震力地震力n运动荷载运动荷载：汽车、拖拉机、吊车汽车、拖拉机、吊车7-2 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备37-3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备1 1 惯性力加载惯性力加载（1 1）冲击力加载）冲击力加载47-3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备1 1 惯性力加载惯性力加载（2 2）离心力加载）离心力加载57-3 动载试验的加载

3、方法与设备动载试验的加载方法与设备1 1 惯性力加载惯性力加载（3 3）其它加载）其它加载67-3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备2 2 电磁加载电磁加载77-3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备3 3 液压加载液压加载8一、一、自由振动法自由振动法： 瞬态激振后的阻尼振荡瞬态激振后的阻尼振荡垂直突加、减荷载垂直突加、减荷载水平突加荷载水平突加荷载二、二、共振法共振法： 起振机变频激振起振机变频激振三、三、脉动法脉动法： 环境随机脉动环境随机脉动7-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定97-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定1 1 自

4、由振动法自由振动法瞬态激振后的阻尼振荡瞬态激振后的阻尼振荡垂直突加、减荷载垂直突加、减荷载水平突加荷载水平突加荷载反冲激振器反冲激振器桥梁加载桥梁加载周期和阻尼比周期和阻尼比21rTnneaa1ln2nnaarTknnaakln2平均2平均cD107-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定2 2 共振法共振法共振产生条件：干扰频率与结构固有频率相同共振产生条件：干扰频率与结构固有频率相同使用使用起振机变频激振起振机变频激振117-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定2 2 共振法共振法阻尼系数阻尼系数212221cD临界阻尼比临界阻尼比127-5 结构动力特性的试验测定结

5、构动力特性的试验测定2 2 共振法共振法建筑物的振形图建筑物的振形图对应于某一频率（共振时）对应于某一频率（共振时）137-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定2 2 共振法共振法建筑物的振形图建筑物的振形图对应于某一频率对应于某一频率147-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定3 3 脉动法脉动法环境脉动：环境随机激振而引起的结构物微小振动环境脉动：环境随机激振而引起的结构物微小振动地面脉动地面脉动气流脉动气流脉动基本原理基本原理固有频率固有频率的谐量是脉动图中最主要的成分的谐量是脉动图中最主要的成分振幅大、波形光滑处的频率总是振幅大、波形光滑处的频率总是多次重复出现

6、多次重复出现主谐量法：主谐量法：频谱分析法：谐量分析法、相关或功率谱分析法频谱分析法：谐量分析法、相关或功率谱分析法特点特点不需要激振设备，不受结构形式和大小的限制不需要激振设备，不受结构形式和大小的限制信号弱，有好的记录设备信号弱，有好的记录设备157-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定3 3 脉动法脉动法（1）主谐量法）主谐量法如果建筑物各部位在同一频率处的相位和振幅符合振型规律，此频如果建筑物各部位在同一频率处的相位和振幅符合振型规律，此频率就可确定为建筑物的固有频率，通常基频出现的机会最多率就可确定为建筑物的固有频率，通常基频出现的机会最多。167-5 结构动力特性的试验

7、测定结构动力特性的试验测定3 3 脉动法脉动法（1）主谐量法）主谐量法177-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定3 3 脉动法脉动法（2）谐量分析法）谐量分析法187-5 结构动力特性的试验测定结构动力特性的试验测定3 3 脉动法脉动法（3）功率谱分析法）功率谱分析法脉动的振幅谱的幅值确定建筑物的固有频率和振形。脉动的振幅谱的幅值确定建筑物的固有频率和振形。记录信号傅立叶分析记录信号傅立叶分析197-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定1 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测点布置根据结构情况和试验目的布置。测点布置根据结构情况和试验目的布置。分布系

8、数分布系数特定结构、特定振源情况下的振动分布情况特定结构、特定振源情况下的振动分布情况207-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定2 2 结构的振动变位图测定结构的振动变位图测定振型：结构本身的动力特性，与外荷载无关。振型：结构本身的动力特性，与外荷载无关。变位图：结构在特定荷载作用下的变形曲线。变位图：结构在特定荷载作用下的变形曲线。217-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定3 3 结构动力系数的试验测定结构动力系数的试验测定动力系数：动挠度与静挠度的比值动力系数：动挠度与静挠度的比值227-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定4 4 强震观测强震观测地

9、震发生时，用仪器观测地面运动的过程和建筑物的动力反应。地震发生时，用仪器观测地面运动的过程和建筑物的动力反应。结构物在强震过程中的振动记录结构物在强震过程中的振动记录自动触发启动，蓄电池供电自动触发启动，蓄电池供电美国洛衫矶：凡新建六层以上、面积超过美国洛衫矶：凡新建六层以上、面积超过60006000平方英尺的建筑物平方英尺的建筑物必须设置强震仪必须设置强震仪3 3台。台。杨浦大桥和金茂大厦等十几个重要建筑物上都已安装了强震记录杨浦大桥和金茂大厦等十几个重要建筑物上都已安装了强震记录网络，仅金茂就安装了网络，仅金茂就安装了6 6台。上海计划在十五期间普及更多，通过台。上海计划在十五期间普及更多

10、，通过立法，达到立法，达到1010层以上的建筑都安装。层以上的建筑都安装。浦东机场深井群安放了深度不同的地震记录仪，最浅浦东机场深井群安放了深度不同的地震记录仪，最浅3030米，最深米，最深300300多米，其他还有多米，其他还有5050米、米、100100多米及多米及200200多米，这些井群可以测量多米，这些井群可以测量到不同深度接收到的不同地震波的强度。到不同深度接收到的不同地震波的强度。237-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试验测定4 4 强震观测强震观测中华人民共和国防震减灾法中华人民共和国防震减灾法要求在重大工程和生命线工程等建筑上安装强震动观测设备。要求在重大工程和生命

11、线工程等建筑上安装强震动观测设备。一是可以检查建筑物的一是可以检查建筑物的“健康状况健康状况”，根据震动记录数据，及时掌，根据震动记录数据，及时掌握地震或其他强震动发生时建筑物受损情况；握地震或其他强震动发生时建筑物受损情况；二是从记录数据中总结经验，进而不断改进建筑物抗震设防设计；二是从记录数据中总结经验，进而不断改进建筑物抗震设防设计；三是通过已形成的观测网络的强震动观测，可以快速掌握地震裂度三是通过已形成的观测网络的强震动观测，可以快速掌握地震裂度分布情况，为地震预测与震后救灾提供可靠的信息。分布情况，为地震预测与震后救灾提供可靠的信息。247-6 结构动力反应的试验测定结构动力反应的试

12、验测定4 4 强震观测强震观测地震安全性评价管理条例地震安全性评价管理条例国务院令国务院令四大工程须进行地震安全性评价。四大工程须进行地震安全性评价。l国家重大建设工程国家重大建设工程l受地震破坏后可能引发受地震破坏后可能引发水灾、火灾、爆炸、剧毒或者强腐蚀性物水灾、火灾、爆炸、剧毒或者强腐蚀性物质质大量泄露或者其他严重次生灾害的建设工程，包括水库大坝、堤大量泄露或者其他严重次生灾害的建设工程，包括水库大坝、堤防和贮油、贮气、贮存易燃易爆、剧毒或者强腐蚀性物质的设施以防和贮油、贮气、贮存易燃易爆、剧毒或者强腐蚀性物质的设施以及其他可能发生严重次生灾害的建设工程及其他可能发生严重次生灾害的建设工

13、程l受地震破坏后可能引发放射性污染的受地震破坏后可能引发放射性污染的核电站和核设施核电站和核设施建设工程建设工程l省、区、市认为对本区域有省、区、市认为对本区域有重大价值或者有重大影响重大价值或者有重大影响257-7 结构疲劳试验结构疲劳试验概念概念结构物或构件在重复荷载作用下，达到破坏时的应力比其静力强度结构物或构件在重复荷载作用下，达到破坏时的应力比其静力强度要低得多。这种现象称为疲劳要低得多。这种现象称为疲劳试验目的试验目的了解重复荷载作用下，结构的性能及其变化规律了解重复荷载作用下，结构的性能及其变化规律267-7 结构疲劳试验结构疲劳试验1 1 疲劳试验项目疲劳试验项目（1 1）鉴定

14、性试验）鉴定性试验抗裂性及开裂荷载抗裂性及开裂荷载裂缝宽度及发展裂缝宽度及发展最大挠度及其变化幅度最大挠度及其变化幅度疲劳强度疲劳强度（2 2）科研性疲劳试验）科研性疲劳试验各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律各阶段截面应力分布状况，中和轴变化规律抗裂性及开裂荷载抗裂性及开裂荷载裂缝宽度、长度、间距及发展裂缝宽度、长度、间距及发展最大挠度及其变化规律最大挠度及其变化规律疲劳强度的确定疲劳强度的确定破坏特征分析破坏特征分析277-7 结构疲劳试验结构疲劳试验2 2 疲劳试验荷载疲劳试验荷载（1 1）疲劳试验荷载取值）疲劳试验荷载取值上限荷载：最大标准荷载最不利组合下产生的弯距计算上限荷载：最大

15、标准荷载最不利组合下产生的弯距计算下限荷载：根据疲劳试验设备的要求而定。下限荷载：根据疲劳试验设备的要求而定。国内多采用等幅匀速荷载：国内多采用等幅匀速荷载：287-7 结构疲劳试验结构疲劳试验2 2 疲劳试验荷载疲劳试验荷载（2 2）疲劳试验荷载速度）疲劳试验荷载速度荷载频率影响材料的塑性变形和徐变，频率过高对试验设施有影响荷载频率影响材料的塑性变形和徐变，频率过高对试验设施有影响使构件在试验时实际工作时受力状态一致，使构件在试验时实际工作时受力状态一致，构件与荷载架不能发生共振构件与荷载架不能发生共振荷载频率荷载频率与结构固有频率与结构固有频率之比应满足：之比应满足：3.15.0或297-

16、7 结构疲劳试验结构疲劳试验2 2 疲劳试验荷载疲劳试验荷载（3 3）疲劳试验的控制次数）疲劳试验的控制次数经受所确定控制次数的疲劳荷载作用后，其抗裂性、刚度、强经受所确定控制次数的疲劳荷载作用后，其抗裂性、刚度、强度等必须满足规范中有关规定。度等必须满足规范中有关规定。中级工作制吊车梁：中级工作制吊车梁：2102106 6 次次重级工作制吊车梁：重级工作制吊车梁：4104106 6 次次307-7 结构疲劳试验结构疲劳试验3 3 疲劳试验步骤疲劳试验步骤（1 1）预加静载）预加静载消除松动及接触不良，压牢构件，使测试仪表工作正常消除松动及接触不良，压牢构件，使测试仪表工作正常（2 2）正式疲

17、劳试验）正式疲劳试验317-7 结构疲劳试验结构疲劳试验3 3 疲劳试验步骤疲劳试验步骤（2 2）正式疲劳试验）正式疲劳试验327-7 结构疲劳试验结构疲劳试验4 4 疲劳试件的安装疲劳试件的安装（1 1）严格对中）严格对中（2 2）保持平稳）保持平稳（3 3）安全防护）安全防护现行的疲劳试验都是采取试验室常幅疲劳试验方法。即疲劳强度是现行的疲劳试验都是采取试验室常幅疲劳试验方法。即疲劳强度是以一定的最小值和最大位重复荷载试验结果而确定。实际上结构构以一定的最小值和最大位重复荷载试验结果而确定。实际上结构构件是任意变化的重复荷载作用，随着测试技术的不断进步，常幅疲件是任意变化的重复荷载作用，随

18、着测试技术的不断进步，常幅疲劳试验将为符合实际情况的变幅疲劳试验所代替。劳试验将为符合实际情况的变幅疲劳试验所代替。337-8 动力试验的数据处理动力试验的数据处理1 1 振动示波波图的分析振动示波波图的分析（1 1）简单波形的分析）简单波形的分析 34时间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析频域分析频域分析7-8 动力试验的数据处理动力试验的数据处理2 2 谐量分析谐量分析：复杂周期振动的示波图分解成若干个单元频率正弦复杂周期振动的示波图分解成若干个单元频率正弦规律的简谐分量。规律的简谐分量。幅值幅值时间时间频率频率幅幅值值357-8 动力试验的数据处理动力试验的数据处理2 2 谐量分析谐量

19、分析对复杂的振动信号进行分析时，把他分解成若干个单一频率的正弦对复杂的振动信号进行分析时，把他分解成若干个单一频率的正弦规律简谐分量的方法。规律简谐分量的方法。傅立叶级数原理傅立叶级数原理367-8 动力试验的数据处理动力试验的数据处理2 2 谐量分析谐量分析3738监测的核心作用监测的核心作用模型和参数选择模型和参数选择力学计算力学计算修改参数、模型修改参数、模型反分析反分析设计设计施工施工监测监测竣工竣工地质调查地质调查室内试验室内试验围岩分类围岩分类经验类比经验类比专家系统专家系统8 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法398 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地

20、下隧洞监测类型和方法1 1 位移监测位移监测意义意义:判断洞室围岩的松弛范围判断洞室围岩的松弛范围,为锚为锚杆支护参数提供重要依据杆支护参数提供重要依据原理原理:参照点与测点之间相对位移参照点与测点之间相对位移参照点参照点测点测点408 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法1 1 位移监测位移监测（1 1）单点位移计）单点位移计AB点间的相对位移点间的相对位移AB418 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法1 1 位移监测位移监测（2 2）并联式多点位移计并联式多点位移计428 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法1 1 位移监

21、测位移监测（3 3）串联式多点位移计串联式多点位移计438 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法1 1 位移监测位移监测（4 4）滑动式位移计滑动式位移计448 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法1 1 位移测量位移测量（1 1）位移计位移计种类种类优点优点缺点缺点单点位移计单点位移计构造简单，可以在开挖面附近布置一个孔内只能测一个点多点位移计多点位移计测量方便测试费用高，测点少滑动式位移计滑动式位移计费用低，测点多孔较深时测量不方便458 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法2 2 收敛位移测量收敛位移测量（1 1）收敛计收

22、敛计收敛测量的意义收敛测量的意义:判断围岩的稳定性判断围岩的稳定性收敛测点布置注意的问题收敛测点布置注意的问题: : A 测点布置在隐蔽处测点布置在隐蔽处,清理松动岩石清理松动岩石B 孔口最好设保护装置孔口最好设保护装置468 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法2 2 收敛位移测量收敛位移测量（1 1）收敛计收敛计重锤式收敛计重锤式收敛计弹簧张力式收敛计弹簧张力式收敛计扭矩平衡式扭矩平衡式478 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法2 2 收敛位移测量收敛位移测量（2 2）光测光测跨度跨度20m20m，全站仪全站仪488 8-1 -1 地下隧洞监测

23、类型和方法地下隧洞监测类型和方法2 2 收敛位移测量收敛位移测量收敛计与光电测距仪的比较收敛计与光电测距仪的比较种类种类优点优点缺点缺点收敛计收敛计 精度高测量位置受限制光电测距仪光电测距仪可远距离测量 精度不高,受环境影响大498 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法3 3 压力测量压力测量（1 1）液压枕液压枕508 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法3 3 压力测量压力测量（1 1）液压枕埋设液压枕埋设518 8-1 -1 地下隧洞监测类型和方法地下隧洞监测类型和方法3 3 压力测量压力测量（2 2）锚杆应力锚杆应力528 8-2 -2 现场

24、量测方案设计现场量测方案设计1 1 量测项目的确定量测项目的确定l地层基本参数地层基本参数岩体强度岩体强度岩体应力岩体应力岩体弹模、变形模量岩体弹模、变形模量岩体分类、完整性岩体分类、完整性l结构基本参数结构基本参数衬砌厚度、混凝土强度衬砌厚度、混凝土强度喷混凝土与岩体的粘结力喷混凝土与岩体的粘结力锚固力锚固力砂浆灌满性砂浆灌满性538 8-2 -2 现场量测方案设计现场量测方案设计1 1 量测项目的确定量测项目的确定l地层结构的基本参数地层结构的基本参数混凝土、钢筋的内应力或内应变混凝土、钢筋的内应力或内应变隧洞、支护结构的收敛位移隧洞、支护结构的收敛位移围岩松弛带围岩松弛带支护结构与围岩的

25、接触应力支护结构与围岩的接触应力l外界影响因素外界影响因素地表沉降地表沉降548 8-2 -2 现场量测方案设计现场量测方案设计2 2 测试手段和仪表选择测试手段和仪表选择位移计的选择位移计的选择精度范围精度范围0.0025mm0.0025mm0.025mm0.025mm0.25mm0.25mm2.5mm2.5mm灵敏度灵敏度0.00250.00250.010.010.0250.0250.10.10.250.251.01.02.52.51010典型用途典型用途现场岩石试验或现场岩石试验或小变形小变形坚硬岩石的隧坚硬岩石的隧洞和浅基洞和浅基大洞室或开大洞室或开挖挖位移量较位移量较大大量程量程5

26、525252525505050508080250250重调范围重调范围202015015030030010001000558 8-2 -2 现场量测方案设计现场量测方案设计3 3 量测部位的确定和测点的布置量测部位的确定和测点的布置（1 1） 量测部位的确定量测部位的确定l围岩质量差和不稳定块体；代表性地段；特殊部位。围岩质量差和不稳定块体；代表性地段；特殊部位。l洞周收敛位移、拱顶下沉、多点位移计和地表沉降测点应尽量在同一洞周收敛位移、拱顶下沉、多点位移计和地表沉降测点应尽量在同一断面上。断面上。l一般的铁路和公路隧道中，根据围岩分类位移量测断面间距为：一般的铁路和公路隧道中，根据围岩分类位

27、移量测断面间距为：类类5 520m20m；类类202040m40m；类类40m40m以上。以上。568 8-2 -2 现场量测方案设计现场量测方案设计3 3 量测部位的确定和测点的布置量测部位的确定和测点的布置（2 2）测点的布置形式）测点的布置形式- -收敛计收敛计578 8-2 -2 现场量测方案设计现场量测方案设计3 3 量测部位的确定和测点的布置量测部位的确定和测点的布置（2 2）测点的布置形式）测点的布置形式- -位移计位移计588 8-2 -2 现场量测方案设计现场量测方案设计4 4 观测及其频度观测及其频度位移速度位移速度(mm/d)151150.510.20.50.2观测间隔观测间隔(d)0.5112715