郭恩平 羅 云 周 基

(湖南科技學院，湖南 永州 425000)

·建筑業(yè)管理與政策研究·

基于結(jié)構(gòu)力學課程的振動測試實驗設(shè)計★

郭恩平 羅 云 周 基

(湖南科技學院，湖南 永州 425000)

分析了實驗手段在結(jié)構(gòu)力學課程中的重要性，說明了設(shè)計結(jié)構(gòu)力學振動測試實驗要求達到的目的，通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)力學振動測試實驗，并與有限元分析結(jié)構(gòu)對比研究，進一步理解結(jié)構(gòu)的動力特性，加深對結(jié)構(gòu)動力學知識的理解。

結(jié)構(gòu)動力學，振動測試，有限元分析

為適應向職業(yè)教育轉(zhuǎn)型，成為應用型技術(shù)人才，實踐學習對于當前大學生尤為重要。結(jié)構(gòu)力學是土木工程專業(yè)的核心課程。由于課時、實驗條件等限制，結(jié)構(gòu)力學[1]課程沒有設(shè)置相應的結(jié)構(gòu)試驗環(huán)節(jié)。針對結(jié)構(gòu)動力學部分計算繁瑣的特點，采取理論與實踐結(jié)合的教與學的方式，可以提高學生的積極性和創(chuàng)造性。對工程結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)實驗是研究和發(fā)展結(jié)構(gòu)計算理論不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

1 實驗手段在課程中的必要性

結(jié)構(gòu)的動力特性包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等一些基本參數(shù)或振動模態(tài)參數(shù)，是反映結(jié)構(gòu)本身所固有的動力性能。由結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度、材料性質(zhì)、構(gòu)造連接等因素決定，與外荷載無關(guān)。

對結(jié)構(gòu)進行動力分析的目的是保證結(jié)構(gòu)在整個使用周期，在可能發(fā)生的動荷載作用下能夠正常工作，并保持一定的可靠度。這就要求我們尋找結(jié)構(gòu)在任意動荷載作用下隨時間而變化的響應。然而多自由度體系的計算相對比較復雜，因而也就不可避免地要涉及到結(jié)構(gòu)動力實驗的測試技術(shù)[2]。

2 設(shè)計結(jié)構(gòu)力學振動測試實驗的目的

在結(jié)構(gòu)力學課程中，關(guān)于動力特性的計算屬于動力學中的核心內(nèi)容。然而該部分內(nèi)容涉及到一系列的簡化和推導，內(nèi)容涵蓋了線性代數(shù)、高等數(shù)學中的知識，計算過程比較復雜。采用實驗的方法作為輔助的實踐性手段，可以達到更好的教學及學習效果。

本次設(shè)計的振動測試實驗要求達到以下目的：

1)了解測定結(jié)構(gòu)動力特性的基本原理，掌握通過人工激振法和環(huán)境隨機振動法測試不同自由度系統(tǒng)的動力特性(固有頻率、阻尼及振型)的方法；2)熟悉常用結(jié)構(gòu)動力特性測試系統(tǒng)的組成和相關(guān)儀器的使用方法；3)通過實驗測定三層框架結(jié)構(gòu)的前三階頻率及阻尼比；4)掌握ETABS建模及時程分析的運用；5)掌握DASP分析軟件，并對實測數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)動力特性分析。

3 振動測試實驗設(shè)計

3.1 實驗設(shè)計

試驗主要儀器及設(shè)備:1)力錘：用來發(fā)生激振信號。2)加速度傳感器：將被測系統(tǒng)的機械振動量(加速度)轉(zhuǎn)換成電量。3)電荷放大器：將加速度傳感器輸出的較小的電荷信號放大成可供檢測的電壓信號。4)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)(DASP)：記錄和分析結(jié)構(gòu)振動的各個參數(shù)。5)實驗模型：空氣動力學試驗臺。

3.2 實驗實施

1)自振頻率的測定。a.打開DASP專業(yè)版，選擇使用采集儀1:[v618]INV306DF。b.點擊采樣進入計算機監(jiān)視狀態(tài),在此界面點擊示波進入示波狀態(tài)。c.設(shè)置參數(shù)：基本參數(shù)：試驗名設(shè)置為三層框架模型，試驗號設(shè)置為1，自動增加；采樣頻率取125；數(shù)據(jù)路徑按照自定義文件夾設(shè)置。通道參數(shù)：通道Ch01；工程單位g；標定值根據(jù)所用傳感器設(shè)置為206；增益倍數(shù)設(shè)置為4，根據(jù)所采數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)削峰選擇合適增益倍數(shù)；虛擬擴展通道，增加通道一的二次積分，以得到時間位移曲線。開始條件：選擇信號觸發(fā)，觸發(fā)電平設(shè)置為400 mV。結(jié)束條件：采樣結(jié)束方式按時間20 s。d.觀察顯示器上測點波形的幅值及頻率變化現(xiàn)象，并用手輕輕觸摸結(jié)構(gòu)進行體驗。e.由測量數(shù)據(jù)可以繪制出幅頻曲線(計算機自動繪制)。f.根據(jù)幅頻曲線進行自譜分析確定三階固有頻率。

2)阻尼的測定。在自由振動法下測定結(jié)構(gòu)自振頻率的同時數(shù)據(jù)分析采集儀器通過半功率帶寬法可以對結(jié)構(gòu)的阻尼進行計算，得到阻尼比。

3)對比數(shù)據(jù)。在用實驗儀器測得結(jié)構(gòu)各動力特性后再用ETABS建立三層框架模型，對其進行時程分析，得出動力特性指標，將兩者得到的數(shù)據(jù)進行對比。

3.3 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

1)實驗測得三層框架模型的頻率曲線及阻尼比見表1。

2)ETABS[3]分析頻率結(jié)果。將模型簡化為框架模型參數(shù)建模：由ETABS分析結(jié)果得該三層框架結(jié)構(gòu)的第一自振頻率為6.402,第二自振頻率為17.212，第三自振頻率為23.753。

3)阻尼比的計算。利用自由振動法一般只能得到結(jié)構(gòu)基本阻尼，計算公式如下：

由實驗數(shù)據(jù)自由振動時程曲線得相鄰一個周期的振幅α1=2 878.87，α2=-1 069.41。

代入公式得ζ=0.100 4與實驗結(jié)果ζ=0.110 0對比結(jié)果相近。

4)結(jié)果對比(見表1)。

表1 實驗與ETABS數(shù)據(jù)對比

5)實驗分析。根據(jù)實驗目的，需要理論計算結(jié)果與實驗實測結(jié)果匹配，以達到實驗目的。在理論分析過程中，在ETABS軟件建立模型過程中，模型的參數(shù)的設(shè)置正確與否直接影響著實驗結(jié)果的準確性。例如模型中框架柱彈性模量設(shè)置和結(jié)構(gòu)體系的選擇非常重要，結(jié)構(gòu)自振頻率與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)體系的選擇直接影響實驗結(jié)果，當按照實際結(jié)構(gòu)建立模型，分析得出的結(jié)果與實測結(jié)果相差很大，經(jīng)過分析，可能是由于軟件分析中將結(jié)構(gòu)視為板柱模型所致。將模型中板簡化為同質(zhì)量梁，以簡化為框架結(jié)構(gòu)，通過分析得出的結(jié)果與實測結(jié)果近似。

4 結(jié)語

在結(jié)構(gòu)力學課程中設(shè)置實驗實踐，提高了學生理論應用到實踐的能力，并使得對專業(yè)知識的認識起到很大的提高作用，鍛煉了學生提出問題，分析問題，解決問題的能力，對學生的綜合素質(zhì)起到很大提高作用。通過實驗與理論分析的對比，使學生對基本概念有更深的理解，對專業(yè)軟件的運用也更加熟練。在理論性強的力學課程中設(shè)計實驗課程，提高了學生學習興趣，教與學的效果得到大幅度提高。

[1] 龍馭球.結(jié)構(gòu)力學Ⅱ[M].北京:高等教育出版社，2001.

[2] 熊仲明.土木工程結(jié)構(gòu)試驗[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.ETABS中文使用指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

Design of vibration test based on the structural mechanics course★

Guo Enping Luo Yun Zhou Ji

(HunanUniversityofScienceandEngineering,Yongzhou425000,China)

Analyzes the importance of the experimental measures in the structural mechanics courses, indicates the design for the vibration test of the structural mechanics courses to achieve the aims. Through the reasonable design of structure of mechanical vibration tests, and finite element analysis of structure, the further understanding of the dynamic properties of the structure, to deepen knowledge and understanding of structural dynamics.

structural dynamics, vibration test, finite element analysis

1009-6825(2015)28-0233-02

2015-07-20★：2015年湖南科技學院大學生研究性學習與創(chuàng)新性實驗計劃項目

郭恩平(1987- )，女，碩士，助教； 羅 云(1994- )，女，在讀本科生； 周 基(1982- )，男，副教授

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