工程结构减振教学实验的创新实践

颜喜林

摘要:针对当前传统教学实验的不足,把原有的实验系统开发成新的适合学生动手操作的设计型、创新型教学实验。该项教学实验开拓了学生的学术眼界,收到显著教学效果。

关键词:实验装置减振实验教学改革

中图分类号:G482 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0199-01

工程结构减振实验是一门实践性很强的专业技术课程。课程任务是通过理论和实验的教学环节,使学生掌握结构试验、检测鉴定等方面的基本知识和基本技能,并能根据工程设计、施工和科学研究任务的需要,完成一般结构的试验设计与试验规划,并通过一系列实验活动得到一定的实践训练。

随着科学技术的进步和城市轨道交通事业的发展,新型实验设备与自控技术的不断发展,新型减振材料与技术的不断推新,该课程的内容也在不断扩充和更新。该创新实验设置了多项可操作性、创新性和开放性的实验内容,以学生自主设计实验、自主完成实验、自主管理实验为主要实验手段,教师只对学生参与的实验工作内容做规划,指导学生对项目的实施目标、实施方案、预期效果进行详细的设计,在调查研究、分析论证、实验检验、数据分析等方面引导学生进行独立思考和钻研探索;注重学生对实验的自主驾驭过程,着重培养学生在实验过程中的创新思维能力和创新实践能力。

1创新实验的设计

1.1 指导原则

工程结构减振实验的教学任务是通过理论和实验的教学环节,使学生熟悉地下工程与高架的振动的原因机理及减振措施,掌握结构动力特性振动实验的基本方法和程序,同时具备熟练使用LMS振动噪声分析系统的进行模态分析的能力,准确判断结构动力特性,从而可以设计新型减振结构,并动手完成减振结构模型;通过设计实验方案加以验证。并能根据试验结果对结构做出正确分析与判断,提高学生的创新意识及动手能力,为学生从事地下工程监护、高架与轨道养护维修工作打下基础。

1.2 创新实验的来源

联系轨道交通地铁运行现状,地铁振动主要是由轮轨作用脉动力引起。脉动力与枕木固有频率、钢轨刚度、道碴刚度等参数有关,钢轨刚性越大,脉动力变化越小。减轻地铁振动危害的最直接和有效的办法就是减轻振源的振动,而轨道的振动是引起周围环境振动的振源。钢轨扣件是阻尼弹簧结合的轨道减振系统,吸收并耗散振动能量;具有较好的减振降噪效果。

对于地铁沿线的建筑物,减振措施主要有隔振和避免共振两个措施。隔振就是把建筑物与振源隔离开,阻止振动波向建筑物输入。通过改变建筑物的自振频率,避开与地铁诱发的环境振动共振的频率,可以减轻地铁沿线建筑物的振动。由于结构的自振频率与质量和刚度的分布密切相关,所以通过调整建筑物的质量分布或局部构件的刚度大小就可以改变结构的自振频率。

1.3 创新实验方案

既然振动的振源取决于材料刚度与阻尼器,避振也是要改变材料质量和构件的刚度,而隔振就是与振源隔离开。所以,创新实验中学生根据自己的设想设计成不同形式的结构模型,通过调节材料刚度质量、支座约束、激振方式、阻尼传导等实现结构的减振效果。减振实验的具体调节方法如以下几点。

(1)调节支座约束:采用悬臂梁与简支梁等约束。(2)调节激振方式:采用锤与激振器等激励。(3)调节材料刚度质量:采用不同材料刚度和带附加质量。(4)改变阻尼:采用阻尼支座与带传导阻尼等。

2创新实验的过程

2.1 实验系统的组成

结构减振教学系统由锤、激振器、振动台、8通道的SCAD数据采集器及LMS Test lab振动分析系统组成。为了方便改变结构特性,最简单的方式就是通过改变振动台上梁的支座约束方式;同时为了在模型上能进行振动控制实验研究,振动台上梁可以换成不同材料规格尺寸;为了实现不同减振方案,振动台上设计成装卸方便,并注意梁和台架的连接,保证振动台与梁形成一个整体。

2.2 激励方式

本实验系统除了带力传感器的锤激励方式外,还增设了带力传感器的激振器,可控制激励大小,并模拟地震的激励方式。通过LMS Test lab振动分析系统控制的激振器运动,从而达到控制振动台上的梁振动。

2.3 实验过程

(1)振动测量的仪器连接,梁上加速度传感器与锤或上力传感器与SCAD数据采集器相连,数据采集器再与带LMS振动噪声分析系统的计算机相连接。检查各仪器之间连线无误后,再开启电源。为带阻尼支座的减振试验。(2)打开带LMS振动噪声分析系统的计算机。(3)设定SCAD数据采集器的采样通道、采样频率和采样时间,准备采集振动信号。(4)用一个锤子或激振器沿铅直方向敲击被测振动系统的适当部位,激起弯曲振动,记录下三个加速度计的自由振动信号。(5)对记录下的三个自由振动信号进行频谱分析,根据频谱分析结果的频率、幅值和相位信息确定系统的三个固有频率和主振型。

2.4 测试手段

在振动台上梁试件上安装加速度传感器,通过测试梁的加速度反应,可以得出结构动力特性(包括固有频率及主振型测量)。测试系统采用比利时的LMS Test lab振动分析系统。

3创新实验效果

3.1 实验数据的比较分析

学生通过做两两对照实验,比较分析各种工况梁各阶固有频率及振动幅度的实验数据;得出的结论是振动的影响因素有很多,而振动的源头和约束对物体的振动频率起着非常大的影响。其中振源就是一个最不能忽略的重要因素,而振源大小也受很多条件的支配,约束就是其中的一个支配条件,从振源到所监测的点之间的约束越多振幅也就越小,對周围环境和建筑物的影响就越小。

3.2 学生联系地铁的振动实际,得出可以采取的减振措施

(1)从支座角度考虑,在简支梁上的激振实验振动幅度较小,减振效果较好;地铁高架桥设计成整体连续梁。(2)从约束角度来说,可以增加约束个数从而达到减振效果;在地铁的铁轨扣件要采用新型弹性扣件。(3)从传播路径角度而言,中间加约束可以达到减振效果。为了隔断地铁振动向建筑物的传播,可以在轨道两侧或者建筑物周围挖一定宽度和深度的隔振沟,可以达到隔离振动的目的。

总之,学生通过创新实验独立设计创新结构减振方案,开发出不同形式的结构模型,并通过实验加以验证,很好锻炼了学生动手能力与创新思维,达到了创新实验的教学目的。

参考文献

[1] 宋凤莲,刘梅清,巫世晶.多层次开放式工程实践教学模式研究[J].实验技术与管理,2007.

[2] 郭庆丰.研制、更新实验装置,培养学生的能力[J].实验技术与管理,2002.

[3] 于海英,于劲前,谢李立.一种高柔结构的减震装置[J].自然灾害学报,2005.