地震工程学 - 第五章结构动力特性
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抗震设计，这可不是闹着玩儿的。
咱们得认真对待，毕竟这关系到人们的生命财产安全。
结构动力学，听起来挺高大上的，其实它就是研究结构在动力作用下的响应和性能的一门科学。
在抗震设计中，它可是个大拿。
咱们先说说结构动力学的基本原理。
简单来说，就是当建筑物受到地震力作用时，它会怎样震动，震动的幅度有多大，以及这种震动会不会导致结构损坏。
这些都得靠结构动力学来分析。
通过建立数学模型，我们可以模拟出结构在地震作用下的动态响应，从而预测可能出现的问题。
在实际应用中，结构动力学能帮助工程师设计出更安全、更可靠的建筑。
比如，通过动力分析，我们可以确定建筑的自振频率和振型，这对于避免共振现象至关重要。
共振这东西，一旦发生，那破坏力可是巨大的。
所以，通过动力学分析，我们可以调整结构设计，避免共振，确保建筑在地震中的稳定性。
再比如，结构动力学还能帮助我们评估不同材料和结构形式对地震力的响应。
不同的材料，比如钢筋混凝土、钢结构、木结构等，它们在地震中的表现是不一样的。
通过动力学分析，我们可以选择最适合的材料和结构形式，以达到最佳的抗震效果。
当然，结构动力学在抗震设计中的应用远不止这些。
它还能帮助我们进行结构的加固和改造。
对于老旧建筑，我们可以通过动力学分析，找出结构的薄弱环节，然后有针对性地进行加固。
这样，即使在地震发生时，也能最大程度地减少损失。
在进行结构动力学分析时，我们通常会用到一些专业的软件。
这些软件能够模拟出结构在地震作用下的动态响应，帮助工程师进行精确的计算和评估。
当然，这些软件的使用可不是随便点点鼠标那么简单，需要工程师有扎实的理论基础和丰富的实践经验。
说了这么多，其实结构动力学在抗震设计中的应用，归根结底就是一句话：为了安全。
我们通过科学的方法，尽可能地预测和防范地震带来的风险，保护人们的生命财产安全。
这不仅仅是一份工作，更是一份责任，一份对社会、对人民的责任。
最后，我想强调的是，结构动力学虽然复杂，但它是我们抗震设计中不可或缺的一部分。
结构动力学研究
结构动力学研究一、引言结构动力学研究是一门研究结构在外部作用下的响应行为的学科，主要研究结构的振动、动态响应、动力特性等问题。
它对于建筑物、桥梁、飞机、汽车等工程结构的设计、分析和优化具有重要意义。
本文将从动力学的基本概念入手，介绍结构动力学研究的相关内容。
二、动力学基础1. 动力学概述动力学是研究物体在外力作用下的运动规律的学科，它包括静力学和动力学两个方面。
静力学研究物体在平衡状态下的力学行为，而动力学研究物体在受到外力作用时的运动行为。
2. 振动与谐振振动是物体在固有频率下的周期性运动，谐振则是指物体在受到与其固有频率相同的外力作用下振幅不断增大的现象。
谐振现象在结构动力学中具有重要意义，需要进行合理的设计和控制，以避免结构破坏。
三、结构动力学分析方法1. 动力学方程结构动力学方程是描述结构在外力作用下的运动行为的数学模型，常用的动力学方程有牛顿第二定律方程和拉格朗日方程。
通过求解动力学方程，可以获得结构的振动响应。
2. 模态分析模态分析是结构动力学研究中常用的分析方法，它通过求解结构的特征方程和特征向量，得到结构的固有频率和振型。
模态分析可以帮助工程师了解结构的振动特性，为结构设计和优化提供依据。
3. 动力响应分析动力响应分析是研究结构在外力作用下的动态响应行为的方法。
通过施加不同的外力，可以得到结构在不同工况下的响应结果，如位移、速度、加速度等。
动力响应分析可以帮助工程师评估结构的安全性和稳定性。
四、结构动力学应用1. 地震工程地震是结构动力学研究中重要的外力作用，地震工程旨在研究结构在地震作用下的响应行为，以保证结构的安全性。
地震工程需要进行地震响应分析、地震动力试验等研究，以提高结构的抗震能力。
2. 振动控制振动控制是结构动力学研究的一个重要方向，它旨在通过合理的控制手段减小结构的振动响应。
常用的振动控制方法包括质量阻尼器、液体阻尼器、主动控制等。
振动控制技术的应用可以提高结构的舒适性和安全性。
结构动力学理论及其在地震工程中的应用（可编辑）
结构动力学理论及其在地震工程中的应用一、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。
地震工程学
back
地震动观测仪器
两种仪器——地震仪与强震仪
• 二者不同点 • 二者共同点
拾震器
–运动方程——用拾震器的位移表示地面运动
放大器
记录器
mx’’+cx’+kx=-mxg’’
x’’+2EWx’+W2x=-xg’’
仪器
地震类型
按成因（构造EQ、火山EQ、陷落EQ、诱发EQ） 按发震位置（板边EQ、板内EQ） 按震源深度（浅源EQ、中源EQ、深源EQ） 按地震序列（主震余震型、震群型、单发型）
back
2.4 几个有关名词
震源 • 震中 • 震源深度 • 震源距 • 震中距
back
2.5 地震分布
20
25
30
35
40
t (s)
back
频谱特性
三种谱表述方法 简要评价
back
三种谱表述方法
傅立叶谱 功率谱 反应谱
back
a(t) (m/s2)
傅立叶谱
2.5 1.5 0.5 -0.5 -1.5 -2.5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t (s)
y(t)=sigma{Aisin(Wit+Qi)}
傅立叶变换
Ai
Qi
Wi
Wi back
反应谱
单自由度弹性体系的地震反应 反应谱的定义 反应谱的性质 反应谱的种类 反应谱的影响因素及规律
back
单自由度弹性体系的地震反应
单自由度弹性体系
结构动力学理论及其在地震工程中的应用
结构动力学理论及其在地震工程中的应用结构动力学（StructuralDynamics）是指研究结构物受外力影响时所产生的动态响应的一门学科。
结构动力学理论是工程力学中的一个重要研究方向，其研究内容涉及结构物力学特性、物理性能、振动响应等方面。
结构动力学理论与地震工程密切相关，在地震工程中有着重要的应用。
由于地震灾害多发于地震活跃区，而地震对结构物的影响是一种级数变化的过程，在各个阶段的振动具有不同的特征，所以对结构物的振动响应变化是有必要去全面地去研究的。
结构动力学理论就是用来研究结构物受外力影响时所产生的动态响应的理论。
因此，结构动力学理论在地震工程中可以被用来分析地震灾害发生时结构物的振动响应，从而有效地控制和减少振动对结构物造成的损伤，实现抗震。
结构动力学理论在地震工程中的应用主要有三个方面：一是地震动力学分析，即地震动作用下结构物的动力分析，采用结构动力学理论可以有效地估算结构物在地震作用下的振动、变形、受力等物理参数；二是地震防护结构设计，即对结构物进行地震防护结构设计，采用结构动力学理论可以有效优选地震防护措施，设计抗震性能更优的防护结构，从而减少地震破坏的可能性；三是地震控制，即采取各种措施控制地震作用下结构物的振动，采用结构动力学理论可以有效地设计抗震降谐装置，以阻抗地震震动对结构物的损伤。
总之，结构动力学理论及其在地震工程中的应用是地震灾害控制与防治方面的重要理论依据，其正确运用可以有效地控制和减少地震破坏的可能性，是实现抗震的重要技术手段。
在实际工程中，在防治地震灾害之前，必须充分利用结构动力学理论，做到实施有效的抗震设计。
以上就是有关结构动力学理论及其在地震工程中的应用的讨论。
由此可见，结构动力学理论在地震工程中的应用是不可或缺的，是地震灾害防治中的重要手段。
未来，结构动力学理论必将受到越来越多的关注，对抗震的研究也将更加深入，为提高地震灾害防治水平做出贡献。
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首先，结构动力学可以用于地震响应分析。
地震是结构最常见的外力作用之一，因此进行地震响应分析对于设计抗震结构至关重要。
结构动力学可以通过建立结构的数学模型，利用数值方法求解结构在地震荷载下的响应，包括结构的位移、速度、加速度等。
这些结果可以帮助工程师评估结构在地震中可能发生的损伤程度，从而指导抗震设计的优化。
其次，在抗震设计中，结构动力学可以用于预测结构的抗震性能。
通过对结构的地震响应进行分析，可以得到结构的动力特性，如固有周期、阻尼比等。
这些特性可以用来评估结构的抗震性能，比如通过比较结构的固有周期与预计地震的周期，判断结构的共振情况。
此外，结构动力学还可以进行结构的可靠度分析，通过考虑结构的不确定性，评估结构在地震荷载下的可靠性，进而指导设计和改进。
另外，结构动力学在抗震设计中可以用于优化结构的抗震性能。
通过分析结构的地震响应特性，可以评估结构存在的薄弱点，如刚度不均匀、节点连接不牢固等。
然后，可以采取一系列措施来改进结构的抗震性能，比如增加结构的抗倾覆能力、加强结构的刚度和耐震性能等。
结构动力学可以帮助工程师评估不同的设计方案，并选择最优的方案。
最后，结构动力学还可以用于抗震设备的设计。
在地震中，一些特殊的设备，比如液压减震器、摆锤等可以起到减震和消能的作用。
通过结构动力学的分析，可以确定这些抗震设备的设计参数，使其能够有效地减小地震对结构的影响，保护结构免受严重损坏。
综上所述，结构动力学在抗震设计中起着重要的作用。
通过结构动力学的分析，可以预测和评估结构在地震中的响应和性能，并通过优化设计方案和采用适当的抗震设备来提高结构的抗震能力。
因此，结构动力学是抗震设计不可或缺的工具。
但需要指出的是，结构动力学的应用在实际工程中仍需结合经验和现场实测数据进行综合分析和判断，以确保结构的安全和可靠性。
特征周期,自振周期
自振周期与特征周期默认分类2010-01-24 20:59:28 阅读583 评论1 字号：大中小订阅自振周期:是结构本身的动力特性。
与结构的高度H,宽度B有关。
当自振周期与地震作用的周期接近时,共振发生,对建筑造成很大影响，加大震害。
特征周期：是建筑场地自身的周期，抗震规范中是通过地震分组和地震烈度查表确定的。
结构的自振周期顾名思义是反映结构的动力特性，与结构的质量及刚度有关，具体对单自由度就只有一个周期，而对于多自由度就有同模型中采用的自由度相同的周期个数，周期最大的为基本周期，设计用的主要参考数据！而特征周期是，在地震影响系数曲线中，水平段与下降段交点的横坐标，反映了地震震级，震源机制（包括震源深度）、震中距等地震本身方面的影响，同时也反映了场地的特性；如软弱土层的厚度，类型等场地类别，所以我认为特征周期同时反映了地震动及场地的特性！它在确定地震影响曲线时用到！1.特征周期：是建筑物场地的地震动参数——由场地的地质条件决定；2.自振周期有结构子身的结构特点决定——用结构力学方法求解；（主要指第一振型的主振周期）3.结构的自振周期主要是避免与场地的卓越周期重合产生共振；4.卓越周期与特征周期有关；卓越周期由场地的覆盖土层厚度和土层剪切波速计算求解（见工程地质手册）。
设计特征周期:抗震设计用的地震影响系数曲线中,反映地震等级,震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值.-----根据其所在地的设计地震分组和场地类别确定.详见抗震规范.自振周期:是结构本身的动力特性.与结构的H,B有关.当自振周期与地震作用的1/f接近时,共振发生,对建筑造成很大影响.另外：目前就场地的有关周期，经常出现场地脉动(卓越)周期，地震动卓越周期和反应谱特征周期等名词。
就以上3个周期概念来说，其确切的含义是清楚的，场地脉动周期是在微小震动下场地出现的周期，也可以说是微震时的卓越周期；地震动卓越周期是在受到地震作用下场地出现的周期，一般情况下它大于脉动周期(一般1.2～2.0)。
《结构地震反应分析》课件
独立杆系的抗震设 计
• 采用独立杆系进行抗 震设计
• 考虑纵向和横向的地 震力作用
地震隔震与减震设 计
• 使用隔震设备减少地 震荷载传递
• 采用减震器减小结构响应
6. 结构设计软件分析与实例
结构设计软件及其应用
介绍相关的结构设计软件以及它们在地震反应分 析中的应用。
通过实例了解结构地震反应分析过程
4. 地震响应分析方法
1
地震动输入与结构响应输出
地震动作为输入，通过分析方法得到结构的响应结果。
2
结构反应分析的几种方法
有模态分析、时程分析、谐波分析等多种分析方法可用于结构地震反应分析。
3
非线性反应分析
考虑结构的非线性特性进行更精确的地震响应分析。
5. 结构抗震措施设计
结构整体的抗震设 计
• 使用适当的材料和结 构形式
2. 地震波及其特征
地震波形式和分类
地震波可以分为纵波、横波和地面表面波等 不同类型。
地震波的特征与规律
地震波具有振幅、频率、周期和相位等特征， 遵循一定的规律。
3. 结构模型与动力特性
结构理论与方法
结构地震反应分析需要建立合适的结构模型和采用适当的分析方法。
结构的动力特性
结构的动力特性包括固有周期、振型、阻尼等参数。
《结构地震反应分析》 PPT课件
结构地震反应分析是探索地震对结构的影响及其意义的重要领域。本课程将 详细介绍地震波、结构模型与动力特性、结构反应分析方法、结构抗震措施 设计以及结构设计软件应用等内容。
1. 介绍
地震对结构的影响
地震带来的振动对建筑和工程结构造成毁坏和损失。
结构地震反应分析的意义
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模拟地震振动台（单台）实验
高层建筑结构
25
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1
模拟地震振动台（单台）实验
大跨建筑结构
模拟地震振动台（单台）实验
特种结构
特高压输电塔
变压器套管系统
大型海上风力发电高塔系统
（建工系陈建兵提供）
（建工系谢强提供）
模拟地震振动台（单台）实验
地标建筑
模拟地震振动台（台阵）实验 （桥梁系杨澄宇提供）
控制结构的基本思想
5.4 整体结构的动力性能 5.4.2 内力重分布与变形集中
变形集中：非线性现象的重要特征之一是集中（聚集）。 与层间刚度和层间强度有关（弹性与非线性阶段变形集中部位可能不同）
5.4 整体结构的动力性能 5.4.3 双向地震作用
存在强度相互作用影响和刚度相互作用影响
• 一般双向地震作用下反应增大
M&S: Modeling & Simulation V&V: Verification & Validation UQ: Uncertainty quantification
建模与模拟的不 确定度量化的方 法
5.2 动力性能的一般特点 5.2.1动力弹性模量与动力极限强度
5.2 动力性能的一般特点 5.2.1动力弹性模量与动力极限强度 基本规律：
5.1 结构抗震实验方法概述
振动台实验（Shaking table test） • 主要试验目的： • 一般试验过程： （1）结构自振特性的标定 （2）线性阶段试验 （3）非线性阶段试验 （4）破坏阶段的试验
（1）了解结构抗震性能 （2）研究结构破坏机制 （3）验证地震反应计算模型的正确性
模拟地震振动台（单台）实验 （摘自同济大学土木防灾国 家重点实验室网站）
验证处理 数学问题
确认处理 物理问题
工程结构监测
结构性能评估
M&S-V&V&UQ
M&S: Modeling & Simulation V&V: Verification & Validation UQ: Uncertainty quantification
工程结构监测
结构性能评估
M&S-V&V&UQ
P P 1 y Py Py
1
Py
1
P : y Py
P , P Py P y , P Py
梁与柱
梁柱节点连接与节点域
支撑
5.3 基本构件的动力性能 钢筋混凝土构件 受弯构件
钢筋屈服前：滞回环为稳定的梭形 钢筋屈服后：捏拢现象、刚度退化明显
5.3 基本构件的动力性能 钢筋混凝土构件 受弯构件
剪力的存在不利发挥抗震性能：“捏拢”现象显著 加密箍筋可使耗能能力增加
5.4 整体结构的动力性能 5.4.1 周期与阻尼
• 水平双向作用对非线性结构影响可能比对称结构为大
• 对弹塑性层间相对位移影响较楼层位移反应为大 • 对结构下层影响比对上层影响为大
• 砌体结构的出平面破坏
5.4.4 扭转反应
质心与刚心不重合 • 震害严重 • 角部反应增大，破坏严重
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.1 恢复力曲线的实验拟合法
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型 Romberg-Osgood模型 • 骨架曲线：
原型结构的现场测试
工程结构检测
工程结构监测
工程结构监测
Sensing techniques Data acquisition and transmission
Data processing
GUI System
Integration of system
Alert SHM system
Data Storage
Dynamic fielding tests
·Controlled tests ·Ambient vibration ·Earthquake
M&S-V&V&UQ 数据科学
Modal analysis Modal parameters
Frequency domain Parametric method
SHM techniques ·Level 1 ∶ ·Level 4
Information aimed
·结构/系统识别 · 参数识别 · 损伤识别/诊断
Direct inspection ·Fatigue ·Crack ·Corrosion ·Etc.
Static fielding tests ·Behavior tests ·Diagnostic tests ·Proof tests
• 计算实例：
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型 Clough退化双线性模型 • 刚度退化：
Kr Ky m y
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型 Clough退化双线性模型 • 计算实例：
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型 Takeda三线性模型 • 刚度退化：
5.1 结构抗震实验方法概述 爆炸模拟地震试验
试验主要测量内容包括管道应变、管道加速度、管线接口变形、地表加速度 等，针对不同的测量内容，采用了不同的装置。
5.1 结构抗震实验方法概述 爆炸模拟地震试验
A1X加速度时程：
Acceleration [m/sec2]
6 4 2 0 -2 -4 -6 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Time [sec] 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1
Cyclic loading
5.2 动力性能的一般特点 5.2.3 强度退化与刚度退化
基本现象：
• 基本特点：混凝土 > 钢，脆性破坏情形 > 延性破坏情形
5.2 动力性能的一般特点 5.2.4 裂面效应与包兴格效应
基本现象： 裂面传压效应（朱伯龙，1980）
• 机理与特征：
骨料咬合作用使得裂缝闭合之前已可承受较大的压力；
5.2 动力性能的一般特点 5.2.4 裂面效应与包兴格效应
基本现象：
包兴格效应：损伤愈严重，效应越显著。
5.3 基本构件的动力性能 5.3.1 钢筋混凝土构件
受弯构件 压弯构件 受扭构件 梁柱节点 剪力墙
5.3.2 砌体构件
砖墙
带构造柱砌体墙 配筋砌体
5.3.3 钢结构构件
Management system Data Base
Evaluation and diagnosis strategy
结构健康监测 （Structural Health Monitoring, SHM）
工程结构监测
地震动监测
“探测大地脉搏的跳 动，揭示地灾空间的 分布，预测地质灾害 的地点，有效应对灾 害的发生，避免次生 灾害的出现”
Damping ratio(%) 1.27 1.02 1.20 1.13 0.59 0.60 1.54 1.70
Core wall Floor 42
Co
Floor 68
工程结构监测
结构性能评估 桥梁结构
Sensor Placement
明石海峡大桥
工程结构监测
结构性能评估
Linear Nonlinear Information required
地震工程学
第五章 结构动力特性及其模型化
5.1 结构抗震实验方法概述 5.2 动力性能的一般特点
5.3 基本构件的动力性能
5.4 整体结构的动力性能
5.5 恢复力模型
1
5.1 结构抗震实验方法概述 5.1.1 结构抗震实验方法
结构抗震实验的主要任务 • 研究构件或结构的破坏机理与破坏特征 • 确定结构的动力特性 • 检验结构的计算模型 结构抗震实验的主要类型： • 自振特性试验 • 周期性反复静力加载试验 • 拟动力试验 • 振动台试验 • 远程网络协同试验 • 现场试验
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型 Romberg-Osgood模型 • 滞回曲线：
i P Pi P Pi 1 2 y 2 Py 2 Py
1
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型 Romberg-Osgood模型
李政道的物理学家两定律
• • 没有实验物理学家，理论物理学家就要漂浮不定。 没有理论物理学家，实验物理学家就会犹豫不决。
5.1 结构抗震实验方法概述 自振特性试验 (模态测试)
基本试验方法： （1）自由振动法 （2）脉动法 （3）环境激励下模态测试 频域方法： 峰值法PP、频域分解法FDD、最大似然估计法MLCFDE、多参考 最小二乘复频域法PolyMAX 时域方法： 时间序列分析法ARMA、随机减量技术RDT、自然激励技术及特征值实 现算法(NExT+ERA)、最小二乘复指数法LSCE、随机子空间算法SSI
A1Y加速度时程：
Acceleration [m/sec2]
6 4 2 0 -2 -4 -6 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Time [sec] 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1
W1接口变形：
工程结构监测