结构动力特性应用的有关问题分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第27卷湖北师范学院学报(自然科学版)Vol_27第2期JournalofHubeiNormalUniversity(NaturalScience)No．2，2007结构动力特性应用的有关问题分析余利华，张开银，薛光桥，张兵兵(武汉理工大学理学院，湖北武汉430063)摘要：结构动力特性在工程中得到了广泛的应用。通过结构的动力特性了解复杂结构的结构性能，从而可进行结构振动控制、结构动力特性的优化设计、结构模型修正、结构故障诊断等研究工作。本文仅分析说明了结构动力特性在工程应用中应注意的几个问题。关键词：结构设

2、计；振动；动力特性；模态控制中图分类号：TB123文献标识码：A文章编号：1009-2714(2007)02—0018—04随着工程结构的大型化、复杂化和轻型化，结构的动力特性显得越来越重要，受到了结构设计师和工程技术人员的普遍重视。一方面，动力特性优化设计的结构处于良好的工作状态，保证了结构的安全可靠性、延长了结构的使用周期和减少了对环境的干扰；另一方面，通过结构的动力特性可了解复杂结构的结构性能和技术性能，从而可作出科学的技术评定；同时，结构动力特性在结构振动控制、结构模型修正、结构故障诊断等方面得到了广泛的工程应用。本文旨在说明结构动力特性在工程应用

3、中应注意的几个问题。结构自由响应与振动模态理论上，结构的动力响应可视为各阶模态按不同比例叠加的结果。结构在脉冲激励下作自由振动时，由于结构阻尼的存在，其响应将逐渐衰减。一般情况下，对于结构位移响应，高阶模态的位移贡献相对较小，而低阶模态的位移贡献相对较大(从模态能量上也可理解之)。因此，当结构自由振动时，普遍认为结构的模态阶数越高，其相应响应的衰减速度就越快；以至于最后保留的部分响应是结构第一阶模态所作的自由衰减振动。目前，这一认识甚至被当作结论被工程界所接受，并在许多工程结构的动态测试中应用，如被用来确定结构的第一阶固有频率和阻尼系数。从结构的位移响应中

4、获得的这一直观结论，在振动理论上尚未给予十分明确的回答。事实上，并非所有工程结构都表现为“结构的模态阶数越高，其对应的位移响应衰减的就越快”。由叠加原理，结构的响应可视为模态分量之和：u=(1)式中：u为物理坐标，为模态矩阵，为主坐标；的诸元素￡是相应的模态参与程度的度量⋯。结构自由振动时各阶模态衰减的快慢与模态参与因子有关(严格来说模态参与因子取决于结构本身和激励)，并非一定严格按结构模态顺序排列。其实，尽管高阶模态的位移较小，其对应的模态应变能并不一定也小，有时可能还很大。湖北省秭归县三峡库区一钢筋混凝土结构转体施工拱桥(主跨105m)的成桥动力试验分

5、析结果，恰好说明了结构自由振动衰减的快慢并非按结构的模态序号排列。同时也说明了由该结论可能引导的工程应用错误。收稿日期：2006-11．--27基金项目：湖北省自然科学基金(2001ABB084)和湖北省交通科技项目(鄂交科教[2002]466号)作者简介：余利华(1960一)，女，湖北武汉人，剐教授．·l8·维普资讯http://www.cqvip.com大跨径桥梁结构的低阶模态主要表现为沿铅垂方向的弯曲振动。为了获取桥梁在车辆激励作用下的自由振动响应信号，在桥面一3处(点A)，处(中点A)，詈处(点A，)和÷处(点A。)分别布置了加速度传感器(桥梁结构

6、如图1所示)。图1桥梁结构示意图桥梁在不同速度载重车辆的激励下，其振动的自由衰减响应信号由低频加速度传感器获取，经过电荷放大器、滤波器后，送数值信号采集分析系统作频谱分析。A点的加速度响应频谱如图2所示，由此识别的结构第l至4阶固有频率分别为2．12Hz、3．54Hz、4．78Hz和6．44Hz；而由A点的加速度响应频谱分析仅识别出结构第2阶和第4阶固有频率：3．54Hz和6．44Hz(对称点的响应信号无法识别出反对称的振动模态，即该结构的第l、3阶模态是反对称的)。如果将A点的加速度自由响应信号经过一定时间衰减后(截取A点信号的后部分，其类似于单自由度振

7、动系统的自由衰减响应信号)，对其作余振波形分析，固有频率约为3．50Hz；如果对其信号作频谱分析，识别的固有频率为3．54Hz，恰好为结构的第2阶固有频率(如图3所示)。其分析结果表明该桥梁结构的第2阶模态比第l阶模态衰减得快[2】，即结构自由振动时各阶模态衰减的快慢并非一定按模态顺序排列。同时必须指出的是，在许多成桥动力试验检测中，目前仍然应用结构的余振波形来确定结构第l阶模态的固有频率和阻尼比】。其基于结构的模态阶数越高，其相应响应的衰减的越快这一假定，这样就很有可能将结构的高阶模态参数误作为第l阶模态参数，进而有可能对结构的建造质量和技术性能作出错误

8、的判断。事实上可以这样理解，对于一横向振动的梁结构，由于高阶模态比