[Book][书] 结构地震反应分析编程与软件应用 (Structural Seismic Response Analysis Programming and Application))

这是一本关于结构动力学、结构地震反应分析编程及软件应用的书，也是www.jdcui.com的第三本著作，欢迎感兴趣的小伙伴关注。This is a book on structural dynamics, structural seismic response analysis programming and software applications, and is also the third book on www.jdcui.com. Interested people are welcome to pay more attention

版权信息 [Copyright Info]

书名：结构地震反应分析编程与软件应用（Structural Seismic Response Analysis Programming and Application）

作者 [Author(s)]: 崔济东 (Jidong Cui), 沈雪龙 ( Xuelong Shen )，杨明灿( Minchan Yang).

出版社 [Press]：中国建筑工业出版社 ( China Architecture & Building Press)

ISBN: 978-7-112-26685-2

Paperback: 346 pages

字数：555000

出版日期：2022/01

Languages: Chinese

作者介绍 [About the Author]

崔济东 (1988.06-) ，RBS资深工程师，程序研发部主管，工学博士，毕业于华南理工大学，结构工程专业，主要研究方向为基于性能的结构抗震设计、结构弹塑性分析。2017年博士毕业后，入职广州容柏生建筑结构设计事务所（RBS），主要从事复杂结构、超高层结构及消能减震结构设计、分析与优化工作及结构软件研发工作，致力于建筑结构设计及结构有限元技术、计算机编程技术、BIM及参数化技术在实际工程中的应用。目前发表结构工程研究论文 10 余篇，出版著作3部：《PERFORM-3D 原理与实例》，《有限单元法——编程与软件应用》，《结构地震反应分析编程与软件应用》。

自入职以来，崔博士在珠海横琴国际交易广场项目（复杂连体）、海口华润中心3#地块 6#、7#住宅、福州世茂108大厦（518m）、沈阳宝能环球金融中心项目T1塔楼（498m）、深圳超级湾总部C塔项目（复杂连体）、武汉华中科学生态项目BC地块（复杂多塔连体）、昭通高速凤凰广场建设项目办公酒店工程、无锡博览中心C地块网球馆等多项复杂及超高层项目的设计及顾问工作中承担重要工作，表现突出。除此之外，崔博士非常乐于探索，具有科研精神及较强的计算机编程能力，在公司内部的科研项目中经常可以看到他的身影，并主持高等结构分析部软件研发组的程序开发工作，在公司内部研发了多款计算分析工具，大大提高了工程师的工作效率。

沈雪龙 (1988.11-)，工学硕士 , 毕业于华南理工大学，土木工程系结构工程专业。目前就职于华南理工大学建筑设计研究院，致力于建筑结构设计、结构弹塑性分析和性能化设计等方面的研究与工作。出版著作3部：《PERFORM-3D 原理与实例》，《有限单元法：编程与软件应用》，《结构地震反应分析：编程与软件应用》。

杨明灿 (1996.12-)，工学硕士，毕业于华南理工大学，毕业于华南理工大学，土木工程系结构工程专业。主要研究方向为高层结构抗震、基于深度学习的区域震损评估，出版著作《结构地震反应分析：编程与软件应用》。

书籍介绍 [About this Book]

我国是一个地震多发国家，结构抗震设计是保证结构地震作用下安全性的重要手段，也是结构工程师必须掌握的技能。结构地震反应分析是结构抗震设计的重要组成部分，作者在从事结构抗震设计工作的过程中，深感掌握结构地震反应分析相关理论和技术的重要性，因此对结构设计中最常用的地震反应分析知识模块进行了归纳，并与自身多年的学习经历及软件编程经验相结合，整理编辑成册，与读者分享。

本书介绍了结构地震反应分析的主要方法及其原理，包括逐步积分法、振型叠加法、振型分解反应谱法等方法，涵盖了弹性体系、非弹性体系、消能减震结构、隔震结构等结构体系，并对反应谱分析、结构的能量分析、三联反应谱、阻尼矩阵构造等内容进行了专题介绍。各主要章节均给出了详细的公式推导及完整的MATLAB编程代码，并基于SAP2000及midas Gen软件给出相应的应用案例，通过编程与软件应用相结合的方式，提高学习的效率，感受结构地震反应分析技术的魅力。

本书可作为一线结构工程师和相关技术人员理论学习与技术应用的参考书，也可作为相关专业本科生、研究生结构动力学和工程抗震设计等课程的学习参考书。

China is an earthquake-prone country. Seismic design of structures is an important means to ensure the safety of structures under earthquake action, and it is also a skill that structural engineers must master. Structural seismic response analysis is an important part of structural seismic design. In the process of structural seismic design, the author deeply feels the importance of mastering the relevant theories and techniques of structural seismic response analysis. Therefore, the most commonly used seismic response analysis in structural design is analyzed. The knowledge modules are summarized, combined with their own years of learning experience and software programming experience, and compiled into a book to share with readers.

This book introduces the main methods and principles of structural seismic response analysis, including the step-by-step integration method, the mode shape superposition method, and the mode shape decomposition response spectrum method. Seismic structure and other structural systems, and special introductions on response spectrum analysis, structural energy analysis, triple response spectrum, damping matrix construction, etc. Detailed formula derivation and complete MATLAB programming code are given in each main chapter, and corresponding application cases are given based on SAP2000 and midas Gen software. Through the combination of programming and software application, the efficiency of learning can be improved, and the structural earthquake can be experienced. The charm of reaction analysis technology.

This book can be used as a reference book for the theoretical study and technical application of front-line structural engineers and related technical personnel, and can also be used as a reference book for the study of related majors such as undergraduate and postgraduate structural dynamics and engineering seismic design.

总经理丛书序言 [Preface1]

广州容柏生建筑结构设计事务所（普通合伙）（简称RBS）是国内率先成立的规模最大的单专业甲级结构设计事务所。自2003年成立以来，RBS秉承“创造结构精品是我们的目标”的企业宗旨，以及“追求卓越、专业专注、创新发展”的企业精神，致力于提供结构设计、咨询顾问、软件开发、专项研发等多方面的专业服务，积累了丰富的工程经验，取得了丰硕的研究成果，在业内获得了良好的口碑。

在为广大客户提供专业技术服务的同时，RBS尚以“传播技术、承启思想”为己任，通过“RBS定向公益基金”（RBSf）、“传·承”系列访谈节目、“结构思享汇”沙龙等多种形式，致力于建筑行业的技术分享以及人文传承。“RBS建筑结构设计技术研究系列丛书”是RBS传播技术、分享知识工作的重要组成部分，主要通过公开出版书籍的形式与广大工程师分享RBS在建筑结构设计相关领域方面的积累，其内容涵盖结构基础理论、结构设计概念、结构计算分析、结构专项研究、结构计算机编程、结构参数化设计、复杂工程案例等多个方面。

希望“RBS建筑结构设计技术研究系列丛书”的出版，能帮助广大工程师朋友巩固结构工程基础理论知识、提高结构设计与分析水平、了解业内新技术的应用，进而提高工程师的综合能力。RBS愿与广大同行、客户朋友一起，立足专业、创造精品，为建筑结构领域的发展贡献一份力量！

智周万物，道济天下。

李盛勇

RBS总经理、执行合伙人、副总工程师

2020年10月29日

总工程师寄语 [Preface 2]

结构地震动力分析涵盖的内容十分丰富，包括分析模型的建立、运动方程的建立及方程的求解等内容，其中涉及到了地震工程学、结构动力学和数学方面的知识和概念。随着设计计算软件的日益完善，这些较为复杂的计算求解工作已经被封装成类似黑盒子的工具包，便于设计中直接调用。但作为结构工程师，深入理解并掌握结构地震动力分析的相关理论和应用仍然是非常必要的，而最有效的学习方式，莫过于自己动手去实践这些求解算法。

崔济东博士作为广州容柏生建筑结构设计事务所（RBS）的设计骨干，在参与诸多高难度设计项目的同时，始终坚持编程计算与设计并行的工作方式，大大加深了对算法的理解，达到了事半功倍的效果。

这本著作可以视为结构动力学的编程实践教材，作者立足结构地震动力分析，由浅入深，给出了详细的理论推导公式和完整的编程代码，并与软件应用相结合，提供了一种实用有效的学习方法。希望本书能为广大工程技术人员提供有益的参考和帮助。

周定

广州容柏生建筑结构设计事务所（RBS）总工程师

2020年10月28日

书本特色 [Features]

本书延续了作者此前著作的一贯风格，对于每个知识点的讲解，除给出详细的公式推导之外，还给出了具体的算例分析，且配有完整的MATLAB编程计算代码，并将计算结果与SAP2000、midas Gen等主流结构分析软件进行对比，理论分析、编程、软件操作同步进行，可以极大地提高学习效率。

主要内容 [Main Parts]

本书共15章，主要可分为以下几个部分。

第1章为基础部分，主要对结构动力学基础及结构地震反应分析相关的知识进行梳理，使读者对地震反应分析有一个稍微全面的认识，便于后续具体章节内容的学习。

第2章至第11章对结构地震反应分析中的常用方法分专题讲解，每个专题讲解的内容包括基本理论、编程实现及软件应用。各章节之间不是简单的堆砌，而是以循序渐进的方式对结构地震反应分析进行较为系统的讲解:

（1）第2章作为本书主体部分的开篇，从最简单的单自由度体系入手，介绍单自由度体系的动力时程分析方法，涵盖了杜哈梅积分及常用的逐步积分方法，具体包括分段解析法、中心差分法、Newmark-β法、Wilson-θ法等。

（2）基于第2章的分析方法，在第3章中介绍地震波反应谱计算的基本原理、编程方法及软件（SeismoSignal,SPECTR）应用案例。

（3）结构的固有振型及频率是多自由度体系的固有特性，也是学习多自由度体系动力响应分析逃避不了的话题。第4章从多自由度体系的自由振动问题入手讨论，引出结构固有振型和固有频率的基本概念，并讲解多自由度体系模态分析的编程方法与软件应用。

（4）第5章、第6章及第7章，同属弹性多自由度体系地震动力分析方法专题。第2章的单自由度体系动力时程分析与第4章的多自由度体系模态分析，构成了第5章多自由度体系振型分解法的基础，而第3章的反应谱分析和第4章的多自由度体系模态分析则构成了第6章多自由度体系振型分解反应谱法的基础。第7章多自由度体系动力时程分析可认为是第2章单自由度体系动力时程分析的扩展。

（5）第8章和第9章属于非线性动力时程分析专题。第8章介绍单自由度体系的非线性动力时程分析，对常用的积分方法（中心差分法、Newmark-β法、Wilson-θ法）、非线性迭代方案（Newton-Raphson法、修正的Newton-Raphson法及“极速牛顿法”）及非线性分析涉及的本构状态确定过程进行讲解，并给出了具体的编程代码及软件应用案例。第9章介绍多自由度体系的非线性动力时程分析，可视为第8章的扩展，通过类比单自由度体系的非线性动力时程分析，讲解多自由度体系非线性动力时程分析的实现方法。

（6）第10章、第11章在上述常规结构地震动力反应分析的基础上，进一步介绍消能减震结构、隔震结构的动力时程分析。

第12章至第14章为结构地震反应分析的延伸部分。第12章通过算例对比的方式，讨论不同地震反应计算方法（逐步积分法、振型分解法和振型分解反应谱法等）的差异。第13章介绍三联反应谱的概念及编程实现。第14章为地震作用下结构的能量分析，从地震下结构的能量平衡方程出发，着重讨论了动力时程分析中各类能量的求解方法及编程实现。

第15章介绍了几种经典阻尼矩阵的构造及不同阻尼模型的动力时程分析案例。由于阻尼属于结构动力分析的一个专题，不但影响结构的动力响应，对分析方法也有影响，且在前面多个章节均有所涉及，因此专门放在第15章进行单独介绍。

如果将上述章节安排比作一棵知识树不断生长的茎干，则各章中的公式推导、MATLAB编程和SAP2000、midas Gen有限元软件应用实例，则构成了树上的叶与花，真心希望读者通过本书的学习，能够收获到丰硕的知识果实。

书籍目录 [Table of contents]

致谢 [Acknowledgements]

特别感谢广州容柏生建筑结构设计事务所（RBS）李盛勇总经理、周定总工程师、廖耘副总工程师及华南理工大学建筑设计研究院郭远翔副总工程师对本书编写的支持与肯定。感谢广州容柏生建筑结构设计事务所高等结构分析部的同事给书本提了许多意见和建议。

感谢与我一同为出书而努力的伙伴沈雪龙、杨明灿师弟，没有你们的辛勤付出，该书无法顺利完成，这是继《PERFORM-3D原理与实例》、《有限单元法——编程与软件应用》后，我们编写的第三本著作，感谢你们对我的信任和认可，愿我们继续一同前行，做更多有趣的事情。

感谢家人、朋友对我的默默支持，你们的支持和照顾是我写作的动力和创作的灵感。

感谢www.jdcui.com支持者的支持，希望读者与我联系，一同交流，共同进步。

本书成稿后，中国建筑工业出版社编辑刘瑞霞等同志以高效的工作为本书正式版做了细致的校审工作，在此一并表示感谢。

交流反馈 [Communication and feedback]

为方便读者阅读本书，在作者的博客网站（www.jdcui.com）上专门为本书开设了页面（http://www.jdcui.com/?page_id=16529 ）。欢迎读者在学习结构地震反应分析的过程中到网站上提出问题、下载学习资料及分享学习心得。本书的勘误和相关更新也会及时上传到该网站上，对于读者尤为关心的问题，作者也可以专门整理后上传到该网站上。希望通过该网站，促进学习与交流。

勘误 [Errata]

欢迎读者指出我们的错误，我们会在再版时候把发现的错误更正。我的邮箱 jidong_cui@163.com

[01] P248 第11章 11.1.2节部分“铅芯叠层橡胶”写成了“铅锌叠层橡胶”，“铅锌“ 应改为 “铅芯“。

[02] P21 2.4.4.1 “简协” 应改为 “简谐”。

[03] P263 表 11-4 表头中的 “SAP2000” 应改为 “midas Gen”。

[04] P264 表 11-7、表 11-8及表 11-9 表头中的 “减震” 应改为 “隔震”，“非减震” 应改为 “非隔震”。

[05] P277 表 11-13 表头中的 “SAP2000” 应改为 “midas Gen”。

[06] P278 表 11-16、表 11-17及表 11-18 表头中的 “减震” 应改为 “隔震”，“非减震” 应改为 “非隔震”。

[07] P19 公式（2-32）中的等效外力公式末尾的\({{{\dot u}_i}}\)应改为\({{{\ddot u}_i}}\)，如下：

\[{\mathop P\limits^ \wedge _{i + 1}} = {P_{i + 1}} + \left[ {\frac{1}{{\beta \Delta {t^2}}}{u_i} + \frac{1}{{\beta \Delta t}}{{\dot u}_i} + \left( {\frac{1}{{2\beta }} – 1} \right){{\ddot u}_i}} \right]m + \left[ {\frac{\gamma }{{\beta \Delta t}}{u_i} + \left( {\frac{\gamma }{\beta } – 1} \right){{\dot u}_i} + \frac{{\Delta t}}{2}\left( {\frac{\gamma }{\beta } – 2} \right){{\dot u}_i}} \right]c\]

改为：

[08] P7 底部的“对于线弹性结构，其运动方程（1-8）” 应改为 “对于线弹性结构，其运动方程（1-18）”。

[09] P9 公式1-60中，\(\left\{ {{{\rm{I}}_e}} \right\}{\rm{ = }}\left\{ \begin{array}{l}
\left\{ {\rm{I}} \right\}\\
\left\{ 0 \right\}
\end{array} \right\}\) 应改为 \(\left\{ {{{\rm{I}}_e}} \right\}{\rm{ = }}\left\{ \begin{array}{l}
\left\{ 0 \right\}\\
\left\{ {\rm{I}} \right\}
\end{array} \right\}\)

[10] P45 图 2-44 地震加速度时程序曲线纵坐标 “加速度(g)” 应改为 “加速度(m/s^2)”。

[11] P147 第8.2.2节倒数第4行中的 “式(8-1)左边的” 应改为 “式(8-4)左边的”。

[12] P117 第6.1.6节公式 “(6-31)” 分母第二项的负号应应改为正号，如下:

\[{\rho _{{\rm{ik}}}} = \frac{{8\sqrt {{\zeta _{\rm{i}}}{\zeta _{\rm{k}}}} \left( {{\zeta _{\rm{i}}} + {\lambda _T}{\zeta _{\rm{k}}}} \right)\lambda _T^{1.5}}}{{{{\left( {1 – \lambda _T^2} \right)}^2} + 4{\zeta _{\rm{i}}}{\zeta _{\rm{k}}}\left( {1 – \lambda _T^2} \right){\lambda _T} + 4\left( {\zeta _{\rm{i}}^2 + \zeta _{\rm{k}}^2} \right)\lambda _T^2}}\]

改为：

\[{\rho _{{\rm{ik}}}} = \frac{{8\sqrt {{\zeta _{\rm{i}}}{\zeta _{\rm{k}}}} \left( {{\zeta _{\rm{i}}} + {\lambda _T}{\zeta _{\rm{k}}}} \right)\lambda _T^{1.5}}}{{{{\left( {1 – \lambda _T^2} \right)}^2} + 4{\zeta _{\rm{i}}}{\zeta _{\rm{k}}}\left( {1 + \lambda _T^2} \right){\lambda _T} + 4\left( {\zeta _{\rm{i}}^2 + \zeta _{\rm{k}}^2} \right)\lambda _T^2}}\]

[13] P121 反应谱函数RS()中的第一行，分母中的0.5应该改为0.3，如下:

r=0.9+(0.05-damp)/(0.5+6*damp);

改为：

r=0.9+(0.05-damp)/(0.3+6*damp);

[14] P93 4.5节的midas Gen模态分析算例中，截面惯性矩比实际算大了10倍，同时节点质量也放大了10倍。

其中，4.5.1节中的求得截面惯性矩 I = 2.76X10¹⁰mm⁴,实际应该改为 I = 2.76X10⁹mm⁴，同时原一层的等效正方形截面边长从758.36mm改为426.45mm，二、三层的等效正方形截面边分别从原来的719.03mm和603.10mm改为402.80mm和339.14mm.

同时 P93 质量定义中，原先的：

“ 注：此处质量为kN，需要将质量乘以g进行单位换算，如\(270t \cdot 9.8m/{s^2} = 2646kN\)。”

应改为：

“ 注：此处质量为kN/g，需要将质量乘以g进行单位换算，如\(270t \cdot (9.8m/{s^2}) /(9.8m/{s^2})= 270kN/g\)。”

资料下载

章节	插图	资料
第2章单自由度体系弹性动力时程分析		CHP2_EX1_SDOF_SINFORCE.mgb CHP2_EX1_SDOF_SINFORCE.SDB CHP2_EX2_SDOF_Earthquake.mgb CHP2_EX2_SDOF_Earthquake.sdb ELCENTRO.MAT elcentro.txt
第3章弹性地震反应谱的概念与计算		ChiChi.dat
第4章多自由度体系模态分析		CHP4_ModalAnalysis.mgb CHP4_ModalAnalysis_Modified.mgb CHP4_ModalAnalysis.sdb
第5章多自由度体系动力反应的振型分解法
第6章多自由度体系动力反应的振型分解反应谱法
第7章多自由度体系动力反应的逐步积分法
第8章单自由度体系非线性动力时程分析
第9章多自由度体系非线性动力时程分析
第10章消能减震结构地震动力时程分析
第11章隔震结构地震动力时程分析
第12章不同地震反应计算方法算例对比
第13章三联反应谱的概念与绘制程序
第14章地震作用下结构的能量分析
第15章阻尼矩阵的构造及分析实例

主要内容 [Main Parts]

致谢 [Acknowledgements]

交流反馈 [Communication and feedback]

勘误 [Errata]

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