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1、第十九课 结构分析所有结构必须设计成能承担荷载而不能有整体倾覆或构件破坏的危险。一种确定结构安全的方法是确保由荷载产生的应力和应变小于设计规范的允许值。确定结构的应力和应变是结构分析的最初目的。一般说来，结构分析首先是检查结构的整体稳定性。这包括确定结构的支撑反力。如果支撑足以承担力，它们反作用给结构等值反向的力。如果电脑计算表明结构的反应平衡了荷载（结构自重，人群荷载，储存材料，交通工具，风载和地震力），结构就处于静力平衡。下一步是确定结构内力和构件单元体上的应力。最后，如果需要的话，计算结构整体变形和构件的变形。靠原理和概念如静力平衡定律使这些步骤变得容易。这些工具是基于结构在荷载作用下是
2、弹性的这个假设，即：应力与应变成正比。对框架构件进行应力应变的结构分析包括考虑静荷载如构件和楼板自重，建筑固定设备，和活荷载（当成静止考虑）和动荷载如风荷载和地震荷载。由于风荷载的特征是缺乏更多信息，风荷载被当作静止作用在结构上。计算荷载的方式和荷载作用结构上的位置由当地建筑规范限定。另一方面，地震运动作用在建筑物地表下的基础上并且被认为是随机荷载。重力和风荷载的分析是应用线弹性静定和超静定结构的常规分析法来进行的。对于地震荷载，被设计成传统矩形形状的建筑物是由当地建筑规范规范的等量侧向荷载方法所分析的。这些动力分析方法需要了解建筑结构的动力原理和振动原理。正是这样，由于方法的复杂性，需要高精
3、密的计算机求解很多结构动力学方程。总的来说，分析的标准程序是考虑建筑物的线弹性行为。然而，分析地震作用下建筑物避免倒塌时，必须考虑非线性动力行为。基本原理。在结构分析中，平衡定律是基础。它计算梁，桁架，框架，拱和其它结构的外部反应及内部应力时是很有用的。例如，图一结构上作用有共面但不共点的力或者是荷载系统和反力。如果结构是稳定的，这些必须平衡。如果平衡，结构必须满足三个条件：（1）所有力的水平分力的和必须等于零；（2）竖向分力之和等于零；（3）关于任何一条垂直于平面的轴的矩之和为零。三个独立方程决定三个未知力。因此，这些平衡方程能直接计算反力，弯矩和剪力，当然也有应力。当满足这些方程时，结构就
4、被认为是静定的。图1a是一个这样结构的例子，有三个未知力左边反力的竖向和水平分力和右端竖向反力。图1b中的结构没有反力去平衡水平荷载，图1c没有承担力矩的力。不满足平衡定律。它们都是不稳定的。另外一个结构分析的基本工具是叠加原理。内容是：在合力作用产生的应力没有超材料弹性极限情况一组力产生的总的弯矩，剪力，应力和变形，等于荷载单独作用下产生效应的总合。图1：作用了力系统的结构。（a）稳定结构。（b），（c）不稳定结构。三角形表示固定铰支座，圆形表示可动铰支座。超静定结构。当构件反力数量超过了当平衡存在时满足荷载和反力的独立方程的数时，结构是超静定的。例如，如果图2（a）的刚架柱固定在基础d和e
5、中，将有6个反力，如图2（b）所示。结构将是三重超静定，有6个未知数，然而平衡定律只允许有三个方程。近似方法分析超静定结构是可行的，这些方法是基于精确的分析和检查柔性材料模型的结构。这样的研究显示刚框架在基础抵抗弯曲，在构件中点附近弯曲反向。如图2（c）所示，在这些点弯矩为零。因此，反弯点相当于铰接接点。图2：静不定结构。（a）构件配置。（b）P力在d,e点对应的水平反力是 和 ，垂直犯力是 和 ，弯矩是 和 。（c）变形。反弯点或者说是弯曲改变点是f，g和h。如果它们在梁和柱中的位置假设如图2所示，并且如果也假设柱的剪力等于侧向荷载的一半，那么从平衡方程也许可以确定反力。同样的近似方法（由下
6、面部分描述）已经用来估计风荷载在框架里产生的应力。（图3）图3：图上表示建筑物框架用认为反弯点在柱和梁中点的近似方法计算风载下的应力。近似方法。多层框架中计算风载应力的门架式解法假设：柱和梁的中点存在反弯点，每根内柱承受的剪力是每根外柱承受的剪力的两倍。这样就使结构变成静定的。悬臂解法同样是假设柱和梁的重点是反弯点。然而，它进一步假设柱的应力随着距柱中轴线，即柱的重力中心的长度而变化。和门式框架解法一样；也产生了一个静定结构。其它决定水平荷载作用下多层框架的反应的近似解法考虑构件的刚度，这包括Witner K-百分数法，因素法和C法。在一段时期里，即精确解法是很费力和耗时的卡氏定理，很多高层建
7、筑用门架式或悬臂式解法，和费时最少的方法计算。然而，其他分析方法和电子计算机出现时，近似方法只用作最初估计和检验计算机的解。计算机分析。电子计算机的出现引进了结构分析方法：柔度法或力法和刚度法或位移法。这两种方法考虑结构的行为在材料线弹性范围内，并且应用在超静定结构里。柔度法的本质是结构按静定力系表达的位移叠加。多余力的大小由结构的变形相容条件决定。为了满足变形协调要求，必须同时解n个线形方程。这里的n就是结构系统多余未知力的数目。在受荷结构里，一个方程就由一个变形条件决定。必须计算n+1个荷载条件下的位移，一个方程是为施加的荷载，n个方程是为结构的每个多余荷载的解。刚度法在分析时认为线位移和
8、角位移是未知量。否则就和柔度法一样了。由于未知量的数目，两种方法都计算只有n个多余未知量的结构或需要解复杂的矩阵式的结构。两种解法的对比指出每种解法都包含矩阵转化。在柔度法里矩阵是nn个多余未知量。这种方法比刚度法需要更多的矩阵。在刚度法里，n就是结点可能的线位移和角位移量。选择应用任何更好的方法取决于被转换矩阵的大小。虽然大多数结构作为线弹性行为，处于极限荷载条件下如地震作用，进行分析，但是需要考虑材料非线性行为和作用在结构上的荷载变化产生的非线性几何变形。第十七课 结构工程结构工程是土木工程的一个专业分枝，土木工程涉及到公路，桥梁，大坝和公共事业线等工程的设计，施工和建筑物施工控制。设计包
9、括制定要做任务的时间表，选择对工程最合适的结构型式和设备。施工需要适时安排工作需要的全部图纸，设计和材料以避免耽搁工期。控制由进度分析和费用分析组成，确保工程按时和在估计的费用内完成。计划。计划开始于建筑物的详细调查和工程设计书。通过调查，所有工作项目清单被准备好，相关的项目被收集起来列成一个主要的计划表。建筑步骤和每个项目分配的时间接着被列出来。选择被用在各个工作项目中的施工方法和设备以确保工期和工程特性花最可能少费用。总的时间量分配给施工过程和选择施工方式和选择按合同所得到的设备。在主要的或一般的建筑物进度表绘制完成后，次要的详细进度表根据主要进度表准备。这些包括获得材料，设备和劳动力的单
10、个进度表，也有费用和收入的预算表。施工。工程的快速施工要求当需要时有稳定的材料，设备和劳动力供应。结构工程主要对购买大部分建筑材料和运输它们到工地上负责。一些材料，如结构用钢和机械设备，需要供应者部分或全部制作。对于这些制作的材料，工程师必须准备或检查所有的制作图纸以便精确地检查组装工作，检查供货商的制作过程。其他结构工程的职责是通过研究方法安排工作，准备详图以便阐明设计工程师的建筑图，检查工作以确保它符合计划和规范。在大多数大型工程里，有必要为临时性结构如排水结构，道路，办公和储存结构，模板和挡土坝设计和准备结构图纸。另外的问题在于电力和机械工具的选择，以及混凝土材料的处理，混合设备，压缩空
11、气，水，电力系统分配的结构特性的设计。控制。进度控制靠对比实际施工过程和建立在主要或详细进度表上的期望施工过程获得。既然工程的某个特性很容易影响整个工作，那么通常要增加设备或人员以加快工作。费用控制靠对比实际每个工程项目费用和工程初的预算获得。施工的总费用除以施工项目数就是单个项目费用。土方开挖或混凝土施工以体积作为典型的计价单位，结构用钢用吨作为计价单位。任何时候累积的项目费用除以累积的工作过程就是任何项目的实际单位费用。个别的工作项目费用靠定期的发放工作费用如工资表，和发放到各种工作项目账户上获得。工资表和设备租金根据全体工头准备的时间卡片分配。卡片指出了全体人员设备在不同的工作单元上花费
12、的时间材料费用的分配是基于用在每个专门项目上的每种类型的材料的量。当实际费用和估计费用的对比表明过量时，分析原因。如果是设备费用过量，那也许是设备能力不够，或是不适合工作。如果是劳动力费用过量，那也许是人员过多，缺乏合适的管理，或者是被缺乏材料或安排布置耽搁了。在这种情况下，分析生产能力时，时间研究是无价的。建筑施工根据专业领域分类。这些包括，工程场地准备，挖填土地基处理，刚材定位，物体定位，沥青铺设和电力及机械设备安装。这些领域应用到不同的工程如建筑，大坝，机场的施工方法一般是一样的。然而，在不同的情况下，各个领域的重要性不同。场址准备。这包括除去和清理所有表面结构和拟建建筑物场地的生长物。
13、推土机用在小型结构和树木的情况下，大型结构必须被拆除。挖填土。这包括土方开挖和回填土。土方开挖在场址准备之后进行。当现存的阶地必须降到一个新的高度时施工。土方开挖开始于单独除去表层的有机土。表层土后来重新用作美化新结构。这也能阻止地表土下的无机材料的污染，它也许被用作填方。土方开挖由这样挖掘机如单斗挖土机，拉铲挖土机，抓斗，起重机和铲运机中任何一种完成。在地上进行有效的开挖需要干燥的开挖环境，因为当土湿了时会不稳定并且不能为开挖和拖拉设备提供支撑。当开挖线位于天然水位以下时，排水成了一个主要工作。排水拦截地下水流动。当这发生时，排水和稳定土体靠沟渠完成，沟渠引导渗出的水流到一个集水坑，水在那里
14、被泵送出去。排水和稳定土体也许靠其它方法如井点和电渗完成。一些材料，如岩石，粘性砾石和硬质粘土需要爆炸成松散态，或把材料裂成碎片。爆炸孔钻在材料上，然后爆炸物安装在孔中爆炸。爆炸物的量和爆炸孔的空间尺寸决定于岩石的结构和类型以及爆炸孔的直径和深度。填土完成后，通常要压紧以阻止随后的下沉。通常靠当被定位时由拖拉机拖着的羊脚，格子，充气橡胶，振动的滚筒完成压密工作。手工控制，汽油驱动的前膛被用来压实没有空间给滚筒操作的结构物附近。地基处理。当地下探测表明支撑结构的地基有缺陷时，地基必须被加固。水流失，洞穴，裂缝，缺陷或其它的不足靠灌浆填补和加强。灌浆就是高压喷射流动混合物。流体在虚空层凝固。大部分
15、浆液是水泥和水的混合物，但是其它的混合物材料有沥青，水泥，粘土和凝结的化学物质。钢材组装。钢结构建筑物由轧钢厂和制造厂的钢材组装而成。钢结构由梁，柱或靠铆接螺栓连接以及焊接连接在一起的小桁架组成。在制造车间组装部分结构比在现场更积极，但组装单元大小受运输能力和安装设备限制。在高层结构里，塔架必须经常拆除和重新组装以便连续的把结构开到更高的地方。对于河上的桥，钢结构也许靠驳船或当桥很高时，在正在安装的桥上移动塔架来组装。长悬索桥上的钢索靠卷扬机装在合适的地方，在锚固点安装。在对面的锚固点重复操作，直到所需要的钢索安装完为止。混凝土结构。混凝土结构由一些操作组成：支模，混凝土浇捣，定位，养护。支模
16、要求保持和支持所需要的流动的混凝土直到它硬化并且能支撑自身。模板由木材或钢材或两者组成，它在混凝土定位期间，靠外部支撑和内部结点结合在一起。模板和结点被设计成能支撑临时的流动混凝土的压力。对竖直墙来说，在混凝土定位后至少一天才能进行拆模操作。当混凝土硬化或凝固了才能拆模。当模板常移动时，滑模是一个方法，提高到达新鲜混凝土高度处。模板靠千斤顶升起来，千斤顶安装在嵌入在混凝土中的底盘上，沿着结构周围间隔布置。滑板用在高耸结构中如：筒仓，油罐，烟囱。混凝土通常由两种途径获得：如果工作点距混凝土搅拌站不远，就用搅拌车从商品混凝土厂运过来，否则就在现场浇筑。现场生产混凝土需要安装搅拌机，获取水泥和骨料，操作搅拌机，骨料在工作点或附近生产。这就需要空旷的采石场和安装处理设备如压碎机和筛子。混凝土靠直接从搅拌车上用斜槽运送或靠装在桶中用起重机械或缆绳提上来，或靠特殊的混凝土泵泵
