本書主要介紹結(jié)構(gòu)動力學(xué)基本理論和抗震結(jié)構(gòu)計算理論。包括單自由度體系、多自由度體系、分布參數(shù)體系、隨機(jī)震動、地震工程五部分內(nèi)容。
自從本書第一版1975年出版至今,“結(jié)構(gòu)動力學(xué)”領(lǐng)域已經(jīng)有了重大的發(fā)展。本書第二版中只包含了那些被認(rèn)為最具有實用價值的內(nèi)容,而不可能全面地論述所有這些發(fā)展。
本書內(nèi)容的總體安排與第一版保持一致,論述順序仍然是從單自由度體系到多自由度離散參數(shù)體系,然后再到無限自由度連續(xù)體系。由于仍然保留了作為結(jié)構(gòu)靜力分析基礎(chǔ)的力的平衡概念,所以有經(jīng)驗的工程師可以很容易地從靜力分析過渡到動力分析。因此,學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)動力學(xué)的學(xué)生必須具有包括矩陣方法在內(nèi)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)理論的堅實基礎(chǔ),在這里我們假設(shè)本書的讀者已具有這樣的準(zhǔn)備。
第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ篇中所涉及的理論本質(zhì)上是確定性的,因為這些理論采用的都是可以精確描述的動力荷載,盡管它們相對于時間可能是極其不規(guī)則的并且是瞬態(tài)的.但是,第Ⅳ篇中對于隨機(jī)振動的處理在形式上則是統(tǒng)計(或隨機(jī))的,因為所考慮的荷載只能用統(tǒng)計方法來描述其特性。因此,對概率論具有基本的了解是學(xué)習(xí)這一部分的前提條件。在開始學(xué)習(xí)這一部分之前,建議學(xué)生選修全部概率論的課程。不過,如果沒有學(xué)過相關(guān)課程,則第20章對概率概念的簡要介紹可以為讀者提供最基本的準(zhǔn)備。
由于在彈性抗力之外附加了慣性力和阻尼力,且所有這些量都是與時間相關(guān)的,因此典型的結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題的求解要比對應(yīng)的靜力問題復(fù)雜得多。對于大多數(shù)實際情況,通常只能通過運(yùn)用高速數(shù)字計算機(jī)求解,計算機(jī)已成為結(jié)構(gòu)動力學(xué)工程師的標(biāo)準(zhǔn)工具。不過,為了講授動力學(xué)的基本原理,本書中的大多數(shù)問題在形式上都是相當(dāng)簡單的,可以采用便攜計算器獲得這些問題的解答。然而,學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)動力學(xué)的學(xué)生仍然應(yīng)該預(yù)先學(xué)習(xí)計算機(jī)編程技術(shù)以及相關(guān)的分析方法。有了這個基礎(chǔ),就能夠較快地從用手算的動力問題解法轉(zhuǎn)變到使用為此目的開發(fā)的特定專門程序,用PC計算機(jī)求解。由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校ELwilsion教授開發(fā)的CAL-91程序就是這類程序,這個程序已經(jīng)被非常有效地應(yīng)用于教學(xué)過程中,甚至應(yīng)用于結(jié)構(gòu)動力學(xué)的初級課程。我們鼓勵使用本書的教師將此類個人計算機(jī)程序應(yīng)用于他們的課程教學(xué)中,以便能夠考慮更多實際問題。
R.克拉夫,加利福尼亞大學(xué)伯克利分校結(jié)構(gòu)工程名譽(yù)退休教授,在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。
克拉夫博士是計算結(jié)構(gòu)力學(xué)、地震工程及結(jié)構(gòu)動力試驗領(lǐng)域的一位先驅(qū)者。
1960年,他創(chuàng)造了術(shù)語“有限元方法”,他對于該方法的開創(chuàng)性的工作可追溯到1953年指導(dǎo)工程師們在波音飛機(jī)方面的研究。
他是一位較旱認(rèn)識到功能日益強(qiáng)大的計算機(jī)對處理大規(guī)模工程分析具有潛力的預(yù)富家。
1974-1977年,他曾擔(dān)任加利福尼亞大學(xué)伯克利分校地震工程研究中心主任。
克拉夫博士是美國工程院和科學(xué)院的院士,1994年他獲得了美國總統(tǒng)授予的科學(xué)勛章。
第1章結(jié)構(gòu)動力學(xué)概述
1.1 結(jié)構(gòu)動力分析的主要目的
1.2 非隨機(jī)荷載的類型
1.3 動力問題的基本特性
1.4 離散化方法集中質(zhì)量法
廣義位移有限單元概念
1.5 運(yùn)動方程的建立利用d’A1emben原理的直接平衡法
虛位移原理
變分方法
1.6 本書內(nèi)容的編排
第Ⅰ篇 單自由度體系
第2章 自由振動分析
2.1 基本動力體系的組成
2.2 基本動力體系的運(yùn)動方程
2.3 重力的影響
2.4 支座激勵的影響
2.5 無阻尼自由振動分析
2.6 阻尼自由振動
臨界阻尼體系
低阻尼體系
超阻尼體系
習(xí)題
第3章 諧振荷載反應(yīng)
3.1 無阻尼體系
補(bǔ)解
特解
通解
3.2 粘滯阻尼體系
3.3 共振反應(yīng)
3.4 加速度計和位移計
3.5 隔振
3.6 粘滯阻尼比的計算
自由振動衰減法
共振放大法
半功率(帶寬)法
每周共振能量損失法
3.7 復(fù)剛度阻尼
習(xí)題
第4章 對周期性荷載的反應(yīng)
4.1 周期荷載的Fourier級數(shù)表達(dá)式
三角形式
指數(shù)形式
4.2 Fourier級數(shù)荷載的反應(yīng)
4.3 頻域分析的預(yù)覽
習(xí)題
第5章 對沖擊荷載的反應(yīng)
5.1 沖擊荷載的.般性質(zhì)
5.2 正弦波脈沖
5.3 矩形脈沖
5.4 三角形脈沖
5.5 震動或反應(yīng)譜
5.6 沖擊荷載反應(yīng)的近似分析
習(xí)題
第6章 對一般動力荷載的反應(yīng)..疊加法
6.1 時域分析
反應(yīng)積分的列式
反應(yīng)積分的數(shù)值計算
6.2 頻域分析
Fourier反應(yīng)積分
離散Fourier變換(DFT)
快速Fourier變換(FFT)
動力反應(yīng)計算
6.3 時域和頻域轉(zhuǎn)換函數(shù)之間的關(guān)系
習(xí)題
第7章 對一般動力荷載的反應(yīng)..逐步法
7.1.般概念
7.2 分段精確方法
7.3 數(shù)值近似方法一般注釋
7.4 二階中心差分列式
7.5 積分法
Eulc Gauss方法
Newmark法
變換到顯式公式
7.6 非線性分析的增量列式
7.7 線加速度法步驟概要
習(xí)題
第8章 廣義單自由度體系
8.1 單自由度體系的.般注釋
8.2 廣義性質(zhì):剛體集合
8.3 廣義性質(zhì):分布柔性
8.4 廣義體系特性的表達(dá)式
8.5 用.Rayleigh法進(jìn)行振動分析
8.6 .Rayleigh振動形狀的選擇
8.7 改進(jìn)的Rayleigh法
習(xí)題
第Ⅱ篇 多自由度體系
第9章 多自由度運(yùn)動方程的建立
9.1 自由度的選擇
9.2 動力平衡條件
9.3 軸向力的效應(yīng)
第10章 結(jié)構(gòu)特性矩陣的計算
10.1 彈性特性
柔度
剛度
結(jié)構(gòu)的基本概念
有限單元剛度
10.2 質(zhì)量特性
集中質(zhì)量矩陣
一致質(zhì)量矩陣
10.3 阻尼特性
10.4 外荷載
靜力的合力
一致結(jié)點荷載
10.5 幾何剛度
線性近似
一致幾何剛度
10.6 特性公式的選擇
習(xí)題
第11章 無阻尼自由振動
11.l振動頻率分析
11.2 振型分析
11.3 振動分析的柔度法
11.4 軸向力的影響
自由振動
屈曲荷載
簡諧激勵的屈曲
11.5 正交條件
基本條件
附加關(guān)系式
規(guī)格化
習(xí)題
第12章 動力反應(yīng)分析——疊加法
12.1 正規(guī)坐標(biāo)
12.2 非耦合的運(yùn)動方程:無阻尼
12.3 非耦合的運(yùn)動方程:粘滯阻尼
12.4 用振型位移疊加法進(jìn)行反應(yīng)分析
粘滯阻尼
復(fù)剛度阻尼
12.5 比例粘滯阻尼矩陣的建立
Rayleigh阻尼
拓展的Raylcigh阻尼
另.種列式
非比例阻尼矩陣的建立
12.6 采用耦合運(yùn)動方程的反應(yīng)分析
時域
頻域
12.7 時域和頻域傳遞函數(shù)之間的關(guān)系
12.8 求解耦合運(yùn)動方程的實用方法
12.9 生成傳遞函數(shù)的插值方法
習(xí)題
第13章 振動分析的矩陣迭代法
13.1 引言
13.2 基本振型分析
13.3 收斂性的證明
…… 第14章 動力自由度的選擇
第15章 多自由度體系動力反應(yīng)分析——逐步法
第16章 運(yùn)動方程的變分形式
第Ⅲ篇 分布參數(shù)體系
第Ⅳ篇 隨機(jī)振動
第V篇 地震工程
英漢名詞對照表
譯者后記
單位轉(zhuǎn)換表
本書的主要目的是:介紹任何給定類型的結(jié)構(gòu)在承受任意動力荷載時應(yīng)力和變位的分析方法。從某種意義上講,可以認(rèn)為此目的是要把通常僅適用于靜荷載的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)分析方法加以推廣,使之也可以適用于動力荷載。此時,靜荷載可以看作僅僅是動力荷載的一種特殊形式。然而,在線性結(jié)構(gòu)分析中,更為方便的是把荷載中的靜力和動力成分區(qū)分開來,分別計算每種荷載成分的反應(yīng),然后將兩種反應(yīng)結(jié)果疊加,即可得到總反應(yīng)。當(dāng)這樣處理時,靜力和動力分析方法在性質(zhì)上是根本不同的。
為了上述目的,“動力的”或“動力學(xué)的、動的”這個詞匯可簡單地理解為隨時間改變的;這樣,動力荷載就是大小、方向和作用點隨時間變化的任意荷載①。同樣,動力荷載下的結(jié)構(gòu)反應(yīng),也即所產(chǎn)生的應(yīng)力和撓度,也是隨時間變化的或“動的”。
計算動力荷載下的結(jié)構(gòu)反應(yīng),有兩類性質(zhì)不同的方法:確定性的和非確定性的。在任何給定的情況下,究竟應(yīng)該選擇哪種方法,這將取決于荷載是如何規(guī)定的。如果荷載隨時間的變化規(guī)律是完全已知的,即使它可能有強(qiáng)振蕩或不規(guī)則的特性,仍將歸諸于非隨機(jī)動力荷載;任何特定的結(jié)構(gòu)體系在非隨機(jī)動力荷載下的反應(yīng)分析定義為確定性分析。另一種情況,荷載隨時間的變化規(guī)律不是完全已知的,但可以從統(tǒng)計方面進(jìn)行定義,這種荷載則稱為隨機(jī)動力荷載,與其對應(yīng)的反應(yīng)分析稱為非確定性分析。本書的重點放在確定性動力分析方法的敘述上,但第Ⅳ篇則用來介紹非確定性分析方法。此外,在討論地震工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法應(yīng)用的第V篇,還有一章敘述非確定性的地震反應(yīng)分析。