结构动力学讲义（第2版） [Lectures on Dynamics of Structures] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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周智辉，文颖，曾庆元 著

图书标签:

• 结构动力学
• 动力学
• 结构工程
• 结构分析
• 振动
• 地震工程
• 有限元
• 模态分析
• 结构设计
• 土木工程

出版社： 人民交通出版社股份有限公司

ISBN：9787114139901

版次：2

商品编码：12182953

包装：平装

外文名称：Lectures on Dynamics of Structures

开本：16开

出版时间：2017-08-01

用纸：胶版纸

页数：187

字数：290000

正文语种：中文

内容简介

　　《结构动力学讲义（第2版）》系统地论述了结构动力学的基本原理，除了传统的结构动力学理论，还包括曾庆元院士在结构动力学领域的两项原创性成果，即弹性系统动力学总势能不变值原理与形成系统矩阵的“对号入座”法则。
　　《结构动力学讲义（第2版）》可作为大学工程学科（包括土木工程、机械工程、载运工具等）高年级学生以及研究生的教材或教学参考书，也可供有关教师、研究人员及工程技术人员参考。

内页插图

目录

第1章 结构振动引论
1．1 结构振动问题的重要性
1．2 结构动力学的主要内容
1．3 振动分类
1．4 振动问题的几种提法

第2章 运动方程的建立
2．1 系统的约束、广义坐标及自由度
2．2 系统的实位移、可能位移与虚位移
2．3 广义力
2．4 有势力与势能
2．5 拉格朗日方程
2．6 哈密尔顿原理
2．7 弹性系统动力学总势能不变值原理
2．8 静力系统形成系统矩阵的“对号入座”法则
2．9 动力系统形成系统矩阵的“对号入座”法则

第3章 线性微振动的正则化方程
3．1 体系在稳定平衡位置附近的自由微振动
3．2 保守体系微振动的动能和势能
3．3 保守体系在稳定平衡位置附近的自由微振动方程
3．4 正则坐标与主振动
3．5 固有频率及振型
3．6 多自由度体系线性微振动的正则化方程
3．7 连续（分布参数）体系线性微振动方程
3．8 连续（分布参数）体系线性微振动的振型展开及振型正交性
3．9 连续（分布参数）体系线性微振动的正则化方程

第4章 单自由度体系的振动
4．1 不考虑阻尼的自由振动
4．2 阻尼自由振动
4．3 单自由度体系对简谐荷载的反应
4．4 基础运动引起的振动
4．5 振动的隔离
4．6 测振仪表（位移计与加速度计）的设计原理
4．7 阻尼理论简介
4．8 用试验方法确定体系的黏滞阻尼比
4．9 单自由度体系对周期性荷载的反应
4．10 单自由度体系对冲击荷载的反应
4．11 单自由度体系对任意动力荷载的反应

第5章 多自由度体系反应计算的振型叠加法
5．1 不计阻尼时体系对初始条件的自由振动反应
5．2 不计阻尼时体系对任意动力荷载的反应
5．3 考虑阻尼时体系对任意动力荷载的反应
5．4 体系自由度缩减

第6章 频率和振型的近似计算
6．1 瑞利能量法
6．2 瑞利-里兹法
6．3 矩阵迭代法
6．4 子空间迭代法

第7章 逐步积分法
7．1 逐步积分法的基本思想
7．2 线性加速度法
7．3 威尔逊（Wilson）-θ法
7．4 纽马克（Newmark）法
7．5 逐步积分法解的稳定性与精度分析

参考文献

前言/序言

　　我在长沙铁道学院（现为中南大学）读硕士研究生时，学习结构动力学，采用的教材就是本书油印稿。当时，学到曾老师提出的弹性系统动力学总势能不变值原理与形成系统矩阵的“对号入座”法则，敬仰之情油然而生。因为在结构动力学这一传统经典力学领域，能够有创新、有发展，谈何容易。此后有幸追随曾老师攻读博士学位，从事车桥系统振动研究十余年，研究过程中，用到动力学的方法与概念时，总不忘温习油印稿中的相关章节，从中汲取养分，该书稿一直是我手边最重要的工具书。直到2012年，曾老师提议将此书稿整理出版，尽管他当时年近九旬，仍然提出修改补充意见，安排我和文颖对原书稿进行完善。历经3年，书稿终于在2015年10月出版面世。当我把新出版的书呈送到曾老师面前时，虽未见激动之情，但那满意的笑容至今记忆犹新。我知道，他每出一本书，就像一个小孩出生一样，看得很重。然而，万万没有想到，两个月后他住进了医院，并且再也没有回到他熟悉的校园，就这样永远地离开了他身边的人。现在想起，书稿得以及时面世，他能看一眼自己的作品，是何等庆幸，否则，我们将留下永远的遗憾。
　　对老师最好的纪念是继承他的事业并将其发扬光大。《结构动力学讲义》书稿虽已出版，并不表示它已经完美无缺。我们在教学与科研的过程中，还在不断地思考如何让书稿做得更好一些。同时，很多同行朋友还有学生在阅读本书后，也给我们提出了许多中肯的建议，我们将这些一一记在笔记本上。恰逢此时出版社提议将原稿修改再版。我们也借此机会将近两年的思考反映到新的书稿之中，对原稿部分章节做了适当调整，具体如下：（1）除第1章外，其他各章开头增加了一段简短的导言，简述本章与其他章节的衔接关系。（2）第一版2.4、2.5与2.6节讲述了非驻定势场与第一类拉格朗日方程等内容，这部分难度较大，同时在工程中应用很少，故将相关内容删除。（3）将第一版5.1与5.2节形成系统矩阵的“对号入座”法则提到第2章，使其置于运动方程建立的体系之中，这样可以更好地体现联合运用弹性系统动力学总势能不变值原理与此法则建立系统运动方程的优势。（4）将第一版第5章标题改为“多自由度体系反应计算的振型叠加法”，并添加了“体系自由度缩减”一节，着重阐述结构动力学自由度的概念，方便读者理解结构静力与动力自由度之间的区别和联系。如此一来，第3、4、5章依次讲述多自由度体系（也包括连续体系）运动方程解耦为单自由度运动方程的方法，单自由度运动方程求解以及多自由度体系反应分析等内容，编排更趋一体，连贯性更强。（5）对结构振动分类、广义力以及哈密尔顿原理等细节性内容作了适当补充。
　　尽管追求完美一直是我们整理书稿的初衷，但是限于作者水平，错漏之处仍然难免，敬请各位同行朋友继续批评指正，我们的联系邮箱为：zzhyy@csu.edu.cn。
　　最后，向为本书稿完善工作献出劳动与智慧的朋友表示由衷的谢意。在此特别感谢人民交通出版社领导、李喆与周宇编辑长期以来对我们的鼓励与支持。

结构动力学概论 结构动力学是一门研究结构在承受动态载荷时响应行为的工程学科。与静态分析不同，动态分析需要考虑时间因素，因为载荷的变化速率和结构的惯性力对结构的响应具有显著影响。动态载荷的来源多种多样，包括地震、风、机械振动、爆炸以及桥梁上车辆的行驶等。理解结构在这些动态作用下的行为，对于确保结构的安全、可靠和经济性至关重要。 一、 结构动力学研究的核心问题 结构动力学研究的核心在于解答以下几个关键问题： 1. 结构的动力特性： 任何结构都具有固有的动力特性，最主要的是其质量、刚度和阻尼。这些特性决定了结构在受到扰动时会如何振动。 质量 (Mass): 结构的质量分布决定了其惯性。质量越大，抵抗运动状态改变的能力越强。在动力分析中，质量通常被离散化为集中质量或分布质量。 刚度 (Stiffness): 结构的刚度描述了其抵抗变形的能力。刚度越大，在相同载荷作用下产生的变形越小。刚度通常通过材料的弹性模量、结构的几何形状和截面尺寸来体现。 阻尼 (Damping): 阻尼是结构耗散能量的机制，它能减小振动的幅度和延长振动衰减的时间。阻尼的来源很多，包括材料内部摩擦、空气阻力、构件连接处的滑动以及其他耗能装置。 2. 动力载荷的特性： 动力载荷是指随时间变化的载荷。对其特性的理解是进行动力分析的前提。 载荷的幅度 (Magnitude): 载荷的大小。 载荷的频率 (Frequency): 载荷变化的快慢。 载荷的持续时间 (Duration): 载荷作用的时间长度。 载荷的分布 (Distribution): 载荷在结构上的作用位置和方式。 载荷的随机性 (Randomness): 许多动力载荷（如地震波）具有高度的随机性，这需要采用概率性的方法进行分析。 3. 结构的动力响应： 当动力载荷作用于结构时，结构会产生动力响应，主要表现为位移、速度、加速度和内力（应力、弯矩、剪力等）随时间的变化。 位移 (Displacement): 结构各点的空间位置变化。 速度 (Velocity): 位移随时间的变化率。 加速度 (Acceleration): 速度随时间的变化率。 内力 (Internal Forces): 结构内部抵抗外载荷的力，如轴力、剪力、弯矩和扭矩。 二、 结构动力学分析的基本原理 结构动力学分析的核心是建立和求解结构的动力学方程。最基本、也是最广泛应用的方程是牛顿第二运动定律，其在结构动力学中的应用可以简化为以下形式： 质量 × 加速度 + 阻尼 × 速度 + 刚度 × 位移 = 外载荷 这个方程通常用矩阵形式表示，称为结构动力学方程： [M] {ü(t)} + [C] {ů(t)} + [K] {u(t)} = {f(t)} 其中： [M] 是结构质量矩阵 (Mass Matrix)。 [C] 是结构阻尼矩阵 (Damping Matrix)。 [K] 是结构刚度矩阵 (Stiffness Matrix)。 {u(t)} 是结构位移向量 (Displacement Vector)，包含结构上各自由点的位移。 {ů(t)} 是结构速度向量 (Velocity Vector)，是位移向量对时间的导数。 {ü(t)} 是结构加速度向量 (Acceleration Vector)，是速度向量对时间的导数。 {f(t)} 是作用在结构上的外载荷向量 (Force Vector)。 这个方程是一个二阶常微分方程组，其求解是结构动力学分析的关键。 三、 结构动力学分析的基本方法 根据结构的离散化程度和求解方法的不同，结构动力学分析主要分为以下几种： 1. 单自由度体系 (Single-Degree-of-Freedom System, SDOF): 这是最简单的动力学模型，将复杂的结构简化为一个集中质量、一根弹簧和一阻尼器组成的体系。这对于理解动力学基本概念非常有帮助，并常用于分析简单构件或作为更复杂模型的基础。 自由振动 (Free Vibration): 在没有外载荷和阻尼作用下，结构由于初始位移或速度而产生的振动。其响应由结构的固有频率和固有振型决定。 强迫振动 (Forced Vibration): 在持续的外载荷作用下，结构产生的振动。 共振 (Resonance): 当外载荷的频率接近结构的固有频率时，结构的响应幅值会急剧增大，可能导致结构破坏。 2. 多自由度体系 (Multi-Degree-of-Freedom System, MDOF): 实际结构通常具有多个自由度，需要使用多自由度模型进行分析。这可以通过有限元方法 (Finite Element Method, FEM) 等数值技术将结构离散化为多个节点和单元，从而建立起多自由度的动力学方程。 模态分析 (Modal Analysis): 这是多自由度体系动力学分析的基础。通过求解广义特征值问题，可以获得结构的固有频率 (Natural Frequencies) 和固有振型 (Mode Shapes)。固有频率决定了结构倾向于以何种频率振动，而固有振型则描述了在特定固有频率下结构的变形形态。 响应谱分析 (Response Spectrum Analysis): 主要用于地震工程。通过地震波的响应谱，可以快速评估结构在一次地震事件中的最大响应，而无需进行复杂的时程分析。 动力时程分析 (Dynamic Time History Analysis): 这是最精确的动力分析方法，通过直接求解动力学方程，计算结构在随时间变化载荷作用下的位移、速度、加速度和内力。可以是确定性的（使用特定的载荷记录）或随机性的（使用统计模型）。 3. 连续体系 (Continuous Systems): 对于一些梁、板、壳等连续体结构，在不进行大量离散化的情况下，也可以采用连续方法进行动力分析，例如使用微分方程的解析解或半解析解。 四、 结构动力学在工程中的应用 结构动力学的原理和方法在现代工程设计中有着广泛而重要的应用： 抗震设计 (Seismic Design): 建筑、桥梁、大坝等结构在地震活跃区的设计中，必须考虑地震载荷对结构动力响应的影响，以确保其在地震发生时能够保持稳定。 风工程 (Wind Engineering): 高层建筑、桥梁、体育场等结构在强风作用下会产生振动，需要进行风动力学分析，以防止过度的振动影响使用功能和结构安全。 机械振动控制 (Machine Vibration Control): 工业设备、发动机、涡轮机等产生的振动会影响设备的精度和寿命，甚至对周围环境产生噪声污染，需要进行动力学分析并采取减振措施。 爆炸效应分析 (Blast Effect Analysis): 建筑物或构件在爆炸载荷下的响应分析，对于军事工程、民用防护工程具有重要意义。 车辆-桥梁相互作用 (Vehicle-Bridge Interaction): 车辆在桥梁上行驶时会产生动荷载，引起桥梁的振动，需要考虑这种动态耦合效应。 碰撞分析 (Impact Analysis): 车辆碰撞、物体撞击等瞬态动力学问题，需要进行相应的分析。 五、 结构动力学的发展趋势 随着计算能力的提升和理论研究的深入，结构动力学正朝着更加精细化、智能化和集成化的方向发展： 非线性动力学分析 (Nonlinear Dynamic Analysis): 考虑材料非线性、几何非线性和接触非线性的分析，能够更真实地模拟结构在极端载荷下的行为。 随机动力学分析 (Stochastic Dynamic Analysis): 针对具有不确定性或随机性的载荷（如地震、风）和结构参数，采用概率方法进行分析，以量化结构失效的风险。 损伤容限分析 (Damage Tolerance Analysis): 评估结构在存在损伤（如裂纹）时承受动态载荷的能力。 主动和被动减隔震技术 (Active and Passive Control Techniques): 设计和应用各种减震器、隔震装置、调谐质量阻尼器等，主动或被动地降低结构的动力响应。 多物理场耦合分析 (Multiphysics Coupling Analysis): 将结构动力学与其他物理场（如流体动力学、热力学）耦合起来，进行更全面的分析。 人工智能与机器学习在结构动力学中的应用: 利用AI和ML技术进行动力学参数辨识、响应预测、故障诊断和智能控制。 总而言之，结构动力学是一门至关重要的学科，它为工程师提供了理解和应对动态环境中结构行为的工具。通过精确的动力学分析，我们能够设计出更安全、更经济、更具韧性的工程结构，为人类社会的发展提供坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

对于结构动力学这样一门抽象且充满数学语言的学科，选择一本好的教材至关重要。《结构动力学讲义（第2版）》给我最直观的感受是其内容的系统性和完整性。我随意翻阅了其中的几个章节，比如关于“自由振动与强迫振动”、“阻尼分析”以及“多自由度系统动力学”的介绍，发现其逻辑层次非常清晰，从最简单的单自由度系统，逐步过渡到更为复杂的系统。我个人尤其看重书中对物理概念的讲解，希望作者能够用通俗易懂的语言，结合实际的工程背景，来解释这些抽象的力学概念。例如，在讲解阻尼时，我希望能够了解到不同阻尼形式的物理意义，以及它们在实际结构动力学问题中的具体表现。这本书的排版也显得非常规整，章节标题和内容结构都显得很有条理，这对于初学者建立起对结构动力学的整体认知非常有帮助，让人感觉作者在内容组织上花费了大量的心思。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在工程领域摸爬滚打多年的工程师，我对理论书籍的要求非常高，不仅仅要知识扎实，更要能够指导实践。这本书的书名《结构动力学讲义（第2版）》本身就传递出一种严谨和权威的意味，翻开后，果然没有让我失望。我重点看了关于“非线性结构动力学”和“有限元法在动力分析中的应用”这两部分的内容，感觉作者对这两个前沿课题的把握非常到位。尤其是在非线性动力学部分，我注意到作者似乎引入了一些最新的研究成果和分析方法，这对于我这种需要不断更新知识储备的工程师来说，无疑是一笔宝贵的财富。书中对有限元方法的介绍，我认为不仅仅是停留在理论层面，更重要的是如何将其应用于实际的结构动力学问题，比如如何建立合适的模型，如何选择合适的单元，以及如何解读分析结果等，这些都是我在实际工作中经常遇到的挑战。这本书的出现，恰好能够填补我在这方面的知识空白。

评分☆☆☆☆☆

我之前读过一些关于结构动力学的入门书籍，但总觉得少了些什么，要么理论过于晦涩难懂，要么例子不够贴近实际。拿到《结构动力学讲义（第2版）》后，我首先留意到的是它的语言风格，虽然是学术著作，但读起来并没有那么令人望而却步。作者在阐述概念时，似乎很注重逻辑的清晰和表达的准确，即便是一些复杂的数学推导，也能通过详细的步骤和恰当的解释，让读者更容易理解其背后的物理意义。我尤其喜欢书中的图示，很多抽象的概念都配有生动的图解，这对于我这样视觉学习者来说，简直是福音。我猜想，在学习过程中，这些图示能够帮助我更直观地把握问题的本质，而不是仅仅停留在公式的层面。而且，从书中的一些细节，比如公式推导的起始点和最终结论的引申，我能感受到作者在教学上的用心。这本书的定价也比较合理，对于学生而言，能够获得如此高质量的学习资料，绝对是物超所值。

评分☆☆☆☆☆

这本书封面设计简洁大气，一看就知道是学术著作，但又不像很多教科书那样枯燥乏味。我拿到书的时候，迫不及待地翻看了目录，结构动力学这个课题本身就充满了挑战性和趣味性，而这本书的目录标题也显得非常清晰，循序渐进，从最基础的概念讲起，逐步深入到更复杂的动力学分析方法。我特别注意到其中有一些章节标题，比如“模态分析在地震工程中的应用”和“随机振动理论在桥梁动力特性评估中的作用”，这些都让我对接下来的内容充满了期待。作为一名初次接触结构动力学领域的学生，我非常看重教材的条理性，这本书似乎在这方面做得相当不错，能够引导我一步步建立起对该学科的系统认知。而且，从章节的排布来看，作者显然是经过深思熟虑的，将一些抽象的理论与实际工程问题巧妙地结合起来，这对于我们这些希望将理论知识应用于实践的学习者来说，无疑是一大福音。封面的字体和排版也很舒服，翻阅起来没有那种压迫感，让人愿意静下心来仔细品味书中的内容。

评分☆☆☆☆☆

我是一名结构工程的研究生，对于前沿理论和最新技术有着强烈的渴求。拿到《结构动力学讲义（第2版）》后，我立刻被其深厚的学术底蕴所吸引。我仔细阅读了关于“高层建筑动力响应分析”和“隔震减震技术在结构动力学中的应用”章节，发现书中不仅涵盖了经典理论，还深入探讨了许多现代工程实践中的关键问题。例如，在分析高层建筑的动力响应时，作者可能引用了大量实际工程案例，并结合了最新的数值模拟技术，这对于我撰写论文和进行课题研究非常有启发。而关于隔震减震技术的部分，我希望书中能够详细阐述其背后的物理原理、设计原则以及在不同类型结构中的应用实例，这对于我理解和掌握这些前沿技术至关重要。总的来说，这本书给我的第一印象是内容翔实、体系完整，并且紧跟学术前沿，是进行深入研究的理想读物。