null第四章 桥梁振动试验 第四章 桥梁振动试验 桥梁自振特性测定
桥梁动力响应测试
桥梁振动试验实例
实验和现场教学概述 概述 桥梁振源: 对引起桥梁振动的风、地震和车辆振动等
振动源(或荷载)的测定。自振特性: 桥梁自振特性是桥梁结构的固有特性,也
是桥梁振动试验中最基本的测试内容。动力反应: 车辆、风和地震等外荷载作用下桥梁结构
动力反应的测定是评价桥梁结构动力性能
的基本内容之一。概述 计算: (已知) (计算或假定) (求得)
振源 结构 响应
试验: (已知或未知) (实测求得) (实测)试验与传统结构动力学
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
之间的关系 概述 null所有引起桥梁振动的外荷载:
风荷载(风速、环境风场等)测定
地震荷载(震级、加速度等)测定
车辆荷载(载重、速度等)测定桥梁振源测定null自振特性参数(动力特性参数、振动模态参数)主要三个参数:
结构自振频率、阻尼比和振型。它们都由结构形式、建筑材料性能等结构所固有的特性所决定,
与外荷载无关。 桥梁结构自振特性是研究桥梁结构抗震、抗风或抗其他动荷载的性能和能力的基础。桥梁自振特性参数测定null桥梁自振特性参数测定自由振动衰减法强迫振动法 (共振法)环境随机振动法频率振型阻尼比}{null桥梁自振特性参数频率:阻尼比:振型:自由振动运动方程( ):null自由振动衰减法自由振动运动方程:null给结构一个初位移或初速度使结构产生振动,测结构的
自由振动衰减曲线。通过对该曲线的分析处理可以得到
结构自振特性参数。 自由振动衰减法测振仪器配套框图: 自由振动衰减法null自由振动衰减法的激励自由振动衰减法null自由振动衰减法—求阻尼比公式因: 当 很小时,取对数:阻尼比:null动力放大系数:强迫振动法 (共振法)强迫振动法 (共振法)强迫振动法 (共振法)利用激振器械对结构进行连续正弦扫描,根据共振效应,当扫
描频率与结构的某一固有频率相一致时,结构振幅会明显增大,
用仪器测出这一过程,绘出频率—幅值曲线(共振曲线),通过
曲线可以得到结构的自振特性参数。 自由振动衰减法测振仪器配套框图: null大型水平激振器:强迫振动法大型激振器null1.测出共振曲线
(扫描、绘制振幅-频率曲线)半功率带宽法求阻尼比 2.确定半功率带宽3.计算阻尼比:强迫振动法 null4.判别各测点相位
(0 - π - 2π)强迫振动法—悬臂梁振型确定1.布置激振力和测点null简单桥梁结构振型桥梁结构基本振型其他梁式桥,如悬臂梁、连续梁等振型基本相同。null三跨连续梁桥结构振型桥梁结构基本振型null四跨简支变连续梁桥结构振型桥梁结构基本振型null五跨连续梁桥结构振型桥梁结构基本振型null拱桥振型(f/L>1/12)悬索桥主跨振型与拱桥基本相同。桥梁结构基本振型null斜拉桥基本振型例:斜拉桥边跨振型与辅助墩设置有很大关系。桥梁结构基本振型强迫振动法扫描时要注意的几个技术问题:① 选择合适的激振点强迫振动法扫描时要注意的几个技术问题:② 扫描的方法和技巧③ 一根共振曲线,只能一次测量完成强迫振动法振型测量的几个技术问题: ② 现场标定(多通道测试系统标定) ① 合理布置测点(选择好参考点,注意拐点,测点优化) ③ 确定振型(以参考点为基础归一化处理)null1)学习用强迫振动法测结构物频率、振型、阻尼比等自振特性参数。
2)了解电磁激振、加速度计测振两套仪器的功能和使用。
3)初步了解用自由振动法和模态试验法测自振特性参数的方法。钢简支梁自振特性测定教学实验1.实验目的1)了解实验仪器的技术性能指标、配套框图并学会操作。
2)计算钢简支梁各阶固有频率,作为实验的期望值,并与实测值比较。2.实验要求nullZJY-601A型振动教学实验仪 1台
压电式加速度计 2枚
CF360信号分析仪 1台
DASP动态信号采集仪 1套
3.实验仪器和设备ZJY-601A型振动教学实验仪加速度计FFT信号分析仪钢简支梁自振特性测定教学实验nullZJY-601A型振动教学实验仪4.实验内容和步骤钢简支梁自振特性测定教学实验null逐级调拨信号发生器上的频率,使激振器输出力推动实验梁振动,并观察分析仪上的信号输出,寻找共振峰,在确为最大幅值处,
记录
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下相应频率,并观察、确定每个频率对应的各测点相位。
如此继续下去,找出第2、第3频。频率测量:钢简支梁自振特性测定教学实验null将传感器从梁上取下,只剩一枚,继续做振型测试(也可以用多个拾振器一起测)。按前述方法,在各共振频率处,固定振源的频率、幅值不变,沿悬臂梁长度方向逐点测量幅值,并归一化处理,绘制曲线。
从f1、f2到f3,测量三阶振型。振型测试:记录下各最大幅值处的相应频率,并用(多个)传感器观察、确定每
个频率对应的梁上各测点的相位差。钢简支梁自振特性测定教学实验null用1个通道(即1个传感器)记录共振频率f1(或f2、f3)附近的频率响
应。具体以1Hz为间隔,在共振频率前、后扫描,并记录下响应信号的
频率和幅值。以频率为横坐标,输出幅值为纵坐标,绘制共振曲线。
该项测量可只做某阶频率。求阻尼(测量并绘制半功率曲线):fA/f2钢简支梁自振特性测定教学实验环境随机振动法基本假定:
① 认为桥梁结构的振动系统属多输入系统,系统的输入和
响应是各态历经过程。环境随机振动法② 假设环境随机激励信号是白噪声信号。③ 假设各阶阻尼很小,各阶频率分开,即各模态之间的耦
合很小,可以忽略。 null环境随机振动法随机振动信号的时域和频域分解:null环境随机振动法随机振动信号的特征参数:
时域——均值、均方值、方差
时差——自相关函数、互相关函数
幅值域——概率密度函数、概率分布函数
频域——自功率谱、互功率谱、频率响应函数、相干函数随机振动信号数据处理(数值化估计):
FFT方法,各种时域方法,模态分析null环境随机振动法功率谱、频率响应函数和相干函数:功率谱:频率响应函数:相干函数:null环境随机振动法 —ODS方法
实桥振动测试要用ODS(Operating Deflection Shapes)方法,必须符合环境随机振动的基本假定。由于实际结构的激励力不可测量,只有借助于结构的响应谱曲线来确定它的各阶模态频率。而结构响应谱峰值对应点的频率不一定都是结构真正的模态频率。对大型桥梁结构物来说,用所有测点的响应谱或振型一般可以判断真伪。ODS方法与前面两种方法的区别:1.不用任何激振设备或手段。
2.按照随机数据分析要求采样和记录,靠随机振动数据处理
技术得到结构自振特性参数。 ODS方法与前面两种方法的区别:环境随机振动法ODS方法测振仪器配套框图: ODS现场数据采集过程:ODS现场数据采集过程:环境随机振动法实桥ODS法要领实桥ODS法要领环境随机振动法1.采样定理:
2.采样时间(样本长度)
要求满足统计误差(随机误差和偏度误差),解决好现场测试时间(样本长度足够)和数据分析精度(频率分辨率)之间的矛盾。
凭籍现今计算机硬件技术,可适当提高采样频率,增加分析
点数或数据分段,以提高分析精度。
null随机振动信号的数据处理环境随机振动法nullODS信号和分析:环境随机振动法随机振动时域信号功率谱和相位函数功率谱和相干函数nullODS方法应用——上海卢浦大桥振动试验null 现场数据采集
采样频率确定:根据计算基频0.367Hz,第20阶2.131Hz(假定前20阶
振型基本包含需要的振型)。如将2.13Hz定为最大分析频率,则采样频
率至少要≥4.26Hz( ,实际取5.0Hz)。
ODS方法应用——上海卢浦大桥振动试验采样时间确定:满足10%随机误差、2%偏度误差,对应0.01阻尼比、
5.0Hz采样频率、1024点数据点,要求采样时间≥30min。(参见教材
表
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4-2,实际每个工况数据采集时间取40min)。null 模态试验和分析结点、测点布置图ODS方法应用——上海卢浦大桥振动试验共做6个测试工况 ,每个工况10~12个传感器数据采集、记录通道。null现场测试仪器ODS方法应用——上海卢浦大桥振动试验null竖向侧向实测自功率谱和互功率谱ODS方法应用——上海卢浦大桥振动试验null自振特性参数表ODS方法应用——上海卢浦大桥振动试验null前9阶实测振型图ODS方法应用——上海卢浦大桥振动试验null实测表明,以计算结构特征值为期望值,用不多测点可以得到理
想的多阶振动模态。测试和数据处理时,优化测点位置、方向和
维数,选择好参考点以及三维坐标联系等技术保证了理想结果。特大跨度拱桥的振动模态较密集,且有较强振型耦合特点,环境
随机振动测量和数据处理方法的优势是独到的。实测与计算结果比较,竖向弯曲频率两者基本一致,侧向弯曲的
居次,扭转的相差最大。三个基本振型对应的阻尼比中,扭转最
低为0.55%。
本例特点 实际
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
背景和难点 实际工程背景和难点 悬索桥风洞模型 大跨度桥梁相似模型与一般结构模型不同。
后者:频率范围适中,模态分离清楚。
前者:比较纤柔,频率低,模态密集。 悬索桥风洞模型模态试验例null把模型纵向分成10个断面,每个断面加
劲梁和缆索上各两个测点,所有测点都
是二维的,整个模型试验共60个测点。 悬索桥风洞模型模态试验例测试、分析仪器系统测试、分析仪器系统 悬索桥风洞模型模态试验例激励力与竖、侧向多点响应的时域信号激励力与竖、侧向多点响应的时域信号 悬索桥风洞模型模态试验例典型竖向和侧向测点的传递函数图形典型竖向和侧向测点的传递函数图形 悬索桥风洞模型模态试验例模型模态分析的参数结果模型模态分析的参数结果 悬索桥风洞模型模态试验例null测定拉索索力的方法:
① 千斤顶张拉:直接利用千斤顶油压表读数得到索力
② 测力传感器:通过安装在锚头与锚座间的测力传感器测得索力
③ 测拉索频率:测出拉索的横向振动频率,再计算索力索结构拉索索力测定null拉索频率测试
采用环境随机振动法。
拾振器的选用:对各种不同拉索的振动,要估计它们的频率,选择频响特性合适的拾振器。拉索索力的确定
对长索,频率测试精度要求很高,抗弯刚度影响较小。
对短索,确定计算索长较严格;索力计算要考虑其他因素。
用有限元程序计算出若干阶频率并与实测值比较。
有条件做现场标定,确定有关计算条件和参数。 索结构拉索索力测定null实桥斜拉索索力测试null斜拉索索力测试例利用激光振动计测量拉索振动桥梁动力反应测定桥梁动力反应测定 桥梁结构动力反应测定指桥梁在特定动荷载 (如车辆、地震力和台风等) 作用下的动力参数(如加速度、动挠度、动应力等)的测定。 介绍实桥动载试验,桥梁模型模拟地震振动台试验和风振(风洞)试验。 从测试技术角度是测定信号的“绝对值”(大小或过程),如测定
结构动力反应参数的峰值大小及其时程曲线。null 实桥动载试验一般内容 模拟实际行车条件对桥梁施加移动车辆荷载
(不同的车速、模拟路面不平整、制动等) 测量移动车辆荷载作用下的结构动态响应
(动位移、动应力、加速度等) 试验数据二次处理,评估桥梁动力性能
(计算最大最小动位移、动应力、动态增量,谱分析等)null 动载试验测试内容示意图加速度null 动载加载试验过程null 南浦大桥动载试验的一组照片null 跨越障碍物加载试验录象null动态增量 最大动应力与最大静应力之比:
或
最大动位移和最大静位移之比:null例:系杆拱桥动载试验 1)实测主桥的动力特性。
2)移动车辆作用下主跨结构的应力
动态响应,即最大动应力、应力
时程曲线和应力动态增量。
3)移动车辆荷载作用下主跨结构的
位移动态响应,即最大动挠度和
位移动态增量。主要测量内容钢管混凝土中承式提篮系杆拱桥
主跨148m,矢跨比1/4,桥宽16.4mnull动力特性:动挠度和动应力:例:系杆拱桥动载试验测点布置V935型加速度计
SV326型滤波放大器INV306采集仪 ASQ-CA型伺服式传感器
VAQ-700A放大器INV306采集仪
DH3817型动态应变采集系统null① 无车辆荷载时,测量桥梁结构的随机振动响应。② 一辆、两辆重车分别以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h车速驶过桥面,记录所有测点的动应变和动位移时程信号(或加速度)、幅值。
③ 一辆、两辆重车分别以10km/h、20km/h车速驶过设有人工障碍物的桥面,记录所有测点的动应变和动位移时程信号(或加速度)、幅值。例:系杆拱桥动载试验试验程序null实测桥梁结构自振特性参数例:系杆拱桥动载试验自振特性参数null车辆匀速行驶过桥时系杆拱桥四分点断面桥面挠度变化动挠度时程曲线(1)动载试验数据结果null车辆在桥面上四分点断面跨越障碍时系杆拱桥对应断面挠度变化动挠度时程曲线(2)动载试验数据结果null动载试验数据结果一辆重车以20km/h匀速行进时测到的四分点和跨中断面应力曲线。动应力时程曲线(1)null一辆重车以10km/h 跨越障碍物时测到的四分点、跨中断面和吊杆横梁动应力曲线。动应力时程曲线(1)动载试验数据结果null功率谱动载试验数据结果null功率谱动载试验数据结果null动载试验数据结果null多辆超重车过桥实测动应力数据 实桥动载试验—多辆车作用下简支梁动应力结果null实桥动载试验—单辆车作用下单跨简支梁动应力结果null实桥动载试验—车辆作用下桥梁动态响应结果null实桥动载试验—一些自振特性“不好”的桥梁结果 某40m跨预应力混凝土先简支后连续梁桥,重车过桥时桥梁发生较大振
动,人感不适。
成桥自振频率一阶扭转和一阶竖弯分别为2.86 Hz和3.12 Hz。null动载试验 某80m跨钢管混凝土系杆拱桥,重车过桥时桥梁发生较大振动。
成桥自振频率一阶竖弯和一阶扭转分别为2.598Hz和2.676Hz。null动载试验 某138m跨混凝土组合桁架拱桥,车辆过桥时桥梁发生较大振动。通车
一年后拱脚、斜杆等产生较大裂缝。
成桥自振频率一阶和二阶竖弯分别为2.96 Hz和3.21 Hz。null主要由五大部分组成:
① 振动台台体
② 液压驱动系统
③ 模控部分
④ 动态信号采集系统
⑤ 计算机模拟地震振动台 模拟震动台性能参数 模拟震动台性能参数null 悬索桥震动台模型试验独塔自锚式悬索桥,跨径分布:47m+167m+219m+47m=480m,塔高131m。1/60相似模型,主梁采用钢板,主塔用有机玻璃,主缆和吊杆采用钢丝,模型质量由配重模拟。null模态试验节点图 悬索桥震动台模型试验——模态试验null采用(1把激励锤)单点激
励,(4个加速度计)多点
拾振方法。全模型分成21
个断面(加劲梁16个,桥塔
5个),74个测点。 悬索桥震动台模型试验——模态试验null 实测振型(1-4) 悬索桥震动台模型试验null 实测振型(5-8) 悬索桥震动台模型试验null悬索桥震动台模型试验——工况表null 悬索桥震动台模型试验null 悬索桥震动台模型试验null悬索桥震动台模型试验——实测加速度和位移主跨跨中纵向相对加速度 塔顶纵向位移null悬索桥震动台模型试验——实测加速度和位移null 桥梁风振试验主要内容null同济大学风洞实验室共有三个边界层风洞:
TJ-1 1.2 ×1.8 ×18m(W × H × L) 风速范围(0.5~32 m/s)
TJ-2 3.0 × 2.5 × 15m(W × H × L) 风速范围(1.0~60 m/s)
TJ-3 15 × 2.0 × 14m(W × H × L) 风速范围(0.5~17.6 m/s)
其中TJ-3 型风洞是专门按大跨度桥梁高宽比小的特点设计。风洞实验室null全桥气弹模型风洞试验某钢-混凝土混合梁斜拉桥,主跨926m,跨径布置:467.5m+926m+467.5m= 1466m,钻石形桥塔高242.5m。成桥气弹模型相似比例取1/144。null全桥气弹模型风洞试验主梁节段null全桥气弹模型风洞试验——试验内容
均匀流场中0°、-3 °、+3 °攻角的结构风振响应。
紊流场中结构抖振试验。
两种流场中不同偏航角的对比试验。
紊流场中的全桥模型 null全桥气弹模型风洞试验——试验结果均匀流风场中各攻角下跨中振动响应null全桥气弹模型风洞试验——试验结果均匀流风场中各偏角下跨中振动响应null全桥气弹模型风洞试验——试验结果成桥状态气弹模型风洞试验结果汇总 桥梁振动试验实例 桥梁振动试验实例 例1. 东岗黄河桥振动测试 例2. 日本大和川桥振动试验 例4. 人行天桥振动评估和减振对策 例3. 日本多多拉大桥振动试验null 例1.东岗黄河桥振动测试null试验方法 侧向第一频率和振型测定
纵向(竖向)第一频率和振型测定
纵向第二频率和振型测定 强迫振动法 环境随机振动法null测点布置参考测点测试跨:L/16(全跨)
边跨: L/8 (半跨)null测试仪器null试验共振曲线null 实测振型曲线null1. 成功使用(两台)机械式激振器,对大型桥梁结构进行用强
迫振动,测到结构的自振特性参数,特别是阻尼比。
2. 用环境随机振动法测桥梁振动,测到结构的高阶振型, 数据
结果与强迫振动法完全一致。
3. 实测了窄幅拱桥(纵向、侧向)的连拱振动响应。本例特点null例2.日本大和川桥振动试验null汽车吊激振示意图激振方法null测点布置桥面竖向、侧向振动斜拉索振动null测试仪器框图null实测振动参数表数据结果null 实测振型一阶竖弯二阶竖弯三阶竖弯竖弯侧弯竖弯竖弯扭转null ① 采用试验车吊重锤周期激振方法,对周期激振方法进行了探
讨,获得了较好的实测结果。本例特点⑤ 与其他六座斜拉桥 (跨度均大于200m) 作了自振特性参数的比较。④ 以不同方法分析阻尼比,比较了不同测量仪器所得的结果。③ 实测了斜拉索的振动和阻尼效应。② 分析几种不同激振方法获得的振动信号,数据结果比较详细。null例3.日本多多拉桥振动试验null竖向激振器null振动试验内容(测点布置)null 1.测出8阶振型(其中:竖向3阶、扭转2阶、侧向3阶)。
2.对数衰减率以及振幅与阻尼的关系。
3.参数振动(拉索与主桁梁之间的耦合振动)。试验结果null试验与计算结果比较null 1.采用了大型机械式激振设备,激出8阶振型
(其中:竖3阶、扭转2阶、侧向3阶)。本例特点 3. 研究了大桥的参数振动
(拉索与主桁梁之间的耦合振动)。2. 测到大桥的对数衰减率以及振幅与阻尼的关系null采用ODS方法,晚上进行,振动比较平稳,干扰因素少,可以测得比较理想的各态历经信号。
测点布置与数据处理分析期望得到的振型阶次有关,总的原则是参照理论振型并考虑现场可操作性。主要考虑:
1)测得一般抗风、抗震研究感兴趣的前十几阶振型要求的最少测点数;
2)测试仪器系统(传感器、导线和通道数等)的可行性;
3)现场测量时间。
例4.卢浦大桥动力特性测定 null 模态试验和分析结点、测点布置图null现场测试仪器null竖向侧向实测自功率谱和互功率谱null随机子空间得到的模态稳定图null自振特性参数表null前9阶实测振型图null实测表明,以计算结构特征值为期望值,用不多测点可以得到理
想的多阶振动模态。测试和数据处理时,优化测点位置、方向和
维数,选择好参考点以及三维坐标联系等技术保证了理想结果。特大跨度拱桥的振动模态较密集,且有较强振型耦合特点,环境
随机振动测量和数据处理方法的优势是独到的。实测与计算结果比较,竖向弯曲频率两者基本一致,侧向弯曲的
居次,扭转的相差最大。实测结构阻尼比都比较小,三个基本振型对应的阻尼比中,扭
转最低为0.55%。本例特点null某人行立交桥除行人高峰时段承受较大人群荷载外,振动问题比较突出。对人行桥梁进行振动测试,并结合结构动力分析,对人行桥振动问题进行评估并提出减振
措施
《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施
。 例5.人行天桥振动评估和减振对策
——振动测试技术的应用例子注意:全国不少城市人行桥都存在此类振动问题。null采用SAP2000板单元程序,全桥划分成2389个板单元。结构动力特性分析null桥梁结构振动与结构动力特性有关,还与外作用以及桥梁和外作用(两个振动系统)的相互作用有关。
现场振动测试主要为得到桥梁结构的动力特性,还实测外作用(行人移动荷载)引起的结构动态响应。
现场测试为分析、评估人行桥振动问题提供依据。 现场振动测试null
采用环境随机振动法测定人行桥的动力特性(竖向弯曲、
扭转振动振型、频率和阻尼比)。
动力特性测试不需要任何外界激励。具体在全桥范围内
布置多个竖向测点,用加速度传感器测时
域信号,放大记录。
测试行人移动荷载引起的结构
振动速度和位移等动态响应。
——测试内容、方法和测点布置 现场振动测试null实测随机振动时域信号: 现场振动测试null典型功率谱图 振动测试结果null结构动力特性参数 振动测试结果null行人通过桥时桥梁产生的振动速度和位移时域信号:最大速度2.4cm/s,最大位移为14mm 。 振动测试结果null行人通过桥时桥梁振动速度和位移的功率谱:正常行人步速 2.0~2.5 步/秒 振动测试结果null人行桥结构的静力强度能够满足设计要求。
人行桥结构动力特性基本不能满足《城市
人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69-95)要求。
振动问题尽管不一定会使结构毁坏,但它使行人感
觉不适或影响人们的安全感,故有必要采取结构减
振措施。分析评估null加撑脚提高、改善结构自振频率 (Ф80-90cm立柱) 。建议采取的减振措施人行桥基频由2.636Hz升到4.01Hznull本章小结null 振源 结构 响应① 地震 (可测)
② 风 (可测)
③ 环境随机振动
(基本未知)
自振特性
动力响应
(可计算,也可测量)基于试验,理解结构的动力响应,不仅与外界振源有关,更取决于结构的自振特性。本章小结null三个自振特性参数:频率、振型、阻尼比
① 结构动力学的基础知识(参数特征、特征值求解)
② 计算模型和假定
③ 实测与计算的关系三种自振特性参数测试的方法
① 自由振动法、强迫振动法、环境随机振动法
② 各种方法的适用性
③ 环境随机振动法的优势和不足本章小结null振型测试
① 了解各种桥型的理论振型
② 测点布置,参考点选择,归一化处理
③ 随机振动法可得到较多阶振型频率测试
只需一个测点,但没有振型无法判断频率的属性和阶次。自振特性参数测定本章小结null阻尼比测定
① 实测值为唯一
② 本身机理复杂,数据有离散性
③ 强迫振动法结果比较好本章小结自振特性参数测定 工程上也用对数衰减率表示阻尼比。null结构振动响应参数(绝对值)测定
① 系统标定(测量仪器的绝对“坐标”系统)
② 对测试仪器的性能(频响特性、线性度)要求比较高
③ 动应变测试(时程曲线、最大最小值、动态增量等)动力响应测定本章小结null移动车辆荷载(匀速行车、制动、跨越模拟路面不平的障碍物等)作用下结构动应变测试(时程曲线、最大最小值、动态增量等),动位移测试,车致振动响应测试(共振频率、阻尼等)。动载试验本章小结null振动试验在实际工程中的应用:
① 索力测试
② 抗震、抗风分析
③ 隔振、避振问题
④ 共振效应、车辆—桥梁振动问题本章小结