结构自振周期计算公式
横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算
结构等效总重力荷载
F
G
G
G
G3
质点i的水平地震作用Fi 若： 不考虑顶部附加地震作用 若： 考虑顶部附加地震作用 查表1.19
（3）判别
楼层位移
01
弹性角位移
02
层间位移 查表1.21 钢筋混凝土框架1/550
节点平衡
左地震M图
方向：
01
剪力：使物体顺时针转为正 轴力：压力为正
02
左地震剪力、轴力图
03
梁端剪力、柱轴力
(二）横向风荷载作用下框架结构内力和侧移计算 1、风荷载标准值 ：风振系数 ：体型系数 ：高度变化系数，表1.11 ：基本风压 0.65 压 吸 ……
03
3、水平地震作用下的位移验算
4、水平地震作用下框架内力计算
D值法（改进反弯点法）
柱端弯矩：
--标准反弯点高度比（表2.4） --上、下层梁线刚度比修正系数（表2.6） --上层层高变化的修正值（表2.7）底层 --下层层高变化的修正值（表2.7）二层 --本层层高
梁端弯矩：
柱左侧受拉为正
以梁线刚度分配
六、横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算
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（一）横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算 1、横向自震周期（基本自震周期）T1 Gi 为计算单元范围内各层楼面上的重力荷载代表值及上下各半层的墙柱等重量 注：突出屋面部分面<30%屋面面积，则按附属结构计算；＞30%按一层计算 计算时，先将突出屋面部分重力荷载折算到顶层： Ge=Gn×（1+3h／2H)
自振周期计算公式：
考虑非承重墙影响的折减系数，框架0.6~0.7； 计算结构基本自振周期用的结构顶点假想位移 对于带屋面局部突出间的房屋，应取主体结构顶点的位移。
简支梁的周期计算
简支梁的周期计算简支梁是一种较为常见的结构形式，其两个端点可以完全自由地旋转，不受约束。
这种结构梁比较简单，可以用一维振动理论来描述和计算。
简支梁的自由振动方程可以表示为：m* d²u/dt² + k* u = 0其中，m是梁的质量，k是梁的刚度，u是梁的挠度，t是时间。
这是一个二阶线性常微分方程，可以通过解特征方程来得到解析解。
由于此处要求大于1200字，我将分几个方面来详细讲解简支梁的周期计算。
1.导出简支梁的振动方程2.计算简支梁的自然频率3.计算简支梁的周期首先，我们可以从简支梁的振动方程出发，推导得到简支梁的自然频率。
自然频率是梁在自由振动时的频率，是梁固有的特性。
可以用公式表示为：ω=√(k/m)其中，ω是自然频率，k是梁的刚度，m是梁的质量。
接下来，我们可以用自然频率来计算简支梁的周期。
周期是一个完整振动周期所需的时间，可以用公式表示为：T=2π/ω其中，T是周期，ω是自然频率。
对于简支梁，刚度k和质量m可以通过结构的几何形状和材料性质来确定。
例如，对于均匀截面的简支梁，可以用梁的截面面积A、杨氏模量E和长度L来计算刚度k和质量m。
刚度k可以通过以下公式计算：k=3EI/L³其中，E是杨氏模量，I是梁截面的惯性矩，L是梁的长度。
质量m可以通过以下公式计算：m=ρAL其中，ρ是梁的密度，A是梁的截面面积，L是梁的长度。
通过上述方法，我们可以计算出简支梁的自然频率ω和周期T。
需要注意的是，上述计算方法适用于假设简支梁是线性弹性结构的情况。
对于非线性情况，计算方法会有所不同。
此外，简支梁的几何形状和材料特性也会对周期的计算结果产生影响。
在实际工程中，为了保证结构的安全性和可靠性，设计时通常会将简支梁的自然频率控制在一定范围内。
频率过高或过低都可能导致结构出现问题，例如共振或不够刚性。
综上所述，简支梁的周期计算是工程设计中的重要问题。
通过推导梁的振动方程，计算自然频率和周期，可以帮助工程师合理地确定梁的材料和几何形状参数，确保结构的安全性和可靠性。
框架-剪力墙结构自振周期及振型计算
框架-剪力墙结构自振周期及振型计算1. 基本原理（1）连续化方法（2）梁弯曲自由振动动力方程 （3）自由振动位移方程 2. 计算参数（1）刚度参数 框架刚度：C F 剪力墙刚度：EI 刚接连梁刚度：μ （2）质量参数单位高度质量m ，单位高度重量W=mg 3. 计算公式（1）框剪结构刚度特征值EIC HF μλ+= （2）自振周期gEIWH T i i 2ϕ= i ϕ由图表、根据λ及所要计算的振型查得（3）振型参数ϕπλλ221=，212ϕλπλ=或122ϕλπλ=22221λλλ=-()()0sin sh cos ch 2212221212142412221=-+++λλλλλλλλλλλλ一式代入二式，有：221212λϕλπλ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-，()022212221=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--ϕπλλλ 24224221242224⎪⎪⎭⎫⎝⎛+±=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+±=ϕπλλϕπλλλ 根据物理意义，有：24221242⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=ϕπλλλ，2421242⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=ϕπλλλ 汇总为：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=242224212422242ϕπλλϕπλϕπλλλ （4）振型公式()⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+-=x H x H x H x H Y x Y 221122221121221210sin sh cos ch sh sin cos ch λλλλλλλλλλλλλλλ4. 补充说明（1）应计算3个、最多也只能计算三个振型。
（2）计算梁的刚度时，应计及现浇钢筋混凝土楼板作为梁的翼缘对梁截面刚度的增大效应，其中边梁截面惯性矩增大1.5倍，中梁刚度增大2.0倍。
（3）计算框架-剪力墙结构的自振周期时，应考虑框架填充墙对整体结构刚度的贡献，做法是对计算周期进行折减，折减系数为0.7-0.8。
5．结构刚度 5.1 框架刚度（1）框架梁刚度按矩形截面计算：3121bh I b =按T 型截面修正：3121bh I b β=，对于现浇钢筋混凝土框架边梁，.51=β，现浇钢筋混凝土框架中梁，.02=β（2）框架柱刚度 惯性矩；3c 121bh I =（此处h 为柱截面高度） 梁柱刚度比：cb i i i ∑=柱抗侧刚度修正系数：底层i i ++=2.50α，中间层ii+=2α 柱抗侧刚度D 值：212h i D cα=（此处h 为层高） 柱抗推刚度：Dh C =c （此处h 为层高） （3）框架抗推刚度∑∑===D h C C nm C F 1（此处h 为层高）5.2 剪力墙刚度 5.2.1 整体剪力墙 www d A H I I I 291μ+=5.2.2 开洞剪力墙（1）开洞墙连梁折算惯性矩bb bb A a I I I 271~μ+=，剪应力分布不均匀系数2.1=μ，a 为连梁净跨 （2）连梁刚度特征值32~aI c D b=，c 为连梁轴跨（3）墙肢刚度 墙肢惯性矩： 3121ww h b I =（按矩形截面计算，或按T 型等组合截面计算等）（4）剪切参数 墙肢剪切参数：∑∑∑∑==AHI AG H IE 22238.2μμγ（5）整体影响系数不考虑轴向变形影响的整体参数∑∑=+==ki ik i iD I h H 1112216α（此处k 为洞口总数）考虑轴向变形影响的整体系数T212αα=，轴向变形影响系数T 与洞口数量有关，近似值为墙肢数量3-4时，T=0.80，墙肢数量5-7时，T=0.85，墙肢数量大于8时，T=0.90。
结构基本自振周期计算 (1)
ug (t)
刚心
3.5结构的扭转地震效应
2.地震地面运动存在扭转分量 地震波在地面上各点的波速、周期和相位不同。建
筑结构基底将产生绕竖直轴的转动，结构便会产生扭转 振动。
无论结构是否有偏心，地震地面运动产生的结构扭 转振动均是存在的。
★扭转作用会加重结构的震害 《规范》规定对质量和刚度明显不均匀、不对称结构 应考虑水平地震作用的扭转效应
（1）钢筋混凝土框架结构 T1 (0.08 ~ 0.10)N N---结构总层数。
（2）钢筋混凝土框架-抗震墙或钢筋混凝土框架-筒体结构
T1 (0.06 ~ 0.08)N （3）钢筋混凝土抗震墙或筒中筒结构
T1 (0.04 ~ 0.05)N （4）钢-钢筋混凝土混合结构
T1 (0.06 ~ 0.08)N
x2 (t)
m1
x1 (t)
3.4.1能量法
位移： xi(t) X i sin( t ) 速度： x(t) Xi cos(t )
mn
当体系振动达到平衡位置时，体系变形
位能为零，体系动能达到最大值Tmax
Tmax
1ω2 2
n i 1
mi
X
2 i
m1
xn (t)
2、有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15度时，应分别考虑各 抗侧力构件方向的水平地震作用。
3、质量和刚度分布明显不对称的结构，应考虑双向水平地震作用下的扭 转影响;其他情况,应采用调整地震作用效应的方法考虑扭转影响。
4、8度和9度时的大跨度结构、长悬臂结构，9度时的高层建筑，应考虑 竖向地计中，一般不考虑竖向地震作用的影响 震害表明：
1、在高烈度区，竖向地面运动的影响是明显的 2、竖向地震作用对高层建筑、高耸及大跨结构
结构基本周期
结构基本周期、结构自振周期与设计特征周期、场地卓越周期之间的区别和联系。
自振周期是结构按某一振型完成一次自由振动所需的时
计特征周期是在抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值；场地卓越周期是根据覆盖层厚度H和土层剪切波速VS按公式T0=4H/VS计算的周期，表示场地土最主要的振动特性。
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
周期相等或接近时，建筑物的震害较为严重。
基本周期应该取决于建筑物的结构形式，各种结构形式都是定数。
结构自振周期是结构在水平作用下的震动周期，是变数。
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相关。
经验表明，当建筑物的自振周期与场地的卓越周期相等或接近时，建筑物的震害较为严重。
结构的基本周期可采用结构力学方法计算，对于比较规则的结构，也可以采用近似方法计算：
框架结构 T=（）N
框剪结构、框筒结构 T=（）N
剪力墙结构、筒中筒结构 T=（）N
其中N为结构层数。
也可采用结构分析得到的结构第1平动周期。
自振周期及地震作用计算讲义
n
i
根据能量守恒原理：
g
m
i 1 n i
n
i
Xi
T1
2 i
2
m
i 1
X
1
2
m X
i i 1 n
n
2 i
g
m X
i i 1
2
i
G X
i
n
2 i
G X
i i 1
i 1 n
i
一般假定：将结构重力荷载当成水平荷载作用于质点上 所得的结构弹性曲线为结构的基本振型。
T 1 max 1 2
n
i 1
m i ( 1 x i )
2
mN
xn
M
eq
xm
单质点体系的最大动能为
T 2 max 1 M 2
eq
xm xn
m1 x1
( 1 x m ) 2
x m ---体系按第一振型振动时，相应于折算质点处的最大位移；
T1max
1 n mi (1xi )2 2 i1
ห้องสมุดไป่ตู้
竖向地震作用，烟囱上 抛后下落错位。
9
德阳利森水泥厂生料均化库，受到 竖向地震作用，塔筒上抛后下落。
底部框架底层为薄弱层， 底层墙体叠合塌落。 （9度 区）
10
底部框架结构底层框架叠合塌落（北川11度区）。
中间层叠合塌落（日本阪神大地震）。
11
中间层水平裂缝 中间层水平裂缝。
3.6.1高耸结构及高层建筑的竖向地震作用
台湾省漳化县富贵 名门大楼，16层钢筋混 凝土住宅楼，平面为C 型, 平面不规整，单排 柱框架，柱子间距太大， 数量偏少。
结构刚度和自振频率
结构刚度和自振频率结构刚度是指结构体系在外部施加作用力或荷载下，抵抗变形的能力。
在弹性范围内，结构刚度可以通过材料的弹性模量和截面尺寸来确定。
结构刚度越高，结构在受到载荷时，其变形越小。
结构刚度可以通过以下公式来计算：K=F/δ其中，K是结构刚度，F是作用在结构上的力，δ是结构的变形。
结构刚度的大小直接影响着结构的稳定性和延性。
若结构刚度不足，结构在受到外部载荷时容易产生较大的变形，甚至可能导致结构的破坏。
若结构刚度过大，结构受到外部载荷时不能充分吸收载荷能量，容易产生应力集中，从而引发结构破坏。
自振频率是指结构体系在没有外部载荷作用下，自然地以特定的频率来振动。
自振频率可以通过结构的质量和刚度来计算。
结构的自振频率与其固有振动情况密切相关，主要取决于结构的质量和刚度。
对于固定在地基上的结构来说，在自振频率接近结构受到周期性激励的频率时，结构就容易发生共振。
共振会导致结构振动幅值增大，并引起破坏。
因此，设计过程中通常需要考虑结构的自振频率并避免与外部激励频率产生共振。
提高结构刚度可以降低结构的振动频率，而降低结构的刚度则可以增加结构的振动频率。
为了实现理想的结构性能和振动特性，需要在设计过程中进行综合考虑和权衡。
总之，结构刚度和自振频率是结构设计中非常重要的概念。
结构刚度决定了结构对外部载荷的抵抗能力，而自振频率则表示了结构在没有外部载荷作用下自然振动的频率。
在设计过程中，需要合理选择结构刚度和自振频率，以确保结构的稳定性、耐久性和抗震安全性。
结构自振周期的近似计算
3.5.3 结构自振周期的近似计算通过结构的频率方程求自振周期比较复杂，这里介绍几种近似计算方法。
动能为势能为由能量守恒，有例.已知：解:3.6 竖向地震作用《规范》规定：设防烈度为8度和9度区的大跨度屋盖结构、长悬臂结构、烟囱及类似高耸结构和9度区的高层建筑，应考虑竖向地震作用。
效应：使建筑物上下颠簸F F3.7 结构平扭耦合地震反应与双向水平地震影响 规范规定：对于质量及刚度明显不均匀、不对称的结构，应考虑水平地震作m用的扭转影响。
刚心)(tug质心分析过程：[受弯钢筋凝土构件的滞回曲线滞回模型：描述结构或构件滞回关系的数学模型。
双线性模型双线性模型一般适用于钢结构梁、柱、节点域构件。
钢筋混凝土梁、柱、墙等一般采用退化三线性模型。
退化三线性模型结构非弹性地震反应分析的简化方法适用范围：不超过12层且层刚度无突变的钢筋混凝土框架结构和填充墙钢筋混凝土框架结构；不超过20层且层刚度无突变的钢框架结构和支撑钢框架结构；式中：N N a h +−5.0)(/---系数，混凝土强度等级不超过C50时，取1.0，C80时为0.94，by二、结构薄弱层位置判别结构薄弱层：塑性变形集中的楼层，即ζy 最小或相对较小的楼层对于ζy 沿高度分布均匀的框架结构，底层作为薄弱层。
3.9 结构抗震验算3.9.1 结构抗震计算方法原则(1 ) 一般情况下，应允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，并进行抗震验算各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。
(2 )有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。
(3) 质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响，其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。
(4) 不同方向的抗侧力结构的共同构件（如框架角柱），应考虑双向水平地震作用的影响。
(5)8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。
结构基本自振周期计算
h ---计算楼层层高；
[ e ]---弹性层间位移角限值，按表3.14采用。
3.8.4多遇地震作用下结构抗震变形验算
表3.14弹性层间位移角限值
结构类型 钢筋混凝土框架
钢筋混凝土框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒 钢筋混凝土抗震墙、筒中筒 钢筋混凝土框支层 多、高层钢结构
T1 (0.04 ~ 0.05) N
（4）钢-钢筋混凝土混合结构
T1 (0.06 ~ 0.08) N
（5）高层钢结构
T1 (0.08 ~ 0.12) N
3.5结构的扭转地震效应
一、产生扭转地震反应的原因
两方面：建筑自身的原因和地震地面运动的原因。 m 1.建筑结构的偏心
主要原因：结构质量中心与刚度 中心不重合 质心：在水平地震作用下， 惯性力的合力中心 刚心：在水平地震作用下， 结构抗侧力的合力中心
（1）竖向反应谱及竖向振动周期 竖向地震反应谱: 与水平地震反应谱的形状相差不大 竖向反应谱的加速度峰值约为水平反应谱的1/2至2/3。可利用水平地震反应谱进行分析。
V 0.65 H
Ⅰ类场地的竖向和水平平均反应谱
3.6.1高耸结构及高层建筑的竖向地震作用
竖向振动周期： 计算结果表明：高耸结构和高层建筑竖向振动周 期较短，基本周期在0.1~0.2s范围内 小于场地的特征周期Tg 《建筑抗震规范》直接取竖向地震影响系数：
u g (t )
刚心 质心
3.5结构的扭转地震效应
2.地震地面运动存在扭转分量 地震波在地面上各点的波速、周期和相位不同。建 筑结构基底将产生绕竖直轴的转动，结构便会产生扭转 振动。 无论结构是否有偏心，地震地面运动产生的结构扭 转振动均是存在的。 ★扭转作用会加重结构的震害 《规范》规定对质量和刚度明显不均匀、不对称结构 应考虑水平地震作用的扭转效应
几种周期的区分
结构基本周期、结构自振周期与设计特征周期、场地卓越周期之间的区别和联系。
结构基本周期:是指结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。
自振周期T：结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间，是结构本身的动力特性，仅与结构的质量m、刚度系数k有关。
设计特征周期:是在抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值；场地卓越周期:是根据覆盖层厚度H和土层剪切波速VS按公式T0=4H/VS计算的周期，表示场地土最主要的振动特性。
卓越周期按地震记录统计得到，地基土随软硬程度的不同有不同的卓越周期，可划分为四级：一级——稳定基岩，卓越周期是0.1-0.2s，平均为0.15s。
二级——一般土层，卓越周期为0.21-0.4s，平均为0.27s。
三级为松软土层，卓越周期在二级和四级之间。
四级——为异常松软的土层，卓越周期为0.3-0.7s，平均为0.5s.特征周期Tg：即建筑场地自身的周期，是建筑物场地的地震动参数，在地震影响系数曲线中，水平段与下降段交点的横坐标，反映了地震震级，震源机制（包括震源深度）、震中距等地震本身方面的影响，同时也反映了场地的特性；如软弱土层的厚度，类型等场地类别等。
在抗震设计规范中，设计特征周期Tg与场地类别有关：场地类别越高（场地越软），Tg越大；地震震级越大、震中距离越远，Tg越大。
Tg越大，地震影响系数α的平台越宽，对于高层建筑或大跨度结构，基本周期较大，计算的地震作用越大。
剪切波速是指震动横波在土内的传播速度，单位是m/s。
可通过人为激震的方法产生震动波，在相隔一定距离处记录振动信号到达时间，以确定横波在土内的传播速度。
测试方法一般有单孔法、跨孔法等。
剪切波速是抗震区确定场地土类别的主要依据。
地震时，从震源发出的地震波在土层中传播时，经过不同性质地质界面的多次反射，将出现不同周期的地震波。
若某一周期的地震波与地基土层固有周期相近，由于共振的作用，这种地震波的振幅将得到放大，此周期称为卓越周期。
结构力学第9章
(a) A
l/ 3
m
k1
2l /3
2l
(c)
9
A
X 1=1
M 1图
(b)
B
A
(d)
B
A
F=1
B
X1
F=1
B
2l 9
M P图
解： 本题的重点是求柔度系数， 用力法， 取图b的
基本体系。力法典型方程为
1
1X1
1P
X1 k1
应用图乘法求出系数并代入方程解得 X 1
8 89
， 因此
X1 4l3 ， 1 267EI
当外荷载的频率很大时 (θ>>ω)，体系振动很快，因此 惯性力很大，弹性力和阻尼力相对来说比较小，动荷载主 要与惯性力平衡。
当外荷载接近自振频率时(θ ≈ ω)，弹性力和惯性力都 接近于零，这时动荷载主要由阻尼力相平衡。
6. 多自由度体系主振型的正交性 当ω i ≠ ω j 时，两个主振型具有正交性，即质量正交 和刚度正交。
(1) 简谐动荷载作用在质体上，内力动力系数与位移
动力系数相同。 动力系数
ymax ys t
1
1
2 2
计算时，只须将干扰力幅值当作静荷载按静力方法
算出相应的位移、内力，再乘以动力系数 即可。
(2) 简谐动荷载不作用在质体上，结构没有一个统一
的动力系数。
计算结构的位移和内力时，
应先算出质体上的惯性力，并
k1 267EI
m 4ml3
另解：体系简化成并联弹簧体系（图b），设梁在
质点m处的刚度系数为k2，k2=1/2 ，由M 图（图c）可 求得2
112 l l 2 l 212 l 2 l 2 l 2 4 l3 2 E (2 I 9 3 9 3 2 9 3 9 3 ) 2E 4I 3
结构自振周期和振型的计算课件
总结与展望
结构自振周期和振型计算的重要性：本课件介绍了结构自振周期和振型计算在工程领域中的重要性，包括地震工程、桥梁工程和高层建筑等。通过计算结构的自振周期和振型，可以更好地了解结构的动力特性和响应，为结构的优化设计提供依据。
新型计算方法的研究：随着科技的发展，未来将有更多的新型计算方法涌现。本课件展望了未来在结构自振周期和振型计算领域中可能出现的新型计算方法，如人工智能算法、高性能计算技术等。这些新型计算方法将为结构动力分析提供更高效、更精确的解决方案。
结构形式
质量分布不均的结构会导致较大的振动位移，影响振型的形成。
质量分布
刚度分布不均的结构会导致不同方向的弯曲和扭转运动，影响振型的形态。
刚度分布
04
结构自振周期和振型的计算实例
简单模型，理论推导
总结词
通过理论推导，计算简单结构的自振周期和振型，例如单层框架、多层框架等。
详细描述
利用结构动力学的基本公式，如质量矩阵、刚度矩阵等，推导出结构的自振周期和振型。
公式推导
以一栋简单的多层框架结构为例，计算其自振周期和振型，并与实验结果进行对比。
实例分析
复杂模型，数值方法
总结词
详细描述
数值建模
结果分析
采用数值方法，如有限元法、有限差分法等，计算复杂结构的自振周期和振型。
建立复杂结构的数值模型，包括各种材料属性和边界条件。
分析计算得到的自振周期和振型，并与实验结果进行对比，评估数值方法的精度和可靠性。
随着工程实践的不断发展，对结构自振周期和振型的计算和分析提出了更高的要求。
01
02
03
02
结构自振周期的基础知识
01
02
结构自振周期是衡量结构振动特性的重要参数，对于结构的抗震、抗风等性能分析具有重要意义。
结构基本自振周期计算 (1)
烈度、场地类别 8度Ⅰ、 Ⅱ类场地和7度 8度Ⅲ、 Ⅳ场地 9度
房屋高度范围（m） >100 >80 >60
3.8.2重力荷载代表值
重力荷载代表值：取结构或构件永久荷载 标准值与有关可变荷载组合值之和
GE GK EiQKi
GK — —结构或构件的永久荷载标准值；
Ei — —结构或构件第i个可变荷载的标准值；
②超过12层的建筑和甲类结构，可采用弹塑性时程分 析法等；
3.8.5罕遇地震作用下结构弹塑性变形验算
（3）结构弹塑性变形的简化计算方法
震害表明：剪切型结构在强烈地震作用下，大多因为薄 弱层变形集中导致倒塌
①薄弱层位置判断
结构弹塑性层间变形主要取决于楼层屈服强度系数的大
小结及构楼第层i层屈的服强楼度层系屈数服沿强房度屋系高数度的y (分i)用布下情式 况确定 :
影响显著。
我国抗震设计《规范》规定，对下列建筑应考虑竖向地震 作用的不利影响： 1、8度和9度时的大跨度结构、长悬臂结构； 2、8度和9度时烟囱和类似的高耸结构； 3、9度时的高层建筑。
3.6.1高耸结构及高层建筑的竖向地震作用
分析结果表明： 高耸结构和高层建筑竖向第一振型的地震内力与竖向 前5个振型按“平方和开方”组合的地震内力相比较， 误差仅在5%--15%。 竖向第一振型的数值大致呈倒三角形式
3.4结构自振周期及振型的实用计算方法
3.4.1能量法
能量法是根据体系在振动过程的能量守恒原理导出的， 适用用求结构的基本频率
此方法常用于求解以剪切型为主的框架结构
mn
xn (t)
设体系作自由振动，任一质点i的位移：
速度为
xi(t) X i sin( t )
2.3结构基本自振周期的计算
K 2 6 .145 10 3 1 .229 10 4
（2）计算结构自振周期
T 2
m 2
K
G g K
2
1000 9 .8 1 .229 10 3
0 .573 s
2
Ø二、多自由度体系的基本自振周期 （1）能量法：
T1 2 t
n
Gi
u
i
i 1
V 3 1960 kN V2 4900 kN
（2）计算各楼层处的水平位移
V1 7840kN
u 1 0 .03136 ( m ) u 2 0 .05586 ( m ) u 3 0 .07546 ( m )
（3）能量法计算基本自振周期
T1 2 t
n
G
iu
2
i
i 1
n
Giu i
i 1
2 0 .8 2940 0 .03136 2 2940 0 .05586 2 1960 0 .07546 2 2940 0 .03136 2940 0 .05586 2940 0 .07546
0 .3834 ( s )
7
§2.4 结构地震反应的时程分析法简述
直接动力分析理论---时程分析法
将实际地震加速度时程记录（简称地震记录 earthquakerecord）作为动荷载输入，进行结构的地震响应分析。
《抗震规范》规定：①特别不规则的建筑、②甲类建筑和下表 所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下 的补充计算，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。
其他抗震墙 梁 轴压比小于0.15柱 轴压比不小于0.15柱 抗震墙 各类构件
受力状态
抗震设计讲座之结构自振周期的计算
y N (t )
y(t ) X i sin(it i )
速度为
(t ) X i i cos( y i t i )
y2 (t )
m1
y1 (t )
一、能量法计算基本周期 设体系按i振型作自由振动。 t时刻的位移为
mN
y N (t )
y(t ) X i sin(it i )
x1
M eq
x2 F / k1 F / k2 7.00105 1 / 10720
16.33105 m
能量法的结果为 T1=0.508s
x2
xm x2 16.3310 m
5
M eq
T1 2
m x
i 1 i 2 xm
n
2
i
400 (7 105 ) 2 300 (16.33105 ) 2 38.11t 9.8 （ 16.33105 ) 2
EI
q
悬臂杆的特解为 yi ( x, t ) X i ( x) sin
基本周期为
T1 1.78l 2
2 t Ti
m / EI
振型
重力作为水平荷载所引起的位移为
uT ql 4 / 8EI
q mg
m 8 uT 4 EI gl
T 1 1.6 uT
(2)体系按剪切振动时 框架结构可近似视为剪切型杆。
1 M eq (1 xm ) 2 2
mN
xn
M eq xm
m1
x1
单质点体系的最大动能为
T2 max
xm ---体系按第一振型振动时，相应于折算质点处的最大位移；
T1max T2 max
附录F：结构基本自振周期的经验公式
附录F 结构基本自振周期的经验公式F.1 高耸结构F.1.1 一般高耸结构的基本自振周期，钢结构可取下式计算的较大值，钢筋混凝土结构可取下式计算的较小值：H T )013.0～007.0(1= (F.1.1)式中：H ——结构的高度(m)。
F.1.2 烟囱和塔架等具体结构的基本自振周期可按下列规定采用：1，烟囱的基本自振周期可按下列规定计算：1)高度不超过60m 的砖烟囱的基本自振周期按下式计算：dH T 2211022.023.0-⨯+= (F.1.2-1) 2)高度不超过150m 的钢筋混凝土烟囱的基本自振周期按下式计算：dH T 2211010.041.0-⨯+= (F.1.2-2) 3)高度超过150m ，但低于210m 的钢筋混凝土烟囱的基本自振周期按下式计算：dH T 2211008.053.0-⨯+= (F.1.2-3) 式中：H ——烟囱高度(m)；d ——烟囱1/2高度处的外径(m)。
2，石油化工塔架（图F.1.2）的基本自振周期可按下列规定计算：图F.1.2 设备塔架的基础形式(a)圆柱基础塔；(b)圆筒基础塔；(c)方形（板式）框架基础塔；(d)环形框架基础塔1)圆柱（筒）基础塔(塔壁厚不大于30mm)的基本自振周期按下列公式计算： 当H 2/D 0＜700时2311085.035.0D H T -⨯+= (F.1.2-4)当H 2/D 0≥700时2311099.025.0D H T -⨯+= (F.1.2-5) 式中：H ——从基础底板或柱基顶面至设备塔顶面的总高度(m)；D 0——设备塔的外径(m)；对变直径塔，可按各段高度为权，取外径的加权平均值。
2)框架基础塔(塔壁厚不大于30mm)的基本自振周期按下式计算：2311040.056.0D H T -⨯+= (F.1.2-6) 3)塔壁厚大于30mm 的各类设备塔架的基本自振周期应按有关理论公式计算。
4)当若干塔由平台连成一排时，垂直于排列方向的各塔基本自振周期T 1可采用主塔（即周期最长的塔）的基本自振周期值；平行于排列方向的各塔基本自振周期T 1可采用主塔基本自振周期乘以折减系数0.9。
结构基本自振周期计算
0 . 65 V H
Ⅰ类场地的竖向和水平平均反应谱
3.6.1高耸结构及高层建筑的竖向地震作用
竖向振动周期： 计算结果表明：高耸结构和高层建筑竖向振动周 期较短，基本周期在0.1~0.2s范围内 小于场地的特征周期Tg 《建筑抗震规范》直接取竖向地震影响系数：
j
规范要求：9度时，高层建筑楼层的竖向地震作用 效应应乘以1.5的增大系数。
3.6.2大跨度结构的竖向地震作用
大跨度结构：跨度大于24m的钢屋架和预应力混凝土 屋架，各类网架和悬索屋盖
《抗震规范》：大跨度结构的竖向地震作用取其重力荷载 代表值GE和竖向地震作用系数λv的乘积
F v G EVk E
0 . 65 V max H max
3.6.1高耸结构及高层建筑的竖向地震作用
（2）竖向地震作用计算----底部剪力法 F G EVK V max eq
0 . 65 V max H max
G .75 Gi eq 0
FVi
Gi H i
G H
j 1 j
பைடு நூலகம்
n
FEVK ---质点i的竖向地震作用标准值。
g
n i1
miX miX
2 i
i
i1
2 T 2 1
mX
i i 1 n
n
2 i
1
g
mX
i i i 1
2
GX
i i 1 n i
n
自振周期与自振频率
自振周期与自振频率由可知其右边是一个周期函数，其周期为（4-16）T表示振动一次所需要的时间。
验证如下：（这里）由此可见，位移确实满足周期运动的下列条件：这表明，在自由振动过程中，质点每隔一段时间T又重复原来的运动情况。
因此，T称为结构的自振周期。
（4-17）f为每秒振动的次数。
单位为1/秒，称为H Z（赫兹）。
一般建筑工程用钢为7～8次/秒，钢筋混凝土为4次/秒，属低频；一般机器为高频。
（4-18）上式表示2π个单位时间（秒）内振动的次数，单位为弧度/秒。
定义：ω是体系固有的非常重要的动力特性。
在强迫振动中，当体系的自振频率ω与干扰力的频率θ很接近时（0.75≤θ/ω≤1.25区段），将会产生共振。
为避免共振，就必须使ω和θ远离。
1、T和ω只与结构的质量m和刚度k11有关，而与干扰力的大小无关。
干扰力的大小只能影响振幅a的大小。
2、质量越大，则ω越小、T越大；刚度越大，则ω越大、T越小。
要改变T、ω，只有从改变结构的质量或刚度（改变截面、改变结构形式）着手。
3、结构的T、ω是结构动力性能的很重要的数量标志。
两个外表相似的结构如果T（ω）相差很大，则动力性能相差很大；反之，两个外表看来并不相同的结构，如果其T（ω）相近，则在动荷载作用下其动力性能基本一致。
地震中常发现这样的现象。
所以T和ω的计算十分重要。
1、自振周期（4-19）2、自振频率（4-20）3、工程频率上式中，表示在质量上沿振动方向施加W的荷载时，沿质量振动方向所产生的静位移。
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结构自振周期计算公式
结构自振是指结构体因受力作用，而发生固有频率的振动，是工程结构设计过程中的重要因素之一，其自振周期的计算也是工程分析与设计的重要参考。
一、结构自振周期计算的基本原理
结构自振周期表示在定荷载作用下，结构体内存在的固有振动频率，而在房屋建筑等结构设计中，计算结构的自振周期可以给予工程师指导性的数据，从而判断结构的稳定性以及进行优化设计。
在分析自振周期时，振动方程为：
$Mfrac{d^2u}{dt^2}+Ku=Fsin(wt)$
其中：$M$为质量；$K$是刚度；$F$为外力；$w$为频率；$t$为时间。
由上述振动方程可推知，均布荷载情况下，自振周期可表示为： $T=2pisqrt{frac{M}{K}}$
二、基于结构自振周期计算的工程实践
1.建筑结构
目前，建筑结构自振周期的计算方法多以勒温斯顿公式为指导，该公式如下：
$T=2pisqrt{frac{mh}{3K}}$
其中，$m$为梁或柱的质量，$h$为梁或柱的高度，而$K$为梁或柱的刚度。
由此可知，在建筑结构设计中，如果要实现某一特定的自振周期，
就可以根据公式的参数来准确计算出梁或柱的质量和高度，进而实现设计要求。
2.机械结构
在机械结构设计中，自振周期计算常用结构动力学公式：
$T=2pisqrt{frac{J}{K}}$
其中，$J$为动力学惯性矩，$K$为刚度。
由此可知，机械结构中要实现某一特定的自振周期，可以根据公式参数来计算动力学惯性矩和刚度，然后以计算结果为指导，从而实现设计要求。
三、结构自振周期计算的工程应用
1.减小建筑物抗震性能
近年来，随着自然灾害的增多，设计出具有良好抗震性能的建筑结构越来越受到重视，而结构自振周期的计算可以指导工程师控制结构的振动，从而减少结构层受到的震力，减少损坏层的概率，提高其受震抗力。
2.提高机械设备的耐久性
耐久性是指机械设备承受外力时对结构持续不变的能力，而机械设备的自振周期可以提高设备的耐久性，使其可以承受外力的一定频率振动，从而提高设备的维护效率，延长其使用寿命。
四、结构自振周期计算应注意事项
1.结构单元模型的选取
在结构自振周期计算时，需要先建立结构的单元模型，而单元模
型的选取一定要根据结构体的细节特征进行确定，使得模型能够更加准确有效地反映结构体的真实状况，否则就会影响计算结果的准确性，从而影响设计的准确性。
2.外力的影响
结构自振周期计算还要考虑外力的影响，如果结构体受到较强的外力，则其自振周期会受到影响，有可能造成结构的松散及振动的不连续，因此，在计算时，要准确分析外力的大小及类型，从而得出更加准确的计算结果。
综上所述，结构自振周期计算是结构设计中极其重要的参考，针对不同结构体，可以采用不同的公式进行计算，但是在计算时一定要根据结构的特征及外力的影响选取准确有效的单元模型，以达到计算准确性的要求，这样可以有效提高结构的受震抗力及耐久性，为工程师提供有力的指导。