7.1概述
建築結構動力特性是反映結構本身所固有的動力效能。它的主要內容包括結構的自振頻率、阻尼係數和振型等一些基本引數，也稱動力特性引數或振動模態引數。這些特性是由結構形式、質量分布、結構剛度、材料性質，構造連線等因素決定，但與外荷載無關。
建築結構動力特性試驗量測結構動力特性引數是結構動力試驗的基本內容，在研究建築結構或其他工程結構的抗震、抗風或抗禦其它動荷載的效能和能力時，都必須要進行結構動力特性試驗，了解結構的自振特性。
1．在結構抗震設計中，為了確定**作用的大小，必須了解各類結構的自振週期。同樣，對於已建建築的震後加固修復，也需了解結構的動力特性，建立結構的動力計算模型，才能進行**反應分析。
2測量結構動力特性，了解結構的自振頻率，可以避免和防止動荷載作用所產生的干擾與結構產生共振或拍振現象。在設計中可以便結構避開干擾源的影響，同樣也可以設法防止結構自身動力特性對於儀器裝置的工作產生干擾的影響，可以幫助尋找採取相應的措施進行防震，隔震或消震。
3．結構動力特性試驗可以為檢測、診斷結構的損傷積累提供可靠的資料和資料。由於結構受動力作用，特別是**作用後，結構受損開裂使結構剛度發生變化，剛度的減弱使結構自振週期變長，阻尼變大。由此，可以從結構自身固有特性的變化來識別結構物的損傷程度，為結構的可靠度診斷和剩餘壽命的估計提供依據。
建築結構的動力特性可按結構動力學的理論進行計算。但由於實際結構的組成，材料和連線等因素，經簡化計算得出的理論資料往往會有一定誤差。對於結構阻尼係數一般只能通過試驗來加以確定。
因此，建築結構動力特性試驗就成為動力試驗中的乙個極為重要的組成部分，而引起人們的關注和重視。
結構動力特性試驗是以研究結構自振特性為主，由於它可以在小振幅試驗下求得，不會使結構出現過大的振動和損壞，因此經常可以在現場進行結構的實物試驗，正如本章所介紹的試驗例項。當然隨著對結構動力反應研究的需要，目前較多的結構動力試驗，特別是研究**，風震反應的抗震動力試驗，也可以通過試驗室內的模型試驗來測量它的動力特性。
結構動力特性試驗的方法主要有人工激振法和環境隨機振動法。人工激報法又可分為自由振動法和強迫振動法。
人工激振法是一種早期使用的方法，試驗得到的資料資料直觀簡單，容易處理；環境隨機振動法是一種建立在計算機技術發展基礎上採用數理統計處理資料的新方法，由於它是利用環境脈動的隨機激振，不需要激振裝置，對於現場測試特別有利。以上任何一種方法都能測得結構的各種自振特性引數，由於計算機技術的發展和資料分析專用儀器的普及使用，為各種方法所測得的資料資料提供了快速有效的處理分析條件。
7．2人工激振法測量結構動力特性
7．2．且結構自振頻率測量
一、自由振動法
在試驗中採用初位移或初速度的突卸或突加荷載的方法，使結構受一衝擊荷載作用而產生自由振動。在現場試驗中可用反衝激振器對結構產生衝擊荷載；在工業廠房中可以通過鍛錘、沖床等工作或利用行車的縱橫向制動使廠房產生垂直或水平的自由振動；在橋梁上則可用載重汽車越過障礙物或突然制動產生衝擊荷載。在模型試驗時可以採用鎚擊法激勵模型產生自由振動。
試驗時將測振感測器布置在結構可能產生最大振幅的部位，但要避開某些桿件可能產生的區域性振動。
通過測量儀器的記錄，可以得到結構的有阻尼自由振動曲線（圖7河入在振動時程曲線上，可以根據記錄紙帶速度或時間座標，量取振動波形的週期，由此求得結構的自振頻率f=1／t。為精確起見，可多取幾個波形，以求得其平均值。
圖7－1有阻尼自由振動曲線圖7－2上海某劇場懸帶跳台的自振時程曲線
圖7－2所示為上海某劇場懸帶眺臺空載時採用初位移突卸荷載試驗方法，記錄得到的振動位移時程曲線，從曲線可以求得懸帶跳台的空載自振頻率為 f=7.23hz。
二、強迫振動法
強迫振動法也稱共振法。～般都採用慣性式機械離心激振器對結構施加週期性的簡諧振動，在模型試驗時可採用電磁激振器激振，使結構和模型產生強迫振動。由結構動力學可知，當干擾力的頻率與結構自振頻率相等時，結構產生共振。
利用激振器可以連續改變激振頻率的特點，當結構產生共振時振福出現極大值，這時激振器的頻率即是結構的自振頻率。對於多自由度體系結構具有連續分布的質量系統，因此，利用激振器連續改變激振頻率，由共振曲線（圖7－3）的振幅最大值（峰點）對應的瀕率，即可相應得到結構的第一頻率（基頻）和其他高隊頻率。
試驗時激振器的激振方向和安裝位置由試驗要求而定。～般整體結構試驗時，多數安裝在結構頂層作水平方向激振。對於梁板構件則大部分為垂直激振。
試驗時總是將激振器的轉速由低到高連續變換，稱之為頻率掃瞄。由此測得各測點相應的共振曲線，在共振點前後進行穩定激振，以求得正確的共振頻率數值。
圖7－3結構受強迫振動時的共振曲線
採用離心式激振器時，由於干擾力p與激振轉速w方成正比，即在不同轉速時有不同大小的干擾力p。為了進行比較，必須將振幅a折算為單位擾力作用下的振幅值，即將振幅除以該時的干擾力，或者把振幅值換算為在相同干擾力作用下的振動幅值a／w方」。 由於阻尼的存在，結構實際的自振頻率稍低於其峰點的頻率，但因阻尼值很小，所以，實際使用時不作考慮。
7．2．2結構阻尼的測量
在研究結構振動問題中，阻尼對振動效應會產生很大影響，它與結構形式、材料性質，連線和支座等各種因素有關。在自由振動中，計算振幅（位移）時需考慮阻尼的影響；在強迫振動中，當動荷載的干擾頻率接近結構的自振頻率時，阻尼在振幅（位移）計算中起著更為重要的作用，因為阻尼的變化對振幅值的大小有著明顯的影響。
在結構抗震研究中，阻尼的大小對結構體系的**反應也有直接影響，一般希望結構的阻尼愈大愈好，因為，結構體系的阻尼大時，結構的彈性反應愈小，它能很快地耗散**荷載產生的能量。
一.自由振動法確定阻尼
單自由度自由振動運動方程：
7-1)
7-2)
∴7-3)
式中n為衰減係數n=c/2m
ω'為有阻尼時的圓頻率
7-4)
ω為不考慮阻尼時的圓頻率
7－5）
阻尼比 ξ=n/ω （7－6）
由圖7－4所示的振動記錄確定結構的阻尼係數在tn時刻的振幅為xn=a·e-ξωtn，經過乙個週期t後，在tn+1時刻的振幅為xn+1=a·e-ξωtn+1
則相鄰週期振幅之比為：
7-7)
上式中週期t=2π/ω』
對上式兩邊取對數時 ( 7-8 )
圖7-4 有阻尼自由振動波形圖
阻尼比7－9）
利用上式就可以由實測振**形所得的振幅變化來確定阻尼比。
在上式中in——又稱為對數衰減率。
令7-10）
結構的阻尼係數
7－11）
在整個衰減過程中，n數值不一定是常數，有可能發生變化即在不同的波段可以求得
不同的n值。所以在實際工作中經常取振**中k個整週期進行計算（圖7刁），以求得平均
衰減係數。
7-12
式中k為計算所取的振動波數；
xn，xn+k 為k個整週期波的最初波和最終波的振幅值。
由於試驗實測得到的有阻尼自由振動記錄波形圖一般沒有零線，如圖7－5所示。所以在
測量結構阻尼時可採用波形的峰到峰的幅值，這樣比較方便而且又比較正確。當對數衰減率
為人時，則：
圖7－5無零線的有阻尼自由振動波形圖
(7-13)
或7－14）
阻尼比 （7－15）
式中xn為第n個波的峰峰值；
xn+k 為第n＋k個波的峰峰值。
二、按強迫振動的共振曲線確定結構的阻尼
單自由度體系有阻尼強迫振動運動方程：
（7-16）
7-17）
7-18）
7-19）
由於前項是自由振動很快消失，則穩態強迫振動的振幅值為：
7-20）
7-21）
7-22）
由此可以得到動力係數（放大係數）為
7-23）
如以μ(θ)為縱座標，以θ為橫座標，即可畫出動力係數（共振曲線）的曲線，見圖7－6所示。
圖7－6動力係數曲線圖
由方程式（7－23）可知，如ξ=0，即無阻尼時，當θ=ω時則發生共振，振幅趨向於無窮大。在有阻尼時，當θ=ω,則，即共振曲線的峰值。
按照結構動力學原理，用半功率法（0．707法）可以由共振曲線確定結構阻尼比ξ。
在共振曲線圖的縱座標上取值，即0.707μ(θ)處作一水平線，使之與共振曲線相交於a，b兩點，對應於a，b兩點在橫座標上得ω1，ω2，即可求得衰減數和阻尼比：
衰減係數7－24）
結構的阻尼比（7－25）
三、由動力係數戶μ(θ)求阻尼比
當 θ=ω，結構共振
這時動力係數7－26）
7－27）
這裡只要測得共振時的動力係數，即可求得阻尼比。
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