结构分析的目的、结构模型以及分析与结构设计的关系

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结构分析的目的、结构模型以及分析与结构设计的关系
2004-01-30
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在工程设计、结构安全鉴定等众多工程实践过程中，我们经常会遇到诸如结构分析的深度，如何简化结构模型以便迅速找到合理误差范围内结构或构件的计算结果等许多问题，本文就其中结构分析的目的、分析与设计的关系及关于结构模型的问题谈谈笔者的一些体会。

1 结构分析

结构分析是确定在给定荷载下结构中产生的内力和变形，以便使结构设计得合理并能检查现有结构的安全状况。

在结构设计中，必须先从结构的概念开始拟定一种结构形式，然后再进行分析。这样做能确定构件的尺寸以及所需要的钢筋，以便a). 承受设计荷载而不致出现结构或结构构件的破坏（承载能力极限状态设计）；b). 结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的规定（正常使用极限状态设计）。

由于通常在工作荷载作用下，结构处于弹性状态，因此以弹性状态假设为基础的结构理论就适用于正常状态。结构的倒塌通常在远远超出材料弹性范围，超出临界点后才会发生，因而建立在材料非弹性状态基础上的极限强度理论是合理确定结构安全性，防止倒塌所必需的。不过弹性理论可用来确定延性结构强度的安全近似值（塑性下限逼近法），在钢筋混凝土设计中通常采用这种方法。基于这种原因，在本文中仅仅采用结构的弹性理论。

2 结构模型

仔细的观察所有结构都是三维构件的组合体，对其进行精确的分析，甚至在理想状态下，也是一个棘手的工作，即使专业人员也无从考虑。由于这种原因，分析人员工作的一个重要部分是将实际结构和荷载状态简化成一个易于合理分析的模型。

这样，结构框架系统可分解成板和楼盖梁，楼盖梁是由柱支撑的交叉梁系，柱将荷载传递到基础上。因为传统的结构分析不能分析板的作用，所以经常理想化成类似于梁的条形系统。同样，普通的方法不能处理三维框架系统，因此利用平面结构组合系统建立整个结构的模型，分别加以分析。现代的有限元法可以分析整个系统从而革新了结构分析，这样可对荷载作用下结构的性能做出更可靠的预测。

实际荷载状态也是很难确定和很难客观表达的，为了进行分析，必须进行简化。例如：桥梁结构上的交通荷载主要是动载和可变荷载，通常理想化成静态行使的标准汽车或分布荷载，以用来模拟实际产生的最危险的荷载状态。

同样，连续梁有时简化为简支梁，刚性结点简化为铰结点，忽略填充墙，把剪力墙简化成梁。在决定如何建立一个结构模型使之比较客观，但又比较简单时，分析人员必须记住每个这样的理想化都将使所求的结果更加可疑。分析的越客观，产生的信心越大，所取的安全系数（或可忽略的因素）可以越小。这样，除非规范条款控制，工程师必须估算出结构精确分析所需追加的费用与结构中可能节省的费用相比，是否合算。


3 结构分析与结构设计的关系

结构分析的最重要的用处是在结构设计中作为一种工具。它通常是反复试算过程中的一个环节，在这种方法中，首先，在假定的恒载下对假定的结构体系进行分析，然后根据分析结果设计各构件，这个阶段称为初步设计。由于这种设计常常在变化，通常采用粗略的快速分析方法就足够了。在此阶段，估计结构的成本，修正荷载及构件特性，并对设计进行检查以便改进。至此，所作的更改已纳入到结构中，需进行更精细的分析，并修改构件设计。这种设计过程会收敛，收敛的速度取决于设计者的能力。很清楚，为了设计需要从“迅速而粗略”到“精确”的各种分析方法。

因而，有能力的分析人员必须掌握严密的分析方法，必须能够通过适当的假设条件进行简化分析，必须了解可利用的标准设计和分析手段以及建筑规范中允许的简化方法。同时，现代的分析人员必须精通结构矩阵分析的基本原理及其在数字计算机中的应用以及会应用现有的结构分析程序及有关软件。