結(jié)構(gòu)分析的目的、結(jié)構(gòu)模型以及分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

在工程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安全鑒定等眾多工程實(shí)踐過(guò)程中，我們經(jīng)常會(huì)遇到諸如結(jié)構(gòu)分析的深度，如何簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型以便迅速找到合理誤差范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果等許多問(wèn)題，本文就其中結(jié)構(gòu)分析的目的、分析與設(shè)計(jì)的關(guān)系及關(guān)于結(jié)構(gòu)模型的問(wèn)題談?wù)劰P者的一些體會(huì)。
1 結(jié)構(gòu)分析
結(jié)構(gòu)分析是確定在給定荷載下結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，以便使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得合理并能檢查現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全狀況。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須先從結(jié)構(gòu)的概念開始擬定一種結(jié)構(gòu)形式，然后再進(jìn)行分析。這樣做能確定構(gòu)件的尺寸以及所需要的鋼筋，以便a). 承受設(shè)計(jì)荷載而不致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞（承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)）；b). 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的規(guī)定（正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)）。
由于通常在工作荷載作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，因此以彈性狀態(tài)假設(shè)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)理論就適用于正常狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的倒塌通常在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料彈性范圍，超出臨界點(diǎn)后才會(huì)發(fā)生，因而建立在材料非彈性狀態(tài)基礎(chǔ)上的極限強(qiáng)度理論是合理確定結(jié)構(gòu)安全性，防止倒塌所必需的。不過(guò)彈性理論可用來(lái)確定延性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全近似值（塑性下限逼近法），在鋼筋混凝土設(shè)計(jì)中通常采用這種方法。基于這種原因，在本文中僅僅采用結(jié)構(gòu)的彈性理論。
2 結(jié)構(gòu)模型
仔細(xì)的觀察所有結(jié)構(gòu)都是三維構(gòu)件的組合體，對(duì)其進(jìn)行精確的分析，甚至在理想狀態(tài)下，也是一個(gè)棘手的工作，即使專業(yè)人員也無(wú)從考慮。由于這種原因，分析人員工作的一個(gè)重要部分是將實(shí)際結(jié)構(gòu)和荷載狀態(tài)簡(jiǎn)化成一個(gè)易于合理分析的模型。
這樣，結(jié)構(gòu)框架系統(tǒng)可分解成板和樓蓋梁，樓蓋梁是由柱支撐的交叉梁系，柱將荷載傳遞到基礎(chǔ)上。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析不能分析板的作用，所以經(jīng)常理想化成類似于梁的條形系統(tǒng)。同樣，普通的方法不能處理三維框架系統(tǒng)，因此利用平面結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的模型，分別加以分析?，F(xiàn)代的有限元法可以分析整個(gè)系統(tǒng)從而革新了結(jié)構(gòu)分析，這樣可對(duì)荷載作用下結(jié)構(gòu)的性能做出更可靠的預(yù)測(cè)。
實(shí)際荷載狀態(tài)也是很難確定和很難客觀表達(dá)的，為了進(jìn)行分析，必須進(jìn)行簡(jiǎn)化。例如：橋梁結(jié)構(gòu)上的交通荷載主要是動(dòng)載和可變荷載，通常理想化成靜態(tài)行使的標(biāo)準(zhǔn)汽車或分布荷載，以用來(lái)模擬實(shí)際產(chǎn)生的最危險(xiǎn)的荷載狀態(tài)。
同樣，連續(xù)梁有時(shí)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，剛性結(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為鉸結(jié)點(diǎn)，忽略填充墻，把剪力墻簡(jiǎn)化成梁。在決定如何建立一個(gè)結(jié)構(gòu)模型使之比較客觀，但又比較簡(jiǎn)單時(shí)，分析人員必須記住每個(gè)這樣的理想化都將使所求的結(jié)果更加可疑。分析的越客觀，產(chǎn)生的信心越大，所取的安全系數(shù)（或可忽略的因素）可以越小。這樣，除非規(guī)范條款控制，工程師必須估算出結(jié)構(gòu)精確分析所需追加的費(fèi)用與結(jié)構(gòu)中可能節(jié)省的費(fèi)用相比，是否合算。
3 結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系
結(jié)構(gòu)分析的最重要的用處是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中作為一種工具。它通常是反復(fù)試算過(guò)程中的一個(gè)環(huán)節(jié)，在這種方法中，首先，在假定的恒載下對(duì)假定的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)各構(gòu)件，這個(gè)階段稱為初步設(shè)計(jì)。由于這種設(shè)計(jì)常常在變化，通常采用粗略的快速分析方法就足夠了。在此階段，估計(jì)結(jié)構(gòu)的成本，修正荷載及構(gòu)件特性，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查以便改進(jìn)。至此，所作的更改已納入到結(jié)構(gòu)中，需進(jìn)行更精細(xì)的分析，并修改構(gòu)件設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)過(guò)程會(huì)收斂，收斂的速度取決于設(shè)計(jì)者的能力。很清楚，為了設(shè)計(jì)需要從“迅速而粗略”到“精確”的各種分析方法。
因而，有能力的分析人員必須掌握嚴(yán)密的分析方法，必須能夠通過(guò)適當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，必須了解可利用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和分析手段以及建筑規(guī)范中允許的簡(jiǎn)化方法。同時(shí)，現(xiàn)代的分析人員必須精通結(jié)構(gòu)矩陣分析的基本原理及其在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用以及會(huì)應(yīng)用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析程序及有關(guān)軟件。