李廉锟《结构力学》(第5版)(下册)课后习题-第12章 结构动力学【圣才出品】

第12章　结构动力学
复习思考题
1．怎样区别动力荷载与静力荷载？动力计算与静力计算的主要差别是什么？
答：（1）静力荷载：指施力过程缓慢，不致使结构产生显著的加速度，因而可以略去惯性力影响的荷载；
动力荷载：指将使结构产生不容忽视的加速度，因而必须考虑惯性力的影响的荷载。

主要差别在于是否考虑惯性力的影响。

（2）计算上的差别：
①计算式中是否加入惯性力的数值；
②静力计算时，结构处于平衡状态，荷载的大小、方向、作用点及由它引起的结构的内力、位移等各种量值都不随时间而变化；而动力计算时，结构将发生振动，各种量值均随时间而变化；
③动力分析方法常与荷载类型有关，而静力分析方法与荷载类型无关。

2．何谓结构的振动自由度？它与机动分析中的自由度有何异同？如何确定结构的振动自由度？
答：（1）结构振动的自由度是指结构在弹性变形过程中确定全部质点位置所需的独立参数的数目。

（2）机动分析中的自由度简称静力自由度（又称动力自由度）。

①两者相同点：在数学意义上是一致的，都是强调体系空间质量所需的几何参量的个
数。

②不同点：静力自由度是机构移动即刚体位移，排除了各个组成部件的变形运动；而动力自由度是变形位移导致机构位置改变，即体系变形过程质量的运动自由度。

（3）确定结构振动自由度的两种方法：
①直接由确定质点位置所需的独立参数数目来判定；
②加入最少数量的链杆以限制刚架上所有质点的位置，则该刚架的振动自由度数目即等于所加入链杆的数目。

3．建立振动微分方程有哪两种基本方法？每种方法所建立的方程代表什么条件？
答：（1）建立振动微分方程的两种基本方法：刚度法和柔度法。

（2）刚度法代表力的平衡条件，柔度法代表变形协调条件。

4．为什么说结构的自振频率和周期是结构的固有性质？怎样改变它们？
答：（1）自振频率和周期是结构的固有性质的原因：
结构的自振频率和周期只取决于结构自身的质量和刚度，反映着结构固有的动力特性，而外部干扰力只能影响振幅和初相角的大小并不能改变结构的自振频率。

（2）若要改变结构的自振频率和周期，可以增加或减小结构的重量；此外通过调整结构形式或增大构件截面等来改变整体结构的刚度，也可以使结构的自振频率和周期变化。

5．阻尼对结构的自振频率和振幅有什么影响？何谓临界阻尼情况？
答：（1）按粘滞阻尼（或等效粘滞阻尼）假定分析出的体系自振频率计阻尼与不计
阻尼是不一样的，两者的关系为小于不计阻尼频
d ω=d ω率；又，故计阻尼时的自振周期会长于不计阻尼的周期。

当，则存在ω2T π=ω
0.2ξp ，由于相差不大，通常不考虑阻尼对自振频率和周期的影响。

r 0.961ωp p （2）当阻尼系数等于自振频率，即时，为临界阻尼情况。

此时特征根是一对δω=重根，阻尼比，相应的称为临界阻力系数。

1ξ=c 6．何谓动力因数？简谐荷载下动力因数与哪些因素有关？在何种情况下位移动力因数与内力动力因数是相同的？
答：（1）动力因数是指单自由度结构在动力荷载作用下，质点处的最大动力位移与静力位移（即将动力荷载的最大值当作静力荷载作用时产生的位移）比值。

（2）简谐荷载作用下动力因数μ的数值与干扰力频率和自振频率之比θ/ω以及阻尼比ξ有关。

（3）当干扰力与惯性力作用点（即动力荷载作用在质点上）重合时，位移动力因数与内力动力因数是相同的。

7．在杜哈梅积分中时间变量τ与t 有什么区别？
答：杜哈梅积分是变上限积分，积分上限t 是原函数的自变量，τ是积分变量；t 是动力响应发生时刻，τ是瞬时冲量作用的时刻。

8．多自由度结构的柔度矩阵和刚度矩阵中每一元素的含义是什么？怎样求得？何时采用柔度法较好？何时采用刚度法较好？
答：（1）多自由度结构中每一元素的含义分别为：
①柔度矩阵中任一元素δij含义：在质点j施加单位力时，质点i处产生的位移；
②刚度矩阵中任一元素k ij含义：在质点j处发生单位位移时，i点处产生的约束反力。

（2）柔度矩阵中任一元素可以用图乘法求得；刚度矩阵中任一元素可以用位移法中已知的结论和叠加法求得。

（3）对于多自由度体系，若是静定结构，一般情况下求柔度系数容易些，但对于超静定结构就要根据具体情况而定。

若仅从建立运动方程来看，当刚度系数容易求时用刚度法，柔度系数容易求时用柔度法。

9．何谓主振型？在何种情况下多自由度结构才按某一主振型振动？
答：（1）主振型是指在振动过程中，两个质点的位移在数值上随时间而变化，但两者的比值始终保持不变，即结构位移形状保持不变的振动形式。

（2）在特定的初始条件决定下只按某个特定的主振型振动。

例如使某一体系按主振型作简谐自由振动的特定初始条件为质点之间初位移的比值应与主振型中质点之间位移的比值相同，或者质点之间初速度的比值与主振型中质点之间位移的比值相同。

10．何谓主振型的正交性？不同的振型对柔度矩阵是否也具有正交性？为什么？
答：（1）主振型的正交性是指不同振型对质量矩阵和刚度矩阵的正交特性。

（2）不同的振型对柔度矩阵具有正交性。

（3）原因：质量矩阵和刚度矩阵都是非奇异的，可逆；故在推导过程中，取逆即可推得不同的振型对柔度矩阵的正交性。

11．图12-1所示为两个对称结构，试绘出其各主振型的大致形状。

杆件本身质量及轴向变形略去不计。

（提示：可考虑结构的对称性和振型间的正交性。

）
图12-1
答：（a
）考虑结构的对称性和振型的正交性，该结构有4
个主振型，
2个正对称主振型和2个反对称主振型。

大致形状如图12-2所示。

图12-2
（b ）考虑结构的对称性和振型的正交性，该结构有2个主振型，一个正对称主振型和一个反对称主振型，大致形状如图12-3所示。

图12-3
12．多自由度结构各质点的位移动力因数是否相等？它们与内力动力因数又是否相等？
答：当干扰力均作用在质点上时，各质点的位移动力因数相等，此时它们与内力动力因数亦相等；除此种情况之外，各质点的位移动力因数不相等，它们与内力动力因数也不相等。

13．单自由度结构与多自由度结构的地震作用有何异同？。