工程結(jié)構(gòu)減振教學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新實(shí)踐

顏喜林

摘要:針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足,把原有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)成新的適合學(xué)生動(dòng)手操作的設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)開拓了學(xué)生的學(xué)術(shù)眼界,收到顯著教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)裝置減振實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

中圖分類號(hào):G482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)04(c)-0199-01

工程結(jié)構(gòu)減振實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)課程。課程任務(wù)是通過理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié),使學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、檢測(cè)鑒定等方面的基本知識(shí)和基本技能,并能根據(jù)工程設(shè)計(jì)、施工和科學(xué)研究任務(wù)的需要,完成一般結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)規(guī)劃,并通過一系列實(shí)驗(yàn)活動(dòng)得到一定的實(shí)踐訓(xùn)練。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和城市軌道交通事業(yè)的發(fā)展,新型實(shí)驗(yàn)設(shè)備與自控技術(shù)的不斷發(fā)展,新型減振材料與技術(shù)的不斷推新,該課程的內(nèi)容也在不斷擴(kuò)充和更新。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)置了多項(xiàng)可操作性、創(chuàng)新性和開放性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,以學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、自主完成實(shí)驗(yàn)、自主管理實(shí)驗(yàn)為主要實(shí)驗(yàn)手段,教師只對(duì)學(xué)生參與的實(shí)驗(yàn)工作內(nèi)容做規(guī)劃,指導(dǎo)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施目標(biāo)、實(shí)施方案、預(yù)期效果進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì),在調(diào)查研究、分析論證、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析等方面引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考和鉆研探索;注重學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的自主駕馭過程,著重培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

1.1 指導(dǎo)原則

工程結(jié)構(gòu)減振實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)是通過理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié),使學(xué)生熟悉地下工程與高架的振動(dòng)的原因機(jī)理及減振措施,掌握結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的基本方法和程序,同時(shí)具備熟練使用LMS振動(dòng)噪聲分析系統(tǒng)的進(jìn)行模態(tài)分析的能力,準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性,從而可以設(shè)計(jì)新型減振結(jié)構(gòu),并動(dòng)手完成減振結(jié)構(gòu)模型;通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案加以驗(yàn)證。并能根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)做出正確分析與判斷,提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及動(dòng)手能力,為學(xué)生從事地下工程監(jiān)護(hù)、高架與軌道養(yǎng)護(hù)維修工作打下基礎(chǔ)。

1.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的來源

聯(lián)系軌道交通地鐵運(yùn)行現(xiàn)狀,地鐵振動(dòng)主要是由輪軌作用脈動(dòng)力引起。脈動(dòng)力與枕木固有頻率、鋼軌剛度、道碴剛度等參數(shù)有關(guān),鋼軌剛性越大,脈動(dòng)力變化越小。減輕地鐵振動(dòng)危害的最直接和有效的辦法就是減輕振源的振動(dòng),而軌道的振動(dòng)是引起周圍環(huán)境振動(dòng)的振源。鋼軌扣件是阻尼彈簧結(jié)合的軌道減振系統(tǒng),吸收并耗散振動(dòng)能量;具有較好的減振降噪效果。

對(duì)于地鐵沿線的建筑物,減振措施主要有隔振和避免共振兩個(gè)措施。隔振就是把建筑物與振源隔離開,阻止振動(dòng)波向建筑物輸入。通過改變建筑物的自振頻率,避開與地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)共振的頻率,可以減輕地鐵沿線建筑物的振動(dòng)。由于結(jié)構(gòu)的自振頻率與質(zhì)量和剛度的分布密切相關(guān),所以通過調(diào)整建筑物的質(zhì)量分布或局部構(gòu)件的剛度大小就可以改變結(jié)構(gòu)的自振頻率。

1.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案

既然振動(dòng)的振源取決于材料剛度與阻尼器,避振也是要改變材料質(zhì)量和構(gòu)件的剛度,而隔振就是與振源隔離開。所以,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)想設(shè)計(jì)成不同形式的結(jié)構(gòu)模型,通過調(diào)節(jié)材料剛度質(zhì)量、支座約束、激振方式、阻尼傳導(dǎo)等實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的減振效果。減振實(shí)驗(yàn)的具體調(diào)節(jié)方法如以下幾點(diǎn)。

(1)調(diào)節(jié)支座約束:采用懸臂梁與簡(jiǎn)支梁等約束。(2)調(diào)節(jié)激振方式:采用錘與激振器等激勵(lì)。(3)調(diào)節(jié)材料剛度質(zhì)量:采用不同材料剛度和帶附加質(zhì)量。(4)改變阻尼:采用阻尼支座與帶傳導(dǎo)阻尼等。

2創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的過程

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

結(jié)構(gòu)減振教學(xué)系統(tǒng)由錘、激振器、振動(dòng)臺(tái)、8通道的SCAD數(shù)據(jù)采集器及LMS Test lab振動(dòng)分析系統(tǒng)組成。為了方便改變結(jié)構(gòu)特性,最簡(jiǎn)單的方式就是通過改變振動(dòng)臺(tái)上梁的支座約束方式;同時(shí)為了在模型上能進(jìn)行振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究,振動(dòng)臺(tái)上梁可以換成不同材料規(guī)格尺寸;為了實(shí)現(xiàn)不同減振方案,振動(dòng)臺(tái)上設(shè)計(jì)成裝卸方便,并注意梁和臺(tái)架的連接,保證振動(dòng)臺(tái)與梁形成一個(gè)整體。

2.2 激勵(lì)方式

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除了帶力傳感器的錘激勵(lì)方式外,還增設(shè)了帶力傳感器的激振器,可控制激勵(lì)大小,并模擬地震的激勵(lì)方式。通過LMS Test lab振動(dòng)分析系統(tǒng)控制的激振器運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到控制振動(dòng)臺(tái)上的梁振動(dòng)。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

(1)振動(dòng)測(cè)量的儀器連接,梁上加速度傳感器與錘或上力傳感器與SCAD數(shù)據(jù)采集器相連,數(shù)據(jù)采集器再與帶LMS振動(dòng)噪聲分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相連接。檢查各儀器之間連線無誤后,再開啟電源。為帶阻尼支座的減振試驗(yàn)。(2)打開帶LMS振動(dòng)噪聲分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。(3)設(shè)定SCAD數(shù)據(jù)采集器的采樣通道、采樣頻率和采樣時(shí)間,準(zhǔn)備采集振動(dòng)信號(hào)。(4)用一個(gè)錘子或激振器沿鉛直方向敲擊被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)的適當(dāng)部位,激起彎曲振動(dòng),記錄下三個(gè)加速度計(jì)的自由振動(dòng)信號(hào)。(5)對(duì)記錄下的三個(gè)自由振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,根據(jù)頻譜分析結(jié)果的頻率、幅值和相位信息確定系統(tǒng)的三個(gè)固有頻率和主振型。

2.4 測(cè)試手段

在振動(dòng)臺(tái)上梁試件上安裝加速度傳感器,通過測(cè)試梁的加速度反應(yīng),可以得出結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性(包括固有頻率及主振型測(cè)量)。測(cè)試系統(tǒng)采用比利時(shí)的LMS Test lab振動(dòng)分析系統(tǒng)。

3創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)效果

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析

學(xué)生通過做兩兩對(duì)照實(shí)驗(yàn),比較分析各種工況梁各階固有頻率及振動(dòng)幅度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);得出的結(jié)論是振動(dòng)的影響因素有很多,而振動(dòng)的源頭和約束對(duì)物體的振動(dòng)頻率起著非常大的影響。其中振源就是一個(gè)最不能忽略的重要因素,而振源大小也受很多條件的支配,約束就是其中的一個(gè)支配條件,從振源到所監(jiān)測(cè)的點(diǎn)之間的約束越多振幅也就越小,對(duì)周圍環(huán)境和建筑物的影響就越小。

3.2 學(xué)生聯(lián)系地鐵的振動(dòng)實(shí)際,得出可以采取的減振措施

(1)從支座角度考慮,在簡(jiǎn)支梁上的激振實(shí)驗(yàn)振動(dòng)幅度較小,減振效果較好;地鐵高架橋設(shè)計(jì)成整體連續(xù)梁。(2)從約束角度來說,可以增加約束個(gè)數(shù)從而達(dá)到減振效果;在地鐵的鐵軌扣件要采用新型彈性扣件。(3)從傳播路徑角度而言,中間加約束可以達(dá)到減振效果。為了隔斷地鐵振動(dòng)向建筑物的傳播,可以在軌道兩側(cè)或者建筑物周圍挖一定寬度和深度的隔振溝,可以達(dá)到隔離振動(dòng)的目的。

總之,學(xué)生通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)計(jì)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)減振方案,開發(fā)出不同形式的結(jié)構(gòu)模型,并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證,很好鍛煉了學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新思維,達(dá)到了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的。

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