结构动力学读书报告

结构动力学结构动力学 试题和读书报告试题和读书报告 姓名：姓名： 班级：班级： 学号：学号： 结结 构构 动动 力力 学学 读读 书书 报报 告告 学习完本门课程和结合自身所学专业，我对本门课程内容的理解学习完本门课程和结合自身所学专业，我对本门课程内容的理解 和在各方面的应用总结如下：和在各方面的应用总结如下： 1.1.（1 1）结构动力学及其研究内容：）结构动力学及其研究内容： 结构动力学是研究结构系统在动力荷载作用下的振动特性的一门结构动力学是研究结构系统在动力荷载作用下的振动特性的一门 科学技术，它是振动力学的理论和方法在一些复杂工程问题中的综科学技术，它是振动力学的理论和方法在一些复杂工程问题中的综 合应用和发展，是以改善结构系统在动力环境中的安全和可靠性为合应用和发展，是以改善结构系统在动力环境中的安全和可靠性为 目的的。本书的主要内容包括运动方程的建立、单自由度体系、多目的的。本书的主要内容包括运动方程的建立、单自由度体系、多 自由度体系、无限自由度体系的动力学问题、随机振动、结构抗震自由度体系、无限自由度体系的动力学问题、随机振动、结构抗震 计算及结构动力学的前沿研究课题。计算及结构动力学的前沿研究课题。 （2 2）主要理论分析）主要理论分析 结构的质量是一连续的空间函数，因此结构的运动方程是一个含结构的质量是一连续的空间函数，因此结构的运动方程是一个含 有空间坐标和时间的偏微分方程，只是对某些简单结构，这些方程有空间坐标和时间的偏微分方程，只是对某些简单结构，这些方程 才有可能直接求解。对于绝大多数实际结构，在工程分析中主要采才有可能直接求解。对于绝大多数实际结构，在工程分析中主要采 用数值方法。作法是先把结构离散化成为一个具有有限自由度的数用数值方法。作法是先把结构离散化成为一个具有有限自由度的数 学模型，在确定载荷后，导出模型的运动方程，然后选用合适的方学模型，在确定载荷后，导出模型的运动方程，然后选用合适的方 法求解。法求解。 （3 3）数学模型）数学模型 将结构离散化的方法主要有以下三种：将结构离散化的方法主要有以下三种：集聚质量法：把结构集聚质量法：把结构 的分布质量集聚于一系列离散的质点或块，而把结构本身看作是仅的分布质量集聚于一系列离散的质点或块，而把结构本身看作是仅 具有弹性性能的无质量系统。由于仅是这些质点或块才产生惯性力，具有弹性性能的无质量系统。由于仅是这些质点或块才产生惯性力， 故离散系统的运动方程只以这些质点的位移或块的位移和转动作为故离散系统的运动方程只以这些质点的位移或块的位移和转动作为 自由度。对于大部分质量集中在若干离散点上的结构，这种方法特自由度。对于大部分质量集中在若干离散点上的结构，这种方法特 别有效。别有效。广义位移法：假定结构在振动时的位形（偏离平衡位置广义位移法：假定结构在振动时的位形（偏离平衡位置 的位移形态）可用一系列事先规定的容许位移函数的位移形态）可用一系列事先规定的容许位移函数 fifi（它们必须满（它们必须满 足支承处的约束条件以及结构内部位移的连续性条件）之和来表示，足支承处的约束条件以及结构内部位移的连续性条件）之和来表示， 例如，对于一维结构，它的位形例如，对于一维结构，它的位形 u(x)u(x)可以近似地表为：可以近似地表为： 结构动力学结构动力学 (1)(1) 式中的式中的 qjqj 称为广义坐标称为广义坐标, ,它表示相应位移函数的幅值。它表示相应位移函数的幅值。 这样，离散系统的运动方程就以广义坐标作为自由度。对于质量分这样，离散系统的运动方程就以广义坐标作为自由度。对于质量分 布比较均匀，形状规则且边界条件易于处理的结构，这种方法很有布比较均匀，形状规则且边界条件易于处理的结构，这种方法很有 效。效。有限元法有限元法：可以看作是分区的瑞利里兹法，其要点是先把：可以看作是分区的瑞利里兹法，其要点是先把 结构划分成适当数量的区域（称为单元）结构划分成适当数量的区域（称为单元） ，然后对每一单元施行瑞利，然后对每一单元施行瑞利 里兹法。通常取单元边界上（有时也包括单元内部）若干个几何里兹法。通常取单元边界上（有时也包括单元内部）若干个几何 特征点特征点( (例如三角形的顶点、边中点等例如三角形的顶点、边中点等) )处的广义位移处的广义位移 qjqj 作为广义坐作为广义坐 标，并对每个广义坐标取相应的插值函数作为单元内部的位移函数标，并对每个广义坐标取相应的插值函数作为单元内部的位移函数 （或称形状函数）（或称形状函数） 。在这样的数学模型中，要求形状函数的组合在相。在这样的数学模型中，要求形状函数的组合在相 邻单元的公共边界上满足位移连续条件。一般地说，有限元法是最邻单元的公共边界上满足位移连续条件。一般地说，有限元法是最 灵活有效的离散化方法，它提供了既方便又可靠的理想化模型，并灵活有效的离散化方法，它提供了既方便又可靠的理想化模型，并 特别适合于用电子计算机进行分析，是目前最为流行的方法，已有特别适合于用电子计算机进行分析，是目前最为流行的方法，已有 不少专用的或通用的程序可供结构动力学分析之用。不少专用的或通用的程序可供结构动力学分析之用。 （4 4）运动方程）运动方程 可用三种等价但形式不同的方法建立，即：可用三种等价但形式不同的方法建立，即：利用达朗伯原理利用达朗伯原理 引进惯性力，根据作用在体系或其微元体上全部力的平衡条件直接引进惯性力，根据作用在体系或其微元体上全部力的平衡条件直接 写出运动方程；写出运动方程；利用广义坐标写出系统的动能、势能、阻尼耗散利用广义坐标写出系统的动能、势能、阻尼耗散 函数及函数及广义力广义力表达式，根据表达式，根据哈密顿原理哈密顿原理或其等价形式的或其等价形式的拉格朗日方拉格朗日方 程程导出以广义坐标表示的运动方程；导出以广义坐标表示的运动方程；根据作用在体系上全部力在根据作用在体系上全部力在 虚位移上所作虚功总和为零的条件，即根据虚位移上所作虚功总和为零的条件，即根据虚功原理虚功原理导出以广义坐导出以广义坐 标表示的运动方程。对于复杂系统，应用最广的是第二种方法。标表示的运动方程。对于复杂系统，应用最广的是第二种方法。 通常通常, ,结构的运动方程是一个二阶常微分方程组结构的运动方程是一个二阶常微分方程组, ,写成矩阵形式为：写成矩阵形式为： (t)+D(t)+Kq(t)=Q(t)(t)+D(t)+Kq(t)=Q(t)， (2)(2) 式中式中 q q (t)(t)为广义坐标矢量，是时为广义坐标矢量，是时 间间 t t 的函数的函数, ,其上的点表示对时间的导数；其上的点表示对时间的导数；、D D、K K 分别为对应于分别为对应于 q q (t)(t)的结构质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；的结构质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；Q Q (t)(t)是广义力矢量。是广义力矢量。 2.2.结构动力学在抗震设计中的应用：结构动力学在抗震设计中的应用： （1 1）序言：地震时地面运动是一个复杂的时间空间过程，地震）序言：地震时地面运动是一个复杂的时间空间过程，地震 反应分析的发展经过了静力法、反应谱法、动力法三个阶段，现行反应分析的发展经过了静力法、反应谱法、动力法三个阶段，现行 的抗震设计方法包括反应谱法和时程分析法的抗震设计方法包括反应谱法和时程分析法 （2 2）方法比较：根据）方法比较：根据建筑结构抗震规范建筑结构抗震规范 ，对单自由度体系，给，对单自由度体系，给 定场地条件以及结构的自振周期和阻尼比，便可以从反应谱中获得定场地条件以及结构的自振周期和阻尼比，便可以从反应谱中获得 结构的最大地震响应（位移、速度和加速度）结构的最大地震响应（位移、速度和加速度） ，进而可求出结构的地，进而可求出结构的地 震力。对于多自由度体系，首先采用多自由度体系的反应谱理论，震力。对于多自由度体系，首先采用多自由度体系的反应谱理论， 即先利用模态分析法将多自由度体系分解为一系列广义单自由度体即先利用模态分析法将多自由度体系分解为一系列广义单自由度体 系，最后将各振型的最大值用一定的振型组合方法组合出结构的最系，最后将各振型的最大值用一定的振型组合方法组合出结构的最 大地震反应大地震反应 。由于反应谱方法基本正确地反映了地震动特性，并考。由于反应谱方法基本正确地反映了地震动特性，并考 虑了结构的动力特性，所以对于一般的结构而言，具有良好的精度，虑了结构的动力特性，所以对于一般的结构而言，具有良好的精度， 且概念明确，计算方便。且概念明确，计算方便。 地震地面运动是一个非平稳随机过程，而随机振动法充分考虑地震地面运动是一个非平稳随机过程，而随机振动法充分考虑 了地震发生的概率特性，所以普遍认为随机振动法是一种合理的分了地震发生的概率特性，所以普遍认为随机振动法是一种合理的分 析方法。但是，随机振动法的缺点是它的计算量庞大而且对于非线析方法。但是，随机振动法的缺点是它的计算量庞大而且对于非线 性问题可能引起较大的误差，在处理罕遇地震下的强非线性问题时性问题可能引起较大的误差，在处理罕遇地震下的强非线性问题时 有其局限性。有其局限性。 时程分析法是确定性动力分析方法的一种，是发展较为成熟、时程分析法是确定性动力分析方法的一种，是发展较为成熟、 应用较多的一种方法。由于这种分析方法是在离散时间点上一步一应用较多的一种方法。由于这种分析方法是在离散时间点上一步一 步地求响应的数值解，所以该法可以在任一时间点上随时修改结构步地求响应的数值解，所以该法可以在任一时间点上随时修改结构 参数，很适合于处理参数随时间变化的非线性问题。它既可虑地震参数，很适合于处理参数随时间变化的非线性问题。它既可虑地震 波的多维多点输入，还可以考虑结构几何非线性、物理非线性、非波的多维多点输入，还可以考虑结构几何非线性、物理非线性、非 比例阻尼和桩土结构相互作用等的地震反应。常用的积分方法比例阻尼和桩土结构相互作用等的地震反应。常用的积分方法 有线性加速度法。有线性加速度法。 （3 3）这里主要介绍比较先进的时程分析法：逐步积分数值方法）这里主要介绍比较先进的时程分析法：逐步积分数值方法 特别适用于计算大型结构在地震作用下的动力响应特别适用于计算大型结构在地震作用下的动力响应, ,其无需像振型叠其无需像振型叠 加法那样要预先花费很多的工作量计算频率和振型。此外加法那样要预先花费很多的工作量计算频率和振型。此外, ,由于计算由于计算 中考虑几何非线性大变形的影响中考虑几何非线性大变形的影响, ,本文中采用本文中采用 NewmarkNewmark 逐步积分方逐步积分方 法求解。法求解。tt 时间步内增量形式的振动平衡方程为：时间步内增量形式的振动平衡方程为： （4 4）注意：）注意： 1.1.在进行时程分析过程中，利用上述方法计算结构在进行时程分析过程中，利用上述方法计算结构 反应关键的是地震动的描述，即恰当地输入地震波。反应关键的是地震动的描述，即恰当地输入地震波。 2.2.分析和结果存在一定的局限性，即计算结果仅仅是选择地震分析和结果存在一定的局限性，即计算结果仅仅是选择地震 波的反应，若选择另外一条地震波，计算结果可能差别很大；波的反应，若选择另外一条地震波，计算结果可能差别很大； 3.3. 为得到结构反应的统计结果，必须对多条地震波进行分析，为得到结构反应的统计结果，必须对多条地震波进行分析， 工