桥梁动力学分析
物理桥梁建造的力学原理
物理桥梁建造的力学原理
物理桥梁建造的力学原理主要涉及三个方面：结构力学、静力学和动力学。
1. 结构力学：结构力学是研究物体在外力作用下的变形和破坏性质的学科。
在桥梁建造中，结构力学主要应用于设计桥梁的结构形式、尺寸和材料选择。
桥梁的主要负荷是桥梁自身重力和施加在桥梁上的交通荷载。
通过结构力学的分析和计算，可以确定桥梁的受力状况，保证桥梁的结构稳定和安全。
2. 静力学：静力学是研究平衡物体受力的学科。
在桥梁建造中，静力学主要应用于确定桥梁的受力平衡条件。
桥梁的受力平衡要求总的合力和合力矩均为零。
结合桥梁的结构形式和荷载情况，可以推导出桥梁各个部分的受力大小和方向。
静力学的应用可以帮助工程师确定桥梁的结构形式，选择合适的支座位置和设计桥墩、桥梁主梁等部件的尺寸。
3. 动力学：动力学是研究物体在运动时受力和运动规律的学科。
在桥梁建造中，动力学主要应用于研究桥梁结构在动态负荷作用下的响应。
动态负荷包括车辆行驶时的振动、空气风载和地震等外界激励。
通过动力学的分析和计算，可以确定桥梁结构的振动响应和应力状态，从而评估桥梁的工作性能和安全性。
综上所述，物理桥梁建造的力学原理涉及结构力学、静力学和动力学三个方面，通过这些原理的应用，可以确保桥梁的结构稳定、受力平衡和工作性能安全。
土木工程中桥梁动力特性分析的方法指导
土木工程中桥梁动力特性分析的方法指导桥梁是土木工程中重要的结构，用于连接两个地点并承载各种交通载荷。
在桥梁设计和施工过程中，了解桥梁的动力特性对于确保其安全和可靠性至关重要。
本文将介绍土木工程中桥梁动力特性分析的方法指导，以帮助工程师和设计师更好地理解和评估桥梁的行为。
1. 桥梁动力学模拟方法桥梁动力学模拟方法是桥梁动力特性分析的重要工具。
它利用数值模型和仿真技术，模拟桥梁在不同荷载下的动态响应。
其中，有限元法是一种常用的桥梁动力学模拟方法。
通过将桥梁划分为有限个小单元，建立桥梁结构动态方程，可以计算桥梁的振动频率、振型和动力响应等重要参数。
2. 模态分析模态分析是桥梁动力特性分析的基本方法之一。
它通过计算桥梁的固有频率和振型，来了解桥梁在自由振动状态下的动态特性。
通过模态分析，可以确定桥梁的主要振型及其对应的固有频率，从而为桥梁的设计和施工提供指导。
3. 响应谱分析响应谱分析是桥梁动力特性分析的另一种重要方法。
它通过建立地震作用下桥梁的动力方程，计算桥梁在地震作用下的动态响应。
响应谱分析考虑了地震的频谱特性，可以准确评估桥梁在地震荷载下的动态性能。
这对于位于地震活跃区域的桥梁来说尤为重要。
4. 动车组荷载分析在高速铁路桥梁设计中，动车组的荷载是必须要考虑的因素。
动车组荷载分析是桥梁动力特性分析的一个重要方面。
它通过建立动车组、铁轨和桥梁的耦合动力方程，计算桥梁在动车组荷载下的动态响应。
通过动车组荷载分析，可以评估桥梁在高速列车行驶过程中的振动和动态行为。
5. 风荷载分析风荷载是桥梁设计中必须考虑的一个重要荷载。
风荷载分析是桥梁动力特性分析的一个重要内容。
它通过建立桥梁在风荷载作用下的动力方程，计算桥梁在风荷载下的振动和变形。
风荷载分析对于桥梁的抗风设计和结构安全性评估具有重要意义。
6. 动力响应监测动力响应监测是桥梁动力特性分析的重要手段之一。
通过在桥梁上设置传感器，如加速度计和应变计等，可以实时监测桥梁的动力响应。
直线大桥的原理及应用实例
直线大桥的原理及应用实例1. 简介直线大桥是一种常见的桥梁结构，它的主要特点是桥梁主体呈直线形状。
在工程实践中，直线大桥得到了广泛的应用，它不仅具有较高的承载能力，还能够满足大跨度桥梁的设计需求。
本文将介绍直线大桥的原理以及一些实际应用实例。
2. 原理直线大桥的设计原理主要包括结构力学和材料力学两方面。
2.1 结构力学在直线大桥的设计中，结构力学起着重要的作用。
它通过对桥梁受力情况的分析，确定桥梁的结构形式、材料以及截面大小等参数。
具体来说，结构力学主要包括以下几个方面的内容：•静力学：静力学通过平衡分析，确定桥梁结构中各个部分的受力情况。
在直线大桥的设计中，静力学可以帮助我们分析桥梁的承载能力和安全性。
•动力学：动力学研究物体在作用力下的运动规律。
在直线大桥的设计中，动力学可以帮助我们分析桥梁受到外界荷载时的振动情况，从而保证桥梁的稳定性和安全性。
•变形分析：变形分析研究桥梁在受力下的变形情况。
在直线大桥的设计中，变形分析可以帮助我们确定桥梁材料的选取和截面尺寸的设计。
2.2 材料力学直线大桥的设计还需要考虑材料的力学特性。
常见的桥梁材料包括混凝土、钢材和复合材料等。
材料力学主要研究材料的应力-应变关系、破坏机制等，从而确定材料的强度和刚度等参数。
3. 应用实例直线大桥在实际工程中有着广泛的应用。
以下是一些直线大桥的应用实例：3.1 长江大桥长江大桥是世界上最长的直线大桥之一，它横跨中国长江，连接江苏南京和江苏镇江两个城市。
该大桥采用桁架结构，并由钢铁材料制成。
长江大桥不仅起到了交通枢纽的作用，还成为了当地的地标性建筑。
3.2 东京湾大桥东京湾大桥位于日本东京湾，是一座大跨度的直线大桥。
它采用了斜拉桥的结构形式，通过索塔和斜拉索将桥面承载的荷载传递到桥墩上。
该大桥不仅改善了东京湾地区的交通状况，还成为了重要的旅游景点之一。
3.3 港珠澳大桥港珠澳大桥是中国广东省珠海市、澳门和香港之间的一座直线大桥。
结构动力学中的桥梁振动分析
结构动力学中的桥梁振动分析结构动力学是研究结构物在外力作用下的运动规律和动力响应的学科，桥梁振动分析则是结构动力学中一个重要的研究领域。
桥梁作为重要的交通工程构筑物，其振动特性对桥梁结构的安全性和使用寿命有着举足轻重的影响。
在本文中，我们将探讨结构动力学中的桥梁振动分析的方法和应用。
I. 桥梁振动的基本概念桥梁振动是指桥梁结构在受到外力作用后发生的振荡现象。
振动一般可分为自由振动和强迫振动两种类型。
自由振动是指桥梁在无外界干扰作用下的自身振动，其频率和振型由桥梁的固有特性决定。
而强迫振动是指桥梁受到外力激励后的振动，外力的频率可能与桥梁的固有频率一致或不一致。
II. 桥梁振动分析的方法1. 等效刚度法等效刚度法是一种常用的桥梁振动分析方法。
它将桥梁视为一根等效梁，通过对等效梁的刚度特性进行建模和计算，得到桥梁的动态响应。
等效刚度法适用于简化桥梁结构的复杂性，快速获取桥梁的动态特性。
2. 有限元法有限元法是一种较为精确的桥梁振动分析方法。
它将桥梁结构进行离散化，将结构划分为许多小单元，在每个小单元中建立动力学方程，并求解整个结构的动态响应。
有限元法适用于复杂桥梁结构的振动分析，可以考虑各种边界条件和非线性因素的影响。
III. 桥梁振动分析的应用1. 桥梁设计桥梁振动分析可以帮助工程师评估桥梁结构的稳定性和安全性。
通过分析桥梁的自由振动频率和振型，可以选择合适的结构参数，减小桥梁的共振效应，提高桥梁的抗震性能。
2. 桥梁监测桥梁振动分析可以用于桥梁的实时监测和健康评估。
通过监测桥梁的动态响应，可以发现结构的异常变形和疲劳损伤，及时采取修复措施，保证桥梁的安全使用。
3. 桥梁改造桥梁振动分析可以用于桥梁的改造和加固设计。
通过分析桥梁的动态响应，可以确定需要加固的部位和加固措施的方案，提高桥梁的承载能力和使用寿命。
IV. 振动控制技术随着科学技术的发展，振动控制技术在桥梁工程中逐渐得到应用。
主动振动控制技术和被动振动控制技术是两种常见的振动控制方法。
桥梁结构的动力学特性分析
桥梁结构的动力学特性分析桥梁是连接两个地理位置的重要交通设施，其稳定性和可靠性对交通运输的安全至关重要。
为确保桥梁结构的合理设计和使用，动力学特性分析是不可或缺的一项工作。
本文将对桥梁结构的动力学特性进行分析，并探讨其在桥梁工程中的应用。
1. 动力学特性的定义桥梁结构的动力学特性是指桥梁在受到外力作用下的运动规律和响应特性。
包括桥梁的固有频率、振型形态、自由振动和阻尼等内容。
通过分析桥梁的动力学特性，可以评估其抗风、抗震、抗振动等能力，为桥梁的设计、施工和维护提供依据。
2. 动力学特性分析的方法（1）模态分析：模态分析是一种常用的动力学特性分析方法，通过求解桥梁结构的振型形态和固有频率，得出结构的模态参数。
模态分析可以帮助设计师确定桥梁的固有振动频率，避免共振现象的发生，提高桥梁的稳定性。
（2）动力响应分析：动力响应分析是通过施加外力荷载，研究桥梁结构的动态响应行为。
通过对桥梁在不同荷载条件下的动态响应分析，可以评估桥梁的结构响应和变形情况，为桥梁结构的安全评估和设计提供依据。
3. 动力学特性分析的应用（1）抗风设计：桥梁结构在面对风荷载时容易发生振动，因此抗风设计是桥梁工程中的重要问题之一。
通过动力学特性分析，可以评估桥梁的固有振动频率和阻尼比，确定合理的抗风设计参数，提高桥梁的稳定性和抗风性能。
（2）抗震设计：地震是危及桥梁结构安全的主要自然灾害之一。
通过动力学特性分析，可以评估桥梁在地震作用下的动态响应和变形情况，确定合理的抗震设计参数，确保桥梁在地震中的安全性。
（3）振动控制：在某些情况下，桥梁的振动可能会对周围环境产生不利影响，如引起噪音、疲劳破坏等。
通过动力学特性分析，可以了解桥梁的振动特性，并采取相应的振动控制措施，降低桥梁振动对周围环境的影响。
总结：桥梁结构的动力学特性分析对于桥梁的设计、施工和维护具有重要意义。
通过分析桥梁的动力学特性，可以评估桥梁在受到外力作用下的响应和变形情况，为桥梁的抗风、抗震和抗振动设计提供依据。
桥梁的设计原理
桥梁的设计原理
桥梁的设计原理是基于力学原理和材料力学原理的结合。
力学原理包括静力学和动力学。
静力学是研究物体静止或平衡的力学学科，对于桥梁的设计，需要考虑桥梁自重和荷载所施加的力是否平衡，以保证桥梁的稳定性。
动力学是研究物体运动的力学学科，对于桥梁的设计，需要考虑桥梁受到风力、地震力等外部力的影响，以保证桥梁的安全性。
材料力学原理是指材料的力学性能对于桥梁设计的影响。
不同材料（如钢材、混凝土等）具有不同的力学性能，需要根据桥梁的用途和跨度选择合适的材料。
在桥梁设计中，需要考虑材料的强度、刚度和耐久性等因素，以确保桥梁在使用过程中能够承受荷载并保持稳定。
此外，桥梁设计还需要考虑桥梁的几何形状，如桥梁的跨度、支座位置等。
这些几何参数的选择与桥梁的结构形式（如梁桥、拱桥、斜拉桥等）密切相关，需要综合考虑力学原理和材料力学原理，以确定合适的桥梁形式。
在桥梁的设计过程中，还需要考虑施工与维护的因素。
施工阶段需要考虑各种施工工艺和施工装备的选择，以确保施工的顺利进行。
维护阶段需要考虑桥梁的定期检查和维修，以确保桥梁的安全可靠使用。
总之，桥梁的设计原理是基于力学原理和材料力学原理的结合，
需要考虑桥梁的稳定性、安全性、材料性能等因素，以确保桥梁具有良好的承载能力和使用寿命。
对称式连续刚构桥动力性能分析及试验验证
对称式连续刚构桥动力性能分析及试验验证摘要：连续刚构桥是墩梁固结的连续梁桥，与同类桥型相比，连续刚构桥保持了上部构造连续梁的属性，但是跨越能力更大，施工难度小，行车舒顺，养护简便，造价较低，因此近些年在公路建设中得到了广泛应用。
多跨连续刚构桥在主跨跨中设铰，两侧跨径为连续体系，可利用边跨连续梁的重量使t构做成不等长悬臂，以加大主跨的跨径。
典型的连续刚构体系为对称布置，采用平衡悬臂施工方法修建，但是有时由于地域条件的限制，连续刚构体系有时也采用非对称布置。
由于连续刚构桥与普通的桥型（如连续t梁）相比，主跨跨径较大，受汽车荷载作用的时间长，车桥耦合振动明显。
因此本文以金沙特大桥为背景，对该桥的动力性能进行有限元分析计算，同时进行试验验证，以此得出一些有益于对称式连续刚构桥的结论与建议，同时为桥梁运营以后的健康检测和状态评估提供可靠的参考依据。
关键词：连续刚构有限元分析荷载试验动力性能中图分类号：u448.23 文献标识码： a 文章编号：1. 工程概况：金沙特大桥主桥的孔跨布置为86m+160m +86m，主桥采用变截面预应力混凝土连续刚构箱梁，设计荷载为公路-i 级，桥面宽度为11.0m（行车道）+2×0.5m（防撞护栏），地震动峰值加速度取值为0.05g，桥面纵坡为单向2.5%。
主桥桥跨布置见图1，主桥结构横断面布置见图2。
图1主桥桥跨布置图（单位：cm）图2主桥结构典型断面布置图（单位：cm）有限元分析及计算结果采用大型通用有限元分析软件midas建立了该桥的计算模型并对其动力性能进行了分析。
在建模过程中，结合混凝土的材料特性和连续刚构桥的受力特点，为准确、全面分析该桥的动力特性，建模过程中主要考虑了以下几方面的工作：（1）主梁和墩柱混凝土的强度一样，均采用c55设计强度。
（2）主梁和墩柱交接处需采用刚域条件进行设置，以保证计算更加接近实际受力情况。
同时注重模型边界条件的设置，本桥模型墩柱底部采用固结，两跨边梁端部采用铰接。
桥梁结构的动力响应与振动控制
桥梁结构的动力响应与振动控制桥梁作为重要的交通基础设施，承载着人们出行的重要任务。
然而，由于交通运输的振动荷载和环境的影响，桥梁结构会产生动力响应和振动现象。
合理控制桥梁结构的动力响应和振动，对于确保桥梁运行的安全、舒适和持久具有重要意义。
一、桥梁结构的动力响应桥梁结构的动力响应是指在受到外界动力荷载作用下，桥梁内部结构相应的振动情况。
桥梁的动力响应直接影响到结构的安全性和行车的舒适性。
传统的静力分析方法无法准确预测桥梁结构的动力响应，因此需要采用动力学分析方法。
桥梁结构的动力响应受到多种因素的影响，包括荷载的频率、振幅、周期等。
其中，交通荷载是桥梁结构的主要外力荷载之一。
交通荷载的频率范围宽泛，跨越了很多频率段，从人行步态的低频振动到车辆冲击的高频振动。
此外，风荷载、地震荷载等也会对桥梁结构的动力响应产生重要影响。
二、桥梁结构的振动控制为了减小桥梁结构的动力响应，保证桥梁的安全性和行车的舒适性，需要进行振动控制。
桥梁结构的振动控制主要包括主动控制和被动控制两种方法。
主动控制是指采用主动力学控制器，通过对桥梁结构施加控制力，减小结构振动。
主动控制系统通常由传感器、执行器和控制器组成。
传感器用于感知结构的振动状态，控制器根据传感器信号计算出控制力指令，执行器通过施加控制力对结构进行振动控制。
主动控制系统具有高度灵活性和精确性，但是也面临着能耗较大、控制系统复杂等问题。
被动控制是指通过改变桥梁结构的刚度、阻尼等特性，减小结构振动。
被动控制系统主要包括减振器、隔振系统等。
减振器根据振动的特点和频率设计，通过吸收或转化振动能量来减小结构振动。
隔振系统通过隔离桥梁结构和荷载，降低外界荷载对桥梁结构的影响。
被动控制系统相对于主动控制系统而言成本更低，并且对控制能源要求较小，但是对振动特征和参数的要求较高。
三、桥梁结构动力响应与振动控制的应用桥梁结构动力响应与振动控制的研究和应用在实际工程中具有重要意义。
首先，动力响应分析可以帮助工程师更好地了解桥梁结构的振动特性，确定结构的设计参数，确保结构在设计荷载下的安全性。
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vej (Qe j)
u ie e vi e e δ i zi e δ (t ) e e δ j u j v ej e zj
(e), l
uie ( N ie )
o
uej ( N e j)
The first difference to be noted, by definition, is the timevarying nature of the dynamic problem-response history.
The second and more fundamental distinction between static and dynamic problems is illustrated in Fig.1
e j zie (Mzi )
x
z
i
平面梁单元
1）单元位移模式 单元位移模式用于确定单元内任一点位移与单元结点位移 δ e (t ) 之间的 关系，可由平衡微分方程及边界条件导得。假定梁单元的静力位移分布 模式可近似地用于动力分析，局部坐标系下梁内一点(x,y)处的纵向位移 u ( x, y, t ) 和横向位移 v( x, y, t ) 可通过单元结点位移表示为
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均匀质量梁的固有振动
Y (t) 2Y(t) 0
Y(t) Acost Bsint Y (0)cost
(0) Y
Bsint
iv(x) 4(x) 0
(x) A1sinx A2cosx A3 sinhx A4coshx
iv (x)Y(t)
m (t) 0 (x)Y EI
Y (t) 2Y(t) 0
(t) iv (x) m Y 0 (x) EI Y(t) iv (x) mY (t) 4 (x) EI Y(t)
2
4 EI
m
iv(x) 4(x) 0
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均匀质量梁的固有振动
考虑均质梁的自由振动，EI(x)，m(x) 为常量EI，m。自由振动方程可以表示为:
4 v(x,t) 2 v(x,t) EI m 0 4 2 x t
v iv (x, t) m (x, t) 0 v EI
v(x,t) ( x)Y (t )
对称 2I l2 z 105 15A 0 I 13l z 420 10Al I l2 z 140 30A
1 3
13 6 I z 0 35 5 Al 2 I 11l 0 z 210 10Al
140 0 2 156 (rz l ) 1 22l Al 0 Me 0 420 70 0 Iz 54 2 回转半径 rz A 0 13l 2I l2 z 105 15A
5 EI 384
ql4
N1 N q
si EAi
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动力分析的有限元列式
运动方程是结构动力分析的基础，它可以通过d’Alembert原理、虚功原理和Hamilton原 理(变分法)等方法来建立。 y
局部坐标系下梁单元的运动方程
vie (Qie )
e e zi (M zi )
所求等值梁的抗弯刚度EI由桁梁与等值梁在最大特性点处的挠度相等这一条件来决定，对于简支梁， 取跨中挠度相等为条件，
s 5 ql4 N1 N q i 384 EI EAi
q为桁架自重，假定为常数，s为杆长；N1为单位荷载作用在跨中时的桁架杆力，Nq为自重荷载作用 在跨中时的桁架杆力，由此得到等值梁的抗弯刚度为：
其中：
1 1 3 2 2 3 2 2 2 3 3 3 2 2 3 4 2 3 yl d ( ) i( ) i d xl
，对第一式求导得
2）几何方程
Cδ Kδ P(t ) Mδ
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质量矩阵 质量矩阵(Mass Matrix) 离散多自由度系的质量矩阵由单元质量矩阵经组集而成。单元质量矩阵按形成方式的不同，可分为一致质 量矩阵和集中质量矩阵。
1）一致质量矩阵(Consistant Mass Matrix)
经变换：
R 0 ai
l
i 1， 2，
其中：
R EI(Y ) dx -
2 0
2
mY
0
l
2
dx
由此得到一个包含系数和频率的方程组（频率方程），求解之可得到频率和振型：
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结构基频的近似计算法
二、等值梁法
在计算桁梁的固有频率时，我们常用与桁梁刚度相等的常截面实腹梁来替代，按上述方法计算其频率。
4l 2 0 13l 3l 2
对称 140 0 156 0 22l 4l 2
采用与计算单元刚度矩阵相同的位移分布模式导出的梁单元质量矩阵称为一致质量矩阵。它是从分布质量 出发而建立起来的矩阵。如下式所示：
M e (N e ) T (N e )d
1 3 0 0 e M Al 1 6 0 0
13 6 I z 35 5 Al 2 I 11l z 210 10Al 0 6I z 9 70 5 Al 2 I 13l z 420 10Al
A1~A4，由均匀梁的边界条件确定. 对于简支梁
(0) 0 (L) 0
M (0) EI (0) 0 M ( L) EI ( L) 0
1 2
EI mL4
EI m L4 EI m L4
n (x) A1 sin
4 2
n x L
n 1, 2,
M e (N e ) T (N e )d
结构运动方程
按有限元方法的一般步骤，将局部坐标系下的单元刚度矩阵和质量矩阵进行坐标变换后即得整体坐标系下的单 元刚度矩阵和质量矩阵，再将所有单元的刚度矩阵和质量矩阵予以组集，依据各结点上力的平衡条件，即得整个结 构的无阻尼运动方程 Kδ P(t ) Mδ 采用粘滞阻尼的假定，即假定阻尼力与速度成正比，则结构系统的有阻尼运动方程为
1
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动力分析的有限元列式
3）物理方程
就我们考虑的情况，由虎克定律
4）局部坐标系下的运动方程
ζ e xx E xx
，由虚功原理有
(ε
e T *
e T e T e e )d (δ * ) ζ e d (u * ) ( u ) F
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结构基频的近似计算法 2. 李兹(Ritz)法 Ritz(1909)：把梁的固有振动表示为多个函数的组合，
Y(x) a11 ( x) a22 ( x)
为了选取合适的系数以得到更好的近似，要求：
2 0 ai
i 1 ， 2，
当系统发生固有振动时，其动能和势能反复交换。根据能量守恒，对于保守系统，有：
U( 势能 ) T( 动能 ) C
若把梁的固有振动表示为：
v(x,t) aY ( x)sin(t )
则体系的势能和动能分别为：
U T
l 1 l 1 2 2 2 2 EI(x)( v ) dx a sin ( t ) EI(x)( Y ) dx 0 0 2 2 l 1 l 1 2 2 2 2 m(x)( v ) dx a cos ( t ) m(x) Y dx 0 0 2 2
e T e T (u* ) (δ* ) (N e ) T
e e N e u δ
e T e T (ε * ) (δ* ) (B e ) T
ζ e Eε e EB eδ e
e K eδ e F e M eδ
K e (B e ) T E (B e )d
略去剪应变的影响，只计入由于轴向变形和弯曲变形引起的正应变 xx
ε e xx Beδ e (t )
1 B e 1 2 l
1 3 4 l
6 (1 2 ) l 2 2 ( 2 3 ) 6 3 (1 2 ) l 4 2 (1 3 )
N ie e Qi e e Fi M zi e F (t ) e e F j Nj Qe j e M zj
u ( x, y, t ) u N eδ e (t ) v( x, y, t )
2 4 2
n EI 4 EI n n 4 mL L m
3 9 2
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均匀质量梁的固有振动
边界条件
特征方程及根
A1
A2
A3
A4
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结构基频的近似计算法
一、能量法
1. 瑞利(Rayleigh)法
e
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动力分析的有限元列式
1 Ne 0 ( )l 1( ) 2 ( ) 4 ( )l 3 0 3 ( ) l 4 ( )
型函数矩阵：
1 ( )
l 2 ( )
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桥梁动力分析
2. Fundamentals of Dynamic Analysis