结构动力学在抗震设计中的应用.doc

结构动力学在抗震设计中的应用一、结构动力学理论结构动力学，也称机械振动，作为固体力学的一个重要分支，被广泛应用于工程领域的各个学科，如航天、机械、能源、动力、交通、土木和工程力学等。结构动力学起源于经典牛顿力学，即牛顿质点力学，质点力学的基础是用牛顿第二定律来阐述的。在牛顿自然哲学的数学原理问世百年后，拉格朗日在总结发展成果后，发表了分析力学，为分析动力学奠定了基础，其主要内容就是今天的拉格朗日力学。随后哈密尔顿用正则方程来表达质点力学中的基本问题，形成了经典力学分析中的又一个分支哈密尔顿力学。综上可见，牛顿质点力学，拉格朗日力学和哈密尔顿力学是结构动力学基本理论体系的三大支柱。虽然结构动力学的理论体系在 19 世纪中叶就已建立，但与弹性力学类似，由于数学求解异常困难，能够用来解析求解的实际问题少之又少，而通过手算可完成的也仅仅限于几个自由度的结构动力体系。因此，在很长一段时间内，动力学的求解思想在工程实际中并未得到很好的应用，人们依然习惯于在静力学的范畴内用静力学的方法来解决工程实际问题。随着汽车、飞机等新型交通工具的出现，各种大型机械的创造发明以及越来越多的摩天大楼的拔地而起，工程界日新月异的发展和变化对工程师们提出了越来越高的要求，传统的只考虑静力荷载的设计理念和方法显然已跟不上时代的要求了。需求驱动有了，技术储备是否完备呢？1946 年第一台电子计算机 ENIAC 的出现使工程师们燃起了希望，的确之后的几十年中，结构动力学取得了长足的进展，大型结构动力体系数值求解成为可能，尤其是快速傅立叶变换（FFT）的引入，使得结构动力学分析与试验得以相互验证。结构动力学的基本体系和内容主要包括单自由度系统、多自由度系统和连续系统结构动力学。其中单自由度系统较为简单，我们也将以其为例，对其在地震工程中的应用加以阐述，其它两种系统则可看作是单自由度系统的扩展。二、结构动力学在建筑结构中的抗震分析（1）在建筑结构设计中考虑建筑结构的两个主轴方向地震作用，各方向的水平地震作用全部由该方向抗侧力构件承担。有斜角抗侧力构件的结构，当相交角大于15度时，宜分别考虑各抗侧力构件方向的水平地震作用。质量和刚度不均匀、不对称的结构，应考虑水平地震作用的扭转影响，同时应考虑双向水平地震的影响。不同方向的抗震力结构的共同构件，应考虑双向水平地震的影响。8度和9度时的大跨度结构、长悬臂结构等应考虑竖向地震作用。（2）进行建筑结构设计时，必须考虑的重力荷载。要考虑到当地震来临时使建筑物小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震要求。对结构构件承载力加以调整，主要考虑以下因素。结构动力学中动力荷载下材料比静力荷载下要高。地震时偶然作用，建筑结构的抗震可靠度要求可比承受其他荷载的可靠度要求低。（3）结构微振具有环境振动的随机性，结构在环境振源的激励下将产生复杂的响应，对建筑结构将产生破环。所以，结构抗震是结构设计中需要考虑的重要问题，尤其是对于城市交通附近的建筑结构设计，要控制结构微振，就要分析结构防微振性能，设计合理的防微振方案。目前对于结构防微振的分析多集中于设备隔振、减振措施及动力分析等方面。三、结构动力学在地震工程中的应用地球由地核、地幔和地壳组成，最外层的地壳薄弱处通常也是地震多发区。地球内部由于某种原因而产生的振动，以波的形式传递至地表并引起地面振动。其中，内部发生振动的地方称之为震源，震源在地表的投影称为震中，震源至地表的垂直距离称为震源深度。震源深度小于 60KM 的浅源地震危害最大。地震波中比较值得关注的是纵波和横波，质点振动方向与波的传递方向一致的波是纵波（压缩波），质点振动方向与波的传递方向垂直的波是横波（剪切V p波），纵波和横波波速之比为=2(1 -g )，即纵波先于横波到达地面，但真正V1 - 2gs造成损害的是横波。而所谓地震震级，表征了地震的强弱，通常 5 级以上地震才会造成破坏。针对地震灾害，我们需要进行结构抗震设防，做到：小震不坏、中震可修、大震不倒，从概念设计和构造措施上加以保证。例如，对于软土地基，由于固结度和稳定性较差，易发生沉降，可采用弹塑性变形验算加以保证；而硬土地基可采用隔震结构提高抗震性能。下面我们将结构动力学理论应用于单自由度系统，进行建模分析。单自由度体系在任意荷载作用下的受迫振动：建模：假定将一单层房屋集中为一个质点，将竖向构件质量集中至上下两端，忽略质量的扭转效应，按单自由度考虑。目标：计算地震作用下结构的内力，进行结构抗震设计。步骤：我们知道，一般动力荷载作用下的动力反应为：(1 + xwDt + w 26Dt 2 )xk = -(xgk + 2xwBk -1 + w 2 Ak -1 )xk = - 1s (xgk + 2xwBk -1 +w 2 Ak -1 )其中 s 为：三、总结本文阐述了结构动力学的相关理论和地震相关概念，并以单自由度系统为例，将结构动力学理论应用于地震工程中，进行建模分析，以期对工程实践有所指导，