基于结构力学课程的振动测试实验设计★

郭恩平 罗 云 周 基

(湖南科技学院，湖南 永州 425000)

·建筑业管理与政策研究·

基于结构力学课程的振动测试实验设计★

郭恩平 罗 云 周 基

(湖南科技学院，湖南 永州 425000)

分析了实验手段在结构力学课程中的重要性，说明了设计结构力学振动测试实验要求达到的目的，通过合理设计结构力学振动测试实验，并与有限元分析结构对比研究，进一步理解结构的动力特性，加深对结构动力学知识的理解。

结构动力学，振动测试，有限元分析

为适应向职业教育转型，成为应用型技术人才，实践学习对于当前大学生尤为重要。结构力学是土木工程专业的核心课程。由于课时、实验条件等限制，结构力学[1]课程没有设置相应的结构试验环节。针对结构动力学部分计算繁琐的特点，采取理论与实践结合的教与学的方式，可以提高学生的积极性和创造性。对工程结构而言，结构实验是研究和发展结构计算理论不可缺少的重要环节。

1 实验手段在课程中的必要性

结构的动力特性包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等一些基本参数或振动模态参数，是反映结构本身所固有的动力性能。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，与外荷载无关。

对结构进行动力分析的目的是保证结构在整个使用周期，在可能发生的动荷载作用下能够正常工作，并保持一定的可靠度。这就要求我们寻找结构在任意动荷载作用下随时间而变化的响应。然而多自由度体系的计算相对比较复杂，因而也就不可避免地要涉及到结构动力实验的测试技术[2]。

2 设计结构力学振动测试实验的目的

在结构力学课程中，关于动力特性的计算属于动力学中的核心内容。然而该部分内容涉及到一系列的简化和推导，内容涵盖了线性代数、高等数学中的知识，计算过程比较复杂。采用实验的方法作为辅助的实践性手段，可以达到更好的教学及学习效果。

本次设计的振动测试实验要求达到以下目的：

1)了解测定结构动力特性的基本原理，掌握通过人工激振法和环境随机振动法测试不同自由度系统的动力特性(固有频率、阻尼及振型)的方法；2)熟悉常用结构动力特性测试系统的组成和相关仪器的使用方法；3)通过实验测定三层框架结构的前三阶频率及阻尼比；4)掌握ETABS建模及时程分析的运用；5)掌握DASP分析软件，并对实测数据进行结构动力特性分析。

3 振动测试实验设计

3.1 实验设计

试验主要仪器及设备:1)力锤：用来发生激振信号。2)加速度传感器：将被测系统的机械振动量(加速度)转换成电量。3)电荷放大器：将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。4)数据采集与分析系统(DASP)：记录和分析结构振动的各个参数。5)实验模型：空气动力学试验台。

3.2 实验实施

1)自振频率的测定。a.打开DASP专业版，选择使用采集仪1:[v618]INV306DF。b.点击采样进入计算机监视状态,在此界面点击示波进入示波状态。c.设置参数：基本参数：试验名设置为三层框架模型，试验号设置为1，自动增加；采样频率取125；数据路径按照自定义文件夹设置。通道参数：通道Ch01；工程单位g；标定值根据所用传感器设置为206；增益倍数设置为4，根据所采数据是否出现削峰选择合适增益倍数；虚拟扩展通道，增加通道一的二次积分，以得到时间位移曲线。开始条件：选择信号触发，触发电平设置为400 mV。结束条件：采样结束方式按时间20 s。d.观察显示器上测点波形的幅值及频率变化现象，并用手轻轻触摸结构进行体验。e.由测量数据可以绘制出幅频曲线(计算机自动绘制)。f.根据幅频曲线进行自谱分析确定三阶固有频率。

2)阻尼的测定。在自由振动法下测定结构自振频率的同时数据分析采集仪器通过半功率带宽法可以对结构的阻尼进行计算，得到阻尼比。

3)对比数据。在用实验仪器测得结构各动力特性后再用ETABS建立三层框架模型，对其进行时程分析，得出动力特性指标，将两者得到的数据进行对比。

3.3 试验数据处理及分析

1)实验测得三层框架模型的频率曲线及阻尼比见表1。

2)ETABS[3]分析频率结果。将模型简化为框架模型参数建模：由ETABS分析结果得该三层框架结构的第一自振频率为6.402,第二自振频率为17.212，第三自振频率为23.753。

3)阻尼比的计算。利用自由振动法一般只能得到结构基本阻尼，计算公式如下：

由实验数据自由振动时程曲线得相邻一个周期的振幅α1=2 878.87，α2=-1 069.41。

代入公式得ζ=0.100 4与实验结果ζ=0.110 0对比结果相近。

4)结果对比(见表1)。

表1 实验与ETABS数据对比

5)实验分析。根据实验目的，需要理论计算结果与实验实测结果匹配，以达到实验目的。在理论分析过程中，在ETABS软件建立模型过程中，模型的参数的设置正确与否直接影响着实验结果的准确性。例如模型中框架柱弹性模量设置和结构体系的选择非常重要，结构自振频率与结构的质量和刚度密切相关。结构体系的选择直接影响实验结果，当按照实际结构建立模型，分析得出的结果与实测结果相差很大，经过分析，可能是由于软件分析中将结构视为板柱模型所致。将模型中板简化为同质量梁，以简化为框架结构，通过分析得出的结果与实测结果近似。

4 结语

在结构力学课程中设置实验实践，提高了学生理论应用到实践的能力，并使得对专业知识的认识起到很大的提高作用，锻炼了学生提出问题，分析问题，解决问题的能力，对学生的综合素质起到很大提高作用。通过实验与理论分析的对比，使学生对基本概念有更深的理解，对专业软件的运用也更加熟练。在理论性强的力学课程中设计实验课程，提高了学生学习兴趣，教与学的效果得到大幅度提高。

[1] 龙驭球.结构力学Ⅱ[M].北京:高等教育出版社，2001.

[2] 熊仲明.土木工程结构试验[M].北京:中国建筑工业出版社，2006.

[3] 北京金土木软件技术有限公司.ETABS中文使用指南[M].北京：中国建筑工业出版社，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年湖南科技学院大学生研究性学习与创新性实验计划项目

郭恩平(1987- )，女，硕士，助教； 罗 云(1994- )，女，在读本科生； 周 基(1982- )，男，副教授

G642

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