结构力学实验报告.docx

1、结构力学实验报告结构力学实验报告实验报告一 平面刚架内力计算程序APF 日期： 实验地点：综合楼503 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分11510别为5、1、1、1时结构的内力和位移，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之间的

2、关系。(计算时忽略轴一、 数据文件： TITLE, 实验一 变量定义,EI1=1 变量定义,EI2= 结点,1,0,0 结点,2,0,4 结点,3,6,0 结点,4,6,4 单元,1,2,1,1,1,1,1,1 单元,3,4,1,1,1,1,1,1 单元,2,4,1,1,1,1,1,1 结点支承,1,6,0,0,0,0 结点支承,3,6,0,0,0,0 结点荷载,2,1,100,0 单元材料性质,1,2,-1,EI1,0,0,-1 单元材料性质,3,3,-1,EI2,0,0,-1 END 二、 主要计算结果： 位移： (1)令I1=1时，I2=,1,5,10梁柱刚度比I2：I1 横梁水平位移

3、1：5 1：1 5：1 10：1 /EI1(m) /EI1(m) /EI1(m) /EI1(m) (2)令I2=1时，I1=5,1,梁柱刚度比I2：I1 1：5 1：1 5：1 10：1 横梁水平位移 /EI1(m) /EI1(m) /EI1(m) /EI1(m) 弯矩： (1) 令I1=1时，I2=,1,5,10 梁柱刚度比I2：I1为1：5时的刚架弯矩图如下 梁柱刚度比I2：I1为1：1时的刚架弯矩图如下 梁柱刚度比I2：I1为5：1时的刚架弯矩图如下 梁柱刚度比I2：I1为10：1时的刚架弯矩图如下 三、结果分析及结论： 无论EI1和EI2的值如何改变，只要EI2:EI1的值不改变，那么

4、刚架的弯矩图都是相同的；且随着钢架梁柱刚度比EI2:EI1的增大，两柱的弯矩的反弯点向下移动；横梁的弯矩的反弯点保持在中点不变；在保持钢架梁刚度不变的情况下，当I1=1，I2=,1,5,10时，随着钢架梁柱刚度比的增大，刚架在水平荷载作用下的横梁的水平位移变小，其值分别为：/EI1，/EI1，/EI1，/EI1 结论： 在水平荷载保持不变的情况下：增大梁柱的抗弯刚度比值可使梁端的弯矩值增大，同时也会使柱底端的弯矩值变小，即刚架梁柱刚度比的变化影响梁柱的内力分配。横梁的水平位移随结构总刚度的增加而减少。钢架梁的水平位移与梁柱的抗弯刚度比值关系不大，而与柱的抗弯刚度的大小的关系大，柱的抗弯刚度越小

5、，梁的水平位移越大，即横梁的水平位移主要柱刚度控制；此可以大致定论，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E?106N/cm2 ，?1?10?5，各杆的截面尺寸均为50cm40cm。试分析当改变截面尺寸时，对结构的内力的影响。如果截面尺寸均为50cm40cm，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： TITLE,实验二 变量定义,E=,B=,H= (, ),EA=E*B*H,EI=E*B*H*H*H/12 变量定义,t1=-30(10),t

6、2=10(-30) 结点,1,0,0 结点生成,4,2,1,1,1,6,0 结点生成,1,1,1,9,2,0,8 单元,1,2,1,1,1,1,1,1 单元生成,4,1,1,2 单元,2,4,1,1,1,1,1,1 单元生成,3,6,6,2 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 单元材料性质,1,9,EA,EI,0,0,-1 单元温度改变,1,1,(t1+t2)/2,t1-t2,H 单元温度改变,2,4,t2,0,H 单元温度改变,5,5,(t1+t2)/2,t2

7、-t1,H 单元温度改变,6,9,(t1+t2)/2,t1-t2,H END 二、 计算结果： 当H, B=时刚架的弯矩图和轴力图： M图 N图 当H, B=时刚架的弯矩图和轴力图： M图 N图 当H, B=时刚架的弯矩图和轴力图： M图 N图 三、 温度变化内侧降温300C，外侧升温100C时刚架的弯矩图和轴力图： M图 N图 三、结果分析及结论： 1.当刚架外侧降温300C，内侧升温100C时： 在刚架截面的宽度不变，随着高度增大，有弯矩的杆件的弯矩值都增大，所有杆件的轴力都增大； 对于上下表面温差不为零的杆件，温度降低的一侧，杆件受拉；温度升高的一侧，杆件受压； 而刚架内部上下表面温差为

8、零的杆件，两中柱底端外侧受拉，顶端里侧受拉，对称柱没有弯矩； 从轴力图可知，两中柱受压，其它杆件受拉。 2.当刚架的外侧升温100C，内侧降温300C时，在刚架的宽度为50cm，高度为40cm的情况下： 上下表面温差不为零的杆件，降温的一侧，杆件受拉；升温的一侧，杆件受压； 而刚架内部上下表面温差不变的杆件，两中柱底端外侧受拉，顶端里侧受拉，对称柱没有弯矩； 从轴力图可知，两根边柱和对称柱受压，中柱和梁受拉。 此可得出结论： 当杆件有温差时，弯矩图的竖矩出现在降温面的一侧，升温面产生压应力，降温面产生拉应力； 随着杆件截面高度的增大，各有弯矩的杆件的弯矩值增大，有轴力的杆件轴力也增大，即刚度变

9、化影响内力的变化，刚度越大，内力越大，反之，内力越小； 两端约束作用下，杆件轴心降温轴力为正，升温为负。 实验报告二 平面桁架内力计算 日期： 实验地点：综合楼503 实验目的： 考察并分析桁架的结构形式、刚度、荷载作用位置等因素对桁架内力及变形的影响及规律。 对比平行桁架和三角桁架的受力特点及杆件内力的变化规律；平行弦桁架和三角形桁架在相同荷载作用下内力的不同；荷载上承和下承时各杆内力的变化。 掌握杆系结构计算的结构力学求解器的使用方法和对矩阵位移法计算位移的了解。通过实验加深对静定、超静定结构特性的认识。 实验设计： 计算图示桁架的内力和位移。分析：1. 刚度对内力和位移的影响；2.平行弦

10、桁架和三角形桁架在相同荷载作用下内力的不同；3.荷载上承和下承时各杆内力的变化。 (b) 一、 数据文件： 三、 图(a)所示的桁架的数据文件如下： TITLE, 实验三 变量定义,EA=1(2510) 结点,1,0,0 结点生成,6,2,1,1,1,2,0 结点生成,1,1,1,13,2,0,2 单元,1,2,1,1,0,1,1,0 单元生成,6,1,1,2 单元,1,3,1,1,0,1,1,0 单元生成,5,8,8,2 单元生成,1,8,13,1 单元,2,3,1,1,0,1,1,0 单元生成,2,20,20,2 单元,7,10,1,1,0,1,1,0 单元生成,2,23,23,2 结点支

11、承,1,3,0,0,0 结点支承,13,3,0,0,0 结点荷载,2(1),1,-90 结点荷载,14(13),1,-90 结点荷载,4(3),1,1,-90 结点荷载,6(5),1,1,-90 结点荷载,8(7),1,1,-90 结点荷载,10(9),1,1,-90 结点荷载,12(11),1,1,-90 单元材料性质,1,25,EA, ,0,0,-1 END 图(b)所示的桁架的数据文件如下： TITLE, 实验三 变量定义,EA=1 结点,1,0,0 结点生成,6,1,1,1,1,2,0 结点,8,2,2/3 结点,9,4,4/3 结点,10,6,2 结点,11,8,4/3 结点,12,

12、10,2/3 单元,1,2,1,1,0,1,1,0 单元生成,5,1,1,1 单元,1,8,1,1,0,1,1,0 单元,8,9,1,1,0,1,1,0 单元,9,10,1,1,0,1,1,0 单元,10,11,1,1,0,1,1,0 单元,11,12,1,1,0,1,1,0 单元,12,7,1,1,0,1,1,0 单元,2,8,1,1,0,1,1,0 单元生成,4,13,13,1 单元,8,3,1,1,0,1,1,0 单元,9,4,1,1,0,1,1,0 单元,11,4,1,1,0,1,1,0 单元,12,5,1,1,0,1,1,0 结点支承,1,3,0,0,0 结点支承,7,3,0,0,0

13、 结点荷载,1,1,-90 结点荷载,8,1,1,-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,7,1,-90 单元材料性质,1,21,EA,0,0,-1 END 二、计算结果： 1. 结构各单元内力： 图所示桁架在图中力的作用下产生的单元内力图如下： N图 N图 (2) 图所示桁架在图中力的作用下产生的单元内力图如下： N图 2. 不同刚度时，图跨中的竖向位移。 跨中下弦位置 结点竖向位移 EA=1 -/EA EA=2 -/EA EA=5 -/EA EA=10 -/EA 二、 结果分析： 刚度对

14、内力和位移的影响： 在相同荷载的作用下，平行弦桁架随着杆件刚度的增大，桁架内力不变，跨中的竖向位移变小； 平行弦桁架和三角形桁架在相同荷载作用下内力的不同： 在相同荷载的作用下，平行弦桁架的上弦杆受压，且外向里杆件受力是逐渐变大的，三角形桁杆的上弦杆也受压，但外向里杆件受力是逐渐变小的； 在相同荷载的作用下，平行弦桁架的下弦杆受拉，且外向里杆件受力是逐渐变大的，三角形桁杆的下弦杆也受拉，但外向里杆件受力情况是：下弦边杆与第二边杆受力相同，且比中杆受力大； 在相同荷载的作用下，平行弦桁架的直腹杆受压，且外向里受力是逐渐变小的，三角形桁杆的直腹杆受拉，且外向里受力是逐渐变大的； 在相同荷载的作用下

15、，平行弦桁架的斜腹杆受拉，且外向里受力是逐渐变小的，三角形桁杆的斜腹杆受压，且外向里受力是逐渐变大的。 荷载上承和下承时各杆内力的变化： 对于平行弦桁架而言，荷载上承与荷载下承作用下，上弦杆、下弦杆和斜腹杆的受力情况是相同的； 对于平行弦桁架而言，荷载上承作用下的直腹杆的受力大小比在相同位置荷载下承作用下的直腹杆的受力大小大1。 实验报告三 平面任意杆系内力计算 日期：实验地点：综合楼503 实验目的： (1)求解平面任意杆系内力，铰接排架的剪力计算，多层框架结构的内力、动力、稳定计算。 (2) 通过试验，计算当铰接排架各柱刚度比值不同时，各排架柱的柱底弯矩和剪力，从而分析刚度比对铰接排架柱内

16、力的影响。通过计算内力，分析各柱剪力及弯矩分配、横梁水平位移的规律；学会运用结构力学求解器求解结构动力问题。 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I1I2I3I4 分别为11、1111、1234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。 1I1I2I3I4结点、单元编号示意图 一、数据文件： TITLE, 实验四 变量定义,h=2 变量定义,EI1=1,EI2=,EI3=,EI4=1 结点,1,0,0 结点生成,3,2,1,1,1,h,0 结点生成,1,1,1,7,2,0,h 单元,1,2,1,1,1,1,

17、1,0 单元生成,3,1,1,2 单元,2,4,1,1,0,1,1,0 单元生成,2,5,5,2 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 h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 单元材料性质,5,7,-1,1,0,0,-1 END 一、 有关计算结果摘录： 梁柱刚度比 横梁 水平位移 *h*h*h *h*h*h *

18、h*h*h 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 /- /- / 1:1 1:1:1:1 1:2:3:4 内力图 当排架柱刚度比为1:1时的剪力、弯矩图如下: Q图 M图 排架柱刚度比为1:1:1:1时的剪力、弯矩图如下: Q图 M图 当排架柱刚度比为1:2:3:4时的剪力、弯矩图如下: Q图 M图 二、 结果分析及结论： 结果分析： 在相同荷载作用下，横梁的产生的轴力与柱的抗弯刚度比有关； 在相同荷载作用下，柱产生的剪力的比值与柱的抗弯刚度比值相等； 在相同荷载作用下，柱底的弯矩比值与抗弯刚度比值相等；

19、 在相同荷载作用下，柱刚度越大，横梁的水平位移越小； 结论： 在相同荷载作用下及相同柱刚度比条件下，高为h的柱的横梁产生的水平位移是高为1的柱的横梁产生的水平位移的h的三次方倍； 在相同荷载作用下及相同柱刚度比条件下，高为h的柱所产生柱底弯矩是高为1的柱所产生的柱底弯矩的h 倍； 通过结构力学求解器计算得出如上内力图。计算结果可以看出，排架水平位移随着柱子刚度比的不断增大，水平位移呈减小趋势。在水平荷载的作用下，各柱子柱顶剪力按刚度比例分配，剪力综合与外荷载相等。于各柱子高度相同，故各柱顶弯矩也按刚度比例分配。 实验设计2： 分析图示五层钢架的内力、动力特性、稳定分析。梁截面尺寸200?300

20、mm，柱截面尺寸300?300mm，材料弹性模量?1011Pa。一、计算结果： TITLE, 实验四 变量定义,I1=*/12,I2=*/12,E= 变量定义,EI1=E*I1,EI2=E*I2 变量定义,A1=*,A2=*,EA1=E*A1,EA2=E*A2 变量定义,P=,PA1=P*A1,PA2=P*A2 结点,1,0,0 结点生成,2,1,1,1,1,6,0 结点生成,5,3,1,3,1,0,4 单元,1,4,1,1,1,1,1,1 单元生成,4,1,1,3 单元生成,2,1,5,1 单元,4,5,1,1,1,1,1,1 单元,5,6,1,1,1,1,1,1 单元生成,4,16,17,

21、3 结点支承,1,6,0,0,0,0 结点支承,2,6,0,0,0,0 结点支承,3,6,0,0,0,0 单元荷载,16,3,5,0,1,90 单元荷载,17,3,5,0,1,90 单元荷载,18,3,5,0,1,90 单元荷载,19,3,5,0,1,90 单元荷载,20,3,5,0,1,90 单元荷载,21,3,5,0,1,90 单元荷载,22,3,5,0,1,90 单元荷载,23,3,5,0,1,90 单元荷载,24,3,5,0,1,90 单元荷载,25,3,5,0,1,90 单元荷载,1,5,0,2,0,1,90 单元荷载,2,5,2,4,0,1,90 单元荷载,3,5,4,6,0,1,90 单元荷载,4,5,6,8,0,1,90 单元荷载,5,5,8,10,0,1,90 单元材料性质,1,15,EA1,EI1,PA1,0,-1 单元材料性质,16,25,EA2,EI2,PA2,0,-1 自振频率参数,10,1, 屈曲荷载参数,5,1, END