普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材 結(jié)構(gòu)動力學(xué)

前言

為貫徹落實教育部《關(guān)于進(jìn)一步加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》和《教育部關(guān)于以就業(yè)為導(dǎo)向深化高等職業(yè)教育改革的若干意見》的精神，加強教材建設(shè)，確保教材質(zhì)量，中國電力教育協(xié)會組織制訂了普通高等教育“十一五”教材規(guī)劃。該規(guī)劃強調(diào)適應(yīng)不同層次、不同類型院校，滿足學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求，堅持專業(yè)基礎(chǔ)課教材與教學(xué)急需的專業(yè)教材并重、新編與修訂相結(jié)合。本書為新編教材。我國是一個多地震的國家，保證動荷載作用下結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟適用，是建筑和土木工程專業(yè)人員的基本任務(wù)。結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的位移和應(yīng)力（統(tǒng)稱響應(yīng)）的分析原理和計算方法。本教材著重教學(xué)內(nèi)容和課程體系的改革。在教學(xué)內(nèi)容上，一方面，精選傳統(tǒng)的經(jīng)典內(nèi)容，減少與理論力學(xué)和材料力學(xué)兩門課程中的重疊，避免每門課程內(nèi)容的羅列現(xiàn)象。這不僅有利于提高教學(xué)效率，而且便于讀者尋找事物的內(nèi)在聯(lián)系。因此，本書體現(xiàn)剛體與變形體的貫通（廣義單自由度系統(tǒng)）；平衡方法的貫通（達(dá)朗貝爾原理一直接平衡法、虛位移原理和哈密頓原理）。另一方面，書中力求反映新的科技成果和對經(jīng)典內(nèi)容的創(chuàng)新處理。與目前通常的結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程基本內(nèi)容相比，本書主要特點是：既有線性系統(tǒng)的計算，又有非線性系統(tǒng)的計算；既有確定性荷載作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的計算，又有隨機荷載作用下的隨機振動問題；阻尼理論既有粘性阻尼計算，又有滯變阻尼、摩擦阻尼的計算；對建筑、土建、水利工程結(jié)構(gòu)最為突出的地震響應(yīng)，書中專門列章，較為全面地介紹在各種情況下的分析計算方法。為了體現(xiàn)因材施教，書中帶*號的章節(jié)可供學(xué)有余力的同學(xué)作為補充內(nèi)容學(xué)習(xí)。本書在保持結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程體系的基礎(chǔ)上，對第6章結(jié)構(gòu)抗震計算的內(nèi)容作了補充，采用了最新頒布的《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（DL 5073-1997）和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2001），并增加了模態(tài)參數(shù)識別、動態(tài)子結(jié)構(gòu)法、隨機振動基礎(chǔ)、振動主動控制等內(nèi)容。本書系高等工科學(xué)校建筑與土木工程、水利類專業(yè)學(xué)生學(xué)完結(jié)構(gòu)力學(xué)課程后，為進(jìn)一步拓寬、加深結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識而編寫的教材。本書和結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容相銜接，全面、系統(tǒng)、深入地介紹了結(jié)構(gòu)動力分析的基本理論和計算方法。本書可作為高等工科學(xué)校建筑與土木工程、水利類專業(yè)本科高年級學(xué)生和碩士研究生的教材或教學(xué)參考書，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員參考。本書承周儲偉教授進(jìn)行了詳細(xì)的審閱，并提出了很多寶貴意見，為提高本書的質(zhì)量作出了貢獻(xiàn)，特此表示誠摯的感謝。限于編者水平，本書仍難免有不妥或疏漏之處，歡迎廣大師生和讀者提出寶貴意見和建議。

內(nèi)容概要

本書為普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材。全書內(nèi)容分為基礎(chǔ)篇和專題篇?；A(chǔ)篇分為6章，包括結(jié)構(gòu)動力學(xué)概論、單自由度系統(tǒng)的振動、多自由度系統(tǒng)的振動、無限自由度系統(tǒng)的振動、自振頻率和振型的實用計算以及結(jié)構(gòu)抗震計算等；各章附有習(xí)題，部分習(xí)題給出了參考答案，便于讀者自學(xué)查閱。專題篇分為4章，包括模態(tài)參數(shù)識別、動態(tài)子結(jié)構(gòu)法、隨機振動基礎(chǔ)和振動主動控制等。書中帶*號的章節(jié)供學(xué)有余力的同學(xué)作為補充學(xué)習(xí)內(nèi)容。    本書內(nèi)容與結(jié)構(gòu)力學(xué)相銜接，全面系統(tǒng)地介紹了結(jié)構(gòu)動力分析的基本理論和計算方法，內(nèi)容翔實，深入淺出。    本書可作為高等院校工科土建類、水利類專業(yè)本科高年級學(xué)生以及碩士研究生教材或教學(xué)參考書，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

前言主要符號表基礎(chǔ)篇  第1章  概論    1.1  基本概念    1.2  彈性系統(tǒng)的動力自由度    1.3  結(jié)構(gòu)振動中的能量耗散——阻尼力    1.4  運動方程式的建立    習(xí)題  第2章  單自由度系統(tǒng)的振動    2.1  單自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動    2.2  單自由度系統(tǒng)的有阻尼自由振動    2.3  單自由度系統(tǒng)簡諧荷載作用下的受迫振動    2.4  減振與隔振    2.5  關(guān)于阻尼的討論    2.6  周期荷載作用下的響應(yīng)    2.7  一般荷載作用下的響應(yīng)    2.8  非線性系統(tǒng)的動力響應(yīng)    習(xí)題  第3章  多自由度系統(tǒng)的振動    3.1  運動微分方程的建立    3.2  結(jié)構(gòu)特性矩陣的計算    3.3  多自由度系統(tǒng)的自由振動    3.4  多自由度系統(tǒng)的動力響應(yīng)    3.5  非線性系統(tǒng)的動力分析    習(xí)題  第4章  無限自由度系統(tǒng)的振動    4.1  直梁彎曲振動的基本方程    4.2  直梁彎曲無阻尼自由振動    4.3  簡諧荷載下直梁彎曲無阻尼受迫振動    4.4  一般荷載下直梁彎曲有阻尼受迫振動    4.5  軸向力、剪切變形和慣性轉(zhuǎn)矩對直梁彎曲自由振動的影響    習(xí)題  第5章  自振頻率和振型的實用計算    5.1  能量法求自振頻率    5.2  冪法計算自振頻率和振型    5.3  子空間迭代法    5.4  對奇異矩陣的處理    習(xí)題  第6章  結(jié)構(gòu)抗震計算    6.1  概述    6.2  單自由度系統(tǒng)的地震響應(yīng)與反應(yīng)譜    6.3  多自由度系統(tǒng)的地震響應(yīng)    6.4  多支座不同干擾時結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)    6.5  結(jié)構(gòu)與地基的動力相互作用    習(xí)題專題篇  第7章  模態(tài)參數(shù)識別    7.1  振動模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)    7.2  模態(tài)參數(shù)頻域識別方法    7.3  模態(tài)參數(shù)時域識別方法    7.4  物理模型修改  第8章  動態(tài)子結(jié)構(gòu)法    8.1  子結(jié)構(gòu)模態(tài)集    8.2  模態(tài)子結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)變換與對接    8.3  固定界面子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法    8.4  自由界面子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法    8.5  直接分支模態(tài)綜合法    8.6  高精度的子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法    8.7  界面位移綜合法  第9章  隨機振動基礎(chǔ)    9.1  隨機過程基本知識    9.2  單自由度線性系統(tǒng)隨機振動分析    9.3  多自由度線性系統(tǒng)隨機振動分析    9.4  非線性系統(tǒng)隨機振動分析  第1O章  振動主動控制    10.1  數(shù)學(xué)模型    10.2  控制律設(shè)計方法    10.3  控制系統(tǒng)模型降階方法    10.4  魯棒性附錄A  克雷洛夫函數(shù)數(shù)值表附錄B  部分習(xí)題參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：基礎(chǔ)篇第1章 概論本章首先介紹結(jié)構(gòu)動力學(xué)的任務(wù)、動力計算的特點、動荷載和靜荷載的區(qū)別、常見動力荷載的分類和結(jié)構(gòu)動力學(xué)的研究目的及研究方法；然后分別對考慮動力系統(tǒng)慣性力的動力自由度和阻尼力的形式進(jìn)行討論；最后介紹建立動力方程的常用方法，即基于達(dá)朗貝爾原理的直接平衡法、基于虛位移原理的虛功法和哈密頓原理，并對軸向力的影響進(jìn)行討論。1.1 基本概念1.1.1 結(jié)構(gòu)動力學(xué)的任務(wù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的位移和內(nèi)力（統(tǒng)稱響應(yīng)）的分析原理和計算方法，為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工程界對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行動力分析的要求日益提高。風(fēng)荷載對大跨度、高柔性結(jié)構(gòu)的強度利穩(wěn)定性產(chǎn)生了重要影響。如早在1940年，美國華盛頓州塔科馬峽谷上一座主跨度為853m的懸索橋（Tacoma Narrow Bridge），建成才4個月，就遇到了8級風(fēng)，雖然風(fēng)速還不到20m/s，但是橋卻發(fā)生了劇烈的振動，而且振幅越來越大，最終因吊桿逐根拉斷導(dǎo)致橋面鋼梁折斷而解體，墜落到峽谷之中。最近幾十年，全球處于地震高發(fā)期，如1960年的智利地震，1976年的中國唐山地震，1999年的中國臺灣花蓮地震，2001年的印度地震和2008年的中國汶川地震等，對經(jīng)濟建設(shè)和人民群眾生命財產(chǎn)造成了巨大損失。為了減少地震對工程結(jié)構(gòu)的破壞，需要對震區(qū)建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計。航空航天事業(yè)的發(fā)展，大型客機的起飛和降落，航天器的發(fā)射和回收，都將受到強烈的沖擊荷載作用，產(chǎn)生很大的動力加速度。為了保證飛行器的安全，必須進(jìn)行飛行器結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究。隨著人們對能源的開發(fā)利用，出現(xiàn)了大量的海洋平臺，這些結(jié)構(gòu)在工作期間除了承受本身的動力荷載外，還受到風(fēng)、浪、浮冰和地震等環(huán)境荷載的作用。因此，對較深水域的海洋平臺，必須進(jìn)行動力設(shè)計。另外，一些與人民群眾生命財產(chǎn)安全緊密相關(guān)的重要建筑物，如核電站、大型水電站等，為保證具有足夠的安全度，也需要進(jìn)行動力分析。

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