结构力学上机综合实验

目录实验报告一平面刚架内力计算①平面刚架在荷载作用下的位移计算②平面刚架由于温度作用下的内力计算实验报告二平面桁架内力计算程序③平面桁架的内力计算实验报告三平面任意杆系内力计算程序④铰接排架的剪力计算实验四⑤多层框架结构的内力、动力、稳定计算实验报告一平面刚架内力计算程序APF日期：实验地点：实验目的：1、通过实验加深对静定、超静定结构特性的认识。如各杆刚度改变对内力分布的影响、温度和沉陷变形因数的影响等。2、观察并分析刚架在静力荷载及温度作用下的内力和变形规律，包括刚度的变化，结构形式的改变，荷载的作用位置变化等因素对内力及变形的影响。对结构静力分析的矩阵位移法的计算机应用有直观的了解。3、掌握杆系结构计算的《求解器》的使用方法。实验设计1：计算图示刚架当梁柱刚度12II分别为15、11、15、110时结构的内力和位移，由此分析当刚架在水平荷载作用下横梁的水平位移与刚架梁柱比（12II）之间的关系。(计算时忽略轴向变形)。一、数据文件：变量定义,EI1=1,EI2=0.2/1/5/10结点,1,0,0结点,2,0,4结点,3,6,4结点,4,6,0单元,1,2,1,1,1,1,1,1单元,2,3,1,1,1,1,1,1单元,3,4,1,1,1,1,1,1结点支承,4,6,0,0,0,0结点支承,1,6,0,0,0,0结点荷载,2,1,100,0单元材料性质,1,1,-1,EI1,0,0,-1单元材料性质,2,2,-1,EI2,0,0,-1单元材料性质,3,3,-1,EI1,0,0,-1二、主要计算结果：位移：梁柱刚度比I2：I11：51：15：110：1横梁水平位移711/EI1426/EI1304/EI1138/EI1表1-1（柱的刚度不变，梁的刚度增大）弯矩：I2：I1=0.2I2：I1=1I2：I1=5I2：I1=10三、结果分析及结论：由表1-1知：刚架在水平荷载作用下横梁的水平位移随着刚架梁柱比（12II）的增大而减小，其比值为711:426:304:138=5.2:3.1:2.2:1。但是前提条件是保持钢架柱的刚度不变，所以该结论不具有普遍性。下面研究在保持钢架梁的刚度不变条件下，刚架梁柱比（12II）变化对结构水平位移的影响，显然，水平位移会随着柱梁刚度比的增大而减小，具体数值见表1-2：梁柱刚度比I1：I21：51：15：110：1横梁水平位移1523/EI2426/EI2142/EI283/EI2表1-2（梁的刚度不变，柱的刚度增大）水平位移之比为1523：426：142：83=18.3：5.1：1.7：1。对比可知，在同样的比值变化前提下，柱的刚度变化对于结构水平位移的影响要比梁更加明显。由此可以粗略定论，在门式钢架结构中，提高柱的刚度比提高梁的刚度更有利于控制结构的水平位移。实验设计2：求作图示刚架温度变化时的弯矩图。设6105.1EN/cm2，5101，各杆的截面尺寸均为50cm×40cm。试分析当改变截面尺寸（设各杆截面尺寸均为50cm×60cm，及50cm×80cm）时，对结构的内力的影响。如果截面尺寸均为50cm×40cm，温度变化为内侧降温300C，外侧升温100C，分析温度变化对内力的影响。结点、单元编号示意图↑一、数据文件：变量定义,t1=-30,t2=10变量定义,E=1.5e7变量定义,b=0.5,h=0.4变量定义,a=1e-5结点,1,0,0结点,2,0,8结点,3,6,0结点,4,6,8结点,5,12,0结点,6,12,8结点,7,18,0结点,8,18,86m-30°C10°C10°C10°C6m16m352-30°C468m10°C6m79810结点,9,24,0结点,10,24,8单元,1,2,1,1,1,1,1,1单元,2,4,1,1,1,1,1,1单元,4,3,1,1,1,1,1,1单元,6,4,1,1,1,1,1,1单元,5,6,1,1,1,1,1,1单元,6,8,1,1,1,1,1,1单元,8,7,1,1,1,1,1,1单元,10,8,1,1,1,1,1,1单元,10,9,1,1,1,1,1,1结点支承,1,6,0,0,0,0结点支承,3,6,0,0,0,0结点支承,5,6,0,0,0,0结点支承,7,6,0,0,0,0结点支承,9,6,0,0,0,0单元温度改变,1,1,(t1+t2)/2,t1-t2,a,h单元温度改变,2,2,(t1+t2)/2,t1-t2,a,h单元温度改变,4,4,(t1+t2)/2,t2-t1,a,h单元温度改变,6,6,(t1+t2)/2,t1-t2,a,h单元温度改变,8,8,(t1+t2)/2,t2-t1,a,h单元温度改变,9,9,(t1+t2)/2,t1-t2,a,h单元温度改变,3,3,t2,0,0.00001,h单元温度改变,5,5,t2,0,0.00001,h单元温度改变,7,7,t2,0,0.00001,h单元材料性质,1,9,E*b*h,E*b*h*h*h/12,0,0,-1二．计算结果（弯矩和轴力）：（外侧-30，内侧+10，截面尺寸均为50cm×40cm，M图，N图）（外侧-30，内侧+10，截面尺寸均为50cm×60cm，M图，N图）（外侧-30，内侧+10，截面尺寸均为50cm×80cm，M图，N图）（外侧+10，内侧-30，截面尺寸均为50cm×40cm，M图，N图）三．结果分析及结论：1、在相同的温度变化条件下，当结构截面尺寸增大（即截面刚度增大）时，结构的内力也相应增大。结论:温度变化时，结构的内力除了与温度有关之外，还与结构本身的刚度有关，刚度越大，结构内力也越大。2、温度变化时，由弯矩图可知，降温侧受拉，升温侧受压。实验报告二平面桁架内力计算日期：实验地点：实验目的：通过对桁架的内力和位移的计算，探究刚度变化对结构内力和位移的影响；不同桁架下相同内力作用下内力的不同；荷载作用位置变化对桁架内力的影响。掌握了解桁架的内力和位移和桁架作用荷载及结构间的关系。实验设计：计算图示桁架的内力和位移。分析：1.刚度对内力和位移（跨中竖向位移）的影响；2.平行弦桁架和三角形桁架在相同荷载作用下内力的不同；3.荷载上承（荷载作用在上弦杆上，如图）和下承（荷载作用在相应的下弦杆上）时各杆内力的变化。（a）(b)一、数据文件：变量定义,EA=1结点,1,0,0结点,7,12,0结点,8,0,2结点,14,12,2结点填充,1,7,5,2,1结点填充,8,14,5,9,1单元,1,2,1,1,0,1,1,0单元生成,5,1,1,1单元,8,9,1,1,0,1,1,0单元生成,5,7,7,1单元,1,8,1,1,0,1,1,0单元生成,6,13,13,1单元,2,8,1,1,0,1,1,0单元生成,2,20,20,1单元,4,12,1,1,0,1,1,0单元生成,2,23,23,1结点支承,1,3,0,0,0结点支承,7,1,0,0结点荷载,8,1,0.5,-90结点荷载,14,1,0.5,-90结点荷载,9,1,1,-90结点荷载,10,1,1,-90结点荷载,11,1,1,-90结点荷载,12,1,1,-90结点荷载,13,1,1,-90单元材料性质,1,25,EA,-1,0,0,-1二、计算结果：1.结构各单元内力：平行弦桁架荷载上承时N图（EA=1,2,5,10）平行弦桁架荷载下承时N图（EA=1）三角形桁架在与三角形桁架相同荷载条件下的N图（EA=1）2.不同刚度时，图（a）跨中的竖向位移。跨中下弦位置EA=1EA=2EA=5EA=10结点竖向位移-108/EA-54/EA-21/EA-10/EA表2-1三、结果分析：1、由平行弦桁架荷载上承时N图（EA=1,2,5,10）可知，在相同荷载情况下，各杆的刚度同时增大时，结构的内力没有发生变化。由此可定论，桁架结构的各杆刚度发生相同变化时不会对结构内力产生影响。2.由表2-1可知，在相同荷载情况下，各杆的刚度同时增大时，结构的位移逐渐减小，且位移总是与刚度成反比。结论，桁架结构某点的位移与结构的刚度有关，并且成反比的关系，与材料力学中的拉压杆变形公式△L=FL/EA相一致。2、平行弦桁架与三角形桁架内力变化的规律见下表桁架杆件上弦杆内力下弦杆内力腹杆内力平行弦桁架中间大两边小中间大两边小中间小两边大三角形桁架中间小两边大中间小两边大中间大两边小此外，三角形桁架的内力（除腹杆外）明显大于平行弦桁架。3、平行弦桁架荷载上承和下承时，上弦杆和下弦杆的内力一样，腹杆除了中间杆和两边杆之外内力也一样。结论，平行弦桁架荷载上承和下承对结构内力没有决定性影响，所以，荷载上承和下承对结构的承载能力没有影响。实验报告三平面任意杆系内力计算日期：实验地点：实验目的：通过平面任意杆系内力计算，初步了解铰接排架各柱子抗弯刚度在不同比值情况下各排架柱底弯矩及剪力关系并分析剪力弯矩分配、横梁水平位移的规律。并且通过对平面刚架的内力计算、稳定性分析、动力特性分析以及极限荷载计算，掌握刚架内力分析方法及步骤、以及验证自己在计算之前对刚架动力特性的判断，还有对塑性铰位置的确定等。实验设计1：图示铰接排架，设各杆弹性模量为一常数，计算时取E=1，并且忽略轴向变形，计算当I1∶I2∶I3∶I4分别为1∶0.5∶0.5∶1、1∶1∶1∶1、1∶2∶3∶4时各排架柱的柱底弯矩和剪力。试分析各柱剪力及弯矩分配、横梁水平位移的规律。结点、单元编号示意图↑一、数据文件：变量定义,h=1变量定义,EI1=1变量定义,EI2=0.5变量定义,EI3=0.5变量定义,EI4=1结点,1,0,0结点,2,0,h结点,3,h,0结点,4,h,h结点,5,2h,0结点,6,2h,h结点,7,3h,0结点,8,3h,h单元,1,2,1,1,1,1,1,0单元,3,4,1,1,1,1,1,0单元,5,6,1,1,1,1,1,0单元,7,8,1,1,1,1,1,0单元,2,4,1,1,0,1,1,0单元,4,6,1,1,0,1,1,0单元,6,8,1,1,0,1,1,0结点支承,1,6,0,0,0,0结点支承,3,6,0,0,0,0结点支承,5,6,0,0,0,0结点支承,7,6,0,0,0,0结点荷载,2,1,1,0单元材料性质,1,7,-1,-1,0,0,-1单元材料性质,1,1,-1,EI1,0,0,-1单元材料性质,2,2,-1,EI2,0,0,-1单元材料性质,3,3,-1,EI3,0,0,-1单元材料性质,4,4,-1,EI4,0,0,-1二、有关计算结果摘录：梁柱刚度比横梁水平位移柱1剪力及柱底弯矩柱2剪力及柱底弯矩柱3剪力及柱底弯矩柱4剪力及柱底弯矩1:0.5:0.5:10.1111-0.33-0.17-0.17-0.33I1I21hI3I41:1:1:10.0833-0.25-0.25-0.25-0.251:2:3:40.0333-0.10-0.20-0.30-0.40内力图当I1∶I2∶I3∶I4为1∶0.5∶0.5∶1时的M图和N图当I1∶I2∶I3∶I4为1∶1∶1∶1时的M图和N图当I1∶I2∶I3∶I4为1∶2∶3∶4时的M图和N图三、结果分析及结论：1.各柱截面刚度比变化时，剪力及弯矩也随之变化，并且各柱剪力与弯矩的分配规律相同，其分配比即为各柱的刚度比。结论，在排架结构中，各排架柱的剪力及弯矩值除了与荷载有关外，还与其刚度比有关，刚度越大的排架柱，其承担的弯矩及剪力也越大。2.横梁的水平位移应该与各柱的总刚度有关，将各组总刚度与横梁水平位移的倒数进行对比如下，比值参数组别总刚度（I1+I2+I3+I4）之比1：1.333：3.333水平位移的倒数之比1：1.333：3.333由上表可知，排架结构的水平位移与各排架柱的总刚度成正比，即总刚度与水平位移成反比，总刚度越大，水平位移越小。实验设计2：分析图示五层钢架的内力、动力特面尺寸200300mm，柱截面性、稳定分析。梁截材料弹性模量112.110Pa。尺寸300300mm，一、数据文件：变量定义,e=2.1e11变量