高等结构力学选题

高等结构力学综述一综述所学结构动力学、结构稳定分析、结构极限荷载三个专题内容的基本知识以及分析方法。结构动力学结构动力学是结构力学的一个分支，着重研究结构对于动荷载的响应，以便确定结构的承载能力和动力学特性，或为改善结构的性能提供依据。结构动力学同结构静力学的主要区别在于它要考虑结构因振动而产生的惯性力（达朗伯原理）和阻尼力，而同刚体动力学之间的主要区别在于要考虑结构因变形而产生的弹性力。1.1分析结构动力响应的离散化分析方法1.1.1集中质量法集中质量法是把结构的分布质量按一定的规则集中到结构的某个或某些位置上，成为一系列离散的质点或质量块。此类方法适用于大部分质量集中在若干离散点上的结构。例如工程中房屋结构一般简化为层间剪切模型。图1集中质量法示意图1.1.2广义坐标法广义坐标法是假定具有分布质量的结构在振动时的位移曲线可用一系列规定的位移曲线的和来表示。主要适用于质量分布比较均匀，形状规则且边界条件易于处理的结构。1.1.3有限单元法有限元法是将有限元法的思想用于解决结构的动力计算问题。该方法先把结构划分成适当（任意）数量的单元；对每个单元施行广义坐标法，通常取单元的节点位移作为广义坐标；对每个广义坐标取相应的位移函数（插值函数）；由此提供了一种有效的、标准化的、用一系列离散坐标表示无限自由度的结构体系。1.2运动方程的建立在结构动力分析中，描述体系质量运动规律的数学方程，称为体系的运动微分方程，简称运动方程。运动方程的解揭示了体系在各自由度方向的位移随时间变化的规律。建立运动方程是求解结构振动问题的重要基础。常用方法：直接平衡法、虚功法、变分法。1.2.1直接平衡法，又称动静法，将动力学问题转化为任一时刻的静力学问题：根据达朗贝尔原理，把惯性力作为附加的虚拟力，并考虑阻尼力、弹性力和作用在结构上的外荷载，使体系处于动力平衡条件，按照静力学中建立平衡方程的思路，直接写出运动方程。根据所用平衡方程的不同，直接平衡法又分为刚度法和柔度法。1.2.2虚功法:根据虚功原理，即作用在体系上的全部力在虚位移上所做的虚功总和为零的条件，导出以广义坐标表示的运动方程。1.2.3变分法:通过对表示能量关系的泛函的变分建立方程。根据理论力学中的哈密顿原理或其等价形式的拉格朗日方程导出以广义坐标表示的运动方程。1.3自由振动和受压振动中重要概念1.3.1自由振动和受迫振动的定义1.结构受外部干扰后发生振动，而在干扰消失后继续振动，这种振动称为结构的自由振动。2.如果结构在振动过程中不断地受到外部干扰力作用，这种振动称为结构的强迫振动，又称受迫振动。1.3.2阻尼及阻尼比结构在振动过程中的能量耗散作用称为阻尼。结构的自由振动会因为阻尼作用而随时间衰减并最终停止。由于阻尼而使振动衰减的结构系统称为有阻尼系统。阻尼原因复杂：内摩擦、连接摩擦、周围介质阻力等。阻尼比用于表达结构阻尼的大小，是结构的动力特性之一，是描述结构在振动过程中某种能量耗散的术语，引起结构能量耗散的因素（或称之为影响结构阻尼比的因素）很多，主要有1.材料阻尼、这是能量耗散的主要原因。2.周围介质对振动的阻尼。3.节点、支座联接处的阻尼4.通过支座基础散失一部分能量。5.结构的工艺性对振动的阻尼。1.3.3共振反映共振是指一物理系统在特定频率下，相比其他频率以更大的振幅做振动的情形；这些特定频率称之为共振频率。共振可能导致结构破坏，在工程设计时，应通过调整结构的刚度和质量控制频率，避免接近荷载频率，防止共振发生。1.3.4振型振型是指体系的一种固有的特性。它与固有频率相对应，即为对应固有频率体系自身振动的形态。每一阶固有频率都对应一种振型。振型对应于频率而言，一个固有频率对应于一个振型。按照频率从低到高的排列，来说第一振型，第二振型等等。此处的振型就是指在该固有频率下结构的振动形态，频率越高则振动周期越小。在实验中，我们就是通过用一定的频率对结构进行激振，观测相应点的位移状况，当观测点的位移达到最大时，此时频率即为固有频率。实际结构的振动形态并不是一个规则的形状，而是各阶振型相叠加的结果。1.4结构动力学与建筑抗震设计目前世界各国普遍采用的抗震设计方法都是既考虑强度，又考虑变形能力和能量耗散能力。在进行结构抗震设计时，适当控制结构的强度和刚度，使结构在大地震作用下进入非弹性状态时具有较好的延性，以便耗散输入结构的地震能量。这种抗震设计方法在很多情况下都是有效的。与其靠结构本身的强度、变形能力和能量耗散能力来抗御水平地震作用，不如人为地在结构中布置一些耗能装置，但这类耗能装置只能在结构能产生大变形时才有效。为适应这种需要，基地隔振方法应运而生。建筑物基地隔振是结构物地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶面分离开。目前采用的底部隔振主要用于隔离水平向的地面运动。隔振层的水平刚度显著低于上部结构的侧向刚度才能收到隔振效果。基地隔振方法与传统的抗震设计方法相比，有很大的优越性，它用基地隔振系统来减少地震作用，并耗散地震能量，而不特别要求结构本身有较大的变形能力和能量耗散能力。其结构动力学原理如下：p0sinωt—机器的不平衡力ω—机器的转速(角速度)m—刚性质量k、c—隔振元件的总刚度和阻尼系数。fT—从隔振元件传到地基上的力传到地基上的力为：作用力fT的最大值为：将ust=p0/k、c=2mωnζ代入上式得：TR—传递率(transmissibility)，是反映隔振效果的量当频率比：ω/ωn传递率：TR1时，为达到隔振的目的，可采用降低ωn的方法提高隔振效果，即减小隔振元件刚度或增加仪器质量。结构稳定分析1.结构稳定分析方法1.1静力法（大挠度理论）静力法，根据临界状态的静力特征而提出的。在分支点失稳问题中，临界状态的静力特征是：平衡形式具有二重性。静力法的要点是：在原始平衡路径之外，寻找新的平衡路径，确定二者交叉的分支点，从而求出临界荷载。计算步骤：1.假设临界状态时体系的新的平衡形式。2.依静力平衡条件，建立临界状态平衡方程。3.根据平衡具有二重性静力特征(位移有非零解)，建立特征方程，习惯称稳定方程。4.解稳定方程，求特征根，即特征荷载值。5.由最小的特征荷载值，确定临界荷载(结构所能承受的压力必须小于这个最小特征荷载值，才能维持其稳定平衡)。用静力法计算无限自由度体系稳定问题有两个特点：第一，位移参数为无穷多个；第二，临界状态平衡方程为微分方程。1.2能量法（小挠度理论）临界状态的能量特征其一，从能量守恒原理出发，有（应变能增量等于荷载功增量），由此导出铁木辛柯能量法。其二，从势能驻值原理出发，有总势能（以原始平衡位置为参考状态），由此导出瑞利－李兹能量法。能量法计算临界荷载，按以下步骤进行：1)假定失稳形式。2)根据能量特征建立临界状态方程（即以能量形式表示的临界状态平衡方程）。3)由位移有非零解的条件，建立稳定方程。4)解稳定方程，求特征荷载值。5)由最小特征荷载值，确定临界荷载。2.两类稳定问题2.1分支点失稳分支点失稳——第一类稳定问题，其特征是：当荷载逐渐增加时，结构原有的平衡形式被破坏了，并出现了与原平衡形式有本质区别的新的平衡形式，由稳定平衡转变为不稳定平衡，出现了稳定性的转变。分支点是平衡状态从稳定转变为不稳定的分界点。在分支点处所对应的荷载称为屈曲荷载或临界荷载。2.2极值点失稳极值点失稳——非完善体系(受压杆或有初曲率或有偏心荷载等初始缺陷)的极值点失稳(极值屈曲),失稳前后变形性质没有变化,杆件产生附加挠度,力-位移关系曲线存在极值点,该点对应的荷载即为临界荷载(低于欧拉荷载,即两端铰支轴心压杆的临界荷载),达到时结构被压溃,故常称之为压溃荷载.工程中大量稳定问题都属于第二类,但因为第一类稳定O1D稳定平衡随遇平衡不稳定平衡DFPcrⅡABCⅠⅡⅠPFFP/2ll/2(稳定)(不稳定)(大挠度理论)(小挠度理论)ΔΔUWP0EΔΔUW问题在数学上容易作为特征值问题处理,力学上表达明确,而且它的临界荷载又近似地代表相应的第二类稳定问题的上限,所以多化为第一类失稳问题来处理.2.3跳跃屈曲仅发生在扁平二杆桁架或扁平三铰拱和扁壳的失稳现象,当荷载,变形达到一定程度时,可能从凸形受压的结构翻转成凹形的受拉结构,这种急跳现象本质上也属极值点失稳(跳跃屈曲).结构极限荷载1.重要概念1.1弹性分析与塑性分析弹性分析方法是把结构当作理想弹性体，用容许应力法计算结构的强度，其强度条件为其中σmax—结构的实际最大应力；[σ]—材料的容许应力；σu—材料的极限应力；k—安全系数。塑性分析方法是按极限荷载计算结构强度，以结构进入塑性阶段并最后丧失承载能力时的极限状态作为结构破坏的标志。强度条件为F—结构实际承受的荷载；Fu—极限荷载；K—安全系数。结构塑性分析中，为简化计算，把材料的应力与应变关系作合理地简化。简化为理想弹塑性材料。如图所示。结构的塑性分析中，叠加原理不再适用。只考虑荷载一次加于结构，且各荷载按同一比例增加—比例加载。1.2塑性铰和破坏机构当截面弯矩达到极限弯矩时，截面可发生有限转动,这种截面可称为塑性铰。与普通铰相比，塑性铰有如下特点：1.普通铰不能承受弯矩，塑性铰能够承受弯矩；2.普通铰双向转动，塑性铰单向转动；3.卸载时机械铰不消失；当q＜qu，塑性铰消失。4.随荷载分布而出现于不同截面。当结构在荷载作用下形成足够数目的塑性铰时，结构（整体或局部）就变成了几何可变体系。称这一可变体系为破坏机构，简称机构。破坏机构可kumaxKFFu以是整体性的，也可能是局部的。2.极限荷载的特点1.超静定结构极限荷载的计算无需考虑结构弹塑性变形的发展过程，只需考虑最后的破坏机构；2.超静定结构极限荷载的计算，只需考虑静力平衡条件，而无需考虑变形协调条件，因而比弹性计算简单；3.超静定结构的极限荷载，不受温度变化、支座移动等因素的影响。这些因素只影响结构变形的发展过程，而不影响极限荷载的数值。3.极限荷载的求解方法3.1静力法首先使破坏机构中各塑性铰处的弯矩都等于极限弯矩；然后按静力平衡条件作出弯矩图，即可确定极限荷载。3.2穷举法也称机构法或机动法。列举所有可能的破坏机构，求出相应的荷载，取其最小者即为极限荷载。3.3试算法每次任选一种破坏机构，由平衡条件求出相应的可破坏荷载，再检验是否满足内力局限性条件；若满足，该可破坏荷载既为极限荷载；若不满足，另选一个破坏机构继续运算。二利用所学单自由度体系的振动基本知识，自拟一道题目说明低、多层房屋隔震技术的主要原理。1、有阻尼体系的自由振动无阻尼体系自由振动总是以动能和势能交换为特征，并没有考虑结构体系能量的耗散，即结构体系在振动过程中总能量保持不变，因而与能量大小密切相关的振幅也始终不变，永不衰减。这样运动一旦发生便永不停止，这在现实中是不可能的。试验表明，任意振动过程，随时间的推移，振幅总是逐渐衰减的，最终振幅消失，质量m静止在静力平衡的位置上，像这种振幅随时间而减少的振动称为有阻尼振动。2、例：设有一个单自由度结构体系作有阻尼运动，如图3.12所示，已知对数递减量=0.02。其初始速度'y0，初始振幅为0y。试求经过100个自振周期后振幅100y。3、隔振原理因此，隔震技术主要原理是指将一整体建筑物的基础和上部结构部分解开并在其中安装隔震体系，以延长整个结构体系的自振周期、增大阻尼，减小水平地面运动向上部结构的传递，从而达到减小上部结构振动的目的，实现地震时建筑物只发生较轻微运动和变形，进而达到预期设防目标，使建筑物的安全得到可靠保证。