石家庄铁道大学 结构力学 平面刚架静力分析的程序设计上机作业

结构矩阵分析程序设计上机作业
专业桥梁工程
班级试桥梁17
姓名聂嘉瑜
指导老师符立勇
2020年5月30日
结构矩阵分析程序设计上机作业
（作业要求打印原题目、结果输出文件，画出最后内力图）
一、调试frame程序，并验证程序的正确性1．验证程序正确性。

教材例2.1，与教材结果相比较；
Plane Frame Structural Analysis
***********************************
Input Data
================
Structural Control Data
---------------------------------
nn ne nf nd ndf npj npe n
4 3 2 1 2 1 3 6
Nodal Coordinates
-----------------------------
Node x y
1 4 4
2 8 4
3 0 4
4 4 0
Element Information
--------------------------------
ELe.No. jl jr ea ei al
1 1 3 2e+006 64000 4
2 1 2 2e+006 64000 4
3 1
4 2e+006 64000 4
Nodal Load
----------------------
i mj xd yd md
1 1 0 0 80
Element Loads
--------------------------
i mf ind aq bq q1 q2
1 1
2 0 4 30 30
2 2 1 2 0 -100 0
3 3 1 2 0 80 0
Boundary Conditions
------------------------------------
i ibd bd
1 4 0
2 5 0
Output Data
=================
nodal displacement
----------------------------------
Node No. u v fai
1 5.02153e-005 -0.000260503 0.000450745
2 2.51077e-019 1.25595e-019 -0.00110431
3 0 0 0
4 0 0 0 Element No.& Menber-End Force:
----------------------------------------------------------
Ele No. n(l) q(l) m(l) n(r) q(r) m(r)
1 -25.1077 -67.6919 62.5956 25.1077 -52.3081 -31.8282
2 25.1077 62.5595 -50.2382 -25.1077 37.4405 -
2.13163e-014
3 130.251 -50.2153 67.6425 -130.251 -29.7847 -26.7813
二、利用调试好的frame程序，计算下列各
题
1．利用程序计算教材第二章课后习题2.8；
解：
1.数据准备与输入
对结构的结点、单元编号，并取结构坐标系如图所示。

根据程序中数据输入的顺序（子程序input1中的fin语句）进行数据准备和输入（单位KN;m）：
（1）控制数据：
结点总数： nn=4
固定支座总数 nf=0
可动支座总数 nd=2
可动支座中的约束总数 ndf=5
单元总数 ne=3
有直接结点荷载的结点数 npj=2
有非结点荷载的单元数 npe=2
（2）结点结构
（3）各单元始末端结点号及EA、EI值
（4）直接结点荷载
（5）非节点荷载
（6）可动支座中的约束条件
根据上面的准备，在数据文件fr.txt中将其输入，其填写格式如下：4 3 0 2 5 2 2
1 0 0
2 0 4
3 6 4
4 6 0
1 1
2 7.2e6 0.3e6
2 2
3 10.5e6 1.2e6
3 3
4 7.2e6 0.3e6
1 1 10 0 0
2 3 20 0 0
1 1 1
2 0 -15 0
2 2 2 0 6 -10 -10
1 2 0
2 3 0
3 10 0
4 11 0
5 12 0.017453
2.结果输出
Plane Frame Structural Analysis
***********************************
Input Data
================
Structural Control Data
---------------------------------
nn ne nf nd ndf npj npe n
4 3 0 2
5 2 2 12
Nodal Coordinates
-----------------------------
Node x y
1 0 0
2 0 4
3 6 4
4 6 0
Element Information
--------------------------------
ELe.No. jl jr ea ei al
1 1
2 7.2e+006 300000 4
2 2
3 1.05e+007 1.2e+006 6
3 3
4 7.2e+006 300000 4
Nodal Load
----------------------
i mj xd yd md
1 1 10 0 0
2 3 20 0 0
Element Loads
--------------------------
i mf ind aq bq q1 q2
1 1 1
2 0 -15 0
2 2 2 0 6 -10 -10
Boundary Conditions
------------------------------------
i ibd bd
1 2 0
2 3 0
3 10 0
4 11 0
5 120.017453
Output Data
=================
nodal displacement
----------------------------------
Node No. u v fai
1 0.0418481 1.81857e-018 -1.01398e-018
2 0.0397664 0.000101032 -0.000885308
3 0.0397521 -0.000134365 0.00202306
4 4.5e-019 -2.41857e-018 0.017453
Element No.& Menber-End Force:
----------------------------------------------------------
Ele No. n(l) q(l) m(l) n(r) q(r) m(r)
1 -181.857 -10 93.8981 181.857 25 -23.8981
2 25 -181.857 23.8981 -25 241.857 1247.25
3 241.857 45 -1247.25 -241.857 -45 1067.25
3.按照fw.txt中的结果，可以绘出各内力图。

2．利用程序计算教材第二章课后习题2.9；
解：
1.数据准备与输入
对结构的结点、单元编号，并取结构坐标系如图所示。

根据程序中数据输入的顺序（子程序input1中的fin语句）进行数据准备和输入（单位KN;m）：
（1）控制数据：
结点总数： nn=10
单元总数 ne=12
固定支座总数 nf=4
可动支座总数 nd=0
可动支座中的约束总数 ndf=0
有直接结点荷载的结点数 npj=2
有非结点荷载的单元数 npe=6 （斜杆的力要分成两个）
（2）结点结构
（3）各单元始末端结点号及EA、EI值
（4）直接结点荷载
（5）非节点荷载
（6）可动支座中的约束条件
无
根据上面的准备，在数据文件fr.txt中将其输入，其填写格式如下：10 12 4 0 0 2 4
1 0 4
2 6 8
3 6 4
4 14 8
5 14 4
6 20 4
7 0 0
8 6 0
9 14 0
10 20 0
1 1
2 4.2e6 5.5e4
2 1
3 4.2e6 5.5e4
3 1 7 4.2e6 5.5e4
4 2 3 4.2e6 5.5e4
5 3 8 4.2e
6 5.5e4
6 2 4 4.2e6 5.5e4
7 3 5 4.2e6 5.5e4
8 4 5 4.2e6 5.5e4
9 5 9 4.2e6 5.5e4
10 4 6 4.2e6 5.5e4
11 5 6 4.2e6 5.5e4
12 6 10 4.2e6 5.5e4
1 1 25 0 -30
2 6 0 0 40
1 1
2 0 7.211 -8.3205 -8.3205
2 1 7 0 7.211 -5.547 -5.547
3 6 2 0 8 -10 -10
4 7 1 4 0 -50 0
5 10 1 3.605
6 0 -16.641 0
6 10 6 3.6056 0 11.094 0
2.结果输出
Plane Frame Structural Analysis
***********************************
Input Data
================
Structural Control Data
---------------------------------
nn ne nf nd ndf npj npe n 10 12 4 0 0 2 6 18
Nodal Coordinates
-----------------------------
Node x y
1 0 4
2 6 8
3 6 4
4 14 8
5 14 4
6 20 4
7 0 0
8 6 0
9 14 0
10 20 0
Element Information
--------------------------------
ELe.No. jl jr ea ei al
1 1
2 4.2e+006 55000 7.2111
2 1
3 4.2e+006 55000 6
3 1 7 4.2e+006 55000 4
4 2 3 4.2e+006 55000 4
5 3 8 4.2e+00
6 55000 4
6 2 4 4.2e+006 55000 8
7 3 5 4.2e+006 55000 8
8 4 5 4.2e+006 55000 4
9 5 9 4.2e+006 55000 4
10 4 6 4.2e+006 55000 7.2111
11 5 6 4.2e+006 55000 6
12 6 10 4.2e+006 55000 4
Nodal Load
----------------------
i mj xd yd md
1 1 25 0 -30
2 6 0 0 40
Element Loads
--------------------------
i mf ind aq bq q1 q2
1 1
2 0 7.211 -8.3205 -8.3205
2 1 7 0 7.211 -5.547 -5.547
3 6 2 0 8 -10 -10
4 7 1 4 0 -50 0
5 10 1 3.605
6 0 -16.641 0
6 10 6 3.6056 0 11.094 0
Output Data
=================
nodal displacement
----------------------------------
Node No. u v fai
1 0.001005 -3.70306e-005 0.000158795
2 0.00105396 -0.000160126 9.45379e-005
3 0.000999572 -9.37837e-005 0.000397267
4 0.00100883 -9.83703e-00
5 -0.00037289
5 0.00101462 -6.04412e-005 -0.000190212
6 0.00102995 -2.02778e-005 0.000446596
7 0 0 0
8 0 0 0
9 0 0 0
10 0 0 0
Element No.& Menber-End Force:
----------------------------------------------------------
Ele No. n(l) q(l) m(l) n(r) q(r) m(r)
1 36.0418 28.6204 -30.5911 3.95759 31.3788 40.5397
2 3.79822 -4.92382 12.5855 -3.79822 4.92382 16.9575
3 38.8822 7.08889 -11.9943 -38.8822 -7.08889 -16.3612
4 69.6596 -9.5826 15.0027 -69.6596 9.5826
23.3277
5 98.4728 2.1144
6 1.2335 -98.4728 -2.11446 -9.69134
6 23.6955 41.3556 -55.5423 -23.6955 38.6444 44.6972
7 -7.89883 23.8894 -41.5187 7.89883 26.1106 50.4035
8 39.8256 11.5542 -25.6203 -39.8256 -11.5542 -20.5967
9 63.4633 14.3864 -31.3881 -63.4633 -14.3864 -26.1573
10 9.4469 7.71759 -19.0769 -20.5409 8.92341 23.4237
11 -10.731 -2.47291 1.58131 10.731 2.47291 13.2561
12 21.2917 1.41028 3.32013 -21.2917 -1.41028 -8.96127
3.按照fw.txt中的结果，可以绘出各内力图。

三、不修改源程序，计算图示结构。

已知2
7
m /k 10*3N E =, 2
m 04.0=A 。

EA 按正常输入，EI 输一个无穷小数
C=1.75cm
10KN
35KN
15KN
8m
6m
8m
5
1
4
3
6 2
⑦
⑧
⑨ ⑩
⑪
② ①
④ ③
⑤
⑥
第3题图
1.数据准备与输入
对结构的结点、单元编号，并取结构坐标系如图所示。

根据程序中数据输入的顺序（子程序input1中的fin语句）进行数据准备和输入（单位KN;m）：
（1）控制数据：
结点总数： nn=6
单元总数 ne=11
固定支座总数 nf=0
可动支座总数 nd=3
可动支座中的约束总数 ndf=4
有直接结点荷载的结点数 npj=3
有非结点荷载的单元数 npe=0
（2）结点结构
（3）各单元始末端结点号及EA、EI值
（4）直接结点荷载
（5）非节点荷载
无
（6）可动支座中的约束条件
根据上面的准备，在数据文件fr.txt中将其输入，其填写格式如下：6 11 0 3 4 3 0
1 16 6
2 8 6
3 8 0
4 16 0
5 0 6
6 0 0
1 1 4 1.2e6 1e-20
2 1 2 1.2e6 1e-20
3 1 3 1.2e6 1e-20
4 2 4 1.2e6 1e-20
5 3 4 1.2e
6 1e-20
6 2 3 1.2e6 1e-20
7 2 5 1.2e6 1e-20
8 2 6 1.2e6 1e-20
9 3 5 1.2e6 1e-20
10 3 6 1.2e6 1e-20
11 5 6 1.2e6 1e-20
1 2 0 -35 0
2 3 0 -15 0
3 5 0 -10 0
1 13 0
2 16 0
3 17 0
4 11 -0.0175
2.结果输出
Plane Frame Structural Analysis
***********************************
Input Data
================
Structural Control Data
---------------------------------
nn ne nf nd ndf npj npe n 6 11 0 3 4 3 0 18
Nodal Coordinates
-----------------------------
Node x y
1 16 6
2 8 6
3 8 0
4 16 0
5 0 6
6 0 0
Element Information
--------------------------------
ELe.No. jl jr ea ei al
1 1 4 1.2e+006 1e-020 6
2 1 2 1.2e+006 1e-020 8
3 1 3 1.2e+006 1e-020 10
4 2 4 1.2e+006 1e-020 10
5 3 4 1.2e+00
6 1e-020 8
6 2 3 1.2e+006 1e-020 6
7 2 5 1.2e+006 1e-020 8
8 2 6 1.2e+006 1e-020 10
9 3 5 1.2e+006 1e-020 10
10 3 6 1.2e+006 1e-020 8
11 5 6 1.2e+006 1e-020 6
Nodal Load
----------------------
i mj xd yd md
1 2 0 -35 0
2 3 0 -15 0
3 5 0 -10 0
Boundary Conditions
------------------------------------
i ibd bd
1 13 0
2 16 0
3 17 0
4 11 -0.0175
Output Data
=================
nodal displacement
----------------------------------
Node No. u v fai
1 0.00359729 -0.0170585 0.00125903
2 0.00281248 -0.00671695 0.00104164
3 -0.00265143 -0.00668312 0.00105655
4 -0.00353977 -0.017
5 0.00131344
5 5.68613e-018 -0.000600282 0.000244843
6 -5.68613e-018 -2.4823e-018 0.000316676
Element No.& Menber-End Force:
----------------------------------------------------------
Ele No. n(l) q(l) m(l) n(r) q(r) m(r)
1 -88.2916 -3.22407e-025 8.76538e-025 88.2916 3.22407e-025
1.0579e-024
2 -117.722 2.66939e-025 -7.96015e-025 117.722 -2.66939e-025 -
1.33949e-024
3 147.153 1.42109e-01
4 -8.05232e-026 -147.153 -1.42109e-014 -
4.85473e-025
4 -166.564 9.9476e-014 -6.69256e-02
5 166.564 -9.9476e-014 -1.25653e-025
5 133.251 3.13339e-025 -1.57446e-024 -133.251 -3.13339e-025 -9.32251e-025
6 6.76471 -4.61477e-025 1.35957e-024 -6.76471 4.61477e-025 1.40929e-024
7 -421.871 2.2752e-025 8.59119e-026 421.871 -2.2752e-025 -1.90607e-024
8 213.623 2.84217e-014 5.6327e-025 -213.623 -2.84217e-014 -
8.8665e-025
9 -183.427 0 8.41617e-025 183.427 0 -7.81803e-025
10 397.715 2.78955e-025 -1.90975e-025 -397.715 -2.78955e-025 -2.04067e-024
11 120.056 -9.35865e-025 2.68787e-024 -120.056 9.35865e-025 2.92732e-024
3.按照fw.txt中的结果，可以绘出各内力图。

剪力图各杆均为零，弯矩图各杆均为零
四、利用frame 程序，图示两个连续梁，其中第一个比第二个少了两跨，其余相同。

试用程序求解两个连续梁，比较结点1和结点2处的弯矩，从中可得到什么结论？各跨刚度相同，N EA k 10*56
=，2
5
m *k 10*2N EI =。

第4题图
连续梁第一个
1.数据准备与输入
（1）控制数据： 结点总数： nn=5 单元总数 ne=4 固定支座总数 nf=1 可动支座总数 nd=4
可动支座中的约束总数 ndf=4 有直接结点荷载的结点数 npj=0 有非结点荷载的单元数 npe=1
（2）结点结构
结点号i 1 2 3 4 5 坐标x[i]值
40
30
20
10
10KN/m 1 10m
10m
10m
10m
2 10m
10m
10KN/m
1
2
3
4
5 ② ① ④ ③ 1
3
2
② ① ①
①
（3）各单元始末端结点号及EA、EI值
（4）直接结点荷载
无
（5）非节点荷载
（6）可动支座中的约束条件
根据上面的准备，在数据文件fr.txt中将其输入，其填写格式如下：5 4 1 4 4 0 1
1 40 0
2 30 0
3 20 0
4 10 0
5 0 0
1 1
2 5e6 2e5
2 2
3 5e6 2e5
3 3
4 5e6 2e5
4 4
5 5e
6 2e5
1 4
2 0 10 10 10
1 2 0
2 5 0
3 8 0
4 11 0
2.结果输出
Plane Frame Structural Analysis
***********************************
Input Data
================
Structural Control Data
---------------------------------
nn ne nf nd ndf npj npe n 5 4 1 4 4 0 1 12
Nodal Coordinates
-----------------------------
Node x y
1 40 0
2 30 0
3 20 0
4 10 0
5 0 0
Element Information
--------------------------------
ELe.No. jl jr ea ei al
1 1
2 5e+006 200000 10
2 2
3 5e+006 200000 10
3 3
4 5e+006 200000 10
4 4
5 5e+00
6 200000 10
Element Loads
--------------------------
i mf ind aq bq q1 q2
1 4
2 0 10 10 10
Boundary Conditions
------------------------------------
i ibd bd
1 2 0
2 5 0
3 8 0
4 11 0
Output Data
=================
nodal displacement
----------------------------------
Node No. u v fai
1 0 2.57732e-021 2.14777e-005
2 0 -1.54639e-020 -4.29553e-005
3 0 6.18557e-020 0.000150344
4 0 1.80412e-020 -0.000558419
5 0 0 0
Element No.& Menber-End Force:
----------------------------------------------------------
Ele No. n(l) q(l) m(l) n(r) q(r) m(r)
1 0 0.25773
2 0 0 -0.257732 -2.57732
2 0 -1.28866 2.57732 0 1.28866 10.3093
3 0 4.89691 -10.3093 0 -4.89691 -38.6598
4 0 -43.299 38.6598 0 -56.701 -105.67
3.按照fw.txt中的结果，可以绘出各内力图。

轴力图各杆均为零
连续梁第二个1.数据准备与输入（1）控制数据
结点总数： nn=3
单元总数 ne=2
固定支座总数 nf=1
可动支座总数 nd=2
可动支座中的约束总数 ndf=2
有直接结点荷载的结点数 npj=0
有非结点荷载的单元数 npe=1
（2）结点结构
（3）各单元始末端结点号及EA、EI值
（4）直接结点荷载
无
（5）非节点荷载
（6）可动支座中的约束条件
根据上面的准备，在数据文件fr.txt中将其输入，其填写格式如下：3 2 1 2 2 0 1
1 20 0
2 10 0
3 0 0
1 1
2 5e6 2e5
2 2
3 5e6 2e5
1 2 2 0 10 10 10
1 2 0
2 5 0
2.结果输出
Plane Frame Structural Analysis
***********************************
Input Data
================
Structural Control Data
---------------------------------
nn ne nf nd ndf npj npe n
3 2 1 2 2 0 1 6
Nodal Coordinates
-----------------------------
Node x y
1 20 0
2 10 0
3 0 0
Element Information
--------------------------------
ELe.No. jl jr ea ei al
1 1
2 5e+006 200000 10
2 2
3 5e+006 200000 10 Element Loads
--------------------------
i mf ind aq bq q1 q2
1 2 2 0 10 10 10
Boundary Conditions
------------------------------------
i ibd bd
1 2 0
2 5 0
Output Data
=================
nodal displacement
----------------------------------
Node No. u v fai
1 0 3.57143e-020 0.000297619
2 0 3.57143e-020 -0.000595238
3 0 0 0
Element No.& Menber-End Force:
----------------------------------------------------------
Ele No. n(l) q(l) m(l) n(r) q(r) m(r)
1 0 3.57143 0 0 -3.57143 -35.7143
2 0 -42.8571 35.714
3 0 -57.1429 -107.143
3.按照fw.txt中的结果，可以绘出各内力图。

轴力图各杆均为零
结论:结点1和结点2处的弯矩差不多，说明有了固定端之后，后面的多的支座对于分担固定端弯矩的作用并不显著。

五、总结自己学习本课程的心得、意见及建议，800字左右
学到这里能够，感受到以后的学习跟编程息息相关。

这个学科学到一定的程度，做题就不仅是做简化的结构，涉及到真正建筑物构筑物的结构。

往往是非常复杂的，用人手算是不现实的。

这也是第一次接触结构力学与编程的结合，要注意的问题是很多的。

比如，节点荷载参考结构坐标系。

非节点荷载按局部坐标系判断；画弯矩图的时候弯矩画在受拉侧，画轴力图时轴力始端编号，画剪力图时剪力末端变号；各种符号的规定与先前都有所区别。

输入的时候还要不漏行。

但凡出一点错，最后的结果都会大不相同。

能够理解到做结构设计的时候，严谨是多么重要。

结构设计的准确性也关乎我们构筑物的安全。

在进行平面刚架静力分析的程序设计时主要标识符。

代表什么？其中比较值得注意的是nd：非固定支座个数，是包括发生支座位移的固定支座。

在对节点编号时，先编可动节点和非固定节点。

如果某根杆上的力不能归纳到八种荷载的其中一种，要进行分解。

比如作用在一根倾斜杆上的竖直向下的均布荷载。

要分成垂直作用在杆上的均布荷载和平行作用在杆上的均布荷载，这时，有非节点荷载的单元数要数成2个。

标注每根杆的方向时，应该要从小编号结点指向大编号结点。

在给结点编号的时候，固定结点应该编在最后。

选取结构坐标系时，原点的设置应该要合理选取。

当输入桁架结构的数据时，EA正常输入，EI要输一个无穷小的数，但不能够输为0，否则程序无法运行。

最后画出弯矩图之后，要挑选一些结点进行验算，看看某结点的总弯矩是否为0，否则需要重新检查。

隔了很久重新用编程软件，已经有点生疏了，在同学的帮助下才能建立一个新程序。

整个程序都是老师给好的，唯一需要改的地方就是fr和fw文件的位置，应该用记事本先把fr程序输入好，储存在自己想要的地方，然后把文档属性打开，复制文档的位置，还要把\\改成\，程序才能运行。