结构动力学：振动分析与荷载识别在土木工程中的关键内容

结构动力学是一门研究结构在动力荷载作用下响应的学科，主要关注于结构的动态行为。它在土木工程与力学学院的教学课程中占据重要地位，特别是在2010年3月的课程中，其核心内容涵盖了单自由度体系的自由振动、强迫振动，以及多自由度体系的振动特性分析。课程重点讲解了以下几个方面： 1. 动力计算：这是结构动力学的核心任务，包括动力荷载的分类（如周期荷载、冲击荷载和随机荷载），其中周期荷载如简谐荷载，是通过函数P(t)描述荷载随时间变化的规律。动力计算的特点之一是需要考虑荷载的周期是否远大于结构的自振周期，若满足条件，可视为静荷载处理。 2. 动力反应与动力自由度：动力计算涉及到计算结构的动态反应，如加速度、振动模式（振型）、阻尼等。动力自由度是描述系统在动力学问题中的独立运动单元，对于复杂体系，可能不止一个自由度。 3. 自由振动与强迫振动：自由振动是指结构在无外部干扰时的自然振动，而强迫振动则是外部荷载作用下的振动，如地震、风荷载等。课程中提供了实例，如Tacoma大桥风毁录像和南浦大桥风洞实验，用以说明不同荷载对结构的影响。 4. 静力计算与动力计算的对比：动力计算更注重加速度和惯性力的考虑，需要解决的是瞬时动平衡问题，通常通过建立微分方程来描述。静态分析则主要考虑荷载在静止状态下的平衡。 5. 教学演示工具：课程中可能利用小型振动台，如铝质和有机玻璃模型，来进行教学演示，展示结构在不同动力荷载下的自由振动记录。 6. 计算方法：教学涉及了牛顿运动定律、惯性力的处理以及动静法（达朗伯原理），这是一种在动力学问题中求解结构变形和应力的有效手段，它通过考虑惯性力实现了动态平衡的近似。 7. 荷载分类和动力计算技术：理解动力荷载的不同类型及其特性，如简谐荷载的表达式，对于准确分析结构的动态响应至关重要。 结构动力学课程深入探讨了结构在动力环境下的响应和行为，通过理论分析和实验演示，帮助学生掌握这一领域的关键概念和技术。