一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统及方法

1.本发明属于结构动力学振动测试技术领域，具体属于一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统及方法。


背景技术：

2.动力特性分析作为结构健康监测的重要环节之一，能够为建筑结构振动控制、受损程度、运行状态提供可靠的依据，对于结构进行抗风、抗震和其他动荷载设计分析具有重要意义。动力特性分析中，进行结构的原位动力测试时获得结构动力特性参数的有效方法，获得准确的结构动力特性参数，即自振频率、阻尼比和振型。
3.常用的动力测试方法，从结构响应类别可以分为自由振动法、共振法和脉动激振法；从激励方式类别可以分为人工激振和环境激振；从激励方式类别可以分为人工激振和环境激振。人工激振主要包括力锤激振、牵引绳激振和激振器激振，激振器激振试验是目前进行杆件结构动力特性测试试验的主要方法之一。激振器激振试验是以带有激振杆的激振器作为激振设备，其突出的优点是安装方便，操作简单，不会对建筑结构产生附加质量的影响，可以在小振幅的条件下进行测试，避免结构出现不可恢复的振动和结构损伤。
4.当前在进行激振器激振试验时，多采用刚性传动连接，但由于刚性连接时，激振器激振产生的应力波形态为显著的非阶跃类正弦波，针对杆件结构高柔低频的动力特点，这种复杂的应力波形态难以保证测试结果的可靠度。其次，刚性传动连接会对结构本身性质产生破坏，容易导致在试验过程中发生损坏，使其试验结果无法精确可靠。
5.因此，亟需开发一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统进行动力特性分析试验，更加适合现场的真型结构动力试验，并且在不损坏杆件的同时对杆件结构施加振动荷载，得到准确可靠的振动数据实现杆件结构动力特性分析。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统及方法，在不损坏杆件的同时实现施加振动激励的目的，能够获得杆件结构在激振器激振时的动力特性参数。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统，包括无损柔性固定单元、激振器、采集单元和分析单元，所述无损柔性固定单元用于将激振器无损柔性固定在杆件结构上，采集单元固定在杆件结构上用于采集激振器向杆件结构施加振动激励时杆件结构的震动响应信号，采集单元与分析单元连接用于获取震动响应信号并通过模态参数识别方法分析得出杆件结构的动力特性参数。
8.进一步的，所述无损柔性固定单元包括定位器、固定器、柔性连接件和锁扣，所述定位器固定在杆件结构上，所述激振器的激振杆与定位器连接，所述激振杆与杆件结构的主轴方向垂直，所述固定器固定在激振器上，多个柔性连接件的一端均与固定器连接，多个柔性连接件的另一端均通过锁扣与杆件结构连接。
9.进一步的，固定器为凹槽形支座，激振器通过螺栓设置在固定器的凹槽内，所述凹槽形支座的两臂和顶部均设有卡扣用于连接柔性连接件，卡扣的数量与柔性连接件的数量相同。
10.进一步的，所述柔性连接件选用抗拉强度在1400mpa以上的钢绳，柔性连接件至少设置三个。
11.进一步的，所述定位器包括两个通过螺栓固定的抱箍，所述抱箍的形状与杆件结构的截面形状匹配，其中一抱箍上设置有固定座，所述固定座上开设有螺纹孔，激振杆一端伸入螺纹孔中与固定座螺纹连接用于将激振器固定到预设位置。
12.进一步的，所述两个抱箍两端均开有螺栓孔，所述螺栓穿过螺栓孔将两个抱箍连接固定在杆件结构上。
13.进一步的，还包括电源，激振器与电源电连接用于为激振器提供电力。
14.进一步的，所述采集单元为加速度传感器，所述分析单元包括多通道测振仪和计算机，所述加速度传感器固定在杆件结构上，多通道测振仪与加速度传感器连接，多通道测振仪与计算机连接用于根据加速度传感器采集到的杆件结构的加速度响应信号得出杆件结构的动力特性参数。
15.本发明还提供一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统的使用方法，具体步骤如下：
16.s1通过无损柔性固定单元将激振器固定在杆件结构上，将采集单元固定在杆件结构上，采集单元与分析单元连接；
17.s2激振器给杆件结构输出与杆件结构的主轴方向垂直的激励信号，采集单元采集杆件结构在激振器激振下的振动响应信号并传输至分析单元；
18.s3分析单元通过模态参数识别方法分析得出杆件结构的动力特性参数。
19.进一步的，所述振动响应信号为加速度响应信号。
20.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
21.本发明公开了一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统，通过无损柔性固定单元将激振器固定在杆件结构上，通过柔性连接，改善了激振器激振刚性传动连接获取数据不精确的问题，并且通过无损柔性固定单元可以在不损坏杆件的同时实现施加振动激励的目的，更加适合现场的真型结构动力试验。
22.进一步的，本发明通过钢绳柔性连接件将激振器柔性固定在杆件结构上进行激振，由于整体采用柔性连接，可以通过每次将激振器举升到同一高度来保证每次激振的力大小相等，并且还能保证每次激振在同一点上，如果采用刚性连接，则采集到的信号则为待测件和刚性连接装置的振动信号，不能反映真实的信号情况，本发明采用柔性连接件可以排除其他因素的干扰，使采集到的信号能够更加真实的反映结构固有特性。
23.进一步的，本发明采用激振器激振触发容易使得加速度传感器的各个通道在达到触发电平后满足采样条件，能够准确测量出杆件结构的加速度响应信号，获得杆件结构在振动时的固有特性。
24.进一步的，本发明采用由抱箍组成的定位器，易于拆卸，对于动力分析试验，由于测点布置需要多次重复的进行激振器安装与拆卸，耗时费力，通过本发明的定位器，可在不损坏杆件结构的同时，轻松安装与拆卸。
附图说明
25.图1为本发明的结构组成示意图；
26.图2为本发明的无损柔性固定单元的示意图；
27.图3为本发明的定位器的示意图；
28.图4为本发明的抱箍的示意图；
29.图5为加速度响应信号；
30.图6为加速度信号的频谱分析；
31.图标：其中，1-杆件；2-定位器；3-激振杆；4-激振器；5-固定器；6-柔性连接件；7-加速度传感器；8-多通道测振仪；9-计算机；10-电源；11-锁扣；12-抱箍；13-螺栓；14-螺栓孔；15-固定座。
具体实施方式
32.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.应注意到：相以的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
35.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
36.参见附图1、2，本发明提供了一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统，包括无损柔性固定单元、激振器4、采集单元、分析单元，无损柔性固定单元将激振器4无损柔性固定在杆件结构1用于通过激振器4向杆件结构1施加振动激励，采集单元固定在杆件结构1上用于采集杆件结构1的震动响应信号，分析单元与采集单元连接，用于获取震动响应信号并通过模态参数识别方法分析得出杆件结构1的动力特性参数。
37.其中，无损柔性固定单元包括定位器2、固定器5、柔性连接件6和锁扣11；激振器4为带有激振杆3的激振器4；采集单元为加速度传感器7；分析单元包括多通道测振仪8和计算机9；
38.具体的，激振器4的激振杆3通过定位器2与杆件结构1连接，将激振器4固定到预设位置，激振器4上部设置有固定器5，柔性连接件6的一端与固定器5连接，柔性连接件6的另一端通过锁扣11与杆件结构1连接，将激振器4吊在杆件结构1上，通过锁扣11将柔性连接件6的一端固定在杆件结构1，能够保证激振器4不会发生滑移，避免产生不稳定的激励，导致数据没有可靠性，通过固定器5、柔性连接件6和锁扣11共同作用实现激振器4的柔性固定。
39.优选的，固定器5选用凹槽形支座，激振器4通过螺栓设置在固定器5凹槽内；
40.优选的，凹槽形支座的两臂和顶部均设有卡扣用于连接柔性连接件6，卡扣的数量与柔性连接件6的数量相同。
41.优选的，柔性连接件6选用抗拉强度在1400mpa以上的钢绳，钢绳为钢芯钢丝绳、合成纤维芯钢丝绳等。
42.优选的，柔性连接件6至少设置三个。
43.进一步地，参见附图3、4，定位器2包括两个抱箍12，抱箍12形状根据杆件结构1的截面形状确定，两个抱箍12两端均开有螺栓孔14，螺栓13穿过螺栓孔14将两个抱箍12连接固定在杆件结构1上；
44.其中一抱箍12上设置有固定座15，固定座15上开设有螺纹孔，激振杆3一端伸入螺纹孔中与固定座15螺纹连接用于将激振器4固定到预设位置，使测试的响应方向与杆件结构1的主轴方向垂直。
45.为了达到水平施加激振力的目的，以定位器2、激振器4、锁扣11作为角点，形成稳定的三角形结构，通过锁扣11调节柔性连接件6即选用钢丝绳的长短，使得4激振器和激振杆4始终在试验时保持水平状态。
46.进一步的，激振器4与电源10电连接用于为激振器4提供电力，向杆件结构1施加振动激励信号，激励信号的方向与杆件结构1的主轴方向垂直。
47.进一步的，加速度传感器7固定在杆件结构1上，用于采集杆件结构1的加速度响应信号。
48.优选的，加速度传感器7根据试验目标和试验条件确定，具体可采用941b型超低频拾振器。
49.进一步的，多通道测振仪8与加速度传感器7连接，用于根据加速度传感器7采集到的杆件结构1的加速度响应信号分析包括频域法、时域法等得出杆件结构1的动力特性参数包括固有频率、阻尼比和振型。
50.优选的，多通道测振仪可采用8inv3062c数据采集仪。
51.本发明的一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统的整体连接关系如下：激振器4连接电源10给杆件结构1输出激励信号，激励方向与水平面平行；激振器4通过固定器5和柔性连接件6柔性连接在杆件结构1上，定位器2与激振器4上的激振杆3连接将激振器4固定在预设位置处，实现无损的施加振动荷载，定位器2固定在杆件结构1上，通过螺栓13将两个抱箍12固定在预设位置处，并与激振杆3连接，加速度传感器7分别固定在杆件结构1上，用于测量杆件结构1在激振器4激振下的振动响应信号；加速度传感器7与多通道测振仪8连接，并通过计算机9得到动力特性参数。
52.进一步地，基于本实施例提供的一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统，该系统实施步骤如下：
53.首先，通过固定器5、柔性连接件6和锁扣11将激振器4柔性连接在杆件结构1上，激振器4通过定位器2和激振杆3的连接可无损的对杆件结构1施加振动荷载；
54.接下来，将系统中的加速度传感器7与多通道测振仪8连接，多通道测振仪8与计算机9连接；
55.最后，采用信号触发的采样方式进行示波采样，通过带有激振杆3的激振器4平行激励杆件结构1，给予杆件结构1激励信号，用多通道测振仪8采集加速度传感器7的响应信号，采集的数据导入计算机9做记录并通过模态参数识别方法，例如频域法、时域法等得到杆件结构模态参数。测量完毕后，保存计算机9采集的振动信号以及相关的分析数据，关闭
电源10。
56.根据得到的加速度传感器7的数据进行频谱分析如图6所示，提取杆件结构1的固有频率、阻尼比及振型，并与有限元分析结果对比，验证本发明的有效性。处理结果如下：
57.试验与分析结果：应用本发明公开的一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统进行动力测试试验，得到加速度响应信号如附图5，得到待测杆件结构的第一、二、三阶固有频率大小为3.17、3.25、4.91hz，阻尼比为2.8％、2.1％、0.5％，第一阶模态振型为平行横担方向、第二阶模态振型为垂直横担方向、第三阶模态振型为扭转方向。通过对比有限元分析结果，第一阶模态误差1.86％、第二阶模态误差2.69％、第三阶模态误差2.80％，均小于5％，说明本发明公开的一种柔性连接激振的无损杆件结构动力试验系统得到的分析结果具有良好的识别效果和可靠性。
58.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范周。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。