《超静定总论》课件

超静定总论超静定结构是指结构中约束条件多于刚体自由度，因此结构在荷载作用下会出现多余约束力。超静定结构具有比静定结构更高的强度和刚度，但其分析方法也更为复杂。概述结构类型静定结构和超静定结构是建筑结构中常见的两种基本形式，它们在受力特点、分析方法和稳定性方面存在显著差异。静定结构静定结构是指仅依靠平衡方程即可确定其内力、反力和位移的结构体系。其内力与外荷载成线性关系，具有较强的稳定性和抗变形能力。超静定结构超静定结构是指依靠平衡方程无法完全确定其内力、反力和位移的结构体系。其内力与外荷载呈非线性关系，具有较强的抗荷能力和刚度。部件分类1上部结构包括桥面、桥梁支承部分和桥梁上部结构的各种附属设施，直接承受车辆荷载。2下部结构主要包括桥墩、桥台和基础，承受上部结构传递下来的荷载，将荷载传递给地基。3基础是桥梁结构的最后承载部位，直接承受下部结构的全部荷载，将其传递给地基。支撑反力的种类垂直反力垂直反力是指支撑面对结构施加的垂直方向上的力。它用来平衡结构的重力和外力。水平反力水平反力是指支撑面对结构施加的水平方向上的力。它用来平衡结构的水平外力。力矩反力力矩反力是指支撑面对结构施加的旋转力矩。它用来平衡结构受到的力矩。静定结构的设计静定结构的设计是一个重要且具有挑战性的过程，需要充分考虑结构的稳定性、强度和刚度要求。1确定结构形式选择合适的结构类型，例如梁、桁架、拱等。2计算材料强度根据荷载条件和材料特性确定材料的强度和刚度要求。3设计节点连接根据结构形式和荷载条件设计节点连接，确保连接的稳定性和强度。4进行力学分析通过力学分析确定结构的内力分布和变形情况，确保结构满足设计要求。5优化结构设计根据分析结果优化结构设计，提高结构的效率和经济性。内力计算方法1平衡方程法根据结构的受力平衡条件，建立平衡方程组，求解结构的内力。2截面法在结构上任一点截取一部分，根据静力学原理，分析截面上的内力。3虚拟力法在结构上施加一个虚拟力，根据虚功原理，求解结构的内力。静定结构的形式梁式结构常见的形式包括简支梁、悬臂梁、连续梁等。梁式结构应用广泛，常用于桥梁、房屋结构等。桁架结构通过三角形单元组合形成，具有较高的抗弯和抗剪能力，常用于桥梁、屋架等。拱式结构利用拱的自身重量或预加压力，将荷载传递给支座，具有较高的抗压能力，常用于桥梁、隧道等。框架结构由梁和柱组合而成，具有较好的抗侧向荷载的能力，常用于高层建筑、桥梁等。静定结构的应用静定结构在桥梁、建筑、机械、航空等领域有着广泛的应用。例如，钢架桥、桁架桥、网架结构等都是典型的静定结构应用。在桥梁设计中，静定结构的应用可以有效地减轻桥梁的重量，提高桥梁的稳定性和抗震性能。在建筑设计中，静定结构的应用可以有效地提高建筑物的抗风、抗震性能，降低施工成本。例如，门式刚架、桁架屋顶等都是静定结构的应用。在机械设计中，静定结构的应用可以有效地简化机械结构的设计，提高机械的可靠性和稳定性。超静定结构的类型几何超静定结构几何超静定结构是指结构的约束条件多于其自由度，例如多跨梁、连续梁、刚架等。静力超静定结构静力超静定结构是指结构的约束条件多于其静力平衡方程的个数，例如，带有悬臂的刚架等。混合超静定结构混合超静定结构是指同时具有几何超静定和静力超静定的特点，例如，带有悬臂的多跨梁。超静定结构的特点静力学确定性超静定结构的内力不能仅通过静力平衡方程确定，需要考虑变形协调条件。抗荷能力强超静定结构具有较高的刚度和强度，能够承受更大的外力作用，例如地震和风荷载。结构稳定性高超静定结构的内部约束关系使其更加稳定，不易发生失稳破坏。施工复杂度高超静定结构的内力计算和施工工艺较为复杂，需要使用专门的分析方法和技术。超静定结构的内力分析1结构力学分析结构内力2平衡方程确定结构受力3位移法求解内力4力法确定内力超静定结构内力分析需要考虑结构力学、平衡方程、位移法和力法等方法。通过这些方法，可以确定结构受力，并求解结构内力，从而保证结构的稳定性。上部支座的受力分析支座类型支座类型决定其约束条件，例如固定支座约束三个自由度，而移动支座只约束两个自由度。了解支座类型是准确分析受力的关键。力平衡原理根据力平衡原理，作用在结构上的所有外力与其反作用力之和为零，这包括支座的反力。通过平衡方程可以分析支座的受力情况。外力分析确定作用于结构上的外力，如荷载、温度变化、沉降等，它们是支座反力的来源。外力的类型和大小直接影响支座的受力状况。受力图根据分析结果绘制受力图，直观地展示支座的反力方向和大小，有助于理解支座的受力状态。下部支撑的受力分析支承反力的确定根据下部支撑形式和边界条件确定支承反力，例如固定支承会产生水平和竖直反力，滚动支承则只产生竖直反力。支承反力方向支承反力的方向与支撑的反作用力方向相反，例如固定支承的反作用力指向支撑物，而支承反力则指向结构物。支承反力的大小支承反力的大小根据结构物的受力情况和平衡条件计算，例如根据力矩平衡方程或力平衡方程。边界条件的确定1支座约束支座类型和位置决定结构的运动自由度。2载荷条件集中载荷、分布载荷和温度变化影响结构的变形。3几何约束结构的形状和尺寸影响其刚度和稳定性。4材料特性材料的弹性模量和泊松比影响结构的变形和应力分布。桁架结构设计原理1材料选择选用高强度钢材，保证结构强度2节点连接焊接、螺栓连接，保证结构稳定3受力分析计算节点受力，确定杆件截面4结构设计优化杆件布置，提高承载能力桁架结构是一种由杆件通过节点连接而成的框架结构，广泛应用于桥梁、建筑、塔架等工程领域。设计桁架结构需要遵循一定的原则，主要包括材料选择、节点连接、受力分析和结构优化。简单桁架结构设计1确定材料选择合适的材料，例如钢材或木材，以满足桁架的承载能力和成本要求。2计算荷载根据桁架所承受的荷载，例如自重、风荷载或雪荷载，进行力学分析。3设计节点节点是桁架结构中连接杆件的点，需要进行合理的设计，保证桁架的稳定性。4选择连接方式选择合适的连接方式，例如焊接或螺栓连接，以确保桁架的强度和耐久性。5绘制施工图根据设计方案，绘制详细的施工图，便于施工人员进行实际建造。复杂桁架结构设计1结构分析复杂桁架结构需采用有限元方法分析。2优化设计需考虑材料强度、稳定性、施工工艺等因素。3节点设计需考虑节点连接方式、力传递路径等。复杂桁架结构的设计需要进行细致的分析和优化，以确保其结构安全可靠。连续梁结构设计连续梁是指跨越多个支点的梁。它比简支梁更能承受荷载，并能更好地抵抗变形。1确定支点位置根据桥梁跨径和荷载分布确定支点位置。2计算梁的截面尺寸根据荷载和跨径计算梁的截面尺寸。3设计支座根据梁的截面尺寸设计支座。连续梁设计中需要考虑梁的跨度、荷载大小和类型、以及支座类型等因素。框架结构设计结构分析框架结构设计首先要进行结构分析，确定框架的受力情况和荷载分配。节点设计节点是框架结构中的关键部位，要保证节点的强度和刚度，确保结构的整体稳定性。构件设计框架的构件包括梁、柱、节点等，要根据受力情况和荷载大小选择合适的材料和尺寸。稳定性分析框架结构容易产生失稳现象，需要进行稳定性分析，避免结构失稳。施工方案框架结构的施工方案要合理，确保结构的质量和安全。壳体结构设计1几何形状壳体结构通常为曲面结构，例如球形、圆柱形或双曲面。2材料通常由钢筋混凝土、钢板或纤维增强复合材料构成。3受力特点壳体结构能够有效地将外力分散到整个结构，从而提高整体承载能力。4应用常用于建筑、桥梁、储罐等领域。壳体结构设计需要考虑材料的强度、几何形状、边界条件、荷载类型等因素。悬臂结构设计1悬臂的概念悬臂结构，一端固定，另一端自由伸出，承受外力，结构特性独特。2设计步骤确定结构尺寸计算载荷选择材料进行结构分析绘制施工图3常见应用悬臂结构应用广泛，例如阳台、雨棚、桥梁、起重机等。双曲面结构设计1几何形状双曲面具有独特的曲率和几何特征2结构强度高强度和抗弯性能3美学设计创造性的建筑设计，现代感4应用场景体育馆、剧院、博物馆等双曲面结构设计是一个复杂的领域，需要深入理解数学、力学和建筑学原理索拱结构设计索拱结构的特点索拱结构通常由钢索和拱形结构组成。钢索承受拉力，拱形结构承受压力，两者共同发挥作用，形成稳定结构。索拱结构的设计流程确定结构的几何形状和尺寸。确定结构的材料和强度。计算结构的受力和应力。进行结构的优化设计。进行结构的施工和安装。索拱结构的应用索拱结构广泛应用于桥梁、体育场馆、大型建筑等工程领域。预应力结构设计1基本概念预应力结构是通过施加预应力来提高结构的承载能力、刚度和耐久性。这是一种先进的结构设计技术，广泛应用于桥梁、建筑、隧道和大型基础设施项目。2预应力方法常见的预应力方法包括预应力钢筋、预应力混凝土和预应力钢结构。每种方法都有其独特的特点和应用场景。3设计原则预应力结构的设计需要考虑预应力的大小、方向、分布和材料的性能等因素。设计目标是确保结构的安全性和耐久性，并提高其经济效益。斜拉桥设计1结构类型主要形式包括：单塔斜拉桥、双塔斜拉桥、多塔斜拉桥。2索塔设计需要考虑高度、形状、材料选择等因素。3钢索设计应具备高强度、耐久性和抗疲劳性。4桥面设计需考虑桥面宽度、车道数量、人行道等因素。斜拉桥的设计是一个复杂的过程，需要综合考虑结构安全、美观性、经济性等因素。斜拉塔设计斜拉塔设计需要综合考虑结构力学、材料科学、建筑学等多学科知识。1安全性能抵抗地震、风荷载等。2美观性整体造型和谐美观。3经济性材料成本、施工成本控制。4可施工性结构易于建造、维护。张拉膜结构设计1膜材选择膜材料需满足强度、耐久性、抗紫外线和自清洁等要求，例如PTFE膜材、PVDF膜材、ETFE膜材等。2结构分析采用有限元分析软件进行结构分析，确定膜结构的形状、受力状态、应力分布和稳定性。3施工方案根据膜结构的设计方案，制定详细的施工方案，确保施工安全和质量，并考虑膜结构的后期维护和保养。悬索结构设计确定结构形式根据建筑物类型、跨度、荷载等因素选择合适的悬索结构形式，例如单跨悬索桥、多跨悬索桥、斜拉索桥等。确定索缆材料悬索结构的主要承重构件是索缆，需要选择强度高、抗疲劳性能好、耐腐蚀的材料，例如高强度钢索、碳纤维索等。确定索缆布置根据结构形式和荷载分布，合理布置索缆，确保结构的稳定性，并尽可能减少索缆的长度和数量。确定塔架形式根据悬索结构的跨度和荷载，选择合适的塔架形式，例如钢筋混凝土塔架、钢结构塔架等。确定锚固系统悬索结构需要有牢固的锚固系统，以保证结构的稳定性，锚固系统通常采用大型混凝土基础或钢结构基础。力学仿真技术在结构设计中的应用精确分析力学仿真可以模拟结构在不同荷载条件下的行为，为设计人员提供精确的分析结果，帮助他们做出更合理的决策。优化设计通过仿真分析，可以对结构进行优化，例如调整材料、形状和尺寸，从而提高结构的强度、刚度和稳定性。降低成本力学仿真技术可以减少物理模型