高 倩 韓明嵐 陳凡秀

(青島理工大學(xué)理學(xué)院，山東 青島 266033)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

概念結(jié)構(gòu)力學(xué)中的靜定剛架★

高 倩 韓明嵐 陳凡秀

(青島理工大學(xué)理學(xué)院，山東 青島 266033)

論述了概念結(jié)構(gòu)力學(xué)的重心，從內(nèi)力分析和變形分析兩方面，闡述了概念結(jié)構(gòu)力學(xué)中的靜定剛架部分，并以定性分析和畫(huà)結(jié)構(gòu)變形圖作為重點(diǎn)，與經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)做了比較，指出概念結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)學(xué)生要求更高，學(xué)生要習(xí)慣復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速估算。

概念結(jié)構(gòu)力學(xué)，靜定剛架，定性分析，復(fù)雜結(jié)構(gòu)

1 概念結(jié)構(gòu)力學(xué)的概況

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的計(jì)算工作大多由計(jì)算機(jī)來(lái)完成，結(jié)構(gòu)力學(xué)課堂上花費(fèi)了大量學(xué)時(shí)介紹的力法、位移法、力矩分配法等在實(shí)際工作中難有使用價(jià)值，越來(lái)越多的專家和教師認(rèn)為，結(jié)構(gòu)力學(xué)應(yīng)該形成概念結(jié)構(gòu)力學(xué)(定性結(jié)構(gòu)力學(xué))和計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)(程序結(jié)構(gòu)力學(xué))兩大分支[1,2]。目前概念結(jié)構(gòu)力學(xué)尚在起步當(dāng)中，為了推進(jìn)概念結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展，本文就概念結(jié)構(gòu)力學(xué)中的靜定剛架進(jìn)行了探討。

概念結(jié)構(gòu)力學(xué)應(yīng)該以經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)，把重點(diǎn)放在培養(yǎng)學(xué)生快速估算和對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行把握和控制的意識(shí)上，把精確和繁瑣的計(jì)算留給電腦，人腦主要進(jìn)行概念判斷和定性控制。

靜定剛架部分又分為內(nèi)力分析和變形分析兩個(gè)子塊，經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)在該內(nèi)容上的重點(diǎn)是畫(huà)出完整的內(nèi)力圖，以及求解指定截面的位移值，這些均屬于定量計(jì)算，而概念結(jié)構(gòu)力學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)偏向定性分析，具體來(lái)說(shuō)有下列方面：內(nèi)力圖的大體輪廓、變形圖的大體輪廓、力的傳遞路徑、支反力的方向及相對(duì)大小、受彎構(gòu)件受拉側(cè)的判斷、危險(xiǎn)截面的判斷、內(nèi)力值的范圍等。

2 靜定剛架在概念結(jié)構(gòu)力學(xué)中的分析

2.1 內(nèi)力方面的定性分析

下面以圖1a)所示靜定剛架[3]為例來(lái)進(jìn)行內(nèi)力方面的定性分析。

1)支反力的方向及相對(duì)大小(不用求解實(shí)際數(shù)值)：

∑MA=0?FyB(↑)，

∑MB=0?FyA(↑)，且FyA>FyB，

∑Fx=0?FxA=FxB，

由CEB隔離體部分∑MC=0?FxB(←)?FxA(→)。

2)M圖的大體輪廓：根據(jù)支反力的方向可直接畫(huà)出M圖的大體輪廓，見(jiàn)圖1b)，該M圖的主要特征：

a.主要受拉側(cè)在外側(cè);b.MD=ME，因?yàn)镕xA=FxB;c.該結(jié)構(gòu)在這個(gè)特定荷載作用下，每個(gè)桿件的危險(xiǎn)截面都在剛結(jié)點(diǎn)處，DC桿下側(cè)受拉區(qū)段的危險(xiǎn)截面需結(jié)合剪力FQ圖來(lái)判斷，F(xiàn)Q=0處為彎矩極值點(diǎn)，且DC桿上有一個(gè)反彎點(diǎn)F。

2.2 變形方面的定性分析

變形圖的繪制在經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)中沒(méi)有專門介紹，在概念結(jié)構(gòu)力學(xué)中不僅要介紹，而且要作為重點(diǎn)來(lái)介紹，因?yàn)橐雽?duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行把握和控制，必須了解整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形。

定性繪制彎曲變形圖的步驟[4]：

1)畫(huà)出M圖的大體輪廓。2)根據(jù)受彎構(gòu)件變形圖的規(guī)律和M圖的大體輪廓，畫(huà)出變形示意圖。通常先定性確定各結(jié)點(diǎn)處的位移，然后再根據(jù)M圖畫(huà)出各桿件的彎曲變形。3)對(duì)M圖和變形圖做全面檢查。

根據(jù)上述步驟畫(huà)出圖1a)所示結(jié)構(gòu)的變形示意圖。

1)畫(huà)出M圖的大體輪廓，見(jiàn)圖1b)。

2)定性確定五個(gè)結(jié)點(diǎn)A，B，C，D，E的位移。

a.A，B為固定鉸支座，只能產(chǎn)生角位移；D，E無(wú)豎向線位移，有水平線位移和角位移；C點(diǎn)為鉸結(jié)點(diǎn)，水平、豎向和角位移均有，且CD，CE桿在C處的角位移是相互獨(dú)立的。

4)全面檢查。

本例題是一道較為復(fù)雜的例題，之所以選取此題，一方面因?yàn)檫@是龍馭球院士等主編的結(jié)構(gòu)力學(xué)教材中的一個(gè)例題，原題要求畫(huà)出內(nèi)力圖，很多院校采用了這本教材，對(duì)此題并不陌生；另一方面因?yàn)榇祟}較難，而概念結(jié)構(gòu)力學(xué)的本質(zhì)所在是定性求解，也就是快速估算，而定性求解的難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定量求解，所以學(xué)生必須習(xí)慣快速求解，習(xí)慣復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

概念結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)調(diào)定性分析，以快速估算為手段，培養(yǎng)學(xué)生把握整體結(jié)構(gòu)的意識(shí)。靜定剛架在概念結(jié)構(gòu)力學(xué)中應(yīng)該以畫(huà)出內(nèi)力圖和結(jié)構(gòu)變形圖的大體輪廓為重點(diǎn)。定性估算比定量計(jì)算對(duì)學(xué)生的要求更高，但是為了成就為一名卓越工程師，學(xué)生要習(xí)慣于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，習(xí)慣于對(duì)整體結(jié)構(gòu)的快速估算。

[1] 朱慈勉，張偉平.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2009.

[2] 黃達(dá)海，郭全全.概念結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[3] 龍馭球，包世華，袁 駟.結(jié)構(gòu)力學(xué)Ⅰ——基本教程[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4] 羅福午，張惠英，楊 軍.建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及案例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Statically determinate rigid frame of conceptual structural mechanics★

Gao Qian Han Minglan Chen Fanxiu

(CollegeofScience,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266033,China)

The paper discusses the importance for conceptual structural mechanics, describes statically determinate rigid frame of conceptual structural mechanics from two aspects of internal force analysis and deformation analysis, takes qualitative analysis and drawing structural graphics as important points, and makes a comparison with classic structural mechanics, and finally points out that: conceptual structural mechanics has higher demand for students, in addition, students should get used to fast estimation for complicated structure.

conceptual structural mechanics, statically determinate rigid frame, qualitative analysis, complicated structure

1009-6825(2017)15-0019-02

2017-03-18

高 倩(1975- )，女，碩士，講師

TU311

A

★：青島理工大學(xué)教改項(xiàng)目“基于能力培養(yǎng)的土木專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)手段與方法改革研究”(項(xiàng)目編號(hào)：MX4-089)