下载文档原格式
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。
岩土工程的分类岩土工程是土木工程学科的一个重要分支，主要研究土壤、岩石及其相互作用的力学性质和工程应用。
根据不同的分类标准，岩土工程可以分为地基工程、岩石工程、土力学与地下工程、地震工程等多个专业领域。
地基工程是岩土工程的重要组成部分，主要研究土壤的力学性质以及土壤与建筑物之间的相互作用。
地基工程常常涉及到土壤的勘探与测试、地基的设计与施工、地基的加固与处理等内容。
通过对土壤力学性质的研究，地基工程可以为建筑物提供稳定的基础支撑，保证建筑物的安全运行。
岩石工程是研究岩石的力学性质以及岩石与工程结构之间的相互作用的专业领域。
岩石工程主要包括岩石的勘探与测试、岩石的力学特性研究、岩石的工程应用等内容。
通过对岩石的研究，岩石工程可以为岩石工程结构的设计与施工提供理论依据，保证岩石工程结构的稳定与安全。
土力学与地下工程是研究土壤力学性质以及地下工程的专业领域。
土力学与地下工程主要包括土壤的力学性质研究、土壤的工程应用、地下工程的设计与施工等内容。
通过对土壤力学性质的研究，土力学与地下工程可以为地下工程的设计与施工提供理论指导，保证地下工程的稳定与安全。
地震工程是研究地震对工程结构的影响以及抗震设计与施工的专业领域。
地震工程主要包括地震学、地震工程勘探与测试、地震工程设计与施工等内容。
通过对地震的研究，地震工程可以为工程结构的抗震设计与施工提供理论依据，提高工程结构的抗震能力，保护人民的生命财产安全。
除了以上几个专业领域外，岩土工程还涉及到一些其他的专业领域，如岩土力学、边坡工程、地质灾害与防治等。
岩土力学主要研究土壤与岩石的力学性质以及其在工程中的应用；边坡工程主要研究边坡的稳定性与防护措施；地质灾害与防治主要研究地质灾害的成因与防治方法。
这些专业领域的研究都是为了保证工程结构的安全与稳定，提高土地的利用效率，保护人民的生命财产安全。
岩土工程是土木工程学科的一个重要分支，根据不同的分类标准可以分为地基工程、岩石工程、土力学与地下工程、地震工程等多个专业领域。
工程力学中的力的冲击问题工程力学是研究力和运动之间关系的学科，其中力的冲击问题是该学科一个重要的研究方向。
冲击是指作用时间极短但作用力较大的力量，会引起物体的突然位移和形变。
在实际工程中，力的冲击问题经常出现，如车辆碰撞、建筑物倒塌等。
合理解决冲击问题对于确保工程结构的安全性至关重要。
一、力的冲击问题的背景和定义力的冲击问题是指受到突然作用的力所引起的结构或物体的响应行为和破坏情况。
冲击力与作用时间密切相关，作用时间越短，冲击力越大。
冲击力的大小受到多种因素的影响，包括冲击物的质量、速度，以及冲击物和被冲击物的相对速度等。
二、力的冲击问题的影响和分析方法力的冲击问题对工程结构和装置的安全性有重要的影响。
首先，冲击力会对受力物体产生突然的位移和形变，可能导致结构的破坏或失稳。
其次，冲击力对人身安全也构成威胁，如车辆碰撞可能导致乘车人员伤亡。
在工程实践中，可以采用多种方法来分析和解决力的冲击问题。
常用的方法包括理论分析、模型试验和数值模拟。
理论分析是基于力学原理和公式推导的方法，可以得到较为精确的结果。
模型试验是通过构建缩比模型进行物理试验，观察冲击力对结构的影响。
数值模拟则是利用计算机对力的冲击问题进行仿真计算，可以模拟不同冲击条件下的物体响应。
三、力的冲击问题的应用领域和案例分析力的冲击问题在多个工程领域都有应用。
下面以车辆碰撞为例进行案例分析。
在汽车工程中，碰撞是常见的冲击问题。
当车辆发生碰撞时，车辆上的乘客和行李会受到冲击力的作用。
为了提高车辆碰撞安全性，工程师通常使用安全气囊等装置来减轻冲击对乘车人员的伤害。
力学原理被应用于车辆碰撞的模拟和设计中，可以评估不同冲击条件下的碰撞效果，为汽车制造商提供安全性能参考。
又如在建筑工程中，土木工程师经常面临地震冲击的问题。
地震产生的冲击力对建筑物的抗震设计和结构强度要求提出了挑战。
在地震工程中，工程师采用合适的数值模拟方法，模拟不同地震条件下建筑物的响应，评估结构的稳定性和安全性，从而设计出抗震性能良好的建筑物。
地震工程：地震对土木工程结构的影响及防护地震对土木工程结构的影响主要有以下几个方面：1. 结构破坏：地震的震力对土木工程的结构物造成严重的破坏。
地震产生的横向地震波会引起结构物的振动，当地震波的频率与结构物的自然频率相近时，共振现象将会发生，进而导致结构的破坏。
2. 地基液化：在地震中，地震波的振动会导致地基的液化现象。
当地震波通过地基时，水分与颗粒之间的摩擦力消失，导致地基松弛，土壤变为液态状，无法承受起重和抗震载荷，从而导致土木工程的沉降和变形等问题。
3. 地震引发的次生灾害：如土壤崩塌、滑坡和斜坡倒塌等，对土木工程的稳定性产生重大影响。
这些次生灾害可能会导致土木工程的基础和支撑结构受损，使工程处于不稳定状态。
针对地震对土木工程结构的影响，可以采取以下防护措施：1. 抗震设计：这是确保土木工程抵抗地震力的重要手段。
在设计阶段，工程师需要根据地震特性和工程的承载要求，合理选择结构形式、材料和接头方式等。
通过优化结构，提高抗震性能，减少地震对土木工程的影响。
2. 加固和韧性设计：对于已建成的土木工程，加固和韧性设计是有效减轻地震影响的手段。
通过加固结构，例如使用加固钢筋或纤维材料等，可以增强其抗震性能。
同时，韧性设计可以使结构具备更好的变形能力，吸收和释放地震能量，降低地震对土木工程的破坏程度。
3. 地基处理：地震引发的地基液化是土木工程面临的重大威胁之一。
地基处理可以通过填充加固或土体处理等措施，提高地基的抗震能力。
例如，可以利用灌浆技术加固地基，提高地基的承载能力，减少地震对土木工程的影响。
4. 监测与预警系统：在地震防护中起到重要作用。
通过安装传感器和监测设备，可以实时监测土木工程的变形和振动情况，及时预警地震发生。
预警系统可以提前通知相关人员采取应急措施，减少地震对土木工程的危害。
总的来说，对于地震这一不可预测的自然灾害，我们需要通过科学合理的设计、施工和监测手段来提高土木工程结构的抗震能力，以最大限度地减少地震对人类生命财产的危害。
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。
力学在建筑工程中的应用
力学在建筑工程中有着广泛的应用，其中包括以下几个方面：
1. 结构设计：力学理论被广泛应用于建筑物的结构设计中。
通过力学方法，工程师可以计算各种类型的荷载和压力对建筑结构的影响，从而确保所设计的建筑物结构具有足够的强度和稳定性。
2. 地基勘察：力学方法可以用于地基勘察，包括地质勘察和土壤测试。
这些测试可以通过测量地球表面的振动和移动来确定建筑物周围的土壤密度和强度等参数，并用于建筑物的地基设计。
3. 施工安全：力学方法也可以用于建筑施工的安全管理中。
通过分析不同类型的荷载和压力，可以确保建筑施工过程中的安全性，并在发现问题时采取必要的预防和纠正措施。
4. 风力设计：风力是建筑物可能面临的重要荷载之一。
力学方法可以帮助工程师确定建筑物的风力抗性，以确保其在恶劣气候条件下的安全性。
5. 地震设计：力学方法对于建筑物的地震设计非常重要。
通过分析建筑物的结构和材料，可以确定应对不同级别的地震所需的安全级别，并采取相应措施，以降低地震对建筑物和人员的危险。
一般土木工程考虑的地震是什么地震是地球的表面产生的震动，是一种自然灾害，对土木工程构筑物的安全性和稳定性带来重要影响。
土木工程在设计和建设过程中，需要考虑地震对结构物的影响，从而确保结构在地震发生时能够安全稳定地运行。
地震的特点地震是地球内部的能量释放导致地表产生震动的现象。
地震的主要特点包括：•震源：地震发生的地点称为震源，震源就是地震的发生中心，能量释放的位置。
•震源深度：地震发生的深度也会对地震的影响产生很大的不同。
•震级：用来表示地震能量大小的一个指标，通常使用里氏震级或矩震级来表示。
•震中：地震波传播到地面上的最初震动位置，位于地震震中区域的中心。
•震后地表运动：地震发生后，地面会产生剧烈震动，包括横向和纵向的运动。
地震对土木工程的影响地震对土木工程的影响主要表现在以下几个方面：1.结构破坏：地震产生的强烈震动可能导致土木结构的破坏，如倒塌、断裂等，严重威胁人员和财产安全。
2.地基沉陷：地震震动会引起土壤液化，造成地基沉陷，使建筑物失稳。
3.振动效应：地震引起的地面振动会对结构物产生共振效应，加剧结构破坏。
4.建筑物位移：地震可能导致建筑物的位移，影响结构物的整体稳定性。
5.结构材料疲劳：地震频繁发生会导致结构材料疲劳，减少结构寿命。
土木工程中考虑的地震因素在设计和建设土木工程时，需要考虑以下地震因素来确保结构物的安全：1.设计基础：结构物的基础设计应考虑地震引起的地基沉陷和液化风险，采取合适的抗震基础设计措施。
2.结构抗震性能：结构物的设计应考虑地震荷载，采取适当的抗震结构形式和材料，提高结构物的抗震性能。
3.结构设计规范：遵循地震设计规范，合理计算地震荷载，确保结构物在地震发生时不发生破坏。
4.结构连接：结构物各部分的连接应考虑地震作用下的强度和刚度，减小结构体系变形和破坏。
5.监测系统：建立地震监测系统，及时监测地震活动，为土木工程提供准确的地震信息。
结语地震是一种常见的自然灾害，对土木工程的安全稳定性产生重要影响。
岩土工程中的地震效应地震效应是岩土工程中一个重要的考虑因素，对于土壤和岩石的力学行为以及工程结构的安全性都具有显著的影响。
本文将从地震效应的背景、地震对土壤和岩石的影响以及地震对岩土工程结构的影响三个方面进行详细讨论。
一、地震效应的背景地震是地球内部能量释放的结果，具有突发性和破坏性。
地震一般由震源、震源释放的地震波和传播介质组成。
地震波包括P波、S波和地表波等多种类型，而地震波在传播过程中会与土壤和岩石产生相互作用，导致地震效应的产生。
二、地震对土壤和岩石的影响1. 土壤的液化现象：地震波传播过程中，当波动力的水平分量达到一定程度时，会导致土壤中间隙水分离，土壤发生液化现象。
液化后的土壤失去了支撑力，导致土体整体沉陷和侧向推移，给地下管线和工程结构带来破坏风险。
2. 岩石的震裂现象：地震波对于岩石的作用力会产生岩石的破碎和震裂现象。
震裂的岩体容易发生塌方和滑坡等地质灾害，对陡坡、边坡等工程结构造成严重威胁。
3. 岩土结构的动力响应：地震波对岩土结构的动力响应是岩土工程中的关键问题。
地震波传播到岩土结构上时，会激发结构的共振效应，导致结构产生较大的位移和应力。
这可能引起结构的破坏或者破坏倾向，严重影响结构的安全性和稳定性。
三、地震对岩土工程结构的影响1. 抗震设计要求：地震对岩土工程结构的影响要求我们进行相应的抗震设计。
在设计阶段，需要根据工程位于的地震带以及地震参数，合理选取设计地震动参数，并确定工程的抗震设防烈度。
通过计算分析和结构抗震设计，最大限度地降低工程结构在地震中产生的损失。
2. 地基处理措施：地震对于土壤的液化和塌陷等影响要求我们采取合适的地基处理措施。
常用的地基处理措施包括加固土壤、排水处理、增加地下排水等，用以提高土壤的抗震能力和稳定性，减少地震对于工程的影响。
3. 结构抗震措施：工程结构在受到地震作用时，需要采取相应的抗震措施来增强其抗震能力。
常见的抗震技术包括刚性加固、减震措施、隔震措施等，用以减小结构在地震中受到的作用力，并提升结构的韧性。
地震对工程结构的破坏及力学在工
程抗震方面的应用。
陈志丹
（地震科学系0950121班095012121）
【摘要】地震的破坏主要包括对地质环境的破坏和人工结构的破坏。
前者主要包括地表破坏、滑坡、崩塌、泥石流等等。
后者主要包括各种房屋、构筑物和交通、电力等生命线工程的破坏。
本文主要讨论地震对工程结构的破坏。
通过对地震发生机制的分析，特别是对强地震动的讨论，大致阐述地震对工程结构的破坏。
然后对几种典型的工程结构，如砌体结构、钢筋混凝土结构、框架结构，进行粗略的力学分析，得出其在地震中的受损情况。
最后结合现代力学的发展阐述了力学在工程抗震方面的应用。
【关键词】地震波强地震动工程结构工程抗震
1、地震发生机制。
地震是在内动力地质作用下，使地壳岩石之间发生相互作用，当积累起来的地应力超过岩石的承受极限时，岩石脆弱的地方发生突然断裂和错动，使长期积累的能量突然释放出来，并以地震波的形式向四周传播，使地面发生震颤。
地震是能量的突然释放，地面的震颤是地震波传播的结果。
地
震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。
纵波是推进波，地壳中传播速度为5．5~7千米／秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。
横波是剪切波：在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。
面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。
其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。
2、强地震动的影响。
强地震动是对工程结构有显著影响乃至造成结构破坏的地震动。
震害调查和研究表明，强地震动是地震成灾的根本原因之一。
强地震动可以通过强震仪进行观测，观测的主要物理量为加速度，能记录地震发生时的地面运动时间过程及结构的地震反映时间过程，为工程地震和结构抗震研究提供基础资料。
强地震动主要包括地震动强度、地震动频谱和地震持续时间。
表征地震动强度的常用参数是最大峰值或其等效值，如加速度峰值、速度峰值、位移峰值。
地震的反映往往不取决于地震动的单个尖锐峰值，但受多种等效峰值的影响，如均方根加速度和有效峰值加速度。
速度峰值反映了地震动中频分量的强度，常作为衡量地震动能量的物理量。
位移峰值受地震动的低频分量的控制，与地下工程结构的地震
反映与地震动位移密切相关。
地震动频谱是组成地震动的各简谐振动的振幅和相位，反映了地震动的动力特性。
若地震动的某个简谐分量频率和体系固有频谱相同，将引起共振，是造成结构破坏的主要原因。
地震动的持续时间有长有短，在结构进入非线性阶段后，地震动持续时间的长短对结构的最终损伤程度又重要影响，持续时间越长，造成积累损伤的可能性越大。
在工程抗震中，往往特别关注强地震动的持续时间的影响。
3、几种典型的工程结构。
3.1、砌体结构。
砌体结构是用砖砌体、石砌体或砌块砌体建造的结构。
由于砌体的抗压强度较高而抗拉强度很低，因此，砌体结构构件主要承受轴心或小偏心压力，而很少受拉或受弯。
砌体结构自重大、体积大，砌筑工作繁重。
由于砖、石、砌块和砂浆间粘结力较弱，因此无筋砌体的抗拉、抗弯及抗剪强度都很低。
砌体结构的抗震性能较差，容易出现墙体开裂、房屋局部倒塌或整体倒塌、建筑构件破坏等。
3.2、钢筋混凝土剪力墙结构。
剪力墙结构是指由钢筋混凝土现浇而成的墙体。
剪力墙结构全部由剪力墙组成建筑物的骨架，能承受竖向荷载和风，地震等水平作用的结构。
剪力墙结构承载能力高，
刚度大，但对变形控制最严。
当地震发生时，剪力墙结构中的一些的薄弱的连接结构先发生破坏，从而减轻了对剪力墙的破坏，避免了房屋倒塌，成为了剪力墙结构的第一道防线。
剪力墙的破坏方式主要有两种，分别是剪切破坏和弯曲破坏。
在剪力墙结构中，剪力墙是承载和抗震的主要的构件。
因此加强对剪力墙的正确施工尤为重要。
3.3、框架结构。
框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗适用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。
采用结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用。
框架结构自重轻，有利于抗震，节省材料；框架结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。
但框架节点应力集中显著；框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破性。
鉴于此，框架结构设计应遵循“强柱弱梁”的原则，即在地震发生时，以梁作为“牺牲品”去吸收地震的能量以保护柱子，提高建筑的支撑能力，提高抗震性能。
4、力学在工程抗震中的应用。
4.1、场地的选择、分析及合理施工。
从原理上分析，在岩层中传播的地震波，本来有多种频率成分，其中在振幅谱中幅值最大的频率分量所对应的周期为地震动的卓越周期。
在地震波通过覆盖土层传向地表的过程中，与土层固有周期相一致的一些频率波群将被放大，而一些波群将被衰减甚至过滤掉。
这样，地震波通过土层后，由于土层的过程特性与选择的放大作用，地表地震动的卓越周期在很大程度上取决于场地的固有周期。
当建筑物的固有周期与地震动固有周期相近时，建筑物的振动会加大，相应的地震受灾程度也会加重。
因此，在建设施工过程中，选择合理的建筑材质及正确施工尤为重要。
4.2工程结构的抗震优化。
通过对几种典型的建筑结构的分析，可以看到它们各自的局限性。
但由于固体力学、材料力学等相关学科的不断发展，可以通过优化抗震设计，从而达到对工程的抗震优化。
一般有以下几种措施：
1、选择有利的房屋外形。
2、选择合理的结构材料。
3、提高结构的抗震性能的措施。
4、加强结构整体性和控制结构性能。
5、减轻房屋自重及妥善处理非结构构件。
【结语】任何建筑物的建成都要经历各种自然力的考验，特别如地震这类具有强大破坏力的自然力。
在考虑到它时必须
要更多地顾及抗震结构，提高建筑物的抗震能力。
力学作为一种自然科学，其发展对于推动建筑行业的改进具有重要意义，使得我们在有限的资金范围之内，能最大限度的发挥建筑物的功能。
其任务是研究作用在结构或构件上力的平衡关系，构件的承载能力及材料的力学性能，为保证结构或构件安全可靠及经济合理提供理论基础和计算方法。
力学靠科学的力量将建筑的安全性和经济性有效的结合起来，为人们提供更稳定，更安定的居住环境。
【参考文献】叶俊林黄定华张俊霞. 1994. 地质学概论北京：地质出版社
张敏政. 2010. 地震科学基础[M]. 河北：防灾科技学院试用教材
黄卫. 2008. 房屋抗震知识读本[M]. 北京：中国建筑工业出版社
李国强李杰苏小卒. 2009. 建筑结构抗震设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社
李爱群高振世. 2004. 工程结构抗震设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社
杜太生. 2003. 砌体结构[M]. 北京：科学出版社
杨林霞丁小军. 2007. 混凝土结构设计原理和学生指南[M]. 北京：机械工业出版社
张曦. 2006. 建筑力学[M]. 中国建筑工业出版社。
