《 结构动力学》第12章结构动力学专题.pdf

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结构动力学

(2003秋)

结构动力学

第十二章

结构动力学专题

第十二章结构动力学专题

本章简要介绍几个结构动力反应分析中的问题

◎荷载相关的Ritz向量

◎结构多维地震动输入问题

◎结构多点地震动输入问题

12.1荷载相关的Ritz向量

在多自由度分析的振型叠加法中,采用的振型向量是结

构的自由振动振型,这种振型仅与结构的性质有关,

而与外荷载无关。

在采用振型叠加法实际计算时,仅采用较低阶的若干个

振型进行叠加,忽略了高阶振型,对大型结构尤为如

此。这样,振型叠加法的收敛速度会受到外荷载作用

形式(分布形式)的影响,当外荷载引起的振动以低

阶振型为主时计算分析收敛快,而振动以高阶振型为

主时则收敛慢。另外,还可能存在对结构反应没有贡

献的低阶振型(如果实际反应中这阶振型不存在)。

12.1Ritz向量

右图给出一个具体的例子,

算例是一个五层均匀剪切框

架结构,分别考虑受到三种

分布不同的外力作用。当外

力引起的结构反应接近低阶

振型时,用振型叠加法分析,

采用数目很少的振型即可获

得精度良好的分析结果;但

如果外力激起的结构反应具

有较高振型,采用少量振型

的振型叠加法分析将导致较

大的误差。

12.1荷载相关的Ritz向量

由于传统振型叠加法的精度受荷

载分布形式影响很大,为克服振

型叠加法的这些缺点和提高振型

叠加法的收敛速度、提高精度,

提出了与外荷载相关的Ritz向量。

Ritz向量是根据结构的性质和外

荷载的分布形式来确定的,因此

在振型叠加法分析中,可以用

Ritz向量代替自由振动的振型,

使计算效率大为提高

右图也给出了同一算例采用Ritz

向量叠加法分析的结果。

12.1荷载相关的Ritz向量

可见当外力引起的结构变形接近于一阶

自振振型时,一般的自振振型叠加法收

敛很快,Ritz向量法与一般的振型叠加

法相比并无明显优势,虽然其模拟精度

仍比前者高,但很有限。当外荷引起的

振动包含更多的高振型信息时,Ritz向

量法的优势变得明显,特别是当结构顶

层和4层的荷载大小相同而作用方向相

反时,反应中的高阶振型分量非常多,

这时Ritz向量法明显优于一般的自振振

型叠加法。

但也要看到,如果采用了全部的5个振型,则无论传统的

振型叠加法还是Ritz向量法均可保证得到精确解。

12.1荷载相关的Ritz向量

Ritz向量的计算

如果外荷载为分布荷载,则可以表示成如下形式

{}{}

P(t)Sp(t)

其中{P(t)}为作用于结构上的外荷载向量,{S}为一与时

间无关的常向量,表示荷载的分布形式;p(t)是一标量,

为随时间变化的力函数。

实际问题中的很多荷载可以表示成分布荷载的形式,例

如地震荷载等。

利用{S}可以构造出系列正交的Ritz向量。

{}{}

12.1荷载相关的Ritz向量P(t)Sp(t)

(1)第1阶Ritz向量的计算

第1阶Ritz向量{ψ}1定义为由{S}作为静力作用在结构上引

起的静位移。

{}

[K]{y}1S

由上式求解静力问题得到{y},再将向量{y}按质量正交

11

标准化得到一阶Ritz向量

{}{y}1

ψ1T1/2

({y}[M]{y})

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