《土建程序设计》PPT课件.ppt

主讲：赵冰 南阳理工学院建筑工程系 学习方式 v课堂讲解、演示 20学 时 v上机实习、辅导 10学 时 考核方式 程序设计 第一章 计算机在结构工程中的应用 第二章 结构计算程序设计基础 第一篇 总 论 1.1 前言 第一章: 计算机在结构工程中的应用 城市化的发展，加快了基础设施的建设步伐， 建筑任务的加重，迫切需要提高建设效率。 土木工程是国民经济发展的主要支柱之一,结 构工程是这根支柱的基础。 计算机科学、材料学、力学等学科间相互渗透 ，是结构工程发展的大好机遇。 v结构理论、结构试验、结构计算三足鼎立的学科 结构 计算结构力学，借助计算机进行结构分析 数值计算方法空前发展 v结构工程学科是一门应用型的基础性学科 个别构件分析，转化为结构的整体及其耦联系统的综 合分析与控制 专业概念的拓宽 单纯的工程结构问题转为对工程大系统问题的研究 1.2 结构工程学科的发展趋势 第一章: 计算机在结构工程中的应用 v结构按照较精确的模型进行分析 v大型结构的整体分析 v解放了设计人员，设计效率提高 v结构的可靠性保证，材料的合理利用 vCAD在土木工程中的应用与发展 v用于工程建造全过程的仿真分析，保证结构建 造全过程的可靠性，指导选用合理的施工方案 1.3 计算机在结构工程中的应用 第一章: 计算机在结构工程中的应用 v与时间有关的结构动力分析 v用于结构优化，自动控制和人工智能（专家系统 ） v计算力学方法的适应性、互通性强，利于对多介 质组成的结构大系统进行分析 v工程结构的试验仿真 基于计算力学、数值模型和计算机图形技术的计 算机仿真技术 1.3 计算机在结构工程中的应用 第一章: 计算机在结构工程中的应用 v1.PKPM系列， TBSA6.0 v2.广厦CAD8.5 v3.天正系列：天正建筑6.0、天正结构 、天正给排水、暖通等 v4.理正系列：理正工具箱、理正建筑、 理正结构、理正电器等 v5.预算类软件：韦达2003版、广联达、 神机妙算等 常用建筑设计软件 2.1 结构分析计算的特点 第二章: 结构计算程序设计基础 1.微机的日益普及为结构分析计算电算化奠定了 基础 2.微机运算能力的不足，需要设计者在计算方法 、程序结构、数据管理及资源利用等方面精心 研究 3.微机用结构分析软件开发须采用合理的程序结 构，程序设计应当结构化、模块化、层次化 2.2 程序设计 第二章: 结构计算程序设计基础 正确性 可靠性 简明性 易维护性 结构化设计方法 规范化 软件是程序、方法、规划及相关文档在计算 机上运行所必须是数据。 工程化软件的要求 第二章: 结构计算程序设计基础 问题分析 规划设计 程序编制 调试维护 程序说明 2.2 程序设计 软件开发过程包含的主要内容 程序结构的组成: （1）解决问题本身的结构 （2）计算结构 2.3 结构化程序设计 第二章: 结构计算程序设计基础 2.3.1 程序结构化 （1）均由顺序、选择和循环三类基本结构组成 （2）单入口、单出口 （3）不含无限循环 （4）没有死语句 2.3 结构化程序设计 第二章: 结构计算程序设计基础 2.3.2 程序模块化 模块式结构程序，程序化整为零，每个模块 具有独立功能。 数据输入 计算单元刚度 形成总体刚度 数据输出 主控 程序 解方程组 2.4 数据管理 第二章: 结构计算程序设计基础 2.4.1 数据准备 建立结构分析模型 计算模型数字化 数据格式化 检查和校正数据 2.4 数据管理 第二章: 结构计算程序设计基础 2.4.2 数据输入 原始数据数据文件 输出文件程序 大型结构分析程序具有数据的预处理模块，通 过图形系统交互式建立数据文件。如PKPM 2.4.3 数据处理与存储 以节约资源为目的 对称、稀疏矩阵存储，半带宽的方法 2.4 数据管理 第二章: 结构计算程序设计基础 2.4.3 数据交换 程序：主控程序与各个功能模块（子程序），程序 模块彼此之间 计算机：内存空间与外存空间 2.4.4 结果分析 中间结果分析 最终结果分析 第二篇 平面杆系结构静力分析 v位移法的复习 v矩阵位移法 v一般线性方程组的解法 v大型稀疏线性方程组的解法 第三章 位移法与矩阵位移法 1 1 位移法复习位移法复习 1.位移法基本思想 根据位移和内力之间的关系 确定结构的某些位移求出内力 2.位移法解题过程 原结构 基本结构附加约束典型方程平衡关系 求解 结点位移 求出内力 基本结构：基本结构：加约束加约束“ “无位移无位移” ”, ,能拆成已能拆成已 知杆端力知杆端力- -杆端位移关系杆端位移关系“ “单跨梁单跨梁” ”的超的超 静定结构。静定结构。 基本体系：基本体系：受外因和未知位移的基本受外因和未知位移的基本 结构。结构。 基本方程：基本方程： 外因和未知位移共同作用时外因和未知位移共同作用时, ,附加约附加约 束没有反力束没有反力实质为平衡方程。实质为平衡方程。 外因外因附加反力 附加反力 为零为零 未知位移未知位移 3.3.典型方程法步骤典型方程法步骤 vv确定独立位移未知量数目（隐含建立基确定独立位移未知量数目（隐含建立基 本体系，支杆只限制线位移，限制转动本体系，支杆只限制线位移，限制转动 的约束不能阻止线位移）的约束不能阻止线位移） vv作基本未知量分别等于单位时的单位弯作基本未知量分别等于单位时的单位弯 矩图矩图 vv作外因（主要是荷载）下的弯矩图作外因（主要是荷载）下的弯矩图 vv由上述弯矩图取结点、隔离体求反力系由上述弯矩图取结点、隔离体求反力系 数数 3.3.典型方程法步骤典型方程法步骤 建立位移法典型方程并且求解：建立位移法典型方程并且求解： 按迭加法作最终弯矩图按迭加法作最终弯矩图 取任意部分用平衡条件进行校核取任意部分用平衡条件进行校核 2 矩阵位移法 主要内容： （1）单元分析，将杆系结构中的一根（或 一段）杆件作为一个单元，建立单元内力 和位移的关系； （2）整体分析，在整体结构中分析各单元 应满足的几何条件和平衡条件，建立整体 刚度方程，解方程求原结构的位移和内力 。 一般线性方程组的解法: 大型线性代数方程组Ax=b求解; 实际问题 数学问题 提供计算方法 程序设计 上机计算 结果分析 一1. Gauss 消去法 设 有 线 代：方法不好时工作量非常大，工作量小的 方法是 Gauss 消去法。 消 元： 一般线性方程组的解法 二 列主元素消去法-计算结果可靠 到此原方程组化为 到此原方程组化为 （3.3) 是回代过程。 (上三角方程组) （3.2) (n) 回代求解公式 (n-1) 原方程组化为 以上为消元过程。 -（ 3.3) 三、 Gauss 全主元消去法： 优点-计算结果更可靠； 缺点-挑主元花机时更多， 次序有变动，程序复杂。 说明： (1)也可采用无回代的列主元消去法(叫Gauss- -Jordan消去法)，但比有回代的列主元消 去法的乘除运算次数多。 (2)有回代的列主元消去法所进行的乘除运算 次数为 ，量很小。 记 ，则 （三角因子分解） Gauss消元，初等行变换，化原方程组为上三角型 。 四矩阵三角分解法 定义3.1 叫的三角（因子）分解，其中 是 是上三角。下三角, 为单位下三角阵（对角元全为1）， 为上三角阵，则称 为Doolittle分解; 若 是下三角， 是单位上三角，则称 定理3.1 n阶阵 有唯一Doolittle分解(Crout） 的前n-1个顺序主子式不为0.（证略） 三角分解不唯一,为此引入 定义3.2 若 为Crout分解 。 为什么要讨论三角分解？若在消元法进行前能实 现三角分解 ， 则 容易回代求解 回代求解很容易，如 计算方法 1直接三角分解法（以Doolittle分解为例）设 由矩阵乘法 (k) 例31 选主元的三角分解法（略） Ch4 连续梁的内力计算及程序设计 v连续梁 建筑、桥梁、港口等土木结构形式之 一 v计算方法 矩阵位移法 4.1确定基本结构 结点编号，根据位移情况施加约束力臂，固定杆 端位移，形成基本结构 3 M1M2M3 12 M2M3 I J M1M2 IJ 312 4.2单元分析 v建立杆端力和杆端位移的关系式 M2 M1 IJ eX 建立直角坐标系 单元刚度方程 4.2单元分析 建立杆端力和杆端位移的关系式 4.3结构整体分析 u形成刚度方程 单元刚度方程，结合结点平衡条件和几何 条