1、 1 结构分析 一建筑结构 就工程的实质而言，建筑结构可定义为：以保持形状和稳定为目的的各个基本构件的组合体。其基本目的是抵抗作用在建筑物上的各种荷载并把它传到地基。 从建筑学的角度来讲，建筑结构 要做的更多 。它与建筑风格是不可分割的，在不同程度上是一种建筑风格的体现。如能巧妙地设计建筑结构，则可建立或加强建筑空间与建筑平面之间的格调与节奏。它在直观上可以是显性的或隐性的。它能产生和谐体或对照体。它可能既局限又开放。不幸的是在一些情况下，它不能被忽视 ， 它是存在的。 结构设计还必须 维持 建筑风格。物理学和数学的原 理及工具为区分在结构上的合理 与 不合理的形式提供了依据。艺术家有时可以不
2、必考虑科学就能画出图形，但建筑师却不行。 在建筑结构中至少三项内容 存在 ：稳定性 强度和刚度 经济性 在上述三项要求中， 很明显维持建筑物形状的稳定性要求是首选 。一座不稳定的建筑结构意味着有不平衡的力或失去平衡状态， 并且 会 导致建筑结构整体或 部分 产生加速度。 强度的要求意味着 材料的选择要能抵抗荷载和变形引起的应力 。实际上，通常都提供一个安全系数 为了 在预计的荷载作用下， 给定 材料的应力不会接近破坏应力，被称为刚度的材料 特性，需与强度要求一起考虑。刚度不同于强度，因为它涉及荷载作用下结构应变的大小和变形的程度 。材料如 具有很高的强度 ， 但刚度较低，在外力作用下会因变形过
3、大而失 效 。 建筑结构的经济性指的不仅仅是所用材料的费用。建筑经济是一个复杂的问题，其中包括原材料、制作、安装和维修。设计和施工中人工费及能源消耗的费用 也要考虑 。 施工的速度和工程成本（利息）也是需要考虑的因素。对大多数设计情况，不仅仅 只 考虑一种建筑材料 ， 经常存在一些有竞争性的选择，而具体应选择哪种并不明显。 除了这三种最基本要求之外，其他几种因素也值得重视。首先， 结构或结构体系必须和建筑物的功能相 关 而不应该与建筑风格相矛盾。例如，线性功能要求显性结构，所以把保龄球场的顶部盖成圆形是不适合的。剧院必须是较大跨度、中间没有障碍的结构，而高档商店却不是这样。 简单地说 ，结构必
4、须具 有 维护空间的功能。 第二，结构必须防火 。 很显然，结构体系必须能保持完整 直到内部人员安全撤离为止 。建筑规范详细规定了建筑物的某些 部位 抵抗热量而不倒 塌 的时间。用于那些构件的结构材料 2 必须自身具有防火性或者用耐火材料。所规定的防火等级将取决于一系列因素，它包括建筑空间的占有和使用；建筑物的尺寸及建筑物的位置 。 第三，结构应与建筑物的循环系统很好地结合。它不应与给排水管道，通风系统或人的活动空间相矛盾（这是最重要的 ） 。很显然，各种建筑系统在设计时必须相互协调。对任何一个系统的设计，可以一步一步地 按顺序 进行，而对所有系统的设计则采用并行方式来完成。从空间上来讲，在一
5、座建筑物中所有的构件之间都是相互依存的。 第四，结构在心理上及外观上必须给人一种安全感。在风荷载作用下晃动得很厉害的高层框架虽然没有危害， 但仍然不适宜居住。弹性太大的轻质楼盖系统可能给居住者很不舒服的感觉。没有窗棂的巨大玻璃窗户是相当安全的，但对居住在 楼房里的人来说，特别是当他站在临街 40 层高楼的大玻璃窗前时，总会感到极不安全。 有时建筑 师 必须有意采取积极措施来增加建筑结构外表的强度和坚固性。外观的安全性也许比真实表达建筑结构更重要，因为没有受过训练的人是不能分清真实的和感觉中的安全。 二结构模型以及分析与结构设计的关系 结构分析是确定在给定荷载下结构中产生的力和变形以便使结构设计
6、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 假设 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， 为了 a）承受设计荷载而不出 现损坏或过大变形（正常使用或工作状态）； b)防止在规定的超载施加到结构上以前倒塌（安全或极限状态） 由于通常在工作荷载作用下，结构处于弹性状态， 建立在弹性假设基础上 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所必需的。 但是， 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
7、凝土设计中通常采用这种方法。基于这种原因，在本段中仅仅采用结构的弹性理论。 仔细地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 很难 的工作，即使 专门从事这个的人员 也 很难做到 。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 容易 合理分析的模型。 这样，结构框架系统可分解成板和楼盖梁，楼盖梁是由立柱支撑的交叉梁系，立柱将荷载传到基础。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， 常用 的方法不能处理三维框架系统，因此 通过 平面结构组合系统建立整个结构的 3 模型，分别加以分析。现代
8、的矩阵 计算机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作出更可靠的预测。 实际荷载状态也是很难确定的和很难客观表达的，为了分析，必须 把它 简化。 例如，桥梁结构上的交通荷载主要是动力的和随机性的，通常理想化成静态行驶的标准卡车或分布荷载，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，刚性节点简化为铰接点，填充墙 可以忽略 ，把剪力墙当成梁；在决定如何建立一个 比较客观，同时又简单的结构模型 ，分析人员必须记住每个理想化 模型 都 会 使 结果有更多的可能 。分析得越客观，产生的信心越大，所取得安全系数（或忽略的因素） 会 越小。这样，除非规
9、范条 例 控制，工程师必须估算出结构精确分析 与 结构中可能节省的费用相比，是否合算。 三结构动力分析的主要目的 本节的主要目的是：介绍任何给定形式的结构在承受人移动荷载时所产生的应力和挠度的分析方法。从某种意义上讲，这个目的可以认为是，把通常只适用于静荷载的结构分析标准方法加以推广，使之也可以在动荷载的分析中加以应用。对此，静荷载可以被看作仅仅是动荷载的一种特殊形式。然而，在线性结构分析中，更为方便的是区分施加荷载中的静力和动力分量，然后分别计算对每种荷载的反应，最后将两个反应分量叠加得出总效应，当进行这样处理时， 静力的和动力的分析方法在性质上是根本不同的。 为了上述目的，“动的”这个词可
10、以简单地被定义为随时间而改变的，这样，动荷载就是大小、方向、作用点随时间而改变的荷载。同样，在动荷载下的结构反应，即所产生的挠度和应力，也是随时间而改变的或动的。 两种基本不同的方法 可以计算动荷载下的结构反应 ：确定的和非确定的。在任何给定的情况下，选取哪种方法，将取决于荷载是如何规定的。如果荷载随时间的变化是完全已知的，即使 它是高度变化不定的或者其性质是不规则变化的， 我们将把它称为非随机动荷载；而任何特定的结构体系在非随机动荷载下的 反应分析通常定义为确定分析。另一种情况，如果荷载随时间的变化不是完全已知的，但可从统计方面来进行定义，这种荷载则称为随机动荷载，而非确定分析对应于随机动荷载下的反应分析。 一般来说，动荷载下的结构反应主要是用结构的位移来表示的。 这样 ，确定分析能导出相应于规定荷载 下 的位移 时间过程 ； 结构的其他确定反应，如应力、应变、内力等等，通常作为分析的次要方面，可从前面所建立的位移模式求得。另一 方面 ， 非确定分析提供有关
