動(dòng)力學(xué)基本概念

1、動(dòng)力學(xué)基本概念第1頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一目錄 結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡方程 振型分析 反應(yīng)譜分析 時(shí)程分析 頻域分析 彈塑性分析第2頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡方程第3頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡方程慣性力阻尼力 彈性力 第4頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一 彈性力非線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 非線性線性加載 卸載 再加載彈性力 第5頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一阻尼力 阻尼是隨著時(shí)間將振動(dòng)減弱或停止的能量擴(kuò)散 阻尼力粘滯阻尼第6頁，共50頁，20

2、22年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一 非衰減自由振動(dòng)第7頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一 減幅自由振動(dòng)臨界阻尼？第8頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一結(jié)構(gòu)的阻尼 振型阻尼 直接輸入各振型阻尼的方法 混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比可取為0.05 Rayleigh 阻尼 質(zhì)量和剛度因子法 應(yīng)變能因子法 非典型的阻尼，無法分離各模態(tài)。為了反映各單元不同的阻尼特性，使用變形能量的概念來計(jì)算各模態(tài)的阻尼比。第9頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一牛頓第二定律慣性力 慣性力靜止/勻速運(yùn)動(dòng)加速度運(yùn)動(dòng)達(dá)朗貝爾原理 (D Alemberts Pri

3、nciple)第10頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一結(jié)構(gòu)的質(zhì)量一致質(zhì)量矩陣和集中質(zhì)量矩陣 一致質(zhì)量矩陣的質(zhì)量按實(shí)際分布情況考慮的，集中質(zhì)量矩陣假定單元的質(zhì)量集中在節(jié)點(diǎn)上，這樣得到的是對(duì)角陣。一般情況下兩者給出的結(jié)果相差不多，集中質(zhì)量矩陣可以減少方程自由度，但是對(duì)于高次單元時(shí)分配質(zhì)量較困難，另外一致質(zhì)量矩陣求出的是結(jié)構(gòu)頻率的上限。第11頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一相對(duì)位移與 絕對(duì)位移- 慣性力與包含地面運(yùn)動(dòng)影響的絕對(duì)加速度成比例- 阻尼力與結(jié)構(gòu)相對(duì)地面的相對(duì)速度成比例- 彈性恢復(fù)力與結(jié)構(gòu)相對(duì)地面的相對(duì)位移成比例絕對(duì)位移相對(duì)位移地面加速度 第

4、12頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一動(dòng)力平衡方程的解法（1）經(jīng)典解法 二階線性微分方程（2）杜哈梅積分 將外荷載視為由時(shí)間間隔非常短的沖擊荷載組成的，結(jié)構(gòu)反應(yīng)為對(duì)各沖擊荷載反應(yīng)之和。Response to impulse 1Response to impulse 2Response to impulse Total Response第13頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一（3）數(shù)值方法 動(dòng)力平衡方程的解法可適用于線性和非線性領(lǐng)域中心差分法 、常加速度法、線性加速度法 Newmark- 法 、Wilson- 法 不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的逐步積分法 第14頁

5、，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一振型分析第15頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一特征值問題當(dāng)沒有外荷載和阻尼時(shí)，n個(gè)自由度體系的運(yùn)動(dòng)方程 特征值問題 :固有圓頻率模態(tài)向量第16頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一振型分析的原理n個(gè)自由度體系的n個(gè)自振頻率和模態(tài)向量: 各特征向量之間滿足正交條件 利用模態(tài)向量的正交性，可生成對(duì)角質(zhì)量矩陣和剛度矩陣 將結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力方程分解為獨(dú)立的n個(gè)單自由度體系第17頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一振型分析的方法子空間迭代法 子空間迭代法求出結(jié)構(gòu)的前r階振型Lancz

6、os法Ritz向量法 Ritz向量法求出的是和激發(fā)荷載向量直接相關(guān)的振型。 因此用振型分解反應(yīng)譜法和振型疊加法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)，一般建議采用Ritz向量法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振型分析。第18頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一振型分析第19頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一反應(yīng)譜分析第20頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一反應(yīng)譜反應(yīng)譜是單自由度彈性體系在給定的地震作用下，某個(gè)最大反應(yīng)量（位移、速度、加速度）與體系自振周期的關(guān)系曲線。單自由度彈性體系 周期T地震輸入位移反應(yīng)最大值第21頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分

7、，星期一反應(yīng)譜位移譜速度譜加速度譜第22頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一反應(yīng)譜 由同一場(chǎng)地上所得到的地面運(yùn)動(dòng)加速度記錄分別計(jì)算出它們的反應(yīng)譜曲線，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求出的譜曲線為抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ 004-89）中給出動(dòng)力放大系數(shù) 譜 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）中給出水平地震影響系數(shù) 譜 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則（JTG-2008）中給出的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜第23頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜10T(s)0.1Tg0SmaxS水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜式中，Ci為重要性系數(shù)，Cs為場(chǎng)地系數(shù)，Cd

8、為阻尼調(diào)整系數(shù)，A為設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值。第24頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一振型組合方法 完整二次項(xiàng)組合法（CQC法） CQC法用于振型密集型結(jié)構(gòu)，如考慮平移扭轉(zhuǎn)耦連振動(dòng)的線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 平方和開方法（SRSS法）在CQC法中，自振頻率相隔越遠(yuǎn)，值越小，當(dāng)近似為零時(shí)SRSS法用于主要振型的周期均不相近的場(chǎng)合，如串聯(lián)多自由度體系。 ABS法將各振型所產(chǎn)生的作用效應(yīng)的絕對(duì)值求和，由于結(jié)構(gòu)的各振型最大地震反應(yīng)并不發(fā)生在同一時(shí)刻，因此該計(jì)算結(jié)果過于保守。 第25頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一反應(yīng)譜分析第26頁，共50頁，2022年，5月20

9、日，20點(diǎn)42分，星期一時(shí)程分析第27頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一選取地震波 頻譜特性 依據(jù)所處的場(chǎng)地類型和特征周期分區(qū)確定。 有效峰值建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程曲線的最大值 (cm/s2) 持續(xù)時(shí)間 一種說法指地震地面加速度值大于某值的時(shí)間總和。 一種說法以相對(duì)值定義相對(duì)持時(shí)，即最先與最后一個(gè)之間的時(shí)段 長(zhǎng)度。 不論實(shí)際的強(qiáng)震記錄還是人工模擬波形，一般持續(xù)時(shí)間取結(jié)構(gòu)基本周期的510倍。 地震影響6度7度8度9度多遇地震1835(55)70(110)140罕遇地震-220(310)400(510)620第28頁，共50頁，2022年，5月20日，2

10、0點(diǎn)42分，星期一選取地震波第29頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一時(shí)程分析 第30頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一時(shí)程分析 第31頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一頻域分析第32頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一FFT 快速傅立葉轉(zhuǎn)換瞬態(tài)荷載El Centro (NS, 1940)每個(gè)波均可表現(xiàn)為多個(gè)正弦波的和將測(cè)試的波通過測(cè)試裝置隨時(shí)做傅立葉轉(zhuǎn)換 時(shí)間函數(shù) 頻率函數(shù)第33頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一頻域分析第34頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，

11、星期一頻域分析第35頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一彈塑性分析第36頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一 構(gòu)件非線性特征的定義試驗(yàn)動(dòng)力分析 靜力分析 靜力彈塑性分析第37頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一有關(guān)構(gòu)件非線性時(shí)程特性的建模方法承受反復(fù)荷載作用的構(gòu)件的理想化的時(shí)程特性反應(yīng)時(shí)程特性的模型的理想化過程鋼筋混凝土構(gòu)件的時(shí)程模型 (ATC-40)鋼結(jié)構(gòu)的時(shí)程模型 (FEMA-273) 為便于設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工程中的應(yīng)用，ATC-40、FEMA-273 中為設(shè)計(jì)人員提供了各種材料的理想化模型靜力彈塑性分析第38頁，共50頁，2

12、022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一 靜力彈塑性分析定義Pushover主控?cái)?shù)據(jù)第39頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一 靜力彈塑性分析定義Pushover荷載工況第40頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一 靜力彈塑性分析定義Pushover鉸特性值第41頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一 靜力彈塑性分析分配Pushover鉸第42頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一集中鉸模型分布鉸模型非彈性鉸的變形RX/RY/RZ都是轉(zhuǎn)角 非彈性鉸的變形RX/RY/RZ都是曲率 動(dòng)力彈塑性分析延性：在初始強(qiáng)度沒

13、有明顯退化情況下的非彈性變形能力，包括承受較大的非彈性變形，同時(shí)強(qiáng)度沒有明顯下降的能力，利用滯回特性吸收能量的能力。第43頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一PM鉸：考慮軸力對(duì)鉸的彎曲屈服強(qiáng)度的影響，但對(duì)于兩個(gè)方向彎矩間的相互作用是不考慮的。PM鉸只能考慮初始軸力P（初始重力荷載或用戶輸入的初始軸力）。 塑性鉸PMM鉸：反映軸力和兩個(gè)方向上彎矩的相互作用，P值是可變的，即可以考慮變化的軸力對(duì)屈服面的影響。 第44頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一恢復(fù)力模型 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Pu0Pu0Pu0 曲線型模型折線型模型第45頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一對(duì)于鋼筋混凝土材料，考慮剛度退化影響的雙直線模型是一種比較常用的模型，其中的Takeda（武田）模型和Clough（克拉夫）模型是兩個(gè)比較典型的雙直線彈塑性模型。Clough（克拉夫）模型恢復(fù)力模型第46頁，共50頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)42分，星期一L纖維區(qū)混凝土