一文详解工程结构受力分析和计算

知识点：受力分析与计算

在工程行业中，结构是一个让新入行和入行多年的工程师都感到困惑的难题，结构究竟受哪些力的影响，要如何分析？下面，我们一起来深入了解工程结构受力分析和计算方式。

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结构力学

结构的受力分析和计算涉及到结构力学。结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化。

结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在各种效应（外力，温度效应，施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力（轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算，位移（线位移，角位移）计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应（自振周期，振型）的计算等。

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结构优劣的评定

在了解结构如何分析计算前，我们先要学会如何评定一个结构的优劣。

评定结构的优劣，从力学角度看，主要是结构的强度和刚度。工程结构设计既要保证结构有足够的强度，又要保证它有足够的刚度。

强度不够，结构容易破坏；刚度不够，结构容易皱损，或出现较大的振动，或产生较大的变形。皱损能够导致结构的变形破坏，振动能够缩短结构的使用寿命，皱损、振动、变形都会影响结构的使用性能。

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结构动力分析

结构动力研究的是结构在动力荷载作用下的振动问题。在动力荷载作用下，我们要考虑惯性力影响，和位移、内力、速度、加速度均随时间变化的影响。在动力分析中，结构一般包块特征值分析、反应谱分析、时程分析三大块。

1.特征值分析也称结构自振特性分析，主要求解结构的自振周期和振型向量。

2.反应谱分析基于振型分解反应谱理论，是一种工程上最常用的计算地震作用下结构动力响应方法，但这种方法只限于线弹性结构，弹塑性阶段振型分解法不再适用。

3.时程分析包括线弹性时程分析和弹塑性时程分析两大类，与振型分解法的主要区别在于采用实测的地震波输入结构计算结构的响应，弹塑性时程分析具体还可分为静力弹塑性时程分析（也称Pushover分析）和动力弹塑性时程分析两类。

上述结构动力分析中，特征值分析和反应谱分析比较常用。而时程分析一般仅针对重要建筑以及体型非常复杂的建筑。小震水准下可进行结构线弹性时程分析，大震水准下需要采用结构弹塑性时程分析方法。

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结构内力分析

结构内力指的是因荷载等作用而引起的内部产生抵抗变形的力。建筑构件通常承受的内力有轴力、剪力、弯矩、扭矩等。

1.轴力：指与杆件轴线相重合的内力。当杆件受拉时，轴力为拉力，当杆件受压时，轴力为压力。

2.剪力：又叫剪切力，指垂直于杆件的力。剪力会产生弯矩。对一个建筑杆件截面而言，剪力主要分布于截面中性轴。增加抗剪性能最直接的方法就是增加杆件宽度。

3.弯矩：一般由剪力产生，多余有偏向的轴力也会产生。是使建筑构件产生挠度的主要原因。主要分布在建筑杆件截面远离中性轴的两端。故增加抗弯最直接的方法就是增加杆件高度。

4.扭矩：造成杆件转动的内力。由于刚度及荷载不均产生。对建筑物而言是非常不利的内力。《高层建筑混凝土结构技术规程》中也规定，建筑前两阶振型中不应出现扭转，应通过调整杆件刚度避免建筑受扭。

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结构计算分析方法

近年来，随着BIM技术在工程行业的深入应用，许多设计院，设计企业在进行结构设计时，都会选择利用结构分析BIM软件STAAD，对结构进行进一步的计算和分析。

STAAD 是一个全面集成的有限元分析和设计解决方案，包括良好的用户界面、可视化工具和国际设计规范。能用于分析受静力载荷、动力响应、土壤结构相互作用或风力、地震及移动载荷影响的几乎所有结构类型。

STAAD 拥有80多种国际代码，能用于：

1.分析重力和横向载荷

为各种载荷条件设计和分析简单或复杂结构，包括由重力引起的载荷（如恒载和活载）、跨越条件以及包括风力和地震在内的横向载荷。

2.遵循抗震要求

根据相关建筑规范设计和详细设计抗震系统，生成抗震载荷。在设计元素和设计框架及更大的结构系统（如果适用）时考虑这些作用力。在按比例分配和详细设计元素时，遵循所选设计规范的延展性要求。

3.设计和分析结构模型

快速为整个结构建模，包括甲板、板、板缘和开口、梁、柱、墙、支架、扩展和连续基脚及承台。高效自动执行多个费时的设计和分析任务，并生成文档已就绪的实用系统和组件设计。

4.借助有限元进行设计和分析

使用我们最先进的有限元分析来准确高效地完成整个建筑结构的分析、设计和制图。使用我们的快速求解器减少或消除等待结果的时间。

5.设计梁、柱和墙

优化或分析梁、柱和墙的重力和横向载荷，以快速获得安全经济的设计。充满自信地生成符合美国标准以及许多国际设计规格和建筑规范的设计。

6.检查冷弯型截面设计

使用综合的冷弯型截面库设计轻型钢构件，无需使用单独的专用应用程序。

7.设计抗侧力框架

对斜撑框架和抗弯框架执行抗震和风力建筑规范检查。为您的结构项目快速获取安全可靠的设计。

8.国际标准的设计

在您的产品设计中，使用广泛的国际标准与规格，扩展您的业务实践，利用全球的设计机会。受益于国际标准的广泛支持，充满信心的完成您的设计。

9.生成设计载荷和载荷组合

使用内置载荷生成器将规范要求的风力和抗震载荷应用于结构中。基于结构几何图形、批量和选定建筑规范条款，自动计算相关载荷参数，而无需单独手动计算。使用载荷组合生成器将这些横向载荷工况与重力和其他类型的负荷组合起来。

10.导入在 DXF 中创建的截面图形状

快速导入在 DXF 工程图中详细设计的以公制或英制自定义的截面剖面图。或者使用简单的关键尺寸或从一系列标准库中选取的标准来定义常规形状。

11.集成板筏和基础设计

使用集成在分析主模型中的专业应用程序设计板筏和基础。创建设计计算和钢筋工程图。使用 ISM 添加 BIM 模型中的设计信息。

12.集成钢结构结点设计
在单一集成的环境中设计钢结构结点。直接从三维分析中将焊点形态、构件尺寸和合力传输到钢结构结点设计应用程序中。这样可以实现高效的信息复用并减少因结构变化造成的返工量。

13.生成截面属性报告

快速计算截面属性并轻松生成自定义截面图的详细报告。

14.生成结构设计文档

自动生成结构设计文档，包括用于传递设计意图的必要平面图和立面图。对三维模型所作的更改会在文档中自动更新。

15.共享结构模型

将结构模型几何图形和设计结果从一个应用程序传输到另一个应用程序，并同步未来变化。快速共享结构模型、工程图和信息以供整个团队查看。

16.充分利用国际通用标准截面配置文件

使用丰富的国际通用标准的截面配置文件库（不另外收费）完成结构模型。充分利用全球性的设计机会。

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