《超靜定總論》課件

超靜定總論超靜定結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)中約束條件多于剛體自由度，因此結(jié)構(gòu)在荷載作用下會(huì)出現(xiàn)多余約束力。超靜定結(jié)構(gòu)具有比靜定結(jié)構(gòu)更高的強(qiáng)度和剛度，但其分析方法也更為復(fù)雜。概述結(jié)構(gòu)類型靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的兩種基本形式，它們?cè)谑芰μ攸c(diǎn)、分析方法和穩(wěn)定性方面存在顯著差異。靜定結(jié)構(gòu)靜定結(jié)構(gòu)是指僅依靠平衡方程即可確定其內(nèi)力、反力和位移的結(jié)構(gòu)體系。其內(nèi)力與外荷載成線性關(guān)系，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗變形能力。超靜定結(jié)構(gòu)超靜定結(jié)構(gòu)是指依靠平衡方程無(wú)法完全確定其內(nèi)力、反力和位移的結(jié)構(gòu)體系。其內(nèi)力與外荷載呈非線性關(guān)系，具有較強(qiáng)的抗荷能力和剛度。部件分類1上部結(jié)構(gòu)包括橋面、橋梁支承部分和橋梁上部結(jié)構(gòu)的各種附屬設(shè)施，直接承受車(chē)輛荷載。2下部結(jié)構(gòu)主要包括橋墩、橋臺(tái)和基礎(chǔ)，承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的荷載，將荷載傳遞給地基。3基礎(chǔ)是橋梁結(jié)構(gòu)的最后承載部位，直接承受下部結(jié)構(gòu)的全部荷載，將其傳遞給地基。支撐反力的種類垂直反力垂直反力是指支撐面對(duì)結(jié)構(gòu)施加的垂直方向上的力。它用來(lái)平衡結(jié)構(gòu)的重力和外力。水平反力水平反力是指支撐面對(duì)結(jié)構(gòu)施加的水平方向上的力。它用來(lái)平衡結(jié)構(gòu)的水平外力。力矩反力力矩反力是指支撐面對(duì)結(jié)構(gòu)施加的旋轉(zhuǎn)力矩。它用來(lái)平衡結(jié)構(gòu)受到的力矩。靜定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靜定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要且具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程，需要充分考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度要求。1確定結(jié)構(gòu)形式選擇合適的結(jié)構(gòu)類型，例如梁、桁架、拱等。2計(jì)算材料強(qiáng)度根據(jù)荷載條件和材料特性確定材料的強(qiáng)度和剛度要求。3設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)連接根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和荷載條件設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)連接，確保連接的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。4進(jìn)行力學(xué)分析通過(guò)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和變形情況，確保結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。5優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的效率和經(jīng)濟(jì)性。內(nèi)力計(jì)算方法1平衡方程法根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力平衡條件，建立平衡方程組，求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。2截面法在結(jié)構(gòu)上任一點(diǎn)截取一部分，根據(jù)靜力學(xué)原理，分析截面上的內(nèi)力。3虛擬力法在結(jié)構(gòu)上施加一個(gè)虛擬力，根據(jù)虛功原理，求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。靜定結(jié)構(gòu)的形式梁式結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的形式包括簡(jiǎn)支梁、懸臂梁、連續(xù)梁等。梁式結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，常用于橋梁、房屋結(jié)構(gòu)等。桁架結(jié)構(gòu)通過(guò)三角形單元組合形成，具有較高的抗彎和抗剪能力，常用于橋梁、屋架等。拱式結(jié)構(gòu)利用拱的自身重量或預(yù)加壓力，將荷載傳遞給支座，具有較高的抗壓能力，常用于橋梁、隧道等?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由梁和柱組合而成，具有較好的抗側(cè)向荷載的能力，常用于高層建筑、橋梁等。靜定結(jié)構(gòu)的應(yīng)用靜定結(jié)構(gòu)在橋梁、建筑、機(jī)械、航空等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，鋼架橋、桁架橋、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等都是典型的靜定結(jié)構(gòu)應(yīng)用。在橋梁設(shè)計(jì)中，靜定結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以有效地減輕橋梁的重量，提高橋梁的穩(wěn)定性和抗震性能。在建筑設(shè)計(jì)中，靜定結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以有效地提高建筑物的抗風(fēng)、抗震性能，降低施工成本。例如，門(mén)式剛架、桁架屋頂?shù)榷际庆o定結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，靜定結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以有效地簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高機(jī)械的可靠性和穩(wěn)定性。超靜定結(jié)構(gòu)的類型幾何超靜定結(jié)構(gòu)幾何超靜定結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)的約束條件多于其自由度，例如多跨梁、連續(xù)梁、剛架等。靜力超靜定結(jié)構(gòu)靜力超靜定結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)的約束條件多于其靜力平衡方程的個(gè)數(shù)，例如，帶有懸臂的剛架等?；旌铣o定結(jié)構(gòu)混合超靜定結(jié)構(gòu)是指同時(shí)具有幾何超靜定和靜力超靜定的特點(diǎn)，例如，帶有懸臂的多跨梁。超靜定結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)靜力學(xué)確定性超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力不能僅通過(guò)靜力平衡方程確定，需要考慮變形協(xié)調(diào)條件?？购赡芰?qiáng)超靜定結(jié)構(gòu)具有較高的剛度和強(qiáng)度，能夠承受更大的外力作用，例如地震和風(fēng)荷載。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)部約束關(guān)系使其更加穩(wěn)定，不易發(fā)生失穩(wěn)破壞。施工復(fù)雜度高超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算和施工工藝較為復(fù)雜，需要使用專門(mén)的分析方法和技術(shù)。超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析1結(jié)構(gòu)力學(xué)分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力2平衡方程確定結(jié)構(gòu)受力3位移法求解內(nèi)力4力法確定內(nèi)力超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析需要考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)、平衡方程、位移法和力法等方法。通過(guò)這些方法，可以確定結(jié)構(gòu)受力，并求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力，從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。上部支座的受力分析支座類型支座類型決定其約束條件，例如固定支座約束三個(gè)自由度，而移動(dòng)支座只約束兩個(gè)自由度。了解支座類型是準(zhǔn)確分析受力的關(guān)鍵。力平衡原理根據(jù)力平衡原理，作用在結(jié)構(gòu)上的所有外力與其反作用力之和為零，這包括支座的反力。通過(guò)平衡方程可以分析支座的受力情況。外力分析確定作用于結(jié)構(gòu)上的外力，如荷載、溫度變化、沉降等，它們是支座反力的來(lái)源。外力的類型和大小直接影響支座的受力狀況。受力圖根據(jù)分析結(jié)果繪制受力圖，直觀地展示支座的反力方向和大小，有助于理解支座的受力狀態(tài)。下部支撐的受力分析支承反力的確定根據(jù)下部支撐形式和邊界條件確定支承反力，例如固定支承會(huì)產(chǎn)生水平和豎直反力，滾動(dòng)支承則只產(chǎn)生豎直反力。支承反力方向支承反力的方向與支撐的反作用力方向相反，例如固定支承的反作用力指向支撐物，而支承反力則指向結(jié)構(gòu)物。支承反力的大小支承反力的大小根據(jù)結(jié)構(gòu)物的受力情況和平衡條件計(jì)算，例如根據(jù)力矩平衡方程或力平衡方程。邊界條件的確定1支座約束支座類型和位置決定結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)自由度。2載荷條件集中載荷、分布載荷和溫度變化影響結(jié)構(gòu)的變形。3幾何約束結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸影響其剛度和穩(wěn)定性。4材料特性材料的彈性模量和泊松比影響結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布。桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理1材料選擇選用高強(qiáng)度鋼材，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度2節(jié)點(diǎn)連接焊接、螺栓連接，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定3受力分析計(jì)算節(jié)點(diǎn)受力，確定桿件截面4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化桿件布置，提高承載能力桁架結(jié)構(gòu)是一種由桿件通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接而成的框架結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、塔架等工程領(lǐng)域。設(shè)計(jì)桁架結(jié)構(gòu)需要遵循一定的原則，主要包括材料選擇、節(jié)點(diǎn)連接、受力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。簡(jiǎn)單桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1確定材料選擇合適的材料，例如鋼材或木材，以滿足桁架的承載能力和成本要求。2計(jì)算荷載根據(jù)桁架所承受的荷載，例如自重、風(fēng)荷載或雪荷載，進(jìn)行力學(xué)分析。3設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)是桁架結(jié)構(gòu)中連接桿件的點(diǎn)，需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，保證桁架的穩(wěn)定性。4選擇連接方式選擇合適的連接方式，例如焊接或螺栓連接，以確保桁架的強(qiáng)度和耐久性。5繪制施工圖根據(jù)設(shè)計(jì)方案，繪制詳細(xì)的施工圖，便于施工人員進(jìn)行實(shí)際建造。復(fù)雜桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1結(jié)構(gòu)分析復(fù)雜桁架結(jié)構(gòu)需采用有限元方法分析。2優(yōu)化設(shè)計(jì)需考慮材料強(qiáng)度、穩(wěn)定性、施工工藝等因素。3節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需考慮節(jié)點(diǎn)連接方式、力傳遞路徑等。復(fù)雜桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行細(xì)致的分析和優(yōu)化，以確保其結(jié)構(gòu)安全可靠。連續(xù)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)連續(xù)梁是指跨越多個(gè)支點(diǎn)的梁。它比簡(jiǎn)支梁更能承受荷載，并能更好地抵抗變形。1確定支點(diǎn)位置根據(jù)橋梁跨徑和荷載分布確定支點(diǎn)位置。2計(jì)算梁的截面尺寸根據(jù)荷載和跨徑計(jì)算梁的截面尺寸。3設(shè)計(jì)支座根據(jù)梁的截面尺寸設(shè)計(jì)支座。連續(xù)梁設(shè)計(jì)中需要考慮梁的跨度、荷載大小和類型、以及支座類型等因素?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確定框架的受力情況和荷載分配。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)是框架結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位，要保證節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度，確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。構(gòu)件設(shè)計(jì)框架的構(gòu)件包括梁、柱、節(jié)點(diǎn)等，要根據(jù)受力情況和荷載大小選擇合適的材料和尺寸。穩(wěn)定性分析框架結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析，避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。施工方案框架結(jié)構(gòu)的施工方案要合理，確保結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全。殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1幾何形狀殼體結(jié)構(gòu)通常為曲面結(jié)構(gòu)，例如球形、圓柱形或雙曲面。2材料通常由鋼筋混凝土、鋼板或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成。3受力特點(diǎn)殼體結(jié)構(gòu)能夠有效地將外力分散到整個(gè)結(jié)構(gòu)，從而提高整體承載能力。4應(yīng)用常用于建筑、橋梁、儲(chǔ)罐等領(lǐng)域。殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮材料的強(qiáng)度、幾何形狀、邊界條件、荷載類型等因素。懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1懸臂的概念懸臂結(jié)構(gòu)，一端固定，另一端自由伸出，承受外力，結(jié)構(gòu)特性獨(dú)特。2設(shè)計(jì)步驟確定結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算載荷選擇材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析繪制施工圖3常見(jiàn)應(yīng)用懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，例如陽(yáng)臺(tái)、雨棚、橋梁、起重機(jī)等。雙曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1幾何形狀雙曲面具有獨(dú)特的曲率和幾何特征2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高強(qiáng)度和抗彎性能3美學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)造性的建筑設(shè)計(jì)，現(xiàn)代感4應(yīng)用場(chǎng)景體育館、劇院、博物館等雙曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的領(lǐng)域，需要深入理解數(shù)學(xué)、力學(xué)和建筑學(xué)原理索拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)索拱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)索拱結(jié)構(gòu)通常由鋼索和拱形結(jié)構(gòu)組成。鋼索承受拉力，拱形結(jié)構(gòu)承受壓力，兩者共同發(fā)揮作用，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。索拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程確定結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸。確定結(jié)構(gòu)的材料和強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力和應(yīng)力。進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)的施工和安裝。索拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用索拱結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于橋梁、體育場(chǎng)館、大型建筑等工程領(lǐng)域。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1基本概念預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力來(lái)提高結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度和耐久性。這是一種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、隧道和大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。2預(yù)應(yīng)力方法常見(jiàn)的預(yù)應(yīng)力方法包括預(yù)應(yīng)力鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。每種方法都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。3設(shè)計(jì)原則預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮預(yù)應(yīng)力的大小、方向、分布和材料的性能等因素。設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，并提高其經(jīng)濟(jì)效益。斜拉橋設(shè)計(jì)1結(jié)構(gòu)類型主要形式包括：?jiǎn)嗡崩瓨?、雙塔斜拉橋、多塔斜拉橋。2索塔設(shè)計(jì)需要考慮高度、形狀、材料選擇等因素。3鋼索設(shè)計(jì)應(yīng)具備高強(qiáng)度、耐久性和抗疲勞性。4橋面設(shè)計(jì)需考慮橋面寬度、車(chē)道數(shù)量、人行道等因素。斜拉橋的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、美觀性、經(jīng)濟(jì)性等因素。斜拉塔設(shè)計(jì)斜拉塔設(shè)計(jì)需要綜合考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料科學(xué)、建筑學(xué)等多學(xué)科知識(shí)。1安全性能抵抗地震、風(fēng)荷載等。2美觀性整體造型和諧美觀。3經(jīng)濟(jì)性材料成本、施工成本控制。4可施工性結(jié)構(gòu)易于建造、維護(hù)。張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1膜材選擇膜材料需滿足強(qiáng)度、耐久性、抗紫外線和自清潔等要求，例如PTFE膜材、PVDF膜材、ETFE膜材等。2結(jié)構(gòu)分析采用有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確定膜結(jié)構(gòu)的形狀、受力狀態(tài)、應(yīng)力分布和穩(wěn)定性。3施工方案根據(jù)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，制定詳細(xì)的施工方案，確保施工安全和質(zhì)量，并考慮膜結(jié)構(gòu)的后期維護(hù)和保養(yǎng)。懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定結(jié)構(gòu)形式根據(jù)建筑物類型、跨度、荷載等因素選擇合適的懸索結(jié)構(gòu)形式，例如單跨懸索橋、多跨懸索橋、斜拉索橋等。確定索纜材料懸索結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件是索纜，需要選擇強(qiáng)度高、抗疲勞性能好、耐腐蝕的材料，例如高強(qiáng)度鋼索、碳纖維索等。確定索纜布置根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和荷載分布，合理布置索纜，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并盡可能減少索纜的長(zhǎng)度和數(shù)量。確定塔架形式根據(jù)懸索結(jié)構(gòu)的跨度和荷載，選擇合適的塔架形式，例如鋼筋混凝土塔架、鋼結(jié)構(gòu)塔架等。確定錨固系統(tǒng)懸索結(jié)構(gòu)需要有牢固的錨固系統(tǒng)，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，錨固系統(tǒng)通常采用大型混凝土基礎(chǔ)或鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。力學(xué)仿真技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用精確分析力學(xué)仿真可以模擬結(jié)構(gòu)在不同荷載條件下的行為，為設(shè)計(jì)人員提供精確的分析結(jié)果，幫助他們做出更合理的決策。優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)仿真分析，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，例如調(diào)整材料、形狀和尺寸，從而提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。降低成本力學(xué)仿真技術(shù)可以減少物理模型