冻土与结构接触界面层力学试验系统研制及应用_孙厚超
第35卷第12期 岩 土 力 学 V ol.35 No.12 2014年12月 Rock and Soil Mechanics Dec. 2014
收稿日期：2014-01-06
基金项目：国家自然科学基金资助项目（No. 51278251）；江苏省高校优秀学科建设项目；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（No. CXZZ13_0540）。 第一作者简介：孙厚超，男，1975年生，博士，高级工程师，主要从事岩土与地下工程的教学与研究工作。E-mail: sunhouchao1975@https://www.wendangku.net/doc/6f9605336.html,; 通讯作者：杨平，男，1964年生，教授，博导，主要从事岩土与地下工程的教学与研究工作。E-mail: yangping@https://www.wendangku.net/doc/6f9605336.html,
文章编号：1000－7598 (2014) 12－3636－07
冻土与结构接触界面层力学试验系统研制及应用
孙厚超1, 2，杨 平1，王国良1
（1.南京林业大学 土木工程学院，南京 210037；2.盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051）
摘 要：在天然冻土区或人工冻土工程中存在着大量冻土与结构物接触界面层问题，目前有关此类接触界面层力学变形性能的试验研究手段缺乏。为此，在已研制大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统DDJ -1基础上，改制冻土剪切盒，凸出冻土试样界面层，研发微变形测量系统，组成冻土与结构接触界面层力学试验系统。该系统不仅能实现不同边界条件下接触界面的力学特性试验，而且能测量和分析接触界面层不同位置的冻土体位移，分析研究不同冻土温度、不同结构粗糙度、不同法向荷载作用下界面层冻土体变形特性。试验结果表明，该系统能准确再现冻土与结构接触界面层的力学变形行为，可为系统开展冻土-结构接触界面层的研究提供试验基础。 关 键 词：冻土；接触界面层；单调剪切；试验系统 中图分类号：TU 435 文献标识码：A
Development of mechanical experimental system for interface layer between frozen soil and structure and its application
SUN Hou-chao 1, 2, YANG Ping 1, WANG Guo-liang 1
(1. School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;
2.College of Civil Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng, Jiangsu 224051, China)
Abstract: In the permafrost region and artificial frozen soil engineering, there are massive interface layers between frozen soil and architectural construction, but it is lack of experimental methods for frozen soil-structure interface mechanical deformation research. For this, based on the developed apparatus called large-scale multi-functional cycle direct shear system for frozen soil-structure interface ( DDJ-1), the shearing box of frozen soil was modified to highlight the interface layer of frozen soil ,and the measuring system of tiny deformation was developed, thus the experimental system was composed. Using this system, the mechanical properties experiments of interface layer can be performed under different boundary conditions; the displacement of soil can be measured in different positions; and the deformation properties of interface layer can be studied under different temperatures, roughnesses and normal stresses. The results show that, the apparatus can accurately reproduce the mechanical and deformational behaviors of the interface layer between frozen soil and structure; meanwhile, it can provide a experimental basis for carrying out researches on the frozen soil-structure interface layer.
Key words: frozen soil; interface layer; monotony shear; experimental system
1 引 言
近年来，随着我国西部大开发推进，越来越多的建（构）筑物与天然冻土形成接触面。与此同时，在大量城市地下工程（如地铁）利用冻结法施工的过程中，人工冻土和结构物以及人工冻土和盾构机之间也存在接触面问题。由于冻土壁与结构之间相互作用引起结构应力场重分布而导致结构损伤，影
响结构的耐久性，因此，对冻土与结构接触面问题的研究就显得十分必要。而以往的研究主要集中在常温土与结构物相互作用的接触面问题，由于冻土的物理属性受其冻结过程、冻融作用以及季节性或长期温度变化等因素的影响，其物理、力学及变形性能和常温土相比差异巨大。因此，冻土和结构接触界面层力学性能较之常温土与结构相互作用存在显著不同，其机制更加复杂。研制能够真实、准确
第12期孙厚超等：冻土与结构接触界面层力学试验系统研制及应用 3637
模拟冻土与结构接触界面层力学性能的试验设备及配套测试技术成为冻土接触面界面层力学特性研究的前提。国内外相关学者在常温土与结构接触面试验仪器研制方面做了不少尝试，在国外，1985年，Desai等[1]研制了多自由度循环直剪仪；Uesugi等[2－3]曾使用矩形截面的单剪仪开展了接触面试验；Fakharian[4]研制了三维循环接触面剪切仪（C3DSSI），可实现直剪和单剪两类试验。国内，胡黎明等[5]改进的直剪仪不但能测试土体与结构接触面的力学性能，而且可以通过数字照相技术记录土体颗粒的位移情况；张嘎等[6]研制了较为先进的大型循环直剪仪，该直剪仪除了能够精确地施加常法向应力、常法向位移、常法向刚度和零法向应力3种法向边界，还能通过视窗进行接触面形态细观观测；张建民等[7]也研制了类似的大型三维接触面试验仪，该仪器能实现接触面上单向往返、十字、圆形、椭圆等不同的任意设定的加载路径；李永波等[8]设计了一套冻土-桩动力相互作用模型试验系统，能较好地模拟和分析冻土和桩基之间的动力相互作用；周国庆等[9]设计了一套深部土与结构接触面及界面层力学特性试验系统，利用旋转结构面法模拟结构面不同粗糙度和结构面下移法来研究界面层力学特性。但现有的仪器大多数是在直剪仪、单剪仪、环剪仪[10]、扭剪仪[11]等基础上地改进，不能很好地测出受结构物影响土的接触界面层变形，尤其是冻土与结构物形成的接触界面层研究，尚无这方面的专用仪。
笔者在赵联桢等[12]已研制的一台大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪（DDJ-1）基础上，对该设备系统进行升级。在已实现对冻土试样与结构面板之间水平和垂直加载及数据采集的自动化基础上，改制试验剪切盒，凸出受结构影响的接触面界面层，采用数字照相技术和自主开发的图像处理软件，实现对接触界面附近冻土破坏形态、接触界面层厚度和界面层内土体剪切位移的细观测试。试验结果表明，该试验系统可准确模拟和再现单调加载作用条件下冻土与结构接触界面层的变形特性，为系统研究冻土与结构接触面界面层的变形特性和建立实用冻土接触界面层本构模型提供试验基础和重要前提。
2 试验系统构造
DDJ-1大型冻土直剪仪[12]是针对人工冻土与结构接触面力学特性问题而研制的，该设备能够提供较大的接触面尺寸；能实现0～-20 ℃范围内对接触面温度的精确控制；能精确施加常刚度、常位移、
常应力和零应力4种法向边界条件；能够模拟多种
粗糙度的接触面；能实现循环剪切和单调剪切两种
剪切形式；应力施加、位移控制和温度测量精准。
通过大量冻土与结构接触面力学特性试验表
明，冻土与结构接触面不是单纯的无厚度面，而是
冻土与结构面板相互剪切形成的有一定厚度剪切带
（这里定义为接触界面层）。为了实现对接触界面层
的变形特性研究，利用DDJ-1大型冻土直剪仪加
载、温控和数据采集系统，对剪切试验盒改制，凸
出接触面界面层，并利用数字照相技术，得到接触
面界面层的变形图像，自主开发图像处理软件，可
分析冻土与结构接触界面层内冻土变形特性。
2.1 冻土与结构面加载系统及数据采集系统
（1）DDJ-1大型冻土直剪仪
DDJ-1大型冻土直剪仪是目前研究人工冻土与
结构接触面力学特性的主要仪器。其主要结构包括
加载系统（包括水平和竖直加载装置）、传感器系统
（包括水平、竖直位移传感器；水平、竖直荷载传
感器；温度传感器）、制冷及温控系统、数据采集及
自稳系统、导轨系统、剪切盒系统、支架系统。主
体结构如图1所示，仪器的主要性能指标如表1所示。
1—移动支架A；2—上翼板；3—伺服电机；4—减速机；5—竖导轨；
6—传力棒；7—拉压力传感器；8—升降机；9—手轮；10—称重传感器；11—滚动膜片气缸；12—法向荷载传感器；13—法向位移传感器；14—
弹簧；15—移动支架B；16—挡土板；17—结构面板；18—试样盒；19—保温层；20—温度传感器；21—制冷孔；22—水平导轨；23—水平
位移传感器；24—机架
图1 大型冻土直剪仪示意图
Fig.1 Schematic view of DDJ-1
表1 DDJ-1的主要性能参数
Table 1 Parameters of DDJ-1
试样尺寸/ cm荷载/ kN 极限位移/ um
最低温度/ ℃长宽法向切向法向切向
2010 20 100 10 20 -20
精度 0.3%
1%
±1
±10
±0.3
3638 岩土力学 2014年
（2）数据采集系统简介
数据采集系统主要功能是精确施加试验所需法向荷载、剪切速度，并进行切向荷载和切向位移的实时采集，试验过程中接触面切向应力及相对位移均由传感器及相应的数据采集系统自动测得。数据采集系统软件运行环境：①CPU：最低Pentium 200 MHz；②内存为64 M以上；③操作系统：Windows 98/ME/2000/XP；④至少具备一个COM口。试验过程中，法向荷载、法向位移、剪切力、剪切位移等数据实时显示并同步采集。剪切试验结束后本试验数据以Excel格式导出。
2.2 界面层试验剪切盒改进
原有DDJ-1大型冻土直剪仪只能通过传感器测出接触面的剪切位移、法向位移、剪切应力、法向荷载等等，而不能得出接触面界面层的变形特性。为了能够拍摄冻土接触界面层图像，以便利用和处理界面层图像测量界面层冻土颗粒的位移，在保持冻土试样尺寸100 mm×200 mm×75 mm不变情况下，将原有剪切盒的高度缩短10 mm，即将原有的冻土试样表面与剪切盒上表面齐平改为冻土试样凸出剪切盒上表面10 mm，见图2。同时保持试样上表面到剪切盒的下表面垂直距离与原试样盒的高度不变，这样不影响装样后剪切盒的正常安装入轨。
图2 冻土剪切盒
Fig.2 Shearing box of frozen soil
2.3 冻土试样制备方法
为了能够达到突出冻土试样的界面层，以便于利用照相技术拍摄冻土与结构面板发生相对剪切位移时的界面层图像，在冻土试样制作过程中采取了如下措施：
（1）为了观察界面层的土颗粒的位移情况，制备冻土试样时需使冻土试样凸出于剪切盒10 mm，这就需要在剪切盒上安装一中空尺寸为100 mm× 200 mm的制样模板，模板厚度为10 mm，制样模板须与剪切盒紧密连接，否则制样过程中，土体会从侧边溢出。
（2）剪切盒中分层装入土样。由于一定含水率的土样在冻结过程中会发生冻胀现象，而制作好的冻土试样要求上表面平整，为此，在装土样过程中分两次装样。在装第1层土样时，完成80%土样的装填，并待土样冻胀完毕后，再装入剩余土样。这样就可以消除冻土样因冻胀而导致表面不平。
（3）在冻土试样冻结过程中，试样表面会遇空气中水蒸气而结霜，影响冻土与结构接触面界面层图像拍摄。为了消除冻结过程中试样表面结霜带来的影响，当试样初冻成型时，采取在试样表面用透明胶带密封方法来隔绝空气中水蒸气对土样的影响。当冻土试样达到试验规定温度时，揭开透明胶带后进行试验。试验结果表明，隔霜效果显著。2.4 图像采集和位移量测系统研发
为了获取冻土与结构接触面界面层内冻土颗粒位移规律，在与剪切盒相连的支架上按照指定位置固定好专用高清相机及镜头，拍摄剪切过程中接触面界面层的图像，并用自主开发的图像处理软件（图像测量1400）对界面层图像进行处理，获取接触面界面层冻土颗粒的位移。
（1）相机和镜头的选取。
相机采用JHSM1400相机，是针对高清晰度、高分辨率的视觉检测领域设计的一款1 400万像素1/2.3英寸CMOS彩色相机。该相机采用高品质CMOS图像传感器，通过USB2.0接口传输，即插即用，不需要额外的插卡。相机支持Windows 2000、Windows XP和Windows 7等操作系统。提供二次开发包和演示程序源代码。
镜头采用7.2 mm千万高清无畸变工业定焦镜头，镜头与测量物体平面距离约20 cm，视野大小约为13 cm×17 cm。主要功能是克服透视相差（成像时由于距离不同而造成的放大倍数不一致现象）的影响，使得检测目标在一定范围内运动时得到的尺寸数据几乎不变。一般情况下，此镜头是固定焦距和工作距离的，满足试验对土颗粒的位移测量精度比较高的要求。
（2）图像位移测量系统。
基于图像处理技术的位移测量方法，具体测量原理[13]如下：在剪切盒规定支架固定点上安装相机，在被测点界面层位置安置标定板，完成相机与计算机等系统组装。采集标定板图像并进行灰度变换、滤波、二值化、开运算和区域标识等图像处理操作，最终得到各标定点重心像平面坐标（单位：像素）；把各标定点的像平面坐标和已知的物平面坐标（单位：mm）一一对应，形成标定样本并进行系统标定，从而得到两坐标间的映射关系；采集测量点图像并进行图像处理，得到各测量点重心像平
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面坐标，利用已有的映射关系得出测量点物平面坐标，各点物平面坐标减去各自初始值，便得到各测量点的物平面位移。
标定板使用64 mm×64 mm的halcon标准陶瓷标定板，标志点直径为4 mm，圆心距为8 mm，黑线框宽为2 mm，如图3所示。标定板采用最小二乘三次曲面拟合标定法标定，图像测量过程中使用B样条曲线逼近模版的轮廓来实现可变形的模版匹配，在匹配到的区域中通过插值进行可变形的网格划分，系统结果精确，整体误差在1 um左右。
图3 陶瓷标定板
Fig.3 Ceramics calibration plate
对图像位移测量是基于自主开发的图像处理软件完成的，本文软件开发的基本环境是Microsoft Visual C++，并集成了Halcon机械视觉处理软件。Halcon主要用来解决图像采集、显示、预处理和区域标识等操作。图像测量软件基本功能是标定设置、图像测量设置和测量结果显示。
3 试验步骤
本试验系统使用步骤：
（1）在计算机中设置试验系统初始状态，按试验要求设定低温、恒温搅拌反应浴状态，启动内部无水乙醇的冷却循环。
（2）试样制备
按试验要求制作冻土试样：在土样盒上表面安装厚为10 mm、中空200 mm×100 mm模板，将静置完毕的土样分层装入铜制土样盒里，插入温度传感器，连接低温反应浴与土样盒之间的制冷管并启动之间循环制冷，待土样达到零下冻结状态时，拆除模板后形成凸出界面层的冻土试样，并用白色油漆在试样表面留有图像测量标记。
（3）土样盒安装调整：将装有冻结土样的试验盒放入DDJ-1的水平导轨上，启动伺服电机快速前进按钮，使粗糙钢板与土样盒中心位置符合试验要求，并安装好位移传感器。
（4）试样表面温度控制
待冻土试样达到试验温度时，放下竖向粗糙钢板自重预压。在竖向位移和冻土样温度稳定后，启动竖向加载系统，将试验选定的法向边界条件通过粗糙钢板施加到冻土表面上，并继续冻结以维持冻土试样与粗糙钢板接触面界面层温度稳定，且满足试验要求。由于温度传感器位于试样表面下方2～3 cm处，所以传感器的温度并不能表示试样表面的温度，采用热电偶测温法标定试样界面层温度。
（5）开始剪切和数据图像采集
冻土界面层温度和竖向位移稳定后，在与试验土样盒相连的支架上安装照相机。启动水平加载系统，以试验设定好的剪切速率实现单调或循环剪切。试验过程中，接触面的切向位移、切向荷载、法向位移、法向荷载以及接触面温度都由各自传感器采集并和计算机控制软件实时交互。
接触面界面层土样的位移图像采用照相机随试验过程人工或软件按设定时间间隔自动拍摄采集。
（6）数据图像处理
试验完成后，卸除竖向荷载，停止温度循环系统，取出冻土试样盒，并分析整理试验数据。
4 试验验证与初步结果
为了验证接触面界面层力学系统试验仪的可靠性和实用性，主要对接触面界面层进行不同温度、不同法向应力和不同粗糙度情况下单程剪切试验，剪切幅值为11 mm，剪切位移控制速率为5 mm/min。选定钢板粗糙度为0.8 mm，分别做2组试验来验证和研究接触界面层的力学变形特性，第1组冻土界面层温度为-10 ℃，分别施加法向荷载100、300、500、700 kPa；第2组法向荷载为500 kPa，接触界面层冻土温度分别为-2、-6、-10、-14 ℃。
4.1 试验土样和结构面板
试验土料采用南京地铁穿越的典型土层——粉质黏土的重塑土，含水率为30%，重度为18.4 kN/m3。试验用结构面板是人工制备的粗糙钢板，钢板粗糙面铣出均匀排列高度为R的正四棱台，定义粗糙度R为钢板粗糙面峰谷距，分别为0、0.3、0.8、1.5 mm，如图4所示。下文试验结果均为针对上述冻结土料和粗糙度为0.8 mm结构面板形成的接触界面所进行。
4.2 接触界面力学试验结果分析
图5不同法向荷载σ条件下单程剪切时，剪应力τ与相对剪切位移μ的关系曲线。图6为不同冻
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土温度T 条件下单程剪切时，剪应力τ与相对剪切位移μ的关系曲线。
图4 粗糙钢板表面及粗糙度定义
Fig.4 Surface of the rough steel plate and
definition of the roughness
图5 不同法向荷载条件下接触界面τ-μ
关系图
Fig.5 Shearing strength-shear displacement curves of contact
interface under different normal loading conditions
图6 不同温度条件下接触界面τ-μ 关系图
Fig.6 Shearing strength-shear displacement curves of
contact interface under different permafrost
temperature conditions
由图5可知，单调剪切时，随着剪切位移的增加，μ在0.2～0.6 mm 时，剪切应力开始出现应力峰值，而后趋于平稳，直至剪切结束。不同法向应
力作用，剪切应力峰值和平稳剪切应力差异显著；
σ为700 kPa 时，剪切应力峰值τ为673.1 kPa ，是σ
为100 kPa 的剪切应力峰值的6倍，是平稳剪切阶段的约6.4倍。究其原因为开始剪切时粗糙钢板不仅要克服冻土与钢板的冰冻胶结力，还要克服粗糙钢板与冻土接触界面的摩擦力，随着进一步剪切，剪切应力主要是克服粗糙钢板与冻土接触界面的摩擦力。且随法向荷载增加，冻土与钢板形成接触界面的剪切应力峰值，并且平稳阶段的剪切应力随之
增加。说明法向荷载增大，粗糙钢板与冻土接触界面咬合程度在增强。
由图6可知，随着剪切位移的增加，在μ为0.25～1.00 mm 时，剪切应力开始出现应力峰值，而后趋于平稳，直至剪切结束。不同温度条件下，剪切应力峰值存在差异，冻土温度为-14 ℃时，接触界面剪切应力峰值最大，为540.4 kPa ；冻土温度为-2 ℃时，剪切应力峰值最小，为393.95 kPa ；应力峰值差异为1.37倍，而在平稳剪切阶段的剪切应力变化不大，均在350 kPa 左右波动。究其原因主要为：在初始剪切时，不同冻土温度条件下接触界面冻结程度，温度低的冻土与结构面板大于温度高的冻土与结构面板，需要克服冻土与结构面板之间的冻结力大。而在平稳剪切阶段，接触面之间的剪切力主要克服冻土与结构面之间的摩擦力，主要由
接触界面所受法向荷载所决定。
4.3 界面层位移试验结果分析
图7为不同法向荷载σ下发生单程剪切时，界面层内冻土体水平位移u 随界面层厚度h 关系曲线。由不同法向荷载下h -u 关系曲线可知，随接触界面层深度h 增加，界面层内冻土体的平均水平位移在减小。法向荷载为100 kPa 时，距接触界面5 mm 范围内，随界面层厚度增加，冻土体平均水平位移分布从16.31 μm 到0.65 μm ；法向荷载为700 kPa
时，界面层厚度 5 mm 内冻土体平均水平位移从93.76 μm 到29.7 μm 。随着法向荷载增加，界面层中同一层的冻土体的平均水平位移在增加，而不同层的冻土体平均水平位移随深度变化速率在减小，在深度5 mm 范围内影响较明显。究其原因为冻土体与结构钢板相接触界面层受到法向荷载和水平剪切应力的双重作用下，靠近接触界面的冻土体受到
图7 不同法向荷载条件下h -u 关系图
Fig.7 Relationships between interface layer thicknesses
and interface layer soil displacements under
different normal loadings
012
345
20
40
60 80 100
u / μm
h / m m
0 2 4 6 8 10 12
μ / mm
τ / k P a
0 2 4 6
8 10
12
μ / mm
τ / k P a
第12期 孙厚超等：冻土与结构接触界面层力学试验系统研制及应用 3641
的剪压应力较大，而随着距接触界面越远，冻土体受到的应力就越小，直至为0。
图8为不同温度条件下冻土试样接触界面层单程剪切时冻土水平体位移μ随界面层厚度h 的关系曲线。总体上在法向荷载一定条件，不同温度冻土体与结构面板发生剪切作用时，随接触界面层深度h 增加，界面层内冻土体的平均水平位移在减小，并趋向于一定值。随着冻土体温度降低，同一冻土层的土体平均位移在减小，减小幅度在10 μm 左右。究其原因为冻土体主要由土颗粒和冰以及未冻水组成，温度越低未冻水的含量就越少，冻土体的强度就越高，从而呈现同一冻土层土体平均水平位移随温度降低而减少的规律。
图8 不同温度条件下h -u 关系图
Fig.8 Relationships between interface layer thicknesses and interface layer soil displacements under different
permafrost temperatures
从图7、8中可得出，不同法向荷载或不同冻土体温度条件下发生接触面剪切时，对界面层内土体影响深度在5 mm 左右，而3 mm 内变形尤为显著。
5 结 论
（1）在已有的DDJ -1大型冻土直剪仪基础上，改制了冻土剪切盒，研发了微米级变形测量系统，构成冻土与粗糙结构面板形成接触界面层剪切试验系统。该系统不仅能实现接触界面的力学特性试验，而且能对接触界面层的冻土体微量位移进行量测、分析。
（2）通过试验验证，该试验系统稳定，智能化程度较高，试验数据有效可信，可用于模拟工程结构与冻土的接触界面层的力学变形特性。
（3）接触界面力学特性：单调剪切时，不同法向荷载条件或不同冻土体温度条件下，随着剪切位移的增加，剪切应力开始出现应力峰值，而后趋于
平稳，直至剪切结束。法向荷载对冻土体与结构面板接触界面力学性质影响大于冻土体温度的影响。
（4）接触界面层变形特性：不同法向荷载或不同冻土体温度条件下发生接触面剪切时，界面层内土体水平位移随深度增加而减小；随着法向荷载增加，界面层中同一层的冻土体的平均水平位移在增加，而不同层的冻土体平均水平位移随深度变化速率在减小，在深度5 mm 范围内影响较明显。随着冻土体温度降低，同一冻土层的土体平均位移在减小，冻土体其主要影响深度在5 mm 左右，深度在3 mm 以内尤为显著。
参 考 文 献
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第12期李大钟：对“关于‘对库仑土压力理论的若干修正’的讨论的答复”的讨论 3643
当然，对于一般岩土材料，剪胀角要小于摩擦角，沿墙体滑动的可能性或许不大。退一步，即使是在土体内部滑移面先发生滑动，在弹塑性力学分析中，这也只是出现了塑性区，系统没有破坏，因为并非发生完全意义的塑性流动失稳（由于墙对土体的约束，土体无法移动）。那么墙体接触面的摩擦力就会继续动员直到达到极限土体产生流动系统，真正意义的失稳破坏发生。从库仑土压力的假设来看，笔者认为，假设墙体和土体同时达到极限是合理的，因为描述的状态是土体向上滑动的流动状态（塑性极限），从而建立塑性平衡来求解。所以讨论文认为原文所求的解落在“库仑主动和被动土压力之间并不奇怪”，因为原文假定的状态还没有发生塑性流动。
其实笔者和原文以及回复文的观点不同在于对极限状态的定义上，原文认为极限状态是有土体内滑移面上达到极限状态，而墙和土体之间的力学状态可以是未知的。从以上已经讨论可知，如果考虑位移，完全有可能在墙体和土体接触面上先滑动。笔者对极限状态的理解是，系统发生失稳而产生塑性流动的一瞬间。那么这必然要求对两个面同时发生破坏，除非这只“手”随着土体升高或者下降，否则土体无法破坏。
以上是对讨论文的补充和对库仑土压力假设的个人理解，如有不妥望请指正。
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displacement measurement system based on image processing[J].J ournal of Tsinghua University (Science
and Technology), 2010, 50(6): 826－829.
《结构力学》作业答案
[0729]《结构力学》 1、桁架计算的结点法所选分离体包含几个结点 A. 单个 2、固定铰支座有几个约束反力分量 B. 2个 3、从一个无多余约束的几何不变体系上去除二元体后得到的新体系是 A. 无多余约束的几何不变体系 4、两刚片用三根延长线交于一点的链杆相连组成 A. 瞬变体系 5、定向滑动支座有几个约束反力分量 B. 2个 6、结构的刚度是指 C. 结构抵抗变形的能力 7、桁架计算的截面法所选分离体包含几个结点 B. 最少两个 8、对结构进行强度计算的目的，是为了保证结构 A. 既经济又安全 9、可动铰支座有几个约束反力分量 A. 1个 10、固定支座(固定端)有几个约束反力分量 C. 3个 11、改变荷载值的大小，三铰拱的合理拱轴线不变。 A.√ 12、多余约束是体系中不需要的约束。 B.× 13、复铰是连接三个或三个以上刚片的铰 A.√ 14、结构发生了变形必然会引起位移，结构有位移必然有变形发生。 B.×
15、如果梁的截面刚度是截面位置的函数，则它的位移不能用图乘法计算。 A.√ 16、一根连杆相当于一个约束。 A.√ 17、单铰是联接两个刚片的铰。 A.√ 18、连接四个刚片的复铰相当于四个约束。 B.× 19、虚功原理中的力状态和位移状态都是虚设的。 B.× 20、带拉杆三铰拱中拉杆的拉力等于无拉杆三铰拱的水平推力。 A.√ 21、瞬变体系在很小的荷载作用下会产生很大的内力，所以不能作为结构使用。 A.√ 22、一个无铰封闭框有三个多余约束。 A.√ 23、三铰拱的水平推力不仅与三铰的位置有关，还与拱轴线的形状有关。 B.× 24、三铰拱的主要受力特点是：在竖向荷载作用下产生水平反力。 A.√ 25、两根链杆的约束作用相当于一个单铰。 B.× 26、不能用图乘法求三铰拱的位移。 A.√ 27、零杆不受力，所以它是桁架中不需要的杆，可以撤除。 B.× 28、用图乘法可以求等刚度直杆体系的位移。 A.√ 29、连接四个刚片的复铰相当于四个约束。
结构力学求解器求解示例
结构力学（二）上机试验结构力学求解器的使用 上机报告 班级： 姓名： 学号： 日期：
实验三、计算结构的影响线 1．实验任务 （1）作以下图示梁中截面D 的内力D M 、QD F 的影响线。 观览器：D M 的影响线 观览器：QD F 的影响线 D |F=1 3 365
编辑器： 结点,1,0,0 结点,2,3,0 结点,3,6,0 结点,4,12,0 结点,6,6,1 结点,5,17,1 单元,1,2,1,1,0,1,1,1 单元,2,3,1,1,1,1,1,1 单元,3,4,1,1,1,1,1,0 单元,3,6,1,1,0,1,1,0 单元,6,5,1,1,0,1,1,0 结点支承,1,3,0,0,0 结点支承,4,1,0,0 结点支承,5,3,0,0,0 影响线参数,-2,1,1,3 影响线参数,-2,1,1,2 End
作以下图示梁中截面D 的内力D M 、QD F 的影响线。 观览器： D M 的影响线 QD F 的影响线
编辑器： 结点,1,0,0 结点,2,2,0 结点,3,4,0 结点,4,6,0 结点,5,8,0 结点,6,0,1 结点,7,8,1 结点,8,2,1 结点,9,4,1 结点,10,6,1 单元,1,2,1,1,0,1,1,1 单元,2,3,1,1,1,1,1,1 单元,3,4,1,1,1,1,1,1 单元,4,5,1,1,1,1,1,0 单元,1,6,1,1,1,1,1,0 单元,6,8,1,1,0,1,1,0 单元,8,9,1,1,0,1,1,0 单元,9,10,1,1,0,1,1,0 单元,10,7,1,1,0,1,1,0 单元,7,5,1,1,0,1,1,0
《结构力学》课程教学大纲(精)
《结构力学》课程教学大纲 课程编号：L263009 课程类别：专业基础课学分数： 5 学时数：80 适用专业：土木工程应修基础课程：《材料力学》、《理论力学》 一、本课程的地位和作用 本课程是土木工程专业技术平台课程中的一门基础课程。通过本课程的教学使学生掌握结构力学的基本原理、基本理论和基本方法，具备将工程实践中的实际问题抽象为相应的力学模型并运用相应的力学计算公式进行求解的基本能力，具备解决工程实践中相应的结构力学实际问题的基本能力，具备运用常用工程力学计算机软件进行工程力学分析、计算的基本能力。 二、本课程的教学目标 在学习理论力学和材料力学等课程的基础上进一步掌握平面杆系结构分析计算的基本概念，基本原理和基本方法，了解各类结构的受力性能，为学习有关专业课程以及进行结构设计和科学研究打好力学基础，培养结构分析与计算等方面的能力。 三、课程内容和基本要求 第一章绪论 1、教学基本要求 （1）了解结构力学的任务，与其它课程的关系及常见杆件结构的分类； （2）熟练掌握结构计算简图的概念和确定结构计算简图的原则； （3）熟练掌握杆件结构的支座分类和结点分类； （4）理解荷载的分类。 2、教学内容 （1）结构力学研究对象和任务 （2）Δ结构计算简图 （3）Δ结构分类 （4）荷载分类 第二章体系几何组成分析 1、教学基本要求 （1）理解几何不变体系、几何可变体系、瞬变体系和刚片、约束、自由度等概念； （2）熟练掌握无多余约束的几何不变体系的几何组成规则； （3）应用规则分析常见体系的几何组成； （4）理解结构的几何特性与静力特性的关系。
2、教学内容 （1）几何组成分析目的 （2）*运动自由度概念 （3）Δ几何不变体系简单组成规则 （4）Δ几何组成分析示例 （5）静定结构和超静定结构 第三章静定结构内力分析 1、教学基本要求 （1）熟练掌握截面内力计算和内力图的形状特征； （2）熟练掌握绘制弯矩图的叠加法； （3）应用截面法求解静定结构，绘制其内力图； （4）理解桁架的受力特点及按几何组成分类。应用结点法和截面法及其联合应用，会计算简单桁架、联合桁架即复杂桁架。 （5）熟练掌握三铰拱的反力和内力计算。了解三铰拱的内力图绘制的步骤。理解三铰拱合理拱轴的形状及其特征； （6）理解静定结构受力分析方法，静定结构的一般性质，各种结构形式的受力特点。 2、教学内容 （1）Δ静定梁 （2）Δ*静定钢架 （3）*三铰拱 （4）Δ静定桁架和静定组合结构 （5）静定结构基本性质和受力特点 第四章虚功原理和结构位移计算 1、教学基本要求 （1）了解温度改变、支座移动引起的位移计算； （2）理解变形体虚功原理和互等定理； （3）理解实功、虚功、广义力、广义位移的概念； （4）熟练掌握荷载产生的位移计算； （4）应用图乘法求位移。 2、教学内容
结构力学实验报告模板1
结构力学实验报告 班级12土木2班 姓名 学号
实验报告一 实验名称 在求解器中输入平面结构体系 一实验目的 1、了解如何在求解器中输入结构体系 2、学习并掌握计算模型的交互式输入方法； 3、建立任意体系的计算模型并做几何组成分析； 4、计算平面静定结构的内力。 二实验仪器 计算机，软件：结构力学求解器 三实验步骤 图2-4-3 是刚结点的连接示例，其中图2-4-3a 中定义了一个虚拟刚结点和杆端的连接码；各个杆端与虚拟刚结点连接后成为图2-4-3b 的形式，去除虚拟刚结点后的效果为图2-4-3c 所示的刚结点；求解器中显示的是最后的图2-4-3c。图2-4-4 是组合结点的连接示例，同理，无需重复。铰结点是最常见的结点之一，其连接示例在图2-4-5 中给出。这里，共有四种连接方式，都等效于图2-4-5e 中的铰结点，通常采用图2-4-5a 所示方式即可。值得一提的是，如果将三个杆件固定住，图2-4-5b~d 中的虚拟刚结点也随之被固定不动，而图2-4-5a 中的虚拟刚结点仍然存在一个转动自由度，可以绕结点自由转动。这是一种结点转动机构，在求解器中会自动将其排除不计①。结点机构实际上也潜存于经典的结构力学之中，如将一个集中力矩加在铰结点上，便可以理解为加在了结点机构上（犹如加在可自由转动的销钉上），是无意义的。 综上所述，求解器中单元对话框中的“连接方式”是指各杆端与虚拟刚结点的连接方式，而不是杆件之间的连接方式。这样，各杆件通过虚拟刚结点这一中介再和其他杆件间接地连接。这种处理的好处是可以避免结点的重复编码（如本书中矩阵位移法中所介绍的），同时可以方便地构造各种
结构力学实验归纳.doc
结构力学 桁架结构受力性能实验报告 学号：1153377 姓名：周璇 专业：土木工程 实验时间：2016年05月04日周三，中午12:30-13:30 实验指导教师：陈涛 理论课任课教师：陈涛
一、实验目的 （1）参加并完成规定的实验项目内容，理解和掌握结构的实验方法和实验结果，通过 实践掌握试件的设计、实验结果整理的方法。 （2）进行静定、超静定结构受力的测定和影响线的绘制。 二、结构实验 （一）空间桁架受力性能概述 桁架在受结点荷载时，两边支座处产生反力，桁架中各杆件产生轴力，如图1.1为在抛物线桁架结点分别加载时结构示意图。用Q235钢材，桁架跨度6?260=1560mm，最大高度260mm。杆件之间为铰接相连。杆件直径为8mm。 图1.1 （二）实验装置 图1.2为框架结构侧向受力实验采用的加载装置，25kg挂钩和25kg砝码。采用单结点集中力加载，由砝码、挂钩施加拉力，应变片测算待测杆件应变。结构尺寸如图1.2所示。 图1.2 （三）加载方式 简单多次加载，将挂钩和砝码依次施加在各个结点，待应变片返回数据稳定后，进行采集。采集结束后卸下重物，等待应变片数值降回初始值后再向下一节点施加荷载，重复采集操作。 （四）量测内容 需要量测桁架待测杆件的应变值在前后四对桁架杆布置单向应变片，具体布置位置如图 1.2 所示，即加粗杆件上黏贴应变片。 三、实验原理 对桁架上的5个位置分别施加相同荷载，记录不同条件下各杆件的应变值。 由公式 2 4 F A E d A σ σε π ? ?= ? = ? ? ?= ?
可以得到 24 d E F πε = 其中： F ——杆件轴力 E ——Q235钢弹性模量 d ——杆件直径 ε ——杆件应变值 σ ——杆件应力 A ——杆件横截面积 因而可以求得各杆件轴力，进而得到不同杆件的轴力影响线。 四、实验步骤 （1）将载荷挂在加载位置1，待应变片返回数据稳定后，采集相应应变数据。 （2）待应变片数值降回初始值后，重复（1）中操作，将荷载分别挂在加载位置2,3,4,5，分别采集记录各自对应的各杆件应变数据。 五、实验结果与整理 表2.1 实验原始数据 将对应位置杆件应变值取平均值，得到所示一榀桁架四根杆件的应变值如表2.2所示。 利用公式 24 d E F πε = 其中，8d mm = ，Q235钢弹性模量5210E MPa =? 经过计算可以得到不同加载位置下桁架不同杆件的轴力值，如表2.3所示。
结构力学求解器学习报告
结构力学求解器学习报告 一、实习目的 结构力学上机实习使训练学生使用计算机进行结构计算的重要环节。通过实习，学生可以掌握如何使用计算机程序进行杆系结构的分析计算，进一步掌握结构力学课程的基本理论和基本概念。在此基础上，通过阅读有关程序设计框图，编写、调试结构力学程序，学生进一步提高运用计算机进行计算的能力，为后续课程的学习、毕业设计及今后工作中使用计算机进行计算打下良好的基础。 二、实习时间 大三上学期第19周星期一至星期五。 三、实习内容 本次实习以自学为主，学习如何使用结构力学求解器进行结构力学问题的求解，包括：二维平面结构（体系）的几何组成、静定、超静定、位移、内力、影响线、自由振动、弹性稳定、极限荷载等。对所有这些问题，求解器全部采用精确算法给出精确解答。 四、心得体会 第一天上机时，张老师对结构力学求解器的使用方法进行了简单的介绍，然后就是学生自己自学的时间了。每个学生都有自己对应的题目要完成，在完成这些题目的同时，我也逐渐对结构力学求解器的运用更加自如。 从刚开始的生疏到最后的熟练运用，我遇到了不少问题：①第一次使用在有些问题上拿不定注意，例如，在材料性质那一栏，我不知
道是EA和EI的取值②第一次接触这个软件，在使用过程中不知道该如何下手，题目条件的输入顺序也很模糊。③经常会忘记添加荷载的单位，导致计算结果出现问题。④对于有些命令不能很明确的知道其用法，致使在使用时经常出错。在面对这些问题时，我一般都会向同学和老师寻求帮助，直到最终将问题解决。 通过这几天的上机实习，不仅让我进一步掌握了结构力学的知识，同时，还使我对结构力学求解器有了更深入的了解： 1. 结构力学求解器首先是一个计算求解的强有效的工具。对于任意平面的结构，只要将参数输进求解器，就可以得到变形图和内力图，甚至还可以求得临界荷载等问题。 2.即便是结构力学的初学者，只要会用求解器，也可以用求解器来方便地求解许多结构的各类问题，以增强对结构受力特性的直观感受和切实体验。 3.书本中的方法并非所有类型的问题都可以解决，例如，不规则分布的荷载以及超静定结构用传统方法比较困难，但用求解器就较为简单。而且，用求解器求解问题时可以不忽略轴向变形等书本中忽略的条件，与实际更加相符。 4.求解器可以用静态图形显示结构简图、变形图、内力图，还可以用动画显示机构模态、振型等动态图形。利用复制到剪贴板的功能，可以将结构简图、变形图、内力图以点阵图或矢量图的形式粘贴到word文档中，并可以方便地进行再编辑。
结构力学实验指导书
结构力学实验指导书（土木、力学等专业） 上海大学力学系 2009 - 3
实验一刚架（桁架）多点应力应变测量 一、实验目的 直观地了解钢架、桁架、多杆系、超静定、装配应力模拟等系统的实际工作状况，掌握实验应力分析的方法，提高工程应用的能力，并能自行设计实验方案并实施实验，从而达到掌握力学实验的基本原理与基本操作方法，提高综合分析问题与解决问题的能力。 二、实验装置及介绍 1．刚架（桁架）多功能组合试验台（拱式和三角式，见图1-1）。 2．DH3818静态电阻应变仪、GGD-B载荷显示器、计算机（参见图1-2）。 3．电阻应变计安装用材料及工具。 本实验装置“刚架（桁架）多功能组合试验台”（拱式和三角式），设计成钢架和桁架二者可转换的结构，使学生通过实验能直观地了解这二种结构的差别和受力状态的不同。利用本实验装置可以进行包括钢架静态应力分析系统、桁架静应力分析系统、不同支撑的钢架（桁架）应力分析系统、多杆系应力分析系统、超静定系统、装配应力模拟系统等多个力学实验的项目。数据处理部分采用国内先进的计算机多点自动数据采集与分析系统。此实验装置能根据学生的教学需要将各种实验内容分成几个相互独立的实验，也可将其组合成多种受力状态的综合性实验。
(a) 拱式刚架(b) 三角式刚架 图1-1 刚架（桁架）多功能组合试验装置 图1-2 多功能组合测试系统 （a） (b) (c) ( (b) （b）（c） 图1-3 刚架（桁架）的正视图上部（a）、节点局部（b）和侧视图（c）
三、实验原理 刚架及桁架是工程上最常见的结构之一，刚架及桁架模拟实验装置的结构形式如图1-15-3（a）所示，其节点局部如图1-15-3（b）所示，调节螺栓可以实现刚架和桁架结构的转换。刚架（桁架）的侧视图如图1-15-3（c）所示，调节下部的螺栓可以改变刚架（桁架）的支撑条件，同时侧面结构还具有超静定系统、装配应力模拟等实验功能。 四、实验方法及步骤 1．确定试验方案：根据需要确定要做的试验内容，进行刚架或桁架结构的组合，并设置边界条件。2．选择并确定需要测量的位置，测量尺寸和角度。 3．按照电阻应变计的粘贴工艺将电阻应变计安装在被测点上，选取合适的桥路组合。 4．连接并调试电阻应变仪：打开DH3818静态测试系统控制软件，软件的操作界面如图1-15-4所示，系统自动由“手动控制”状态切换到“自动控制”；查找机箱：选择合适的串行口COM1或COM2。5．平衡操作：输入自定义文件名，单击“平衡”按钮。若需要显示平衡结果，点击“显示平衡结果”选框；若存在不平衡点，在“未平衡测点数”下拉式列表框中显示不平衡点，找出不平衡原因。 6．进行参数设置（具体操作见仪器使用说明书），参数设置的弹出框如图1-15-5所示；选择采样方式：单次采样或定时采样。 7．打开GGD-B载荷显示器，调零；转动手柄等差加载，应变仪记录实验数据。 8．整理试验数据，并与有限元的计算结果进行比较，分析误差原因。 图1-4 DH3818静态测试系统软件的操作界面
结构力学 上机实验报告
实验报告一 平面刚架内力计算程序APF 实验目的：(1)分析构件刚度与外界温度对结构位移的影响，如各杆刚度改变对内力分布的影响、温度因数对内力分布的影响。 (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《结构力学求解器》的使用方法。通过实验加深对静定、超静定结构特性的认识。 实验设计1： 计算图示刚架当梁柱刚度12I I 分别为15、11、15、1 10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（1 2I I ）之间的关系。(计算时忽略轴向变形)。 数据文件： (1)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,1,6,0,0,0,0 结点支承,4,6,0,0,0,0 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 (2)变量定义,EI1=5(1,0.2,0.1),EI2=1 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,1,6,0,0,0,0 结点支承,4,6,0,0,0,0 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 主要计算结果： 位移：
结构力学上机考试答案
中国矿业大学力学与建筑工程学院 2013~2014学年度第二学期 《结构力学A1》上机实验报告 学号 班级 姓名 2014年5月26日
一、单跨超静定梁计算(50分) 1. 计算并绘制下面单跨超静定梁的弯矩图和剪力图。（20分） q =12N/m q =8N/m q =8N/m q=?8m 1 2 3 2. 如果按照梁跨中弯矩相等的原则，将梁上的荷载换算成均布荷载，则均布荷载应为多少？（10分） 2m 1m 1m 1m 1m 1m q=? 8m 3. 如果按照梁端部弯矩相等的原则，将梁上的荷载换算成均布荷载，则均布荷载应为多少？（10分） 4. 如果按照梁端部剪力相等的原则，将梁上的荷载换算成均布荷载，则均布荷载应为多少？（10分） 二、超静定刚架计算（50分） 1.刚架各杆EI 如图所示,计算刚架的弯矩图，剪力图和轴力图。（30分）
2. 若EI=106 （Nm 2 ），计算刚架一层梁和二层梁的水平位移。（20分）
弯矩图： y x 12345678 ( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 5 )( 6 )( 7 ) -40.96 -16.29 3.04 19.04 25.04 19.04 3.04 -16.29 -40.96 剪力图： y x 12345678 ( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 5 )( 6 )( 7 ) 26.00 22.00 18.00 12.00 -12.00 -18.00 -22.00 -26.00
解：跨中弯矩M1=25.04Nm（下部受拉）均布荷载q作用在梁上时，跨中弯矩为 M2=1/24*q*(l^2)(下部受拉) ∵M1=M2, ∴q=9.39N/m 如图所示： y x 12 ( 1 ) -50.08-50.08
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： 2013.4.19 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： 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（1 2I I ）之间的关系。(计算时忽略轴 向变形)。 一、 数据文件： （1）TITLE, 实验一 变量定义,EI1=1 变量定义,EI2=0.2（1, 5, 10） 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： (2)令I2=1时，I1=5,1,0.2,0.1 弯矩： (1) 令I1=1时，I2=0.2,1,5,10 ①梁柱刚度比I2：I1为1：5时的刚架弯矩图如下②梁柱刚度比I2：I1为1：1时的刚架弯矩图如下
③梁柱刚度比I2：I1为5：1时的刚架弯矩图如下④梁柱刚度比I2：I1为10：1时的刚架弯矩图如下
结构力学
结构力学 在土木工程专业中占有极为重要的地位，在它之前开设的专业基础课有《理论力学》（考试）和《材料力学》（考试），之后将开设专业基础课《弹性力学》（或《弹塑性力学》）（考查），专业课《钢筋混凝土结构》、《钢结构》（或《钢、木结构》，从课程设置上我们就可以认识到结构力学课程的重要地位。 其次，从结构的概念——建筑物和工程设施中承受、传递荷载而其骨架作用的部分成为工程结构、简称结构。我们可以看出结构在民用和军用设施中都是无处不在的，我院作为全军工程兵的最高学府，工程兵的八大专业：桥梁、道路、渡河、地雷、爆破、筑城、伪装、机械，有四大专业：桥梁、道路、爆破、筑城是直接构筑在结构力学之上的，其他的四个专业也都与结构力学密不可分。 再者，力学是一个完整的知识体系，其基础或者说基本部分就是我们在本科阶段所需要学习的《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》、《弹性力学》（或《弹塑性力学》）。一般的，同志们习惯将《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》称为“三大力学”，但是，按照笔者观点，此种分法有失精确，理由如下：《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》、《弹性力学》虽同为基础力学，有密切的联系，但《理论力学》着重讨论物体机械运动的基本规律，而其余三门力学《材料力学》、《结构力学》、《弹性力学》着重讨论结构及其构件的强度、刚度、稳定性和动力反应等问题，其中材料力学以单个杆件为研究对象，结构力学以杆件结构（体系）为主要研究对象，弹（塑）性力学以实体合办乔结构为主要研究对象。从教材内容上这一点也可以得到很明显的体现（内容有待扩展） 通过以上的介绍，我们明确了结构力学的研究对象、研究方向，明确了结构力学在力学中所处的位置，明确了学好结构力学的重要性。下面就要具体介绍结构力学的有关内容。 首先要从结构的分类说起，从几何角度来看，结构可分为三类： 1．杆件结构——这类结构是由杆件所组成。杆件的几何特征是横截面尺寸要比长度小得多。梁、拱、桁架、刚架是杆件结构的典型形式。 2．板壳结构——这类结构也称为薄壁结构。它的厚度要比长度和宽度小得多。房屋中的楼板和壳体屋盖、水工结构中的拱坝都是板壳结构。 3．实体结构——这类结构的长、宽、厚三个尺度大小相仿。水工结构中的重力坝属于实体结构。 狭义的结构往往指的就是杆件结构，而通常所说的结构力学就是指杆件结构力学。 结构力学的任务是根据力学原理研究在外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形，结构的强度、刚度、稳定性和动力反应，以及结构的组成规律。具体地说，包括以下几个方面： （1）讨论结构的组成规律和合理形式，以及结构计算简图的合理选择； （2）讨论结构内力和变形的计算方法，进行结构的强度和刚度的验算： （3）讨论结构的稳定性以及在动力荷载作用下的结构反应。 结构力学问题的研究手段包含理论分析、实验研究和数值计算三个方面。实验研究方法的内容在实验力学和结构检验课程中讨论，理论分析和数值计算方面的内容在结构力学课程中讨论。 在结构分析中，首先把实际结构简化成计算模型，称为结构计算简图；然后再对计算简图进行计算。结构力学中介绍的计算方法是多种多样的，但所有各种方法都要考虑下列三方面的条件： （1）力系的平衡条件或运动条件； （2）变形的几何连续条件； （3）应力与变形间的物理条件（或称为本构方程）。
结构力学专升本作业题参考答案
结构力学专升本作业题参考答案 一、选择题 1、图示结构中，A 支座的反力矩A M 为（ ）。 A. 0 B. 1kN.m （右侧受拉） C. 2kN.m （右侧受拉） D. 1kN.m （左侧受拉） 答案：C 2、图示组合结构中，杆1的轴力1N F 为（ ）。 A. 0 B. 2 ql - C. ql - D. q 2- q 答案：B 3、图示结构的超静定次数为（ ）。 A. 1 B. 5 C. 6 D. 7 答案：D 4、图示对称结构的半边结构应为（ ）。
答案：A 5、图示结构中， BA M（设左侧受拉为正）为（）。 A. a F P 2 B. a F P C. a F P 3 D. a F P 3 - 答案：C 6、图示桁架中，B支座的反力 HB F等于（）。 A. 0 B. P F 3 - C. P F 5.3 D. P F 5 答案：D 7、图示结构的超静定次数为（）。 A. 1 B. 3 C. 4 D. 5
答案：B 8、图示对称结构的半边结构应为（ ）。 答案：C 二、填空题 1、图示桁架中，有 根零杆。 答案：10 2、图示为虚设的力状态，用于求C 、D 两结点间的 。 答案：相对水平位移 3、超静定刚架结构在荷载作用下采用力法求解时，当各杆EI 值增加到原来的n 倍时，则力法方程中的系数和自由项变为原来的 倍；各杆的内力变为原来的 倍。 答案： n 1 ；1 4、写出下列条件下，等截面直杆传递系数的数值：远端固定=C ，远端铰支=C ，远端滑动 =C 。 答案：2/1；0；1- 5、图示桁架中，有 根零杆。
结构力学求解器实验报告
结构力学上机实验报告 专业建筑工程 班级一班 学号xxx 姓名xx 20 年月日
一、用求解器进行平面体系几何构造分析 （桁架或组合结构） 报告中应包括以下内容： 求解过程 命令文档 分析结果 命令文档： 结点,1,0,0 结点,2,0,2.4 结点,3,1,1 结点,4,2,2.4 结点,5,2.8,0 结点,6,2.8,1 结点,7,3.6,2.4 结点,8,4.6,1 结点,9,5.6,2.4 单元,1,2,1,1,0,1,1,0 单元,2,3,1,1,0,1,1,0 单元,3,4,1,1,0,1,1,0 单元,2,4,1,1,0,1,1,0 单元,1,5,1,1,0,1,1,0 单元,5,6,1,1,0,1,1,0
单元,6,4,1,1,0,1,1,0 单元,1,3,1,1,0,1,1,0 单元,6,7,1,1,0,1,1,0 单元,7,9,1,1,0,1,1,0 单元,4,7,1,1,0,1,1,0 单元,7,8,1,1,0,1,1,0 单元,8,9,1,1,0,1,1,0 结点,10,5.6,0 单元,9,10,1,1,0,1,1,0 单元,10,8,1,1,0,1,1,0 单元,5,10,1,1,0,1,1,0 结点支承,10,1,0,0 结点支承,2,1,-90,0 结点支承,1,2,-90,0,0 分析结果：
二、用求解器确定截面单杆 插图 报告中应包括以下内容： 求解过程 命令文档： 结点,1,0,0 结点,2,0,6 结点,3,5,6 结点,4,10,6 结点,5,10,0 单元,1,2,1,1,1,1,1,1 单元,2,3,1,1,1,1,1,0 单元,3,4,1,1,0,1,1,1 单元,4,5,1,1,1,1,1,1 结点支承,1,2,-90,0,0 结点支承,5,2,0,0,0 单元荷载,3,3,1,0,1,90
《结构力学》实验课程——结构数值仿真-实验指导书(全套完整版)
《结构力学》实验课程结构数值仿真实验 实验教学指导书 土木工程学院结构实验中心 《结构力学》结构仿真实验指导书
1.实验内容 对《结构力学》课程中静定结构、超静定结构的内力、位移计算和结构影响线的基础上，采用结构数值的计算方法，通过计算软件完成同一结构的仿真分析，并将两种计算结果进行对比，找到数值分析方法和《结构力学》基本求解方法的差异，并对电算原理进行初探性学习。 2.实验目的 1）锻炼学生计算分析能力，激发学生的学习兴趣； 2）通过仿真试验可拓展专业课的教学空间,激发学生学习兴趣,增加教与学的互动性,使学生更多地了解复杂结构的试验过程,从而更深刻地理解所学《结构力 学》课程内容。 3）通过数值仿真计算和《结构力学》中解析法(力法、位移法等)，验证所学结构力学方法的正确性； 4）对电算原理及有限元理论有初步认识，并开始初探性学习； 3.实验要求 计算机，安装有MIDAS/civil等有限元计算软件。预习指导书和数值计算仿真过程录像。 二、实验指导内容 每个学生必须掌握的主要内容有： 1、连续梁结构仿真分析； 2、桁架结构仿真分析； 3、框架结构仿真分析； 4、影响线及内力包络图分析。 三、实验报告要求 1、每人一个题目，完成结构的《结构力学》的手算计算，手算计算需要详细，要求手
写在实验报告之中； 2、在完成上述手算工作后，进行结构数值仿真计算，描述重要操作过程； 3、结构数值仿真计算结果打印在实验报告之中； 4、将结构数值仿真计算结果与《结构力学》手算结果进行对照，误差分析；
初级课程: 连续梁分析 概述 比较连续梁和多跨静定梁受均布荷载和温度荷载（上下面的温差）时的反力、位移、内力。 3跨连续两次超静 定 3跨静定 3跨连续1次超静定 图 1.1 分析模型 ?材料 钢材: Grade3 ?截面 数值 : 箱形截面 400×200×12 mm ?荷载 1. 均布荷载 : 1.0 tonf/m 2. 温度荷载 : ΔT = 5 ℃ (上下面的温度差) 设定基本环境 打开新文件，以‘连续梁分析.mgb’为名存档。单位体系设定为‘m’和‘tonf’。 文件/ 新文件
最新结构力学作业答案
精品文档 [0729]《结构力学》 1、桁架计算的结点法所选分离体包含几个结点 A. 单个 2、固定铰支座有几个约束反力分量 B. 2个 3、从一个无多余约束的几何不变体系上去除二元体后得到的新体系是 A. 无多余约束的几何不变体系 4、两刚片用三根延长线交于一点的链杆相连组成 A. 瞬变体系 5、定向滑动支座有几个约束反力分量 B. 2个 6、结构的刚度是指 C. 结构抵抗变形的能力 7、桁架计算的截面法所选分离体包含几个结点 B. 最少两个 8、对结构进行强度计算的目的，是为了保证结构 A. 既经济又安全 9、可动铰支座有几个约束反力分量 A. 1个 10、固定支座(固定端)有几个约束反力分量 C. 3个 11、改变荷载值的大小，三铰拱的合理拱轴线不变。 A.√ 12、多余约束是体系中不需要的约束。 B.× 13、复铰是连接三个或三个以上刚片的铰 A.√
14、结构发生了变形必然会引起位移，结构有位移必然有变形发生。 B.× 精品文档． 精品文档 15、如果梁的截面刚度是截面位置的函数，则它的位移不能用图乘法计算。 A.√ 16、一根连杆相当于一个约束。 A.√ 17、单铰是联接两个刚片的铰。 A.√ 18、连接四个刚片的复铰相当于四个约束。 B.× 19、虚功原理中的力状态和位移状态都是虚设的。 B.× 20、带拉杆三铰拱中拉杆的拉力等于无拉杆三铰拱的水平推力。 A.√ 21、瞬变体系在很小的荷载作用下会产生很大的内力，所以不能作为结构使用。 A.√ 22、一个无铰封闭框有三个多余约束。 A.√ 23、三铰拱的水平推力不仅与三铰的位置有关，还与拱轴线的形状有关。 B.× 24、三铰拱的主要受力特点是：在竖向荷载作用下产生水平反力。 A.√ 25、两根链杆的约束作用相当于一个单铰。 B.× 26、不能用图乘法求三铰拱的位移。 A.√ 27、零杆不受力，所以它是桁架中不需要的杆，可以撤除。 B.×
《结构力学》在线作业一1
《结构力学-1》在线作业一-0001 试卷总分:100 得分:0 一、单选题 (共 15 道试题,共 75 分) 1.三个刚片用不在同一直线上的三个铰两两铰联，组成的体系（） A.几何可变、有多余约束 B.几何可变、没有多余约束 C.几何不变、有多余约束 D.几何不变、没有多余约束 正确答案:D 2.制造误差虽然不一定使结构都产生应力和应变，一般来说都（）使结构产生位移。 A.不会 B.会 正确答案:B 3.两个刚片用不交于一点也不互相平行的三根链杆相联结，则所组成的体系是（） A.几何可变、有多余约束 B.几何可变、没有多余约束 C.几何不变、有多余约束 D.几何不变、没有多余约束 正确答案:D 4.在不考虑材料的应变的假定下，其几何形状和位置可以改变的体系称为（） A.静定结构 B.超静定结构 C.几何可变体系 D.几何不变体系 正确答案:C 5.有多余约束的几何不变体系有（）个静力解答 A.1 B.2 C.3 D.无数 正确答案:D 6.材料收缩虽然不一定使结构都产生应力和应变，一般来说都（）使结构产生位移。 A.不会 B.会
正确答案:B 7.无多余约束的几何不变体系，有（）个静力解答 A.1 B.2 C.3 D.无数 正确答案:A 8.按照几何观点，下列不属于结构类型之一的是（） A.杆件结构 B.薄壁结构 C.实体结构 D.钢结构 正确答案:D 9.去掉一个铰支座或联结两刚片的单铰，这相当于去掉两个约束 A.1 B.2 C.3 D.4 正确答案:B 10.刚架是由若干直杆，部分或者全部用（）节点联结而成的一种结构 A.刚节点 B.铰节点 正确答案:A 11.用于虚设的力状态与实际位移状态之间的虚功原理称为（） A.虚位移原理 B.虚力原理 正确答案:B 12.恒载作用下使拱处于无弯矩状态的轴线称作（） A.合理拱轴线 B.最优轴线 正确答案:A
结构力学一复习题
结构力学一复习题 结构力学在土木工程专业中占有极为重要的地位，在它之前开设的专业基础课有《理论力学》（考试）和《材料力学》（考试），之后将开设专业基础课《弹性力学》（或《弹塑性力学》）（考查），专业课《钢筋混凝土结构》、《钢结构》（或《钢、木结构》，从课程设置上我们就 可以认识到结构力学课程的重要地位。 其次，从结构的概念——建筑物和工程设施中承受、传递荷载而其骨架作用的部分成为 工程结构、简称结构。我们可以看出结构在民用和军用设施中都是无处不在的，我院作为全军工程兵的最高学府，工程兵的八大专业：桥梁、道路、渡河、地雷、爆破、筑城、伪装、 机械，有四大专业：桥梁、道路、爆破、筑城是直接构筑在结构力学之上的，其他的四个专 业也都与结构力学密不可分。 再者，力学是一个完整的知识体系，其基础或者说基本部分就是我们在本科阶段所需要 学习的《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》、《弹性力学》（或《弹塑性力学》）。一般的，同志们习惯将《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》称为“三大力学”，但是，按照笔者观点，此种分法有失精确，理由如下：《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》、《弹性力学》虽同为基础力学，有密切的联系，但《理论力学》着重讨论物体机械运动的基本规律，而其 余三门力学《材料力学》、《结构力学》、《弹性力学》着重讨论结构及其构件的强度、刚度、 稳定性和动力反应等问题，其中材料力学以单个杆件为研究对象，结构力学以杆件结构（体系）为主要研究对象，弹（塑）性力学以实体合办乔结构为主要研究对象。从教材内容上这 一点也可以得到很明显的体现（内容有待扩展） 通过以上的介绍，我们明确了结构力学的研究对象、研究方向，明确了结构力学在力学 中所处的位置，明确了学好结构力学的重要性。下面就要具体介绍结构力学的有关内容。 首先要从结构的分类说起，从几何角度来看，结构可分为三类： 1．杆件结构——这类结构是由杆件所组成。杆件的几何特征是横截面尺寸要比长度小 得多。梁、拱、桁架、刚架是杆件结构的典型形式。 2．板壳结构——这类结构也称为薄壁结构。它的厚度要比长度和宽度小得多。房屋中 的楼板和壳体屋盖、水工结构中的拱坝都是板壳结构。 3．实体结构——这类结构的长、宽、厚三个尺度大小相仿。水工结构中的重力坝属于 实体结构。 狭义的结构往往指的就是杆件结构，而通常所说的结构力学就是指杆件结构力学。 结构力学的任务是根据力学原理研究在外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形， 结构的强度、刚度、稳定性和动力反应，以及结构的组成规律。具体地说，包括以下几个方 面： （1）讨论结构的组成规律和合理形式，以及结构计算简图的合理选择； （2）讨论结构内力和变形的计算方法，进行结构的强度和刚度的验算： （3）讨论结构的稳定性以及在动力荷载作用下的结构反应。 结构力学问题的研究手段包含理论分析、实验研究和数值计算三个方面。实验研究方法的内容在实验力学和结构检验课程中讨论，理论分析和数值计算方面的内容在结构力学课程 中讨论。 在结构分析中，首先把实际结构简化成计算模型，称为结构计算简图；然后再对计算简 图进行计算。结构力学中介绍的计算方法是多种多样的，但所有各种方法都要考虑下列三方 面的条件： （1）力系的平衡条件或运动条件； （2）变形的几何连续条件；
结构力学实验报告
广西大学土木建筑工程学院 结构力学II（上机）实验分析报告 专业：土木工程（建工） 班级： 学号： 姓名： 成绩评定： 批阅日期： 教师签名：
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 实验报告四⑤多层框架结构的内力、动力、稳定计算 说明： ㈠以上四个实验属综合性实验，涉及到有关《结构力学》课程的多个知识点，其要求和主要目的如下： 1.掌握杆系结构计算的《结构力学求解器》的使用方法。 包括：⑴建立数据文件； ⑵运行； ⑶会利用结果文件查错； ⑷能对输出结果判断对错。 2.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。 3.掌握对杆件结构内力及变形、动力特性、稳定临界荷载、塑性极限荷载的计算。 ㈡“结构力学II课程上机实验”采用的软件清华大学研制的《结构力学求解器》，使用方法参照教材。㈢要求每个学生提交一份实验报告。
实验报告一 平面刚架内力计算程序APF 日期： 2015.5.20 实验地点： 综合楼 实验目的： (1)分析构件刚度与外界温度对结构位移的影响，如各杆刚度改变对内力分布的影响、温度因数对内力分布的影响。 (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《结构力学求解器》的使用方法。通过实验加深对静定、超静定结构特性的认识。 实验设计1： 计算图示刚架当梁柱刚度 12I I 分别为15、1 1 、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（ 1 2 I I ）之间的关系。(计算时忽略轴向变形)。 一、 数据文件： (1)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,1,6,0,0,0,0 结点支承,4,6,0,0,0,0 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
结构力学
1、结构按其几何形状可分为杆件结构、薄壁板壳结构和实体结构。 2、结构力学的研究对象是杆件结构。它是一门研究杆件结构强度、 刚度、稳定性和合理组成的科学。 3、杆件结构按其受力特性可分为梁、拱、刚架、桁架、组合结构。 4、结点分为铰结点和刚结点。铰结点之产生杆端轴力和剪力，不引 起杆端弯矩；刚结点除产生杆端轴力和剪力，还引起杆端弯矩，当结 构发生变形时，汇交于刚结点各杆端的切线之间的夹角将保持不变。 5、支座的类型：可动铰支座、固定铰支座、固定支座、定向滑动支座。 6、本来是几何可变，经微小位移后又成几何不变的体系称为几何瞬变体系。 7、顺便体系能否应用于工程结构？P8 可见，即使荷载不大，也会使杆件产生非常大的内力和变形。因此， 瞬变体系在工程中不能采用，对于接近瞬变的体系也应避免。 8、凡减少一个自由度装置，称一个约束。一根链杆相当于一个约束； 一个单铰相当于两个约束；一个刚性联结相当于三个约束；联结n个 刚片的复铰相当于（n-1）个单铰（n为刚片数） 9、以刚片作为组成体系的基本部件进行计算的方法称为刚片法。 10、计算自由度W W=3m-2h-r （m刚片数 h 联结刚片的单铰数目 r 支座链杆数目） 11、平面体系几何不变的必要条件：W＞0,表明体系缺少足够的约束， 因此是几何可变的；W=0，表明体系具有成为几何不变所必须的最少 约束数目；W＜0，表明体系具有多余的约束。 12、体系本身为几何不变时必须满足W≤3的条件。必须指出，W≤0 只是几何不变的必要条件，不是充分条件。 13、静定结构与超静定结构的区别：静定结构的几何组成特征是几何 不变且无多余约束；超静定结构的几何组成特征是几何不变且有多余 约束；仅用静力平衡条件就可以求解的结构称为静定结构；综合运用 平衡条件与位移协调条件求解的结构，称为超静定结构。 14、内力图绘制：梁上无荷载（q=0）的区段，Q图为一水平线，M图 为一斜直线；梁上有均布荷载（q=常数）的区段，Q图为一斜直线，M 图为二次抛物线；集中力作用点的两侧，剪力有突变，其差值等于该集 中力，在集中力作用点处，M图是连续的，但因集中力偶两侧的剪力值 相同，所以两侧M图的切线应相互平行；集中力偶作用处，剪力无变化， 但在集中力偶两侧弯矩有突变，其差值等于该集中力偶，在M图中形成 台阶，又因集中力偶两侧的剪力值相同，所以两侧M图的切线应相互平行。 15、单跨静定梁有简支梁、外伸梁和悬臂梁三种形式。 16、从几何组成特点来分析，多跨静定梁可分为基本部分和附属部分。 17、表示多跨静定梁各部分之间的支承关系的图称为层叠图。 18、从传力关系上看，多跨静定梁的计算次序是先计算附属部分，后计算 基本部分。 19、多跨静定梁中间铰处弯矩均为零，这是因为中间铰不能传递弯矩，但 可以传递剪力。 20、多跨静定梁与多跨简支梁相比的优缺点：多跨静定梁与多跨简支梁相 比较有弯矩小且分布较均匀的特点，缺点是中间铰处构造比较复杂，且若 基本部分破坏，则支承其上的附属部分也将随之倒塌。 21、刚架是由直杆组成的具有刚结点的结构。 22、从变形角度看，变形前后各杆端之间的夹角是保持不变的；从内力 角度看，刚结点往往使得杆件的内力分布变得均匀一些，由于刚结点能 承受弯矩，故使横梁跨中弯矩的峰值得到消减。 23、在竖向荷载作用下，会产生水平反力的曲杆结构称为拱。 24、拱与梁不仅是外形不同，更重要的是拱在竖向荷载作用下产生水平 反力，这种水平反力也称推力。 25、由于水平推力的存在，拱中各截面的弯矩比曲梁式简支梁的弯矩小 得多，这种拱成为一种以受压为主的结构。 26、拱高与跨度之比称为矢跨比或高跨比。 27、我们把在已知荷载作用下拱截面上只有轴向压力的拱轴线称为 合理拱轴线。 28、桁架：有直杆组成，所有结点都为铰结点，当只受到作用于结 点的集中荷载时，各杆只产生轴力、 29、按照桁架的几何组成分为简单桁架、联合桁架和复杂桁架。 30、桁架计算内力的方法：结点法和截面法。 31、在分析桁架的内力时，截取桁架的结点为隔离体，利用各结点 的静力平衡条件来计算杆件的内力或支座反力，这种方法称为结点法。 32、结点法计算桁架的顺序：先由整体平衡条件求出其反力，然后再 利用从最后的结点开始，依次倒算回去，即可顺利的利用静力平衡条 件求的各杆件的内力。 33、组合结构：由桁架和梁或桁架与刚架组合在一起的结构，其中有些 杆件只承受轴向力，另一些杆件则同时还承受弯矩和剪力。 34、组合结构能充分发挥桁架和梁各自的优点。质量轻、施工方便，可 采用各种力学性能不同的材料建造，能承受较大的荷载，常为各种跨度 的建筑物采用。 35、移动荷载：大小、方向不变，荷载作用点改变的荷载。