結構分析的目的、結構模型與結構設計的關系

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　　在工程設計、結構安全鑒定等眾多工程實踐過程中，我們經常會遇到諸如結構分析的深度，如何簡化結構模型以便迅速找到合理誤差范圍內結構或構件的計算結果等許多問題，本文就其中結構分析的目的、分析與設計的關系及關于結構模型的問題談談筆者的一些體會。

　　1、結構分析

　　結構分析是確定在給定荷載下結構中產生的內力和變形，以便使結構設計得合理并能檢查現有結構的安全狀況。

　　在結構設計中，必須先從結構的概念開始擬定一種結構形式，然后再進行分析。這樣做能確定構件的尺寸以及所需要的鋼筋，以便a）。承受設計荷載而不致出現結構或結構構件的破壞（承載能力極限狀態(tài)設計）；b）。結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的規(guī)定（正常使用極限狀態(tài)設計）。

　　由于通常在工作荷載作用下，結構處于彈性狀態(tài)，因此以彈性狀態(tài)假設為基礎的結構理論就適用于正常狀態(tài)。結構的倒塌通常在遠遠超出材料彈性范圍，超出臨界點后才會發(fā)生，因而建立在材料非彈性狀態(tài)基礎上的極限強度理論是合理確定結構安全性，防止倒塌所必需的。不過彈性理論可用來確定延性結構強度的安全近似值（塑性下限逼近法），在鋼筋混凝土設計中通常采用這種方法。基于這種原因，在本文中僅僅采用結構的彈性理論。

　　2、結構模型

　　仔細的觀察所有結構都是三維構件的組合體，對其進行精確的分析，甚至在理想狀態(tài)下，也是一個棘手的工作，即使專業(yè)人員也無從考慮。由于這種原因，分析人員工作的一個重要部分是將實際結構和荷載狀態(tài)簡化成一個易于合理分析的模型。

　　這樣，結構框架系統(tǒng)可分解成板和樓蓋梁，樓蓋梁是由柱支撐的交叉梁系，柱將荷載傳遞到基礎上。因為傳統(tǒng)的結構分析不能分析板的作用，所以經常理想化成類似于梁的條形系統(tǒng)。同樣，普通的方法不能處理三維框架系統(tǒng)，因此利用平面結構組合系統(tǒng)建立整個結構的模型，分別加以分析?，F代的有限元法可以分析整個系統(tǒng)從而革新了結構分析，這樣可對荷載作用下結構的性能做出更可靠的預測。

　　實際荷載狀態(tài)也是很難確定和很難客觀表達的，為了進行分析，必須進行簡化。例如：橋梁結構上的交通荷載主要是動載和可變荷載，通常理想化成靜態(tài)行使的標準汽車或分布荷載，以用來模擬實際產生的最危險的荷載狀態(tài)。

　　同樣，連續(xù)梁有時簡化為簡支梁，剛性結點簡化為鉸結點，忽略填充墻，把剪力墻簡化成梁。在決定如何建立一個結構模型使之比較客觀，但又比較簡單時，分析人員必須記住每個這樣的理想化都將使所求的結果更加可疑。分析的越客觀，產生的信心越大，所取的安全系數（或可忽略的因素）可以越小。這樣，除非規(guī)范條款控制，工程師必須估算出結構精確分析所需追加的費用與結構中可能節(jié)省的費用相比，是否合算。

　　3、結構分析與結構設計的關系

　　結構分析的最重要的用處是在結構設計中作為一種工具。它通常是反復試算過程中的一個環(huán)節(jié)，在這種方法中，首先，在假定的恒載下對假定的結構體系進行分析，然后根據分析結果設計各構件，這個階段稱為初步設計。由于這種設計常常在變化，通常采用粗略的快速分析方法就足夠了。在此階段，估計結構的成本，修正荷載及構件特性，并對設計進行檢查以便改進。至此，所作的更改已納入到結構中，需進行更精細的分析，并修改構件設計。這種設計過程會收斂，收斂的速度取決于設計者的能力。很清楚，為了設計需要從“迅速而粗略”到“精確”的各種分析方法。

　　因而，有能力的分析人員必須掌握嚴密的分析方法，必須能夠通過適當的假設條件進行簡化分析，必須了解可利用的標準設計和分析手段以及建筑規(guī)范中允許的簡化方法。同時，現代的分析人員必須精通結構矩陣分析的基本原理及其在數字計算機中的應用以及會應用現有的結構分析程序及有關軟件。