《结构动力学》
课程论文
任课老师:许凌云
专业:水利水电工程姓名:
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结构动力学在房屋建筑抗震减震隔振中的作用
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中文摘要：结构动力学是一门研究结构在荷载作用下的响应规律的学科。虽然在短短的几周时间内学习这门课程，但还是了解到结构动力学在水利工程方面的一些应用，在这里浅谈结构动力学在房屋抗震减震隔振中的作用。
关键词：结构动力学，房屋建筑，抗震，减震，隔振
正文：
结构动力学着重研究结构对于动荷载的响应（如位移、内力、速度、加速度等时间的历程），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。然而，在房屋抗震减震方面，结构动力学既是抗震设计的基础，又是减震隔振的理论依据。
对于动荷载，如果荷载的大小、方向、和作用点随时间变化，使得质量运动加速度所以起得惯性力与荷载相比大到不可忽视时，则称为动荷载。如引起基础震动的地震作用，而地震作用引起地面运动通过基础传给上部结构，使之产生惯性力，而此惯性力往往可以达到较高的水平。地震力是典型的动力作用，在此对结构动力学在房屋建筑抗震、减震、隔振方面的作用做简单分析。从房屋结构抗震设计的角度对房屋建筑的抗震设计进行了分析探讨,对于进一步提高我国房屋建筑的结构抗震设计水平及其应用水平具有一定借鉴意义.
一、建筑结构抗震的前景
目前房屋建筑抗震设计中存在的问题：我国房屋建筑的结构材料一直以钢筋混凝土为主。随着设计思想的不断更新,结构体系日趋多样化,房屋建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂,出现了许多超高超限钢筋混凝土建筑,这就给房屋建筑的结构分析与设计提出了更高的要求。尤其是在抗震设防地区,如何准确地对这些复杂结构体系进行抗震分析以及抗震设计,已成为房屋建筑研究领域的主要课题之一。
近年来,许多科研和软件设计人员对房屋建筑结构进行的大量的分析与研究,目前我国已有多种房屋建筑结构分析设计软件,如中国建筑科学研究院结构所研制的TBSA、TAT、SATWE,清华大学建筑设计研究院研制的TUS,广东省建筑设计研究院研制的广厦CAD等,为房屋建筑的结构分析与抗震设计提供了方便、高效的计算分析手段。但是,在房屋建筑功能等要求复杂多样化的今天,工程设计中经常会遇到一些问题,如果简单地直接应用设计软件计算设计,可能会出现不必要的浪费,有的甚至造成工程事故,这就要求结构工程师不断积累经验,运用概念设计的原则,结合理论分析与试验数据对具体工程一些特殊问题具体分析、具体处理。
二、房屋建筑结构抗震的设计
2 . 1 设计阶段的结构动力特性分析
房屋建筑进入初步设计阶段后,首先按方案阶段确定的
结构布置进行计算分析。计算模型取自±0. 000至塔顶,假定房屋楼板为平面内刚度无限大,其地震反应分析基本参数列于,以及可以看出,随着房屋高度的增加,结构X方向(纵向)自振周期及地震力基本正常,而结构Y方向(横向)自振周期偏长、结构刚度偏低,对应于水平地震作用的剪力较小,房屋结构的抗震能力偏弱,结构偏于不安全。为增加Y方向(横向)的抗侧移刚度,提高其抗震能力,在现代房屋建筑的设计中,可以在房屋建筑核心筒的两侧增设四道剪力墙。根据《建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001),抗震设计时,框架-剪力墙结构中剪力墙的数量必须满足一定要求,在地震作用时剪力墙作为第一道抗震防线必须承担大部分的水平力。但这并不意味着框架部分可以设计得很弱,而是框架部分作为第二道防线必须具备一定的抗侧力能力,在大震作用下第一道抗震防线剪力墙遭受破坏时,整个结构仍具备一定的抵抗能力,不至于立即破坏倒塌,这就需要在结构计算时,对框架部分所承担的剪力进行适当调整。
2. 2结构抗震设计的基本步骤
一般来说，房屋建筑抗震设计包含三个层次的内容与要求：概念设计、抗震计算与构造措施。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施则可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。抗震设计的三个层次是不可分割的整体，忽略任何一个部分，都
有可能造成抗震设计失效。
对房屋建筑抗震的三个水准设防要求,是通过“两阶段”设计来实现的,其方法步骤如下:
第一阶段设计:第一步采用与第一水准烈度相应的地震动参数,先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应,与风、重力荷载效应组合,并引入承载力抗震调整系数,进行构件截面设计,从而满足第一水准的强度要求;第二步是采用同一地震动参数计算出结构的层间位移角,使其不超过抗震规范所规定的限值;同时采用相应的抗震构造措施,保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能,从而自动满足第二水准的变形要求。
第二阶段设计:采用与第三水准相对应的地震动参数,计算出结构(特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节)的弹塑性层间位移角,使之小于抗震规范的限值,并采用必要的抗震构造措施,从而满足第三水准的防倒塌要求。
三、结构动力学在建筑结构中的减震应用
结构动力学在房屋建筑结构中的减震作用主要在理论分析。减震系统主要是通过降低结构的加速度反应，从而大幅度降低结构的地震内力，但是这种设计方式也存在一些局限性，主要表现在隔振系统不宜用在软弱场土地和高层建筑结构中。在减震系统的创新设计方面，主要应用结构动力学做理论分析。地震发生时，地面运动引起结构的振动反应，结构吸收了大量的地震能量，能量耗散必须经过转换（一般转换为动能或者热能的形式）才能实现。传统的抗震体系容许结构
承重构件（柱、梁、结点等）在地震中出现损坏，这一损坏过程就是能量的耗散过程，而结构以及构件的严重损坏或倒塌，就是地震中能量转换或耗散的最终完成。
从能量的观点看，地震输入结构的能量是一定的，因此，耗能装置耗能的能量越多，则房屋结构本身需要耗散的能量也就越少，这意味着地震反应的降低。另一方面，从动力学看，耗能装置的作用相当于增加了结构的阻尼，而使结构阻尼的增大，必将会减小地震的破坏。（至于减震的原理，可以参考李群芳，陈亦仁，框架结构的隔震设计之抗震性能分析）。
吸振是通过附加子结构使主体的结构的能量向子结构转移的减震方式。在实际的地震中含有多种频率的分量，结构系统也必然是有阻尼系统，但在子结构频率接近或等于主频率时，主结构的地震反应总是可以得到一定程度的降低，并且自结构动力学中，主结构的阻尼比越小，吸振装置的减震作用越大；质量比增加，减震作用增大。四、结构动力学在建筑结构中的隔振原理
结构在振动会引起结构疲劳和破坏得动应力和动变形，会引起接触部件间的微震磨损腐蚀，引起环境的噪声，震动还会影响结构的寿命和功能。然而合理的结构设计一般可以使结构的水平地震加速反应减低60%左右，从而可以有效地减轻破坏，提高结构物的地震安全性。实际结构在自由振动时候有衰减现象，振幅随时间逐渐减小，最后趋于静止；在强迫振动时，外荷载需要对结构不断地做功，才能维持振幅的不变。然而，在结构动力学中都可以解决这类问题，同时也为此
实际问题的计算提供理论依据，从而使其能够得到有效的解决。五、结束语
通过本学期对结构动力学的学习以及上面的分析论述，我深深体会到，在房屋结构建设中，结构动力学起着很大的作用。在进行房屋建筑结构设计时需要采取一定的措施用于控制房屋结构地震反应，来大幅度降低房屋结构的地震内力，从而可以有效地减轻结构的地震破坏，提高房屋结构的地震安全性。因此，必须利用结构动力学中的基本原理和方法，充分的用在房屋建筑结构设计中。
参考文献
李群芳，陈亦仁《框架结构的隔震设计之抗震性能分析》
彭俊生、罗永坤、彭地《结构动力学、抗争计算与SAP2000应用》
哈工大出版《结构动力学》