施工临时结构设计及计算分析培训

施工临时结构设计及计算分析培训2019年4月结构力学基本理论介绍材料力学基本理论介绍结构设计基本理论介绍有限元基本理论介绍MidasCivil基本操作简介RBCCE操作简介广联达施工计算软件操作简介目录一二三四五六七1、研究对象狭义结构力学：也称经典结构力学或杆系结构力学。其研究对象为由杆系组成的结构，即杆系结构。一、结构力学基本理论介绍1、研究对象广义结构力学：其所研究的对象除杆系外，还包括由板、壳、块等可变形的连续体组成的板壳结构和实体结构。现代结构力学：将工程项目从论证到设计，从设计到施工，从施工到使用期内维护的整个工程作为大系统，研究大系统的各种各样的力学问题。一、结构力学基本理论介绍2、研究问题强度：强度计算在于保证结构物使用中的安全性，并符合经济要求。刚度：刚度计算在于保证结构物不会产生过大的变形从而影响使用。稳定性：稳定性验算在于保证结构不会产生失稳破坏。一、结构力学基本理论介绍结构力学研究外力与内力的关系问题3、结构计算简图3.1支座固定支座

一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.1支座固定支座简图：特点：1)结构在支座截面不产生线位移和转角；2)支座截面有反力矩以及x、y方向的反力。

一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.1支座固定铰支座特点：结构在支座截面可以绕圆柱铰A转动；2)x、y方向的反力通过铰A的中心。

一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.1支座滑动支座（定向支座）特点：1）杆端A无转角，不能产生沿链杆方向的线位移，可以产生垂直于链杆方向的线位移；2）杆端存在反力矩以及沿链杆方向的反力。

一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.2常见杆系结构梁梁的特点：梁的轴线通常为直线，水平梁在竖向荷载作用下，截面存在弯矩和剪力。

一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.2常见杆系结构刚架刚架的特点：1）刚架通常由梁和柱等直杆组成，杆件间的结点多为刚结点；2）荷载作用下杆件截面存在弯矩、剪力和轴力。一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.2常见杆系结构拱拱的特点：1)拱的轴线为曲线，在竖向荷载作用下支座有水平推力；2)水平推力大大改变了拱的受力特性。

一、结构力学基本理论介绍一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.2常见杆系结构桁架和组合结构

3、结构计算简图3.2常见杆系结构桁架和组合结构特点：1)桁架由直杆组成，所有结点都是铰结点，当荷载作用于结点时，各杆只受轴力；2)组合结构则是由梁式杆和链杆组成，其中梁式杆以受弯为主，内力不仅有轴力，还有弯矩、剪力。

一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.3荷载按荷载作用时间长短恒载——永久作用在结构上的荷载。如自重等。活载——荷载有时作用在结构上，有时又不作用在结构上。如：楼面活荷载，雪荷载。

一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.3荷载按荷载作用位置固定荷载——作用位置不变的荷载，如自重等。移动荷载——荷载作用在结构上的位置是移动的，如吊车荷载、桥梁上的汽车和火车荷载。一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.3荷载按荷载作用的性质静荷载——荷载的大小、方向、位置不随时间变化或变化很缓慢的荷载。恒载都是静荷载。动荷载——荷载的大小、方向随时间迅速变化，使结构产生显著振动，结构的质量承受的加速度及惯性力不能忽略。化爆和核爆炸的冲击波荷载、地震荷载等都是动力荷载。一、结构力学基本理论介绍3、结构计算简图3.4小变形假设若结构发生微小连续变形，且材料服从虎克定理，则可以用叠加原理求结构的内力和变形。微小连续变形变形与杆件尺寸相比很小，结构变形后几何尺寸无变化，荷载位置及作用线不变，变形符合支座约束条件。材料服从虎克定律即应力应变满足关系式：σ=E⋅ε。一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.1简支梁结构形式均布荷载一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.1简支梁弯矩图剪力图一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.1简支梁集中荷载一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.1简支梁弯矩图剪力图一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.2二等跨连续梁结构形式均布荷载一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.2二等跨连续梁弯矩图剪力图一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.2二等跨连续梁集中荷载一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.2二等跨连续梁弯矩图剪力图一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.3三等跨连续梁结构形式均布荷载一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.3三等跨连续梁弯矩图剪力图一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.3三等跨连续梁集中荷载一、结构力学基本理论介绍4、常见梁结构计算4.3三等跨连续梁弯矩图剪力图一、结构力学基本理论介绍5、活荷载的不利布置5.1活荷载布置规定活荷载时有时无，为方便设计，规定活荷载以一个整跨为单位进行变动。5.2活荷载最不利位置布置设计梁、板结构时，应研究活荷载如何布置使梁、板内某截面的内力绝对值最大，这种布置为活荷载最不利位置布置。一、结构力学基本理论介绍5、活荷载的不利布置5.3以五等跨均布荷载连续梁为例说明活荷载最不利位置结构形式一、结构力学基本理论介绍5、活荷载的不利布置5.3以五等跨均布荷载连续梁为例说明活荷载最不利位置布置位置弯矩图剪力图一、结构力学基本理论介绍5、活荷载的不利布置5.3以五等跨均布荷载连续梁为例说明活荷载最不利位置布置位置弯矩图剪力图一、结构力学基本理论介绍5、活荷载的不利布置5.3以五等跨均布荷载连续梁为例说明活荷载最不利位置布置位置弯矩图剪力图一、结构力学基本理论介绍5、活荷载的不利布置5.3以五等跨均布荷载连续梁为例说明活荷载最不利位置弯矩图-边跨弯矩图-边二弯矩图-中跨一、结构力学基本理论介绍5、活荷载的不利布置5.3以五等跨均布荷载连续梁为例说明活荷载最不利位置剪力图-边跨剪力图-边二剪力图-中跨一、结构力学基本理论介绍5、活荷载的不利布置5.4活荷载最不利布置规律求某跨跨内最大正弯矩时，应在本跨布置活荷载，然后隔跨布置。求某跨跨内最大负弯矩时，本跨不布置活荷载，而在左右邻跨布置，然后隔跨布置。求某支座绝对值最大的负弯矩或支座左、右截面最大剪力时，应在该支座左、右布置活荷载，然后隔跨布置。一、结构力学基本理论介绍6、《建筑施工模板安全技术规范》附录C一、结构力学基本理论介绍1、研究对象材料力学将工程结构（各种机械、仪器及建筑结构等）的零部件统称为构件。材料力学研究的对象为构件，研究构件在外力作用下变形和破坏规律。二、材料力学基本理论介绍2、研究问题强度：构件抵抗变形的能力。刚度：构件抵抗变形的能力。稳定性：构件保持原来平衡状态的能力。二、材料力学基本理论介绍材料力学研究内力与应力的关系问题3、基本假设连续性假设：假设变形固体在其整个体积内，连续地、毫无空隙地被构成改固体的物质所充满，即变形固体内的介质是连续介质。均匀性假设：假设变形固体内各质点物质的性质是相同的。各向同性假设：假设变形固体内每一点，沿任何方向物质的性质都是相同的。【完全弹性假设】：假设引起物体变形的外界因素去除后，能够完全恢复原状不留任何残余变形。【小变形假设】：假设物体在外荷载作用下所引起的各点位移都远小于物体的原始尺寸。二、材料力学基本理论介绍4、内力与应力4.1内力内力：外力作用引起构件内部的附加相互作用力。求内力的方法—截面法(1)假想沿m-m横截面将杆切开(2)留下左半段或右半段(3)将弃去部分对留下部分的作用用内力代替(4)对留下部分写平衡方程，求出内力的值。二、材料力学基本理论介绍4、内力与应力4.1内力例：二、材料力学基本理论介绍4、内力与应力4.2应力应力：应力在某点的强度，即该点内力的集度，即应力。二、材料力学基本理论介绍4、内力与应力4.2应力正应力：沿截面的法向分量称为正应力。切应力：沿截面的切向分量称为切应力。二、材料力学基本理论介绍5、杆件变形基本形式5.1轴向拉压受力与变形特点：作用在杆件上的外力合力的作用线与杆件轴线重合，杆件变形是沿轴线方向的伸长或缩短。拉（压）杆的受力简图二、材料力学基本理论介绍5、杆件变形基本形式5.1轴向拉压应力公式二、材料力学基本理论介绍5、杆件变形基本形式5.2弯曲受力与变形特点：杆件承受垂直于其轴线方向的外力，或在其轴线平面内作用有外力偶时，

杆的轴线变为曲线。以轴线变弯为主要特征的变形称为弯曲。弯曲受力简图二、材料力学基本理论介绍5、杆件变形基本形式5.2弯曲剪力图弯矩图二、材料力学基本理论介绍5、杆件变形基本形式5.2弯曲正应力公式二、材料力学基本理论介绍令Iz/ymax=WzWz抗弯截面系数5、杆件变形基本形式5.2弯曲切应力公式式中Sz*为部分面积对Z轴的静距二、材料力学基本理论介绍FQSz*Izbτ=A*2h2hFQy1ydA

5、杆件变形基本形式5.3剪切剪切受力特点：作用在构件两侧面上的外力合力大小相等、方向相反且作用线很近。变形特点：位于两力之间的截面发生相对错动。二、材料力学基本理论介绍5、杆件变形基本形式5.3剪切切应力公式假设切应力在剪切面（m-m截面）上是均匀分布的式中A为与Fs平行的剪切面面积。二、材料力学基本理论介绍5、杆件变形基本形式5.4挤压挤压应力公式式中为与垂直的挤压面积。二、材料力学基本理论介绍FF5、杆件变形基本形式5.5扭转扭转受力特点及变形特点:杆件受到大小相等,方向相反且作用平面垂直于杆件轴线的力偶作用,杆件的横截面绕轴线产生相对转动。二、材料力学基本理论介绍5、杆件变形基本形式5.5扭转扭转切应力公式式中T—为横截面扭矩

Ip—称为横截面对圆心的极惯性矩

—求应力的点到圆心的距离。二、材料力学基本理论介绍Me令称为抗扭截面系数。则6、截面参数6.1静距（面积矩）定义二、材料力学基本理论介绍：分别表示截面对z轴和y轴的面积矩(静矩）。单位为mm3或m3：微面积对y轴的面积矩：微面积对z轴的面积矩其值可正、可负、可为零6、截面参数6.1静距（面积矩）应用二、材料力学基本理论介绍矩形截面梁的弯曲切应力Sz*—过求切应力的点作与中性轴平行的直线,该线与最近边围成的面积A*对中性轴的静矩

—其方向与切力FS的方向一致ybzA*6、截面参数6.2形心定义：图形的几何中心二、材料力学基本理论介绍6、截面参数6.2形心静矩与形心关系二、材料力学基本理论介绍——计算形心坐标的公式1、若Sz=0yc=0该轴通过形心2、若轴通过形心(形心轴）则静矩为零讨论：3、已知静矩可求形心；已知形心和面积也可求静矩6、截面参数6.3惯性矩定义二、材料力学基本理论介绍——微元对Z轴的惯性矩量纲：m4、mm4

I>0图形对z轴的惯性矩图形对y轴的惯性矩**是对某一根坐标轴而言6、截面参数6.3惯性矩应用二、材料力学基本理论介绍纯弯曲梁的正应力Iz—整个横截面对中性轴的惯性矩y

—所求应力处距中性轴的距离。6、截面参数6.4极惯性矩定义二、材料力学基本理论介绍微面积对原点的极惯性矩图形对原点的极惯性矩6、截面参数6.4极惯性矩应用二、材料力学基本理论介绍圆轴扭转横截面上的切应力（扭转应力）Iz—整个横截面对中性轴的惯性矩ρ

—所求应力处距圆心的距离。xppqqTTT

—扭矩6、截面参数6.5惯性半径定义二、材料力学基本理论介绍为图形对y轴和对z轴的惯性半径。6、截面参数6.5惯性半径应用二、材料力学基本理论介绍压杆临界应力6、截面参数6.6

平行移轴公式公式推导二、材料力学基本理论介绍注意：z、y为形心轴6、截面参数6.6

平行移轴公式公式应用二、材料力学基本理论介绍平行移轴公式工字钢槽钢角钢T形钢梁组合截面的惯性矩6、截面参数6.7常见截面矩形截面二、材料力学基本理论介绍求矩形对形心轴y、z的惯性矩取微段dA=bdy解：熟记6、截面参数6.7常见截面圆形截面二、材料力学基本理论介绍微面积：解：＊＊＊熟记6、截面参数6.8对比二、材料力学基本理论介绍1、矩形截面惯性矩2、工字形截面惯性矩规律：有效面积离形心轴越远，截面对该轴的惯性矩就越大。1、材料强度1.1低碳钢的拉伸三、结构设计基本理论介绍明显的四个阶段1、弹性阶段ob胡克定律2、屈服阶段bc（失去抵抗变形的能力）屈服极限3、强化阶段ce（恢复抵抗变形的能力）强度极限4、局部径缩阶段ef1、材料强度1.2其它材料拉伸时的力学性质对于没有明显屈服阶段的塑性材料，用名义屈服极限σp0.2来表示。三、结构设计基本理论介绍1、材料强度1.3强度标准值材料的强度是离散的，总体符合概率论的正态分布。强度标准值为运用数理统计方法确定的具有一点保证率的统计特征值。例如：钢筋的保证率为97.73%、混凝土的保证率为95%。三、结构设计基本理论介绍2、两种极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形状态。例如：材料强度破坏、疲劳破坏、结构或构件压屈等。正常使用极限状态正常使用极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限制。例如：产生过大的变形和裂缝，引起使用者的不安全感。三、结构设计基本理论介绍3、可靠度和失效概率极限状态方程极限状态方程为Z=R–S=0式中R称为结构抗力(结构抗力是指结构抵抗破坏或变形的能力，如极限内力、极限强度、极限刚度以及抗滑力、抗倾力矩等)；S称为荷载效应(荷载效应是指由荷载引起的结构构件的内力、位移等)三、结构设计基本理论介绍3、可靠度和失效概率R、S概率密度分布曲线从图中的概率密度曲线可以看到，在多数情况下构件的抗力R大于荷载效应S。但是由于离散性，在R、S的概率密度重叠区（阴影部分），仍可能出现构件的抗力R小于荷载效应S的情况。三、结构设计基本理论介绍3、可靠度和失效概率可靠度和失效概率三、结构设计基本理论介绍失效概率：可靠度：4、实用设计表达式4.1分项系数概念《建筑结构设计统一标推》采用了以荷载和材料强度的标准值以及相应的“分项系数”来表示的方式，称为实用设计表达式。其中，分项系数是按照目标可靠指标并考虑了工程经验确定的，因此分项系数已起着考虑目标可靠度的等价作用。三、结构设计基本理论介绍分项系数有三类：抗力分项系数结构重要性分项系数荷载分项系数永久荷载分项系数可变荷载分项系数4、实用设计表达式4.1分项系数表达式三、结构设计基本理论介绍令：为荷载效应标准值，为结构抗力标准值。于是，荷载效应设计值为相当于把荷载效应增大某一个倍数），结构抗力设计值为（相当于把结构抗力缩小某一个倍数）。

引入结构重要性分项系数，得4、实用设计表达式4.1分项系数示例钢筋强度分项系数：(不超过400MPa1.1，500MPa1.15)混凝土强度分项系数：三、结构设计基本理论介绍4、实用设计表达式4.2荷载效应组合基本组合结构或构件在使用期间，除承受恒荷载外，还可能同时承受两种或两种以上的活荷载，这就需要给出这些荷载同时作用时产生的效应。按《建筑结构荷载规范》将荷载作用效应组合分为：基本组合、偶然组合、标准组合、频遇组合和准永久组合。三、结构设计基本理论介绍4、实用设计表达式4.2荷载效应组合承载能力极限状态设计表达式按承载能力极限状态设计时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。三、结构设计基本理论介绍

简化实用表达式：1.2G（恒荷载）+1.4Q（活荷载）4、实用设计表达式4.2荷载效应组合正常使用极限状态设计表达式按正常使用极限状态设计时，主要验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度。可靠度要求可以适当降低，计算时取荷载标准值，不需要乘以分项系数，也不需要考虑结构重要性系数。有标准组合、频遇组合和准永久组合。三、结构设计基本理论介绍标准组合表达式为

简化实用表达式：G（恒荷载）4、实用设计表达式4.2荷载效应组合正常使用极限状态设计表达式三、结构设计基本理论介绍频遇组合表达式为

准永久组合表达式为

5、压杆稳定性验算5.1拉压现象受拉不存在屈曲问题，受压存在屈曲问题。三、结构设计基本理论介绍5、压杆稳定性验算5.2压屈现象当轴向压力F小于某一数值时，给杆横向一个干扰力，当干扰力解除后，压杆又恢复到原来的直线平衡状态。当轴向压力F增大到某一数值时，给杆横向一个干扰力，当干扰力解除后，压杆无法恢复到原来的直线平衡状态，称为压杆失稳。三、结构设计基本理论介绍5、压杆稳定性验算5.3理想压杆临界力计算两端铰支细长杆的临界力计算公式—欧拉公式其他约束情况下细长压杆的临界力计算公式—欧拉公式三、结构设计基本理论介绍μ称为长度系数。5、压杆稳定性验算5.3理想压杆临界力计算长度系数μ三、结构设计基本理论介绍5、压杆稳定性验算5.3理想压杆临界应力计算三、结构设计基本理论介绍称为柔度，也叫长细比，量纲为1

5、压杆稳定性验算5.4压杆实用设计计算理想压杆材质均匀、压力与轴线无偏心、压杆无初弯矩等。实际压杆存在有初始弯曲、材料不均匀、小偏心等缺陷。实验和理论表明理想压杆的承载力是实际压杆的上限。稳定性条件三、结构设计基本理论介绍稳定性条件稳定安全因数工程实际强度计算时的许用应力称为折减系数,也叫稳定系数

其值小于15、压杆稳定性验算5.5稳定系数三、结构设计基本理论介绍1、有限元基本思想将连续问题离散化，用离散的结果去反映连续的问题。即“化整为零，积零为整”。把一个大的结构划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。四、有限元基本理论介绍2、有限元基本原理矩阵位移法。{K}{u}={F},{K}为刚度矩阵、{u}为位移矩阵、{F}荷载矩阵。四、有限元基本理论介绍3、刚度矩阵

线性杆元平面桁架杆元四、有限元基本理论介绍3、刚度矩阵

空间桁架元梁元四、有限元基本理论介绍4、基本规则力通过节点相互传递，两单元之间若需相互传递荷载，必须要共节点或明确约束形式。只有每个节点传力是正确的，结构的计算结果才可能是正确的。荷载条件必须明确。约束条件必须明确。正确合理设置节点。正确合理划分网格。四、有限元基本理论介绍1、软件介绍MIDAS/Civil是针对土木结构，特别是分析象预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式，同时可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析的土木结构分析与优化设计软件。优点：针对性强、功能强大、三维建模、界面友好、操作简单、建模速度快缺点：正版费用昂贵、各版本不兼容、网格划分不友好五、MidasCivil基本操作简介2、软件操作基本操作步骤五、MidasCivil基本操作简介材料参数截面参数结构建模单元划分约束条件荷载条件3、实例跨数、跨距、约束和荷载相同的两根Q235钢材的I32B工