（每日一题）平面杆系结构力学求解器

摘要：《建筑力学与结构》课程是建筑工程技术专业的专业核心课程。 这也是一门非常重要但又困难的课程。 结构力学求解器的使用可以帮助学生解决结构力学中的一些分析和计算。 对学生学习有实际意义的问题。 同时，结构力学求解器易学易用，可用于常规教学过程。

关键词：结构力学内力计算 结构力学求解器

1 结构力学求解器简介

结构力学求解器由清华大学结构力学教研室开发。 它是一款供学生、教师和工程技术人员使用的计算机辅助软件。 它可以帮助学生解决问题和检查计算，并可以帮助教师演示结构的应力和位移状态。 还可以协助工程技术人员进行设计。 [1]

该求解器主要适用于平面杆结构，因此只要将实际结构简化为平面杆结构，就可以通过结构力学求解器进行求解。 可分析结构的几何结构、内力、位移、影响线、自由振动、弹性稳定性和极限荷载。 [2]

虽然求解器很小，但它可以求解多种工程结构，例如梁、拱、框架和桁架。 用求解器分析和求解问题的过程是：建立结构模型——输入载荷——求解。 结构力学求解器非常好。 具有人机交互功能，用户可以通过各种菜单输入命令，也可以直接在编辑窗口中输入各种命令，特别适合初学者。

求解器强大的求解功能为结构提供了计算机数值实验平台，可以帮助学生进行力学计算。 特别是对于基础薄弱、学习能力差的职业院校学生来说，这个软件更需要推广和使用。 求解器推出的最大意义在于其对教学改革的推动。 传统结构力学基本面向手工计算，内容体系明显受到计算方法的限制。 例如：几何组成分析中的三角法则、位移计算中的图乘法、以静定结构为基本体系的力法、力矩分布法等。这些方法很难应用于工程中大型结构的分析，使得学生很难对大型结构的力学性能有更直观的感受和实践体验。 求解器的出现提供了打破这种局面的可能性。 性别。

2 结构力学求解器的应用

许多高职院校越来越注重实践教学，培养学生的技能，培养实用型人才。 在建筑工程技术领域，虽然更多的学生会选择建筑工作，进入设计院的学生较少，但必要的力学计算技能和结构知识是必不可少的。 可以说，能够掌握内力的分布和必要的结构知识，对于提高施工质量有很大帮助。 然而，结构知识很容易找到。 即使学生毕业后，也可以通过各种规范找到相关要求。 然而，即使在课堂上花费大量时间，通过自学也很难完成力学分析计算。 虽然需要时间去解释，但相当多的学生仍然不能很好地理解，有的当时能理解，但毕业前就全部忘记了。 相对而言，学生掌握计算机要容易得多，学习兴趣也大。 通过实践教学发现，课堂讲解内力计算时，学生学习积极性不高。 一方面是因为他们的基础薄弱，对通用位面力系统缺乏了解。 他们不知道如何分析或深入理解平衡原理并通过建立平衡方程来解决它们。 另一方面，学生本身对计算也有一种“恐惧”。 不管数字多么麻烦，学生基本上都不愿意计算。 但在机房给学生讲解力学求解器时，基本上所有学生都会跟着操作，并积极提问。 他们学习的积极性很高。 尤其是成功解决问题后，学生会有一种成就感，这对后续的学习很有帮助。 有用。 利用学生的计算机专业知识，利用结构力学求解器软件，帮助学生成功完成从机械计算到工程应用的过渡。 近年来的教学实践证明力学求解器是一种很好的教学工具。 下面以伸出梁的设计为例，讲解结构力学求解器在《建筑力学与结构》课程教学中的应用。

主题：钢筋混凝土延长梁的设计

资料：砖墙支撑的钢筋混凝土延伸梁（图1）拟采用混凝土强度等级C25、纵向承重钢筋、箍筋、结构钢筋。 试设计梁并绘制其加固细节。 相关数据详见下表，未考虑地震因素。

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注：l1——梁的简支跨度； l2——梁的延伸跨度； q1——简支跨活荷载设计值； q2——大跨活荷载设计值； g——来自地面的荷载 永久荷载设计值（不包括自重）。

梁侧和梁底抹灰分别为20mm厚的水泥砂浆和石灰砂浆。

任务主导型教学已在多所高校推广。 这种教学方式面向实际工作过程，培养学生的实践能力，同时让学生学以致用，理解知识的作用，体验学习。 的兴趣和重要性。 在《建筑力学与结构》课程中，通过课程整合，将力学与结构结合起来，以梁、板作为典型的受弯构件。 以实际结构设计流程为指导，以支腿梁设计为任务，分为截面尺寸确定、荷载计算、内力计算、配筋计算、结构施工图绘制、钢材六大流程棒材切割长度计算。 逐步解释练习。 省略了截面尺寸确定和载荷计算两个步骤，可以直接观察力学求解器在内力计算过程中的应用效果。

经计算，在上述给定条件下悬梁有恒载g=42.12kN/m，活载两种情况，简支跨q1=30kN/m，外伸跨q2=

100kN/m，共有三种荷载组合，计算结果如图2所示。

通过比较三个计算结果，得到最大弯矩和剪力，用于后续的加固计算。 如果你手工计算的话，你会发现过程比较复杂。 首先需要利用平衡原理计算支撑反力，然后利用截面法、定律法、面积法等常用方法求解弯矩和剪力。 数据有小数点，增加了计算的难度和准确性。 另一方面，有些学生根本不擅长手工计算，在完成支腿梁的设计时可能会卡在这一步。 然而，如果没有内力计算的数据，后续的设计步骤就无法完成。 同时，这三种组合对应的计算图仅数据不同，其他条件不变。 这时候使用结构力学求解器就会非常简单。

通过输入数据，熟练使用力学求解器的同学会发现，只需要建模一次，然后只需修改载荷工况中的载荷大小数据即可快速求解三种组合，计算结果又准确又快速。 完成内力的计算会让学生有一定的成就感。 后续的配筋计算、结构施工图、钢筋测量等流程都比较容易掌握，教学可以继续进行。

教学实践表明，将结构力学求解器引入结构力学教学中，提高了力学教学效率，激发了学生学习结构力学的兴趣，加强了学生对结构力学基本概念和原理的理解，大大提高了解决问题的速度。

3 结论

使用结构力学求解器分析实际结构时，首先必须将其简化为理想的计算图。 实际结构上的力与计算图相符。 这使得可以轻松快速地了解实际结构的真实应力状态。 在实际教学中，也发现了一些问题。 当学生将实际结构绘制成计算图时，他们会遇到支撑的处理、节点之间的连接方法、计算长度的计算以及荷载的处理等问题。 例如，无论节点是刚性连接还是铰接，两种不同连接方式的计算结果将完全不同：刚性连接点处必然存在弯矩，而铰接点处弯矩一般为零（除了集中的时刻）。 。 有时建模错误可能会导致变量系统根本无法解决。 因此，使用求解器计算的前提是正确建立模型。 这些环节直接影响计算结果的准确性。 虽然熟练使用软件，但如果不懂最基本的力学知识，就只能是一名软件操作员，无法满足建筑工程技术专业人才的教学要求。 通过使用结构求解器对教材中的实例问题进行分析计算，学生深入了解实际结构中由于节点和支撑简化不同而引起的内力差异，从而掌握简化实际结构的方法。结构成理想的简化图。

最后，我们要明白，一些类似于求解器的软件只是一种学习工具，在学习和工作过程中并不能代替纸笔计算。 只有基础知识打牢了，才能深入理解所涉及的原理，而基础知识的熟练只能通过纸笔计算来实现。 软件不能完全替代体力劳动。 在结构力学软件的实际应用中结构力学求解器，还需要对变形连续条件等约束边界条件进行人工验证。 因此，掌握基础知识是非常有必要的。 对于机械知识的掌握，理解是最本质的要求。

参考：

[1] 袁斯，叶康生，袁征。 结构力学求解器算法与性能[J]. 工程力学，2001（A1）。

[2] 龙雨秋. 结构力学Ⅰ[M]． 北京：高等教育出版社，2006。

[3]杨宁夏. 浅谈建筑力学与结构课程改革[J]. 山西建筑，2010（16）。

关于作者：

卢巧玲（1985-），女，湖北麻城人，本科，讲师，主要从事建筑力学与结构方面的工作和研究。