结构分析

结构分析是固体力学的一个分支，它使用简化的实体模型来进行工程决策。 其主要目的是确定载荷对物理结构及其组件的影响。 与弹性理论相反，结构分析中使用的模型通常是一个空间变量的微分方程。 进行此类分析的结构包括所有必须承受载荷的结构，例如建筑物、桥梁、飞机和船舶。 结构分析使用应用力学、材料科学和应用数学的思想来计算结构的变形、内力、应力、支撑反作用力、速度、加速度和稳定性。 分析结果用于验证结构的适用性，通常排除物理测试。 因此，结构分析是结构工程设计的关键部分。

结构是指用于支撑负载的连接部件的主体或系统。 与土木工程相关的重要示例包括建筑物、桥梁和塔楼； 在工程的其他分支中，船舶和飞机框架、坦克、压力容器、机械系统和电气支撑结构很重要。 要设计结构，工程师必须考虑其安全性、美观性和适用性，同时考虑经济和环境限制。 工程的其他分支在各种各样的非建筑结构上工作。

结构系统是结构元素及其材料的组合。 对于结构工程师来说，通过识别构成该结构的各种元素，能够根据结构的形式或功能对结构进行分类非常重要。 通过材料引导系统力的结构元件不仅有连杆、桁架、梁或柱，还有索、拱、空腔或通道，甚至角、面结构 , 或者一个框架。

一旦定义了结构的尺寸要求，就有必要确定结构必须承受的载荷。 因此，结构设计从指定作用在结构上的载荷开始。 结构的设计荷载通常在建筑规范中指定。 有两种类型的规范：一般建筑规范和设计规范，工程师必须满足规范的所有要求才能使结构保持可靠。

结构工程在设计中必须遇到两种类型的载荷。 xxx种类型的载荷是静载荷，由各种结构构件的重量和xxx连接到结构上的任何物体的重量组成。 例如，柱、梁、梁、楼板、屋顶、墙壁、窗户、管道、电气装置和其他杂项附件。 第二种类型的荷载是活荷载，其大小和位置各不相同。 有许多不同类型的活荷载，如建筑荷载、公路桥梁荷载、铁路桥梁荷载、冲击荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载和其他自然荷载。

要执行准确的分析，结构工程师必须确定结构载荷、几何形状、支撑条件和材料特性等信息。 这种分析的结果通常包括支座反作用力、应力和位移。 然后将此信息与指示故障条件的标准进行比较。 高级结构分析可以检查动态响应、稳定性和非线性行为。

分析有三种方法：材料力学方法、弹性理论方法和有限元方法。 前两个使用分析公式，这些公式主要应用简单的线弹性模型，导致封闭形式的解决方案，并且通常可以手动解决。 有限元法实际上是求解弹性理论、材料强度等力学理论所产生的微分方程的数值方法。 然而，有限元法在很大程度上依赖于计算机的处理能力，更适用于任意大小和复杂的结构。

无论采用何种方法，该公式都基于相同的三个基本关系：平衡、构成和相容性。 当这些关系中的任何一个仅近似满足或仅近似现实时，解决方案是近似的。

每种方法都有明显的局限性。 材料力学方法仅限于在相对简单的载荷条件下非常简单的结构元件。