结构动力学大作业(重庆大学)

研究生课程考核试卷

（适用于课程论文、提交报告）

科目：结构动力学大作业教师：

姓名：学号：

专业：土木工程类别：学术

上课时间：2013 年11 月至2014 年 1 月

考生成绩：

卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：

阅卷教师(签名)

重庆大学研究生院制

土木工程学院2013级硕士研究生考试试题

科目名称：结构动力学考试日期：2014年1月总分：20分

1、按规定设计一个2跨3层钢筋混凝土平面框架结构（部分要求如附件名单所示；未作规定部分自定）。根据所设计的结构参数，求该结构的一致质量矩阵、一致刚度矩阵；

2、至少采用两种方法求该框架结构的频率和振型；

3、输入地震波（地震波要求如附件名单所示），采用时程分析法，利用有限元软件或自编程序求出该框架结构各层的线性位移时程反应。

要求给出：

（1）框架结构图，并给出一致质量矩阵和一致刚度矩阵；

（2）出两种方法名称及对应的频率和振型；

（3）输入地震波的波形图，计算所得各楼层位移反应时程图。

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1框架概况

1.1框架截面尺寸

框架立面图如图 1.1所示，各跨跨度为14000L mm =，各层建筑层高均为

34100L mm =，对应的梁截面分别为2200400mm ⨯，柱截面均为2300300mm ⨯。

设楼层进深为24200L mm =,板厚为100mm 。

图1.1框架立面图

1.2动力自由度

框架结构可以理想化为在节点处相互连接的单元（梁和柱）的集合。设

梁、柱的轴向变形均忽略不计，只考虑横向平面位移，则该框架有3平动自由度和9角自由度，共12自由度。自由度编号及梁柱单元编号如图1.2所示。

图1.2自由度编号和梁柱单元编号图

1.3力学参数计算

梁柱混凝土都采用C30，其弹性模量为423.010/E N mm =⨯

2

200400mm ⨯梁截面惯性矩：33

412004001212

bh I mm ⨯== 2

300300mm ⨯柱截面惯性矩：33

423003001212

bh I mm ⨯== 2

200400mm ⨯梁刚度：3

4

4212004003.010 3.21012

EI kN m ⨯=⨯⨯

=⨯⋅ 2

300300mm ⨯柱刚度：3

4

4223003003.010 2.0251012

EI kN m ⨯=⨯⨯

=⨯⋅ 2200400mm ⨯梁的单位长度质量（按照计算重力荷载代表值的方法计算）：

一二层（考虑楼板恒载及楼面活载作用）：

1(0.20.42500 4.20.12500 4.2200)2090/m kg m =⨯⨯+⨯⨯+⨯=

顶层（仅考虑楼板恒载不考虑屋面活载作用）：

2(0.20.42500 4.20.122500)1460/m kg m =⨯⨯+⨯⨯=

2300300mm ⨯柱的单位长度质量

30.30.32500/225/m bh kg m kg m γ==⨯⨯=

根据以上计算结果，将其列入表中，如下表1.3所示：

2一致质量矩阵、一致刚度矩阵

2.1一致质量矩阵

在节点位移作用下框架梁和柱上所引起的变形形状采用Hermite 多项式。 因此均布质量梁的一致质量矩阵为：

2222156

542213541561322221343420132234e

L L L L mL M L L

L L L L L

L -⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=

⎢⎥

-⎢⎥---⎣⎦

2.1.1计算梁单元（单位：kg ）

2.1.2计算柱单元（单位：kg ）

2.1.3计算整体坐标系的

m

ij

()()()ˆˆˆ...m n p ij ij ij ij m m m m =+++根据可知

第一行：

111213141516171819110111112258603342.65127.47.95kg 3118.6355.8kg 0198.12kg

117.070m m m kg

m m m m m kg m m m m kg ------------=⨯+⨯==⨯=======-====；

第二行：

2223242526272829210211212283606342.6517747.95kg

3118.6355.8=117.07kg =198.12117.070m m kg

m m m m m m m m m -----------=⨯+⨯==⨯======-== 第三行：

33343536373839310311312283606342.6517747.95kg 0117.07kg 0m m m m kg m m m m m m ----------=⨯+⨯==========

第四行：

444546474849410411412=889.90147.481037.38kg 667.43kg 0110.77kg 0m m m kg m m m m m m kg ---------+==-==-=====；

第五行：

55889.902147.481927.28m kg -=⨯+=

56575859510511512667.43kg 0110.77kg 0m m kg

m m m m m kg -------=-==-====；

第六行：

66676869610611612889.90147.481037.38kg 00110.770m m m kg

m kg

m m m kg

-------=+====-===

第七行：

7778710797117121273.9147.4821568.86955.43110.77kg 0m kg m kg m m m m kg ------=+⨯==-=-===；

第八行：