研究杆系结构在静力荷载、温度变化等因素作用下的强度、刚度和稳定性的学科,是结构力学的组成部分。计算强度、刚度和稳定性的目的,是使结构满足安全、经济和适用的要求。上述研究任务一般也称为结构静力分析。结构分析与结构设计紧密联系。分析需要设计给定结构的有关参数;设计需要分析来验算强度和刚度等是否符合要求。一般需往复多次,直到取得满意的结果为止。
研究杆系结构在静力荷载、温度变化等因素作用下的强度、刚度和稳定性的学科,是结构力学的组成部分。计算强度、刚度和稳定性的目的,是使结构满足安全、经济和适用的要求。上述研究任务一般也称为结构静力分析。结构分析与结构设计紧密联系。分析需要设计给定结构的有关参数;设计需要分析来验算强度和刚度等是否符合要求。一般需往复多次,直到取得满意的结果为止。结构静力学一般要涉及三个基本条件:平衡条件、位移条件和物理条件。常用的基本原理有:叠加原理、虚功原理和能量原理。
计算简图的选择 为了便于计算而用来代替实际结构的一种简化图形,称为结构计算简图。它是结构计算的依据。其选择的原则是:反映结构的主要性能,略去细节,便于计算。按性能的不同,杆系结构可分为梁、刚架、桁架、拱和组合结构等,如图1。按几何观点,可分为平面结构和空间结构,分别如图1和图2.按计算特点,可分为静定结构和超静定结构。在荷载作用下,所有支座反力和截面内力都可由静力平衡条件确定的结构称为静定结构;支座反力和截面内力不能单由静力平衡条件全部确定的结构称为超静定结构。
图1 杆系结构分类
图2 空间结构
几何组成分析 受荷载作用后,几何形状和位置保持不变的体系称为几何不变体系;否则称为几何可变体系。建筑结构必须是几何不变体系。其分析方法有基本法则法、零载法和无极速度图法等。
结构的内力计算 对于静定结构,其计算的理论基础是静力平衡条件。作内力图的方法常用控制截面法。对于超静定结构,其支座反力和内力必须同时用平衡条件和位移条件求解。其计算的基本方法有力法、位移法和混合法。力法是以多余约束力作为基本未知值,以解除多余约束后的静定结构作为基本系,比较基本系与原结构在解除约束处的位移,建立力法基本方程并解得多余约束力,从而可作出内力图。力法常用于解算超静定桁架、拱、低次超静定刚架及组合结构等。位移法是以与计算杆端弯矩有关的结点位移作为基本未知值,以附加控制转动和移动的约束的单跨超静定梁系作为基本系,比较基本系与原结构在附加约束处的力,建立位移法基本方程并解得结点位移,从而可作出内力图。位移法常用于分析刚架和连续梁,也可用于分析水利工程中的连拱坝、连拱水闸和涵洞等。混合法是力法与位移法的结合,它适用于一部分超静定次数低而另一部分结点位移少的结构。在工程上广泛应用的还有从位移法派生出来的力矩分配法。它直接以杆端弯矩作为计算对象,可以避免求解联立方程组,用于连续梁和无侧移刚架的计算十分简便。上述方法都可用矩阵表示并进行运算,称为结构分析矩阵法。
结构的位移计算 结构形状的改变称为变形,位置的移动称为位移。结构在荷载、变温等因素作用下,一般要发生变形和位移。估计结构的刚度,防止其发生过大的位移,就要计算位移;超静定结构的内力计算也要以位移计算作为基础。结构位移计算的方法常用虚功法。
影响线 当一个定向的单位荷载在结构上移动时,表示结构上某处某量值随之而变化的图线,称为该量值的影响线。绘制的方法有静力法和机动法。它们的理论基础分别是静力条件和虚位移原理。绘出影响线后,就可用叠加原理解决结构承受活荷载作用下的反应,例如影响量的计算,最不利荷载位置的确定,以及内力包络图的绘制等。
关于稳定性问题见结构稳定学。
发展趋势 20世纪50年代以来,由于电子计算机的发展,使结构力学这门学科发生了划时代的变化,出现了计算结构力学这一新分支,其中有限单元法和结构优化设计的研究与应用取得了重大的成就。结构分析与设计两者已逐渐综合在一起,使人们能够从许多可能的设计方案中寻求最优的方案。结构静力学的发展主要有:多种材料性质,包括非线性、非均匀及复合材料等对结构的影响;复杂工作状态,包括空间结构、结构与地基等周围介质的共同作用;结构矩阵分析的进一步发展和计算机的应用;结构优化设计;结构可靠性分析等。
所有评论仅代表网友意见