結(jié)構(gòu)力學(xué)手工計(jì)算小灰筆記版

1、 結(jié)構(gòu)力學(xué)手工計(jì)算匯報(bào)講義寫在前邊，首先很感謝劉東躍前輩寫的這個(gè)結(jié)構(gòu)力學(xué)手工計(jì)算講義，棒棒噠！抱著學(xué)習(xí)的態(tài)度又重溫了大學(xué)時(shí)代結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)，回憶滿滿；又在知識(shí)點(diǎn)中一窺工程結(jié)構(gòu)計(jì)算中手工計(jì)算的重要性和嚴(yán)謹(jǐn)性，拓展思路，受益良多。力學(xué)是做好施工技術(shù)的基礎(chǔ)，手工計(jì)算是工程技術(shù)人員的基本功。學(xué)好手工計(jì)算，對力學(xué)活學(xué)活用，可以認(rèn)知結(jié)構(gòu)特征，能夠快捷高效地完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。復(fù)雜問題簡單處理，簡單問題認(rèn)真分析，能夠體現(xiàn)工程技術(shù)人員的基本素質(zhì)。一個(gè)工程力學(xué)專業(yè)的學(xué)生對力學(xué)的理解：力學(xué)是對工程結(jié)構(gòu)內(nèi)在的一種描述，是與結(jié)構(gòu)對話的一種語言，是每一個(gè)工程技術(shù)人員應(yīng)該掌握的一種交流方式。針對結(jié)構(gòu)力學(xué)的巧用方法，匯報(bào)我多

2、年的學(xué)習(xí)體會(huì)。結(jié)構(gòu)力學(xué)手工計(jì)算，要善于利用結(jié)構(gòu)能量守恒定律以及變形相似規(guī)律，熟練掌握簡單荷載下靜定結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論。一、簡單荷載又簡單結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算方法：靜定結(jié)構(gòu)1、某一孔等剛度（EI）均布荷載簡支梁力學(xué)模型如圖1.1所示，求其最大彎矩、撓度值。圖1.1、一孔均布荷載簡支梁力學(xué)模型最大彎矩：Mmax=； 跨中最大撓度：2、某一孔等剛度（EI）、跨中作用一集中荷載F的簡支梁力學(xué)模型如圖1.2所示，求其最大彎矩、撓度值。圖1.2、一孔集中荷載作用簡支梁力學(xué)模型最大彎矩：Mmax=； 跨中最大撓度：二、稍微復(fù)雜一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算：簡單荷載+一次超靜定結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的前提是結(jié)構(gòu)的約束是充足的，工程結(jié)構(gòu)中常見的

3、都是有多余約束的超靜定結(jié)構(gòu)。某一等剛度（EI）、均布荷載雙等跨連續(xù)梁力學(xué)模型如圖2.1所示。計(jì)算其最大結(jié)構(gòu)內(nèi)力（彎矩、剪力）及最大變形。圖2.1、雙等跨均布荷載連續(xù)梁力學(xué)模型1、利用先人做好的系數(shù)法各支點(diǎn)反力：RA=，RB=，RC=；彎矩：M1中=，MB支=；剪力：TA右=，TB左=，TB右=，TC左=；最大撓度：2、巧用力法：演示中間B點(diǎn)反力RB計(jì)算過程第一步：去掉B點(diǎn)約束，計(jì)算均布荷載下B點(diǎn)最大撓曲度如圖2.1所示結(jié)構(gòu)，先將B點(diǎn)約束去掉，則圖2.1結(jié)構(gòu)與圖1.1相同。對應(yīng)跨中B點(diǎn)的最大撓度：。第二步：去掉均布荷載及B點(diǎn)約束，將B點(diǎn)支撐假設(shè)為集中荷載，計(jì)算B點(diǎn)集中荷載下的撓度將圖2.1中的荷

4、載q及B點(diǎn)約束去掉，假設(shè)B點(diǎn)支反力RB相當(dāng)于一集中荷載F（令F=RB），假設(shè)RB方向向下作用，結(jié)構(gòu)力學(xué)模型與圖1.2相當(dāng)。則集中荷載下的B點(diǎn)撓度為：。第三步：令以上兩步狀態(tài)下位移相等，求解RB：以上第一步及第二步荷載位移簡圖如圖2.2所示。圖2.2、兩種狀態(tài)下位移簡圖兩種荷載狀態(tài)下B點(diǎn)的位移分別為：均布荷載下B點(diǎn)位移：；集中荷載下B點(diǎn)位移：。由于集中荷載F是B點(diǎn)虛擬集中荷載，故B點(diǎn)位移等于0。即。由此得到：-=0；求得：F=，即RB=F=，RA=RC=（總荷載-RB）/2=（）/2=;上述計(jì)算結(jié)果與前人計(jì)算結(jié)果一致。結(jié)構(gòu)力學(xué)分析問題的思路，在這里是變形協(xié)調(diào)。力法、位移法是結(jié)構(gòu)力學(xué)的基礎(chǔ)也是分析

5、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。有很多結(jié)論應(yīng)該銘記于心，如簡支梁均布荷載和集中荷載下跨中撓度，最大彎矩。三、實(shí)踐中的復(fù)雜荷載、超靜定結(jié)構(gòu)手工計(jì)算技巧 理論到實(shí)踐，將實(shí)際工程盡可能抓住重點(diǎn)的準(zhǔn)確的還原成為一個(gè)力學(xué)模型，是一個(gè)工程人員應(yīng)有的素質(zhì)。3.1、某一簡支客專箱梁現(xiàn)澆模板支撐架結(jié)構(gòu)計(jì)算3.1.1、已知條件：某一等高簡支鋼筋混凝土客專箱梁，橋面寬1200cm、梁高252cm，箱梁重量標(biāo)稱Q=900噸，箱梁中部標(biāo)準(zhǔn)截面如圖3.1所示。圖3.1、箱梁跨中標(biāo)準(zhǔn)橫截面簡圖箱梁采用模板支撐架現(xiàn)澆法施工，支撐架擬采用鋼管支撐柱+貝雷桁架梁的膺架結(jié)構(gòu)。現(xiàn)澆梁模板支撐架結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2、簡支客專箱梁模板支撐架結(jié)構(gòu)示意

6、圖類似現(xiàn)澆梁模板支撐架結(jié)構(gòu)如下圖所示：3.1.2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、支撐架橫截面擬采用三點(diǎn)支撐，支撐間距（360+360）cm，求解每點(diǎn)支撐柱分擔(dān)荷載多大？、支撐架橫截面擬采用三點(diǎn)支撐，按等荷載分配，求解支撐柱布置間距？、支撐架橫截面若采用四點(diǎn)支撐，按等荷載分配，求解支撐柱布置間距？3.2、計(jì)算支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載箱梁全長L=32.6m，橋面全寬B=12m，圖3.1所示橫截面積A=7.932m2，梁重Q=9000kN。、箱梁恒載：q1=Q/L=276（kN/m）；縱向線性分配，理清受力思路。、模板恒載：q2=2.5B=30（kN/m）；（參考JGJ162-2008規(guī)范，模板及內(nèi)支架取2.5kN/m2，一

7、孔梁達(dá)97.8噸，足以含蓋）；、支撐架恒載：q3=15%q1=42（kN/m）；（參考以往經(jīng)驗(yàn)取值，暫按箱梁恒載15%估算，一般都能含蓋）；、人機(jī)活載：q4=1BbB=12（kN/m）；（參考JGJ166-2008規(guī)范，人機(jī)活載取1kN/m2，實(shí)際施工組織活載小得多）；、支撐架設(shè)計(jì)計(jì)算荷載：q=1.2（q1+q2+q3）+1.4q4=434（kN/m）。荷載系數(shù)：K=q/q1=1.57。經(jīng)驗(yàn)之談，善于總結(jié)的話心中大概會(huì)有一個(gè)數(shù)字。3.3、建立支撐架力學(xué)計(jì)算模型依據(jù)支撐架圖3.2布置結(jié)構(gòu)，貝雷桁架梁縱向分布荷載圖如圖3.3所示。 圖3.3、貝雷桁架梁縱向荷載分布簡圖3.4、計(jì)算縱向分布梁內(nèi)力及各

8、支點(diǎn)反力3.4.1、使用結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算公式求解扎實(shí)的力學(xué)基本功，我只能回去翻書復(fù)習(xí)了。根據(jù)荷載分布圖圖3.3，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的三彎矩方程計(jì)算方法，對超靜定未知支座點(diǎn)B及C點(diǎn)未知彎矩列求解方案：其中已知條件：L1=8.2m，L2=12m；MA=MD=-176KN-m；虛擬反力：B1=A3=9971（KN-m2）；A2=B2=31248(KN-m2)；將上述已知條件代入公式中，求解得到：MB=MC=-4692（KN-m）；使用力矩平衡法，經(jīng)過計(jì)算得到各個(gè)支撐點(diǎn)分擔(dān)荷載：RA=RD=1619（kN），RB=RC=4934（kN）。3.4.2、采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器（軟件計(jì)算）驗(yàn)算非常實(shí)用的小軟件。將圖3.

9、3荷載輸入力學(xué)求解器對話框中，力學(xué)求解器計(jì)算結(jié)果如圖3.4所示。 圖3.4、使用力學(xué)求解器計(jì)算的貝雷桁架梁內(nèi)力簡圖采用軟件結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器的計(jì)算結(jié)果：彎矩：Mmax=3120（kN-m），Mmin=-4692（kN-m）；剪力：Tmax=2604（kN）；支點(diǎn)反力：RA=RD=1619（kN），RB=RC=4935（kN）。3.4.3、手工近似計(jì)算法為便于手工計(jì)算，將圖3.3力學(xué)模型拆分成圖3.5.1及3.5.2。圖3.5.1、3跨均布荷載連續(xù)梁力學(xué)模型圖3.5.2、外懸臂均布荷載連續(xù)梁力學(xué)模型3.4.3.1、計(jì)算圖3.4.1力學(xué)模型支撐點(diǎn)反力針對圖3.5.1力學(xué)模型，參考力學(xué)模型：前人計(jì)算好的

10、剪力系數(shù)：VA右=-0.4qL，VB左=0.6qL，VB右=-0.5qL。利用前人力學(xué)公式近似計(jì)算為：1424kN；4739kN。3.4.3.2、計(jì)算圖3.5.2力學(xué)模型支撐點(diǎn)反力針對圖3.5.2力學(xué)模型，由于懸臂荷載總值不大，考慮結(jié)構(gòu)對稱性，兩端力學(xué)模型假設(shè)為：利用前人計(jì)算公式近似計(jì)算為： 及；其中：F=qLo=391kN，Lo=0.9m，L=8.2m，a=0.45m；則：=423(kN)，=-32（kN）；即：RA2=423kN，RB2=-32（kN）。3.4.2.3、合計(jì)圖3.5.1及圖3.5.2計(jì)算結(jié)果RA=RD=RA1+RA2=1846kN, RB=RC=RB1+RB2=4707kN

11、,3.4.4、手工計(jì)算與軟件計(jì)算結(jié)果比對計(jì)算方式支點(diǎn)反力（kN）彎矩（kN-m）剪力（kN）RA= RDRB= RCMmaxMminTmax力學(xué)公式計(jì)算結(jié)果16194934-46922603軟件計(jì)算結(jié)果161949353120-46922604手工近似計(jì)算結(jié)果18464707結(jié)果分析：軟件計(jì)算結(jié)果與力學(xué)方程式計(jì)算結(jié)果完全一致。手工估算結(jié)果與力學(xué)公式計(jì)算結(jié)果差距約5%，在安全儲(chǔ)備系數(shù)（一般結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全儲(chǔ)備考慮1.3系數(shù)）之內(nèi)，可以滿足施工安全需要。3.5、支撐架橫截面擬采用三點(diǎn)支撐，支撐間距（360+360）cm，求解每點(diǎn)支撐柱分擔(dān)荷載值3.5.1、計(jì)算箱梁圖3.1橫截面所對應(yīng)的荷載簡圖圖3.1

12、橫截面所對應(yīng)的荷載簡圖如圖3.6所示。圖3.6、箱梁橫截面荷載分布簡圖3.5.2、計(jì)算橫截面三點(diǎn)（360+360）cm支撐所分擔(dān)荷載根據(jù)縱向荷載分布圖3.3所示計(jì)算結(jié)構(gòu)，中間B及C點(diǎn)截面分擔(dān)荷載最大，為RB=RC=4935kN。故以B及C截面荷載為計(jì)算對象及計(jì)算荷載?？v向到橫向，從上到下，傳力明晰。3.5.2.1、利用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的力法，計(jì)算圖3.6所示橫截面中間2點(diǎn)支撐分擔(dān)荷載、計(jì)算橫截面積條塊分擔(dān)荷載圖3.6橫截面面積A=79320cm2，其所代表的荷載RB=RC=4935kN，與三點(diǎn)支撐2R1+R2的總荷載相等。圖3.6每一條塊分擔(dān)荷載如圖3.7所示。圖3.7、橫截面積荷載分布簡圖、針對圖

13、3.7橫斷面支撐結(jié)構(gòu)，去掉R2支撐約束，計(jì)算兩點(diǎn)R1支撐下的彎矩，計(jì)算結(jié)果如圖3.8所示圖3.8、去掉中間R2支撐后的彎矩簡圖、計(jì)算圖3.8所對應(yīng)的跨中最大撓度假設(shè)圖3.7去掉中間R2支撐后的結(jié)構(gòu)，在兩點(diǎn)R1之間作用一單位荷載q=1。則：單位荷載作用下的最大彎矩：=6.48；單位荷載作用下的最大撓度：=（cm）；設(shè)所求圖3.8跨中最大撓度為max，由相似比例公式：求得：=（cm）。公式中：L為兩R1支撐點(diǎn)跨度，取7.2m；E為鋼材的彈性模量，取2.1×105Mpa。Mmax采用圖3.8中相對的最大彎矩，為2252+588=2840（KN-m）。、將圖3.7中R2支撐力假設(shè)為一集中荷載

14、P，方向朝下作用，如圖3.9所示。圖3.9、對應(yīng)圖3.7中間支撐R2換成集中荷載P的計(jì)算簡圖集中荷載P作用下的最大彎矩Mmax=180P（kg-cm）。、計(jì)算集中荷載P作用下的最大位移最大位移：=（cm）。、求解R2及R1圖3.8及圖3.9對應(yīng)的位移量值相等，即。則：=，P=1972kN；令R2=P，即R2=P=1972KN。由2R1+R2=4935KN，可得：R1=1482KN。值得注意的是：對于本案例橫向三點(diǎn)支撐，屬于一次超靜定結(jié)構(gòu)，采用上述計(jì)算方法手工計(jì)算不算麻煩。若是再多次超靜定結(jié)構(gòu)，手工計(jì)算相當(dāng)麻煩，建議采用等荷載分配方法進(jìn)行計(jì)算。3.5.2.2、計(jì)算橫截面三點(diǎn)（360+360）cm

15、支撐橫向主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖3.10所示。圖3.10、橫橋向主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算簡圖橫橋向主梁設(shè)計(jì)控制內(nèi)力：剪力T=986kN，彎矩Mmax=1295（kN-m）。3.5.3、支撐架橫截面擬采用三點(diǎn)支撐，按等荷載分配，求解支撐柱布置間距橫橋向支撐點(diǎn)等荷載分配法，是按等面積代替等荷載分配的計(jì)算方法，將支撐點(diǎn)置于每等份面積的重心線上。兩者間有差距，但是誤差有限，在預(yù)留安全儲(chǔ)備系數(shù)之內(nèi)，完全可以滿足施工安全需要。等面積代替等荷載分配是一種比較合理的方式，面積與荷載基本上是一致的，采用此種方法可迅速的尋找到質(zhì)心，進(jìn)而快速的確定支撐位置，好思路，贊一個(gè)！3.5.3.1、等分面積、計(jì)算每份重心位置針對圖3

16、.6橫截面三等分?？偯娣eA=79320cm2，三等分每份面積A1=26440cm2。計(jì)算每份重心位置，支撐點(diǎn)布置在每份重心線上，計(jì)算結(jié)果如圖3.11所示。講義中只是說要分，沒有明確的說明要怎么分，根據(jù)講義的內(nèi)容自己做了嘗試，在下文中予以說明。圖3.11、橫截面三點(diǎn)支撐等荷載分配布置示意圖3.5.3.2、三點(diǎn)支撐等荷載分配橫向主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算簡圖橫截面總荷載為RB=RC=4935kN，每點(diǎn)支撐分擔(dān)荷載R=1645kN。結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖3.12所示。圖3.12、橫橋向分布主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算簡圖橫橋向主梁設(shè)計(jì)控制內(nèi)力：剪力T=1048kN，彎矩Mmax=922（kN-m）。自己嘗試著按照劉總的講義

17、還原了一下三等分的內(nèi)容于自己的理解不到位或者錯(cuò)誤，結(jié)果與原文有差異主梁內(nèi)力結(jié)構(gòu)圖畫出來如下文詳述，歡迎大家批評指正。3.5.4、支撐架橫截面若采用四點(diǎn)支撐，按等荷載分配，求解支撐柱布置間距3.5.4.1、等分面積、計(jì)算每份重心位置針對圖3.6橫截面四等分?？偯娣eA=79320cm2，三這里應(yīng)改為四。等分每份面積A1=19830cm2。計(jì)算每份重心位置，支撐點(diǎn)布置在每份重心線上，計(jì)算結(jié)果如圖3.13所示。圖3.13、橫截面四點(diǎn)支撐等荷載分配布置示意圖3.5.4.2、四點(diǎn)支撐等荷載分配橫向主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算簡圖橫截面總荷載為RB=RC=4935kN，每點(diǎn)支撐分擔(dān)荷載R=1234kN。結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

18、如圖3.14所示。圖3.14、橫橋向分布主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算簡圖橫橋向主梁設(shè)計(jì)控制內(nèi)力：剪力T=860kN，彎矩Mmax=907（kN-m）。3.5.4、支撐架橫截面若采用五點(diǎn)支撐，按等荷載分配，求解支撐柱布置間距以下內(nèi)容為個(gè)人完成劉總留的作業(yè)內(nèi)容。（1）使用CAD繪制橫斷面截面特性相關(guān)參數(shù)； 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（2）將斷面面積進(jìn)行分塊，然后按照橫軸向進(jìn)行重新布置； 橫斷面面積分塊 橫斷面面積軸向分布（3）按照面積與荷載的對應(yīng)關(guān)系，繪制荷載橫向分布圖； 橫斷面荷載軸向分布（4）將橫斷面按照面積5等分；橫截面面積A=79320cm2，其所代表的荷載RB=RC=4935kN，等分5份每份面積為15864 cm2。采用CAD bo 命令圈圖多次調(diào)整到對應(yīng)面積；采用region 創(chuàng)建面域；采用massprop列出創(chuàng)建面域的質(zhì)心位置坐標(biāo)