《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/m2. 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/ 新文件文件/ 存档(连续梁分析 )工具 / 单位体系长度> m ; 力 > tonf↵图 1.2 设定单位体系设定结构类型为 X-Z 平面。
模型 / 结构类型结构类型> X-Z 平面↵设定材料以及截面材料选择钢材GB（S）（中国标准规格），定义截面。
模型 / 材料和截面特性 / 材料名称( Grade3)设计类型 > 钢材规范> GB(S) ; 数据库> Grade3 ↵模型 / 材料和截面特性 / 截面截面数据截面号( 1 ) ; 截面形状 > 箱形截面;用户：如图输入 ; 名称> 400×200×12 ↵图 1.3 定义材料 图 1.4 定义截面建立节点和单元为了生成连续梁单元，首先输入节点。
正面,捕捉点 (关), 捕捉轴线 (关)捕捉节点 (开), 捕捉单元 (开),自动对齐模型 / 节点 / 建立节点坐标 ( x, y, z ) ( 0, 0, 0 ) ↵图 1.5 建立节点选择“数据库”中的任意材料，材料的基本特性值（弹性模量、泊松比、线膨胀系数、容重）将自动输出。
参照用户手册的“输入单元时主要考虑事项”用扩展单元功能来建立连续梁。
模型 / 单元/扩展单元全选扩展类型 > 节点 线单元单元属性> 单元类型 > 梁单元材料 > 1:Grade3 ; 截面> 1: 400*200*12 ; Beta 角 ( 0 ) 生成形式> 复制和移动 ; 复制和移动 > 任意间距方向> x ; 间距 ( 3@5/3, 8@10/8, 3@5/3 )图 1.6 建立单元XZ输入梁单元. 关于梁单元的详细事项参照在线帮助的 “单元类型”的 “梁单元” 部分输入边界条件3维空间的节点有6个自由度 (Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz)。
但结构类型已设定为X-Z平面（程序将自动约束Y方向的位移Dy和绕X轴和Z轴的转动Rx,Rz），所以只剩下3个自由度 (Dx, Dz, Ry)。
铰支座约束自由度Dx, Dz, 滚动支座约束自由度 Dz。
模型 /边界条件 / 一般支承节点号 (开)单选(节点 : 4 )选择>添加 ; 支承条件类型 > Dx, Dz (开) ↵单选(节点: 1, 12, 15 ) ;支承条件类型 > Dz (开) ↵图图1.7 输入边界条件输入荷载定义荷载工况为输入均布荷载和温度荷载，首先定义荷载工况荷载 / 静力荷载工况名称 (均布荷载) ; 类型 > 用户定义的荷载（USER）名称 (温度荷载) ; 类型 > 用户定义的荷载（USER）图1.8输入荷载条件输入均布荷载给连续梁施加均布荷载 1 tonf/m 。
荷载 / 梁单元荷载（单元）节点号 (关) 全选荷载工况名称> 均布荷载 ; 选择 > 添加荷载类型>均布荷载 ; 方向>整体坐标系 Z ; 投影>否 数值 >相对值 ; x1 ( 0 ) ; x2 ( 1 ) ; W ( -1 )图 1.9 输入均布荷载荷载方向与整体坐标系Z 轴方向相反，输入荷载为“-1”。
输入温度荷载输入连续梁的上下面温度差(ΔT = 5℃)。
输入温度差后，根据材料的热膨胀系数、温差引起的梁截面产生的应力考虑为荷载。
显示梁单元荷载（关）荷载 / 温度梯度荷载全选荷载工况名称> 温度荷载 ; 选择 > 添加 ; 单元类型> 梁温度梯度 > T2z-T1z ( 5 )图 1.10 输入温度荷载复制单元复制连续梁(模型 1)来建立多跨静定梁(模型 2,模型 3)。
为了同时复制连续梁(模型1)均布荷载、温度荷载、边界条件，使用复制节点属性和复制单元属性功能。
显示边界条件>一般支承 (开)模型 / 单元 / 单元的复制和移动全选形式 > 复制 ; 移动和复制 > 等间距dx, dy, dz ( 0, 0, -5 ) ; 复制次数( 2 )复制节点属性 (开),复制单元属性 (开)模型1模型2模型3图 1.11 复制单元输入铰接条件在复制的连续梁输入内部铰支座来建立多跨静定梁。
在梁单元的端部使用释放梁端约束功能来生成铰接条件。
模型 / 边界条件/释放梁端约束 单元号(开)单选 ( 单元 : 19, 23, 33 )选择 > 添加/替换选择释放和约束比率 > j-节点 > My (开), Mz (开)(或)图 1.12 输入铰支支座运行结构分析对连续梁和多跨静定梁运行结构分析。
分析 / 运行分析模型 1 模型 2 模型 3 关于内部铰支的详细说明参照在线帮助的“释放梁端约束” 部分 生成梁单元时，随着先指定的i 节点和后指定的j 节点的生成决定坐标系。
只要在图标菜单显示的单元表单下打开单元坐标轴和局部方向就可以确认。
查看分析结果查看反力比较均部荷载作用下连续梁和多跨静定梁的反力。
单元号(关)显示边界条件 > 一般支承 (关), 释放梁端约束(开) ↵结果 / 反力和弯矩荷载工况/荷载组合> ST:均布荷载 ; 反力 > FXYZ显示类型 > 数值(开),图例(开)数值小数点以下位数( 1 ) ; 指数型(关) ; 适用于选择确认时(开) ↵图 1.13 均布荷载引起的反力以表格的形式查看均布荷载引起的的反力。
比较外荷载总合和反力的总合来查看模型的建立和荷载的输入是否恰当。
例题Z轴方向荷载为1.0 tonf/m2×20 m×3 = 60 tonf，与表格中Z轴方向的反力（FZ）总和相等。
结果 / 分析结果表格 / 反力荷载组合> 均布荷载(ST) (开) ; 温度荷载(ST) (关) ↵图 1.14 反力结果表格比较对温度荷载的反力。
结果 / 反力和弯矩荷载工况/荷载组合> ST:温度荷载 ; 反力 > FXYZ显示类型> 数值 (开),图例(开)模型1模型3图 1.15 温度荷载产生的反力查看变形图查看温度荷载产生的变形图。
DXZ=22DZ DX +.显示边界条件 > 一般支承 (开) ↵结果 / 变形 / 变形形状荷载工况/荷载组合 > ST:温度荷载 ; 变形 > DXZ显示类型>变形前 (开), 图例 (开) ↵图 1.16 温度荷载产生的变形图模型 1模型 2 模型 3查看内力查看均布荷载产生的结构的弯矩。
结果 / 内力 / 梁单元内力图荷载工况/荷载组合> ST:均布荷载; 内力 > My选择显示 > 5 点;不涂色;系数 ( 2.0 )显示类型> 等值线 (开), 数值 (开), 图例 (开)数值小数点以下位数( 1 ) ; 指数型(关) ; 适用于选择确认时(开)多跨静定梁(模型 2)与连续梁(模型 1)相比，可以看出跨中弯矩减小，但支点弯矩增大的情况。
还可以看出，设有一个铰的多跨静定梁（模型3）的铰支点弯矩与（模型2）类似，无铰部分的弯矩与（模型1）类似。
图 1.17 节点荷载产生的弯矩查看温度荷载产生的弯矩。
温度荷载产生的变形图(图1.16)中，可以看出模型2两边的悬臂梁与中间的简支梁的变形是相互独立的。
温度荷载不会约束梁的变形，所以也不会产生内力。
结果 / 内力 / 梁单元内力图荷载工况/荷载组合> ST:温度荷载; 内力 > My显示选项 > 精确解;不涂色;放大 ( 2.0 )显示类型 >等值线 (开), 数值 (开)数值小数点以下位数( 1 ) ; 指数型(关) ; 适用于选择确认时(开)图 1.18 温度荷载产生的弯矩图习题1. 请查看如下图相同跨径的简支梁，多跨静定梁，连续梁及支点部分加强的梁的正弯矩依次减小，而负弯矩依次增大。
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