关于静态结构和静态否定结构工程上的应用的讨论

  摘要:超静定结构具有多余约束会使得结构更加稳定,而静定结构属于无多余约束的几何不变体系。在工程实例中超静定结构运用较多,但这并不表示在所有情况下超静定结构都会比静定结构经济、合理。以两跨连续梁和两跨静定梁为算例,分别求出在均布荷载、温度变化以及支座沉降三个不同工况下两者的变形和内力分布。通过比较和分析可知,任何事物都具有两面性,对温度变化、制造误差以及支座沉降敏感的结构中,采用静定结构比超静定结构更为适合。

  关键词: 静定结构; 超静定结构; 多跨静定梁

 

  超静定结构为有多余约束的几何不变体系,内力和变形分布比较均匀,且结构自身有较强的防护能力,在某些多余约束被破坏后,结构仍能维持几何不变性。因此,超静定结构在常见的工程结构中非常普遍,如连续钢构桥、框架结构房屋等。普遍认为,超静定结构有多余约束,会使得结构更稳定,而静定结构属于无多余约束的几何不变体系,不适宜用作实际工程结构。通过结构力学知识可知,在没有荷载作用时,静定结构支座反力和内力均为零,而超静定结构在存在温度改变、支座移动、材料伸缩和制造误差等因素时,结构内部会产生自内力[1 ,2]。在某些情况下,这种自内力的存在对结构影响是非常大的。所以,在某些特定情况下,静定结构要比超静定结构更加适用于实际工程。孙峰和闫维明等人[3]考虑静定结构在使用和维修阶段的特性,对静定结构的整体优化设计进行了讨论。刘秋实[4]对静定结构与超静定结构在生活中的应用情况作了简单分析,但没有具体比较静定结构与超静定结构适用的工程结构类型。对静定结构与超静定结构在工程应用上的优缺点进行对比分析,可对结构选型和结构设计提供有益指导。

  1 工程运用选型简介

  实际工程中常见的超静定结构类型有超静定梁、超静定桁架、刚架以及超静定组合结构等。超静定连续梁桥以其整体性好、结构刚度大、变形小、抗震性能好以及主梁变形挠曲线平缓等优点,在高等级公路中应用广泛。房屋建筑结构中的多层多跨刚架,在结构设计中习惯称之为框架结构,属于典型的超静定钢架结构。超静定刚架也常应用于看台等构件,如意大利弗拉米尼欧体育场,其看台由钢筋混凝土刚架支撑,雨篷由带悬臂的刚架和倾斜钢管支柱做支撑,以强大的支撑体系来保证结构具有足够的刚度和稳定性。几种典型的静定结构有静定梁、静定刚架、静定三铰拱、静定桁架和静定组合结构等。公交站台的雨棚是用刚性结点连接的三根直杆所组成的 T 字结构,柱子固定于基础中,属于典型的静定刚架结构。北京颐和园昆明湖上的十七孔桥就是由十七个静定三铰拱所构成,单个桥跨的破坏不会引起整个桥体的连续倒塌[5]。静定三铰拱和静定桁架结构在制造误差和温度改变作用下均不会产生内力,也常用作对温度敏感的大跨度房屋屋盖结构,如大型商场、礼堂和展览馆等。陕西秦始皇兵马俑展览馆屋盖体系很好的利用了三铰刚拱架的静定特性,既实用又美观。

杜友福,袁葵,辛明明     武汉理工大学土木工程与建筑学院