第一章结构动力学概述精要.ppt

结构动力学讲义 陈星烨 长沙理工大学 Tel.: Email: xych1225@aliyun.cn 教材《结构动力学》（杨茀康 人民交通出版社 张子明 清华大学出版社） 第一章、结构动力学概论 1.1 概述 1.2 基本概念 1.3 弹性系统的动力自由度 1.4 结构振动中的能量耗散-阻尼力 1.5结构运动方程的建立 1.1概述 首先请大家看中国唐山、日本阪神地震录像，希望能从中体会到学习结构动力学的重要性。更希望大家能学好结构动力学！ ?1940年7月1日，造型优美的塔科马钢铁大桥建成通车。大桥刚投入使用就出现上下起伏的振动，引得许多人驱车前往享受这种奇妙的感觉。11月7日晨7:00，顺峡谷刮来的8级大风带着人耳不能听到的振荡，激起了大桥本身的谐振。在持续3个小时的大波动中，整座大桥的上下起伏竟达1米之多。10:00时振动变得更加强烈了，其幅度之大简直令人难以置信。数千吨重的钢铁大桥由刚性变成了柔性，像一条缎带一样以8.5米的振幅左右来回起伏飘荡。高达数米的长长波浪在沉重的结构上缓慢爬行，从侧面看起来就像是一条正在发怒的巨蟒。在整个过程中共振在不断地逐渐加强，但是谁也想不到将会产生什么样的后果。结局本来是设计师们应该预料到的，现在它马上就要发生了。? ? ? ?? ?11:10，正在桥上观测的一位教授保证说：大桥绝对安全。可他话音刚落，大桥就开始断裂，教授沿着桥上的标志线安全地退了下来。就在这一瞬之间，桥上那承受着大桥重量的钢索在怪物般起伏的进攻下失去了束缚力，猝然而断。大桥的主体从天而降，整个拍落到万丈深渊。桥上的其他构件也难逃噩运，仿佛电影中的慢镜头一样，各种构件像巨人手中的玩具一样飞旋而去。当时正在桥中央的一名记者赶忙钻出汽车，拼命抓住桥边的栏杆，用手和膝盖爬行着脱了险。整座大桥坍塌了！车里的小狗和汽车一起从桥上掉落，成为这次事故的唯一牺牲者。 美国的TOCOMA大桥在风载下垮塌的案例 一、结构中的动力问题 工程中当结构物受到随时间而变的荷载作用时，结构将发生振动，当这种振动对结构的内力、变形有显著影响时，那么在结构设计时就必须认真考虑，使结构能承受这种影响。 二、结构的动力分析 结 构 动三 力阶 分段 析 的 结构模型分析 结构动力特性分析 连续模型分析偏微分方程 离散模型分析常微分方程 自由振动特性 获得频率与振型 强迫振动特性 获得结构响应 包括位移、应变、应力 结构的轴力、剪力、弯矩等 模型运动方程推导 达朗伯原理推导 拉格朗日方程或 哈密顿原理推导 1.2 基本概念 1、结构动力学的研究内容和任务 结构动力学是研究动荷作用下结构动力反应规律的学科。 1） 结构动力学的研究内容 当前结构动力学的研究内容可用下图表示 输出 （动力反应） 结构 （系统） 输入 （动力荷载） 第一类问题：响应分析——正问题 输入 （动力荷载） 结构 （系统） 输出 （动力反应） 第二类问题：参数（或称系统）识别 输入 （动力荷载） 结构 （系统） 输出 （动力反应） 第三类问题：荷载识别。二、三为反问题 输入 （动力荷载） 结构 （系统） 输出 （动力反应） 控制系统 （装置、能量） 第四类问题：控制问题 2 ）结构动力学的任务 结构动力学的任务是: 讨论结构在动力荷载作用下响应分析的方法。寻找结构固有动力特性、动力荷载和结构响应三者间的相互关系，即结构在动力荷载作用下的反应规律，为结构的动力可靠性（安全、舒适）设计提供依据。 3 ）与其它课程间的关系 首先，结构动力学要求较熟练掌握已学过的力学知识。其次，要求较好地掌握已学的数学知识（数学中未学的，在学习过程中将会介绍）。 结构动力学为工程结构的抗震、抗风设计等提供依据。结构动力学基本原理、方法适用于一切工程。 2、动力荷载及其分类 1）动力荷载是指：随时间变化（三要素），且作用结果使受荷物体质量的加速度（惯性力与外荷比）不可忽视，这种荷载称动力荷载，简称动荷。 自重、缓慢变化的荷载，其惯性力与外荷比很小，分析时仍视作静荷载。 静荷只与作用位置有关，而动荷是坐标和时间的函数。 2）动荷载可有多种分类方法，常见的是： 动荷载 确定 不确定 风荷载 地震荷载 其他无法确定变化规律的荷载 周期 非周期 简谐荷载 非简谐荷载 冲击荷载 突加荷载 其他确定规律的动荷载 3、动力分析方法 理论计算法 对所设计的结构建立数学模型，通过计算机计算从理论上验证设计是否满足动力性的要求。 试验量测法 用来检验数学模型的正确性，为理论计算提供确切数据。 试验与计算混合法 重要结构的动