结构动力特性计算方法

‘壹’ 简述结构自振周期有哪些计算方法

结构的自振周期顾名思义是反映结构的动力特性，与结构的质量及刚度有关，具体对单自由度就只有一个周期，而对于多自由度就有同模型中采用的自由度相同的周期个数，周期最大的为基本周期，设计用的主要参考数据
自振周期折减系数
由于计算模型的简化和非结构因素的作用，导致多层钢筋混凝土框架结构在弹性阶段的计算自振周期（下简称“计算周期”）比真实自振周期（下简称“自振周期”）偏长。因此，无论是采用理论公式计算还是经验公式计算；无论是简化手算还是采用计算机程序计算，结构的计算周期值都应根据具体情况采用自振周期折减系数（下简称“折减系数”）加以修正，经修正后的计算周期即为设计采用的实际周期（下简称“设计周期”），设计周期=计算周期×折减系数。如果折减系数取值不恰当，往往使结构设计不合理，或造成浪费、或甚至产生安全隐患。诚然，折减系数是钢筋混凝土框架结设计所需要解决的一个重要问题。 影响自振周期因素是诸多方面的，加之多层钢筋混凝土框架结构实际工程的复杂性，抗震规范[1]没有、也不可能对折减系数给出一个确切的数值。许多文献中给出，当主要考虑填充墙的刚度影响时，折减系数可取0.6~0.7[4] [7]；根据填充墙的多少、填充墙开洞情况，其对结构自振周期影响的不同，可取0.50~0.90[2].这些都是以粘土实心砖为填充墙的经验值，不言而喻，采用不同填充墙体材料的折减系数是不相同的。当采用轻质材料或空心砖作填充墙，当然不应该套用实心砖为填充墙的折减系数。对于粘土实心砖外的其它墙体可根据具体情况确定折减系数
结构周期关系
按照行业标准《工程抗震术语标准》（JGJ/97）的有关条文， 自振周期：结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间。 基本周期：结构按基本振型（第一振型）完成一次自由振动所需 的时间。通常需要考虑两个主轴方向和扭转方向的基本周期。 设计特征周期 ：抗震设计用的地震影响系数曲线的下降段起始点所对应的周期值，与地震震级、震中距和场地类别等因素有关。 场地卓越周期：根据场地覆盖层厚度H和土层平均剪切波速 ，按公式T=4H/ 计算的周期，表示场地土最主要的振动特征。 结构在地震作用下的反应与建筑物的动力特性密切相关，建筑物的自振周期是主要的动力特征，与结构的质量和刚度有关，当自振周期、特别是基本周期小于或等于设计特征周期 时，地震影响系数取值为 ，按规范计算的地震作用最大。 国内外的震害经验表明，当建筑物的自振周期与场地的卓越周期相等或相近时，地震时可能发生共振，建筑物的震害比较严重。研究表明，由于土在地震时的应力-应变关系为非线性的，在同一地点，地震时场地的卓越周期并不是不变的，而将因震级大小、震源机制、震中距离的变化而不同。 GB50011规范对结构的基本周期与场地的卓越周期之间的关系不做具体要求，即不要求结构自振周期避开场地卓越周期。事实上，多自由度结构体系具有多个自振周期，不可能完全避开场地卓越周期。

‘贰’ 结构动力学

结构动力学 结构力学 流体力学 有限元力学 材料力学 等等 其实都是讲的 力的传动 力对物体对象的影响 力的表现的各种指针也是为了更好的阐述力 表达力对对象的影响。要学好力学 首先不要把力当作一种虚无的东西 要学会体会和感觉 还有理性的判断和理解 这样你会觉得万变不离其中
在现实生活中，绝大多数物体受到的载荷并非一成不变的静载荷，而是随着时间、频率等不断发生变化的动载荷，结构动力学作为结构力学的一个分支，着重研究结构对于动载荷的响应（如位移、应力等的时间历程），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。
从大桥因共振断裂坍塌，建筑物在地震中晃动，再到飞机因不稳定的气流而产生颠簸，结构动力学问题在我们的生活中无处不在。研究结构对于动载荷的响应不仅能避免灾难性破坏的发生，更能减小结构的振动，减少噪声，为我们的生活带来更多的舒适和便利。

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。
在外加动载荷作用下，结构会发生振动，它的任一部分或者任意取出的一个微体，将在外载荷、弹性力、惯性力和阻尼力的共同作用下处于平衡状态，通过位移及其导数来表示这种关系就得到运动方程。运动方程的建立、求解和分析，是结构动力学理论研究的基本内容。
ANSYS Mechanical 针对结构动力学问题提供了多种分析类型，使用户能够确定结构对于动载荷的响应，包括模态分析、谐响应分析、响应谱分析、随机振动分析等。
模态分析用于确定结构的振动特性，即固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析，或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。
谐响应分析：
是用于确定线性结构，在承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应的一种技术。分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应，并得到一些响应值对频率的曲线。从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率
是一种将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来，计算模型的位移和应力的分析技术。谱分析替代时间－历程分析，主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷（如地震、风载、海洋波浪、喷气发动机推力、火箭发动机振动等）的动力响应情况。

‘叁’ 测定结构的动力特性的方法有哪几种

结构动力特性是指结构自振周期，振型，阻尼比三个主要方面。所谓振型是指结构振动的基本形式，一般结构有几层就有几个振型，也就对应着几个周期。通常以第一振型为主，其他几个高振型很快衰减。常用的基底剪力法就是以第一振型来计算的。阻尼比是指结构振动阻尼系数与临界阻尼系数的比值，也是结构本身所固有的。

‘肆’ 为什么模态分析只需要知道前几阶

一般载荷的频率是比较低的，所以只需要考虑与前几阶低阶模态是否会共振。准确的说是要分析与载荷频率接近的固有频率(模态)。
每个物体都有自己的共振频率，而且还有不止一个共振频率。可能十几Hz的时候会发生共振，几百Hz的时候又会发生共振。如果进行模态分析，就是说把这个物体的共振频率都找出来。如果把这些共振频率都按照频率值从小到大排，就是“阶”。比如说最小的共振频率就是一阶。
模态分析是研究结构动力特性一种方法，一般应用在工程振动领域。其中，模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。分析这些模态参数的过程称为模态分析。按计算方法，模态分析可分为计算模态分析和试验模态分析。
由有限元计算的方法取得——计算模态分析；每一阶次对应一个模态，每个阶次都有自己特定的频率、阻尼、模态参数。
通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得——试验模态分析。
通常，模态分析都是指试验模态分析。



(4)结构动力特性计算方法扩展阅读：
模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：
1) 评价现有结构系统的动态特性；
2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；
3) 诊断及预报结构系统的故障；
4) 控制结构的辐射噪声；
5) 识别结构系统的载荷。
按照模态参数（主要指模态频率及模态向量）是实数还是复数，模态可以分为实模态和复模态。对于无阻尼或比例阻尼振动系统，其各点的振动相位差为零或180度，其模态系数是实数，此时为实模态；对于非比例阻尼振动系统，各点除了振幅不同外相位差也不一定为零或180度，这样模态系数就是复数，即形成复模态。
有限元分析：
1）利用有限元分析模型确定模态试验的测量点、激励点、支持点（悬挂点），参照计算振型对测试模态参数进行辩识命名，尤其是对于复杂结构很重要。
2）利用试验结果对有限元分析模型进行修改，以达到行业标准或国家标准要求。
3）利用有限元模型对试验条件所产生的误差进行仿真分析，如边界条件模拟、附加质量、附加刚度所带来的误差及其消除。
4）两套模型频谱一致性和振型相关性分析。
5）利用有限元模型仿真分析解决实验中出现的问题！

‘伍’ 结构抗震计算中有三种方法，除了时程分析法，另两种是什么

1. 底部剪力法
高规规定：高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法。
2. 反应谱方法
高规规定：高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法

3.时程分析
理论上时程分析是最准确的结构地震响应分析方法，但是由于其分析的复杂性，且地震波的随机性，因此一般只是把它作为反应谱的验证方法而不是直接的设计方法使用。高规规定：
3 7～9度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算：
1）甲类高层建筑结构；
2）表3.3.4所列的乙、丙类高层建筑结构；
3）不满足本规程第4.4.2～4.4.5条规定的高层建筑结构；
4）本规程第10章规定的复杂高层建筑结构；
5）质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。
3.3.5 按本规程第3.3.4条规定进行动力时程分析时，应符合下列要求：
1 应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，且弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。
2 地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的3～4倍，也不宜少于12s，地震波的时间间距可取0.01s或0.02s；
4 结构地震作用效应可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

HiStruct提醒大家需要注意以下几点：
A,选波的时候不仅与场地的情况有关，也与结构的动力特性有关，这样才能选出适合的地震波。
B,双向地震分析的时候主次向应该采用不同的地震波。
C,可适当调整地震波的峰值以满足规范的要求，但是不能调整太大，那样可能导致地震波与抗震设防水平和场地不适合。
D, 所谓“在统计意义上相符”指的是，其平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在各个周期点上相差不大于 20％。

‘陆’ 反映结构动力特性的重要物理参数是振动质点的自振频率对吗

• 对，反映结构动力特性的重要物理参数是振动质点的自振频率。

• 结构动力特性
  

建筑结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能。它的主要内容包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等一些基本参数，也称动力特性参数或振动模态参数。这些特性是由结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质，构造连接等因素决定，但与外荷载无关。

建筑结构动力特性试验量测结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容，在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抗御其它动荷载的性能和能力时，都必须要进行结构动力特性试验，了解结构的自振特性。

1．在结构抗震设计中，为了确定地震作用的大小，必须了解各类结构的自振周期。同样，对于已建建筑的震后加固修复，也需了解结构的动力特性，建立结构的动力计算模型，才能进行地震反应分析。

2测量结构动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止动荷载作用所产生的干扰与结构产生共振或拍振现象。在设计中可以便结构避开干扰源的影响，同样也可以设法防止结构自身动力特性对于仪器设备的工作产生干扰的影响，可以帮助寻找采取相应的措施进行防震，隔震或消震。

3．结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资料和数据。由于结构受动力作用，特别是地震作用后，结构受损开裂使结构刚度发生变化，刚度的减弱使结构自振周期变长，阻尼变大。由此，可以从结构自身固有特性的变化来识别结构物的损伤程度，为结构的可靠度诊断和剩余寿命的估计提供依据。

建筑结构的动力特性可按结构动力学的理论进行计算。但由于实际结构的组成，材料和连接等因素，经简化计算得出的理论数据往往会有一定误差。对于结构阻尼系数一般只能通过试验来加以确定。因此，建筑结构动力特性试验就成为动力试验中的一个极为重要的组成部分，而引起人们的关注和重视。

结构动力特性试验是以研究结构自振特性为主，由于它可以在小振幅试验下求得，不会使结构出现过大的振动和损坏，因此经常可以在现场进行结构的实物试验，正如本章所介绍的试验实例。当然随着对结构动力反应研究的需要，目前较多的结构动力试验，特别是研究地震，风震反应的抗震动力试验，也可以通过试验室内的模型试验来测量它的动力特性。

结构动力特性试验的方法主要有人工激振法和环境随机振动法。人工激报法又可分为自由振动法和强迫振动法。

人工激振法是一种早期使用的方法，试验得到的资料数据直观简单，容易处理；环境随机振动法是一种建立在计算机技术发展基础上采用数理统计处理数据的新方法，由于它是利用环境脉动的随机激振，不需要激振设备，对于现场测试特别有利。以上任何一种方法都能测得结构的各种自振特性参数，由于计算机技术的发展和数据分析专用仪器的普及使用，为各种方法所测得的资料数据提供了快速有效的处理分析条件。

‘柒’ 结构自振周期计算公式

结构自振周期计算公式：计算公式为：T=2π√m/k=2π√mδ(m为质量，k为刚度系数，δ为柔度系数）。结构的自振周期顾名思义是反映结构的动力特性，自振周期T只与自身质量m以及刚度系数k有关。具体对单自由度就只有一个周期，而对于多自由度就有同模型中采用的自由度相同的周期个数，周期最大的为基本周期，设计用的主要参考数据。

‘捌’ 建筑结构抗震计算的内容包括哪几个方面

（1）、结构动力特性分析；
（2）、结构地震反应计算；
（3）、结构内力分析；
（4）、截面抗震设计。等等

‘玖’ 测定结构动力特性的方法有哪些

稳态正弦激振法是使用最早至今仍被广泛应用的的方法。其特点是原理简明，分析方便结果直观可靠，可以直接提供高阶振型参数，但必须有提供稳定谐波激振的装置。此种方法通常在试验室中应用于模型或体积较小的原型试验，也可以在现场用起振机对原型设备进行测试。

‘拾’ 结构动力特性包括哪些内容与哪些因素有关

结构动力特性是结构固有的特性，包括固有频率、阻尼、振型。

它们只与结构的质量、刚度和材料有关。

结构动力特性的一种现代方法，模态分析以振动理论作为基础，以模态参数作为目标函数，以辨别系统模态参数为最终目的，为结构的振动分析、设备故障诊断和和结构动力特性的优化提供了理论支持。

(10)结构动力特性计算方法扩展阅读：

结构在动力荷载作用下响应和性能的分析。主要是由已知结构和动力荷载来计算结构的响应，以确定结构的承载能力和动力特性，为改善结构性能、合理进行设计提供依据。

结构动力分析不仅要考虑动力荷载和响应随时间而变化，而且还要考虑结构因振动而产生的惯性力和阻尼力。动力荷载作用在结构上，结构产生的振动称为强迫振动。

结构固有动态分析在数学上称之为特征值和特征向量分析，包含固有频率与固有模态分析，是结构动力学中的主要任务之一。

结构固有特性分析是为了研究结构振动的固有规律和内在本质，为结构动力学的进一步分析打下基础，在工程的实际应用以及在求解结构动力响应方面具有重要的意义。到目前为止，已经发展了许多求解动态特性问题的数值方法。

参考资料来源：网络-结构动态特性

参考资料来源：网络-结构动力分析