基于結構力學課程的振動測試實驗設計★

郭恩平 羅 云 周 基

(湖南科技學院，湖南 永州 425000)

·建筑業管理與政策研究·

基于結構力學課程的振動測試實驗設計★

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構力學課程中的重要性，說明了設計結構力學振動測試實驗要求達到的目的，通過合理設計結構力學振動測試實驗，并與有限元分析結構對比研究，進一步理解結構的動力特性，加深對結構動力學知識的理解。

結構動力學，振動測試，有限元分析

為適應向職業教育轉型，成為應用型技術人才，實踐學習對于當前大學生尤為重要。結構力學是土木工程專業的核心課程。由于課時、實驗條件等限制，結構力學[1]課程沒有設置相應的結構試驗環節。針對結構動力學部分計算繁瑣的特點，采取理論與實踐結合的教與學的方式，可以提高學生的積極性和創造性。對工程結構而言，結構實驗是研究和發展結構計算理論不可缺少的重要環節。

1 實驗手段在課程中的必要性

結構的動力特性包括結構的自振頻率、阻尼系數和振型等一些基本參數或振動模態參數，是反映結構本身所固有的動力性能。由結構形式、質量分布、結構剛度、材料性質、構造連接等因素決定，與外荷載無關。

對結構進行動力分析的目的是保證結構在整個使用周期，在可能發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構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構動力實驗的測試技術[2]。

2 設計結構力學振動測試實驗的目的

在結構力學課程中，關于動力特性的計算屬于動力學中的核心內容。然而該部分內容涉及到一系列的簡化和推導，內容涵蓋了線性代數、高等數學中的知識，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。

本次設計的振動測試實驗要求達到以下目的：

1)了解測定結構動力特性的基本原理，掌握通過人工激振法和環境隨機振動法測試不同自由度系統的動力特性(固有頻率、阻尼及振型)的方法；2)熟悉常用結構動力特性測試系統的組成和相關儀器的使用方法；3)通過實驗測定三層框架結構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，并對實測數據進行結構動力特性分析。

3 振動測試實驗設計

3.1 實驗設計

試驗主要儀器及設備:1)力錘：用來發生激振信號。2)加速度傳感器：將被測系統的機械振動量(加速度)轉換成電量。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)數據采集與分析系統(DASP)：記錄和分析結構振動的各個參數。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專業版，選擇使用采集儀1:[v618]INV306DF。b.點擊采樣進入計算機監視狀態,在此界面點擊示波進入示波狀態。c.設置參數：基本參數：試驗名設置為三層框架模型，試驗號設置為1，自動增加；采樣頻率取125；數據路徑按照自定義文件夾設置。通道參數：通道Ch01；工程單位g；標定值根據所用傳感器設置為206；增益倍數設置為4，根據所采數據是否出現削峰選擇合適增益倍數；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，觸發電平設置為400 mV。結束條件：采樣結束方式按時間20 s。d.觀察顯示器上測點波形的幅值及頻率變化現象，并用手輕輕觸摸結構進行體驗。e.由測量數據可以繪制出幅頻曲線(計算機自動繪制)。f.根據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構自振頻率的同時數據分析采集儀器通過半功率帶寬法可以對結構的阻尼進行計算，得到阻尼比。

3)對比數據。在用實驗儀器測得結構各動力特性后再用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，將兩者得到的數據進行對比。

3.3 試驗數據處理及分析

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]分析頻率結果。將模型簡化為框架模型參數建模：由ETABS分析結果得該三層框架結構的第一自振頻率為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構基本阻尼，計算公式如下：

由實驗數據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與實驗結果ζ=0.110 0對比結果相近。

4)結果對比(見表1)。

表1 實驗與ETABS數據對比

5)實驗分析。根據實驗目的，需要理論計算結果與實驗實測結果匹配，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，模型的參數的設置正確與否直接影響著實驗結果的準確性。例如模型中框架柱彈性模量設置和結構體系的選擇非常重要，結構自振頻率與結構的質量和剛度密切相關。結構體系的選擇直接影響實驗結果，當按照實際結構建立模型，分析得出的結果與實測結果相差很大，經過分析，可能是由于軟件分析中將結構視為板柱模型所致。將模型中板簡化為同質量梁，以簡化為框架結構，通過分析得出的結果與實測結果近似。

4 結語

在結構力學課程中設置實驗實踐，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，對專業軟件的運用也更加熟練。在理論性強的力學課程中設計實驗課程，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.結構力學Ⅱ[M].北京:高等教育出版社，2001.

[2] 熊仲明.土木工程結構試驗[M].北京:中國建筑工業出版社，2006.

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

G642

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