《結(jié)構(gòu)基本計(jì)算原理》課件

結(jié)構(gòu)基本計(jì)算原理本課件旨在介紹結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，為學(xué)生提供基礎(chǔ)理論知識(shí)和計(jì)算方法。課程簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本課程將深入探討結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心原理，從力學(xué)分析到材料選擇，幫助學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本流程。工程實(shí)踐課程將結(jié)合實(shí)際工程案例，幫助學(xué)生了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力?；?dòng)學(xué)習(xí)課程將采用互動(dòng)式教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與討論和實(shí)踐，促進(jìn)理解和知識(shí)掌握。第一章緒論緒論作為結(jié)構(gòu)基本計(jì)算原理的開(kāi)端，為深入學(xué)習(xí)后續(xù)內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。本章將介紹結(jié)構(gòu)分析的基本概念、任務(wù)以及常用的方法。1.1結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)梁式結(jié)構(gòu)常見(jiàn)于橋梁、樓板等，主要承受彎矩和剪力。拱式結(jié)構(gòu)通過(guò)拱的形狀將荷載傳遞到支座，常用于橋梁、隧道等。懸索結(jié)構(gòu)以懸索為主體，通過(guò)索力和纜繩傳遞荷載，適用于跨度較大的橋梁。框架結(jié)構(gòu)由柱、梁、墻體構(gòu)成，常見(jiàn)于高層建筑，可承受較大荷載。1.2結(jié)構(gòu)分析的基本任務(wù)確定結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)包括確定結(jié)構(gòu)的荷載類(lèi)型、荷載大小和作用位置，以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變。計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形結(jié)構(gòu)在荷載作用下會(huì)發(fā)生變形，包括位移、轉(zhuǎn)角和應(yīng)變，計(jì)算這些變形對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變，并與材料的強(qiáng)度極限進(jìn)行比較，可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。1.3結(jié)構(gòu)分析方法簡(jiǎn)介11.力法力法以未知力為基本未知量，建立平衡方程和幾何方程，求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力。22.位移法位移法以未知位移為基本未知量，建立平衡方程和變形協(xié)調(diào)方程，求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力。33.矩陣法矩陣法是一種統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)分析方法，將結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題轉(zhuǎn)化為矩陣形式，便于計(jì)算機(jī)求解。44.有限元法有限元法將結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，利用數(shù)值方法求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。第二章荷載分析荷載是作用于結(jié)構(gòu)上的外部力量，例如重力、風(fēng)力、地震等。荷載分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，它決定了結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。2.1荷載種類(lèi)恒荷載恒荷載是指在結(jié)構(gòu)使用期間始終作用于結(jié)構(gòu)的荷載，例如結(jié)構(gòu)自重、屋面、樓面、墻體、管道等構(gòu)件的重量?；詈奢d活荷載是指在結(jié)構(gòu)使用期間可能變化的荷載，例如人員、家具、設(shè)備等重量，以及風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載等。2.2荷載計(jì)算1自重結(jié)構(gòu)自身重量2活荷載可移動(dòng)物體重量3風(fēng)荷載風(fēng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響4地震荷載地震對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊5雪荷載積雪重量荷載計(jì)算是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，它決定了結(jié)構(gòu)的安全性。不同的荷載類(lèi)型具有不同的作用方式和計(jì)算方法。2.3荷載組合基本荷載組合基本荷載組合是指由各種荷載按其作用情況組合而成的荷載。偶然荷載組合偶然荷載組合是指由各種荷載按其最不利情況組合而成的荷載。準(zhǔn)永久荷載組合準(zhǔn)永久荷載組合是指由各種荷載按其長(zhǎng)期作用情況組合而成的荷載。第三章靜定結(jié)構(gòu)分析靜定結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)中各桿件的內(nèi)力能夠僅由平衡方程直接求解，無(wú)需考慮變形條件。靜定結(jié)構(gòu)分析是結(jié)構(gòu)力學(xué)中最基礎(chǔ)的內(nèi)容，是理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析方法的基礎(chǔ)。3.1靜定結(jié)構(gòu)的基本概念定義靜定結(jié)構(gòu)是指在荷載作用下，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力可以直接由靜力平衡方程求解，無(wú)需考慮結(jié)構(gòu)的變形。簡(jiǎn)單地說(shuō)，靜定結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力只與外力有關(guān)，與結(jié)構(gòu)的剛度無(wú)關(guān)。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力僅由平衡方程確定，與結(jié)構(gòu)的剛度無(wú)關(guān)。結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形、位移可以獨(dú)立計(jì)算，互不影響。3.2靜定結(jié)構(gòu)軸力、剪力和彎矩的計(jì)算1軸力計(jì)算軸力是桿件截面上的內(nèi)力，由外力引起?？赏ㄟ^(guò)截面法和平衡方程計(jì)算。2剪力計(jì)算剪力是桿件橫截面上內(nèi)力，由外力引起?？赏ㄟ^(guò)截面法和平衡方程計(jì)算。3彎矩計(jì)算彎矩是桿件橫截面上內(nèi)力，由外力引起。可通過(guò)截面法和平衡方程計(jì)算。3.3靜定結(jié)構(gòu)位移的計(jì)算位移的概念位移是指結(jié)構(gòu)在荷載作用下發(fā)生的形變，例如梁的撓度和轉(zhuǎn)角。位移計(jì)算方法常見(jiàn)的位移計(jì)算方法包括虛功原理法、疊加法和影響線(xiàn)法等。位移計(jì)算步驟確定結(jié)構(gòu)的支座類(lèi)型和約束條件選擇合適的計(jì)算方法根據(jù)荷載和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算位移的影響位移會(huì)影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能，因此需要進(jìn)行計(jì)算并控制在允許范圍內(nèi)。第四章靜不定結(jié)構(gòu)分析靜不定結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)中約束條件多于剛體自由度，無(wú)法用平衡方程直接求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力。靜不定結(jié)構(gòu)分析是結(jié)構(gòu)力學(xué)中的重要內(nèi)容，其方法可以用于各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑物、飛機(jī)等。4.1靜不定結(jié)構(gòu)的基本概念自由度靜不定結(jié)構(gòu)的自由度大于約束條件數(shù)，無(wú)法通過(guò)平衡方程直接求解。超靜定結(jié)構(gòu)中存在多余約束，導(dǎo)致約束力無(wú)法直接由平衡方程確定。內(nèi)力靜不定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布與荷載和約束條件密切相關(guān)，需要通過(guò)更復(fù)雜的分析方法求解。位移法利用結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)條件和材料力學(xué)關(guān)系，建立方程組求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移。4.2整體剛度法1建立剛度矩陣包含所有節(jié)點(diǎn)的剛度系數(shù)2組裝整體剛度矩陣將所有單元?jiǎng)偠染仃嚭喜?求解節(jié)點(diǎn)位移解線(xiàn)性方程組，得到節(jié)點(diǎn)位移4計(jì)算內(nèi)力利用位移結(jié)果，計(jì)算各單元內(nèi)力整體剛度法是一種常用的結(jié)構(gòu)分析方法，適用于各種類(lèi)型的靜不定結(jié)構(gòu)。4.3單元?jiǎng)偠确?單元?jiǎng)偠染仃嚸總€(gè)單元的剛度矩陣2整體剛度矩陣將所有單元?jiǎng)偠染仃嚱M裝起來(lái)3求解位移解整體剛度矩陣方程4計(jì)算內(nèi)力根據(jù)位移求解每個(gè)單元的內(nèi)力單元?jiǎng)偠确ㄊ且环N常用的結(jié)構(gòu)分析方法，它將結(jié)構(gòu)分解成若干個(gè)單元，并對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行獨(dú)立的分析，最終將所有單元的分析結(jié)果組合起來(lái)得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的解。4.4力法1基本原理力法以結(jié)構(gòu)的力為基本未知量，建立平衡方程2解題步驟選取多余約束，建立基本體系，求解力法方程3應(yīng)用范圍力法適用于各種靜不定結(jié)構(gòu)，尤其適合超靜定結(jié)構(gòu)4優(yōu)點(diǎn)計(jì)算方法簡(jiǎn)單，易于理解，適用于手工計(jì)算力法是一種經(jīng)典的靜不定結(jié)構(gòu)分析方法，其核心思想是通過(guò)引入多余約束，將靜不定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu)，并利用平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件建立方程組求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力。4.5位移法1基本原理位移法以結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的位移為基本未知量。通過(guò)建立結(jié)構(gòu)的位移方程和平衡方程，求解節(jié)點(diǎn)位移。再由位移計(jì)算內(nèi)力。2計(jì)算步驟建立結(jié)構(gòu)的剛度矩陣建立結(jié)構(gòu)的荷載向量求解節(jié)點(diǎn)位移向量由節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算內(nèi)力3優(yōu)點(diǎn)適用于各種結(jié)構(gòu)形式計(jì)算精度高易于編程實(shí)現(xiàn)第五章結(jié)構(gòu)分析建模與應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析建模是將實(shí)際結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)學(xué)模型的過(guò)程。通過(guò)建模，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元分析，并最終得到結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形情況。5.1結(jié)構(gòu)分析建模11.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化將實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為理想模型，如梁、柱、板等。22.離散化將連續(xù)結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，如桿單元、板單元等。33.節(jié)點(diǎn)定義確定單元的連接點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)，并定義節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。44.荷載施加將實(shí)際荷載施加到模型上，包括集中荷載、分布荷載等。5.2有限元分析簡(jiǎn)介基本原理有限元分析將連續(xù)體結(jié)構(gòu)離散化為許多小的有限單元。每個(gè)單元的物理性質(zhì)和行為由有限元節(jié)點(diǎn)上的變量表示。求解過(guò)程建立單元?jiǎng)偠染仃嚭驼w剛度矩陣，并通過(guò)求解方程組得到節(jié)點(diǎn)的位移。將節(jié)點(diǎn)位移代入單元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，即可得到單元的應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程、機(jī)械工程、土木工程、航空航天等領(lǐng)域?？捎糜诜治鼋Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、振動(dòng)、熱分析等問(wèn)題。5.3結(jié)構(gòu)分析案例本節(jié)將介紹一些結(jié)構(gòu)分析的實(shí)際應(yīng)用案例，展示結(jié)構(gòu)分析方法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。例如，高層建筑、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，以及一些特殊結(jié)構(gòu)的分析，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架、體育場(chǎng)館等。通過(guò)案例分析，可以加深對(duì)結(jié)構(gòu)分析原理和方法的理解，并了解結(jié)構(gòu)分析在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值。結(jié)語(yǔ)本課程介紹了結(jié)構(gòu)基本計(jì)算原理，涵蓋了荷載分析、靜定結(jié)構(gòu)分析、靜不定結(jié)構(gòu)分析以及結(jié)構(gòu)分析建模與應(yīng)用等內(nèi)容。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，您