第1章结构力学结构力学.pptx

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1、第第1章章 绪论绪论结构力学构力学1.2结结构构计计算算简图简图1.1结结构力学的研究构力学的研究对对象与任象与任务务第第1章章 绪论绪论1.4荷荷载载的分的分类类1.3杆件杆件结结构的分构的分类类1.5结结构力学的学构力学的学习习方法方法第第1章章 绪论绪论 【内容提要】主要介绍结构力学的研究对象与任务、结构计算简图、杆件结构的分类、荷载的分类，其中结构计算简图是重点，是本书后续章节计算的依据。学习要求】明确结构力学的研究对象和任务，掌握结构计算简图的简化原则和简化要点，了解杆件结构与荷载的分类。1.1.1结构力学的研究对象 结构力学是研究各类工程结构力学行为的科学。在土木工程中，所谓结构，

2、就是指在建筑物与其他工程设施中起骨架作用的体系，其主要作用是支承并传递荷载。如建筑工程中的梁柱体系(见图1-1)、路桥工程中的桥梁(见图1-2)和隧洞(见图1-3)、水利工程中的闸门和水坝(见图1-4)等，都是结构的典型例子。1.1 结构力学的研究对象与任务根据构件的几何特点，通常把实际工程中的结构分为以下三类。(1)杆件结构:由杆件通过不同的方式连接而成的结构体系。杆件的几何特征是长度方向的尺寸远大于横截面的尺寸。建筑物中的框架结构(见图1-l,析架结构(见图1-5都是杆件结构的典型形式。(2)板壳结构:又称薄壁结构，其几何特征为厚度方向的尺寸远小于长度和宽度方向的尺寸。其中，表面为平面的称

3、为板，表面为曲面的称为壳。建筑物的楼面与屋面(见图1-6、水利工程中的拱坝(见图1-4都是板壳结构。1.1 结构力学的研究对象与任务 结构力学的任务是根据力学原理研究在外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形，结构的强度、刚度、稳定性和动力反应，结构的组成规律。具体来说，包括以下几个方面:(1)研究结构的组成规律、合理形式以及结构计算简图的合理选择;(2)研究结构内力和变形的计算方法，以便进行结构强度和刚度的验算;(3)研究结构的稳定性以及在动力荷载作用下结构的反应。结构力学的计算问题分为两类:一类为静定结构分析问题，只需根据下面三个基本条件中的第一个条件即可求解;另一类为超静定结构分析问题，

4、必须满足下面三个基本条件，方可求解。三个基本条件如下。1)平衡条件:在一组力系作用下，结构的整体及其任何一部分都应满足力系的平衡条件。(2)几何条件:连续的结构在变形后仍是连续的，材料没有重叠或缝隙;同时结构的变形和位移应满足支座和结点的约束性质。(3)物理条件:即物理方程或本构方程。以上三个基本条件贯穿在本课程的全部计算方法中。对于不同的计算方法，只是满足的次序和方式不同而已。1.1.2结构力学的任务 实际工程中的各类结构都很复杂，如果完全按照结构的实际工作状态进行力学分析，往往是不可能的，也没有必要。因此，在对实际结构进行力学计算以前，必须对其加以简化，略去一些次要细节，用一个能反映其基本

5、受力和变形性能的简化的计算图形来代替实际结构。这种代替实际结构的简化计算图形称为结构计算简图。结构计算简图的选择是结构受力分析的基础，如选择不当，计算结果就不能反映结构的实际工作状态，严重的将会引发工程事故。1.2.1结构计算简图的简化原则 在确定结构计算简图时，一般应遵循以下原则:(1)计算简图应能反映实际结构的主要受力和变形性能;(2)保留主要因素，略去次要因素，使计算简图便于计算。应当指出，在上述原则指导下，结构计算简图要根据当时当地的具体要求和条件来选用，并不是一成不变的。例如，对于重要的结构，应采用比较精确的计算简图，对于不重要的结构，可以采用较为简单的计算简图;在计算时，如果用手算

6、法，则可采用较为简单的计算简图，如果用电算法，则可采用较为复杂的计算简图。1.2结构计算简图 1.结构体系的简化 实际结构一般都是空间结构，各部分相互连接成为一个空间整体，以承受各个方向可能出现的荷载。在进行结构分析时，通常可以忽略一些次要的空间约束，将空间结构分解为平面结构，从而使计算得以简化。但对于空间约束不可忽略或空间特征特别明显的结构，则必须以空间结构进行分析。2.杆件的简化 由于杆件的截面尺寸通常远小于长度尺寸，截面变形符合平截面假设。因此，在计算简图中，杆件一般用其轴线表示，杆件之间的连接区域用结点表示，杆件长度用结点间的距离表示，荷载的作用点也相应地转移到杆件的轴线上。但当杆件截

7、面尺寸较大(如超过杆长的1/4)时，用轴线代替杆件的简化方法将会引起较大的工程误差。1.2.2结构计算简图的简化要点 3.结点的简化 结构中杆件间的连接称为结点。按照结点对杆件约束能力的不同，一般将结构中的结点划分为以下几种类型。1)刚结点 刚结点的特点:被其连接的各个杆件之间既不能发生相对转动，也不能发生相对移动，即刚结点可以传递力，也可以传递力矩。图1-9(a)所示为一钢筋混凝土框架边柱和梁的结点，由于梁和柱之间的钢筋与混凝土将它们连接成一个整体，使梁和柱不能产生相对移动和转动，因此计算时将此结点简化为一刚结点，其计算简图如图1-9(b)所示。在一般情况下，把连接两个杆件的刚结点称为单刚结

8、点，如图1-10 Ca)所示;把连接两个以上杆件的刚结点称为复刚结点，如图1-10(b)所示。1.2.2结构计算简图的简化要点 3.结点的简化 2)铰结点 铰结点的特点:被其连接的各个杆件之间可以发生相对转动，但不可以发生相对移动，即铰结点可以传递力，但不能传递力矩。理想的铰结点在实际工程中很难遇到，只有木结构中的结点(见图1-11)比较接近于铰结点。但在实际工程中，有时为了简化计算，常把一些具有一定刚性的结点(见图1-12)也简化为铰结点。1.2.2结构计算简图的简化要点 3.结点的简化 图1-13(a)所示为一个刚析架的结点，虽然各杆件是用铆钉铆在连接板上的，使三者牢固地连接在一起，但为了

9、简化计算和反映析架的受力特点，也将其简化为铰结点，如图1-13 Cb)所示。在一般情况下，把连接两个杆件的铰结点称为单铰结点，如图1-14(a)所示;把连接两个以上杆件的铰结点称为复铰结点，如图1-14(b)所示。1.2.2结构计算简图的简化要点 3.结点的简化 3)组合结点 当若干根杆件汇交于同一结点，其中某些杆件的连接应视为冈J结点，而另外一些杆件的连接应简化为铰结点才符合实际时，便形成了组合结点。如图1-15所示，左右两杆是刚性连接，竖杆和左右两杆的连接为铰接。1.2.2结构计算简图的简化要点 4.支座的简化 把结构与基础联系起来的装置称为支座，支座的作用是把上部结构固定于基础上，并把结

10、构所受的荷载通过支座传递给基础与地基。支座对结构的反作用力称为支座反力。1)可动铰支座 可动铰支座如图1-16(a)所示，其特征:被支承的结构既可以绕铰接中心转动，也可以沿水平方向移动，但不能竖向移动。因此，该支座只在竖直方向对被支承结构提供一个支座反力凡。根据上述特点，这种支座在计算简图中常用一根链杆表示，如图1-16(b)所示，因此可动铰支座又称为链杆支座。2)固定铰支座 固定铰支座如图1-17(a)所示，其特征:被支承的结构只能绕铰接中心转动，不能沿水平方向和竖直方向移动。因此，该支座在水平方向与竖直方向对被支承结构各提供一个支座反力，即Fxa与Fy.A。根据上述特点，这种支座在计算简图

11、中常用交于点A的两根链杆表示，如图1-17 Cb)所示。1.2.2结构计算简图的简化要点 4.支座的简化 3)固定支座 固定支座如图1-18 Ca)所示，其特征:被支承的结构不能发生任何移动和转动。因此，该支座对被支承结构提供三个约束反力，即水平支座反力Fra、竖向支座反力心和约束力矩MA，其计算简图如图1-18 Cb)所示。4)定向支座 定向支座如图1-19(a)所示，其特征:被支承的结构不能发生转动，也不能沿竖直方向移动，只能沿水平方向移动。因此，该支座对被支承结构提供两个约束反力，即竖向支座反力爪和约束力矩MA，其计算简图如图1-19 b)所示。1.2.2结构计算简图的简化要点 4.支座

12、的简化 5)弹性支座 弹性支座的特征:支座主要约束结构的某种位移，同时其本身又要产生一定的位移，其约束反力与位移有关。在实际结构中，井字梁楼盖的交叉梁系(见图1-20)及桥梁结构的纵梁支承于横梁上均属于此种情况。在实际工程中，如果支承体的刚度远大于被支承体的刚度，则应将支座视为刚性支座，不考虑支座本身的变形，按前四种支座形式简化;如果支承体的刚度与被支承体的刚度相近，则应将支座视为弹性支座，考虑支座本身的变形，按弹性支座形式简化。1.2.2结构计算简图的简化要点 5.材料的简化 常用的建筑材料有钢材、木材、混凝土、钢筋混凝土、砖、石等。在结构受力分析时，为简化计算，一般均可将这些材料假定为均匀

13、、连续、各向同性、完全弹性或弹塑性体。此时材料的物理参数为常量，使计算大为简化。但要注意上述假定条件对金属材料，在一定受力范围内是适合的;而对其他材料都只能是近似的，特别是木材的顺纹与横纹方向的物理性质是不同的，在计算时应给予适当考虑。6.荷载的简化 作用于结构上的荷载可分为体积力与表面力。体积力为分布于物体体积内的力，与物体的体积有关，如自重、惯性力等。表面力为作用于物体外表面的力，通过物体之间的接触面来传递，如土压力、水压力、风荷载等。在一般的结构受力分析中，由于杆件用其轴线代替，故不论体积力还是表面力，均简化为作用于杆轴上的力。当荷载作用区域与结构本身尺寸相比很小时可简化为集中荷载，较大

14、时则简化为分布荷载。1.2.2结构计算简图的简化要点 结构力学的研究对象是简化后的结构计算简图，因此所谓的结构分类，实际上就是结构计算简图的分类。按照不同的构造特征和受力特点，平面杆件结构可分为以下几类。1)梁:一种受弯杆件，其轴线通常为直线。水平梁在竖向荷载作用下无水平支座反力，内力有弯矩和剪力。梁有单跨梁(见图1-21(a)与多跨梁(见图1-21(b)之分。(2)刚架:由梁和柱等直杆组成的结构，杆件间的连接多为刚结点(见图1-22，杆件内力一般有弯矩、剪力和轴力，其中弯矩为主要内力。1.3 杆件结构的分类(3)拱:轴线为曲线，在竖向荷载作用下有水平支座反力产生(见图1-23)。因此，拱内弯

15、矩比跨度与荷载都相同的梁内弯矩要小。(4)析架:由直杆组成，且所有结点均为铰结点(见图1-24)。当只受到作用于结点上的集中荷载作用时，其各杆只产生轴力。(5)组合结构:由只承受轴向力的链杆和主要承受弯矩的梁式杆组合而成的结构，如图1-25所示。1.3 杆件结构的分类根据结构的计算特性，杆件结构可分为静定结构和超静定结构两大类。(1)静定结构:全部支座反力和内力都可由静力平衡条件唯一确定的结构，图1-21(a)、图1-22(a)所示结构都是静定结构。(2)超静定结构:全部支座反力和内力不能由静力平衡条件唯一确定，必须补充变形协调条件才能完全确定的结构，图1-21(b)、图1-22(b)所示结构

16、都是超静定结构。根据杆件与荷载在空间的位置关系，可将结构分为平面结构和空间结构。1)平面结构:所有杆件的轴线与作用在结构上的荷载的作用线都在同一平面内的结构，前面给出的各种结构都属于平面结构，平面结构是本书讨论的重点。2)空间结构:杆件的轴线与荷载的作用线不在同一平面内，或各杆件轴线在同一平面内，但荷载的作用线不在该平面内的结构，如图1-26所示。1.3 杆件结构的分类 一般，荷载是指主动作用于结构上的外力，比如结构的自重、土压力、风荷载、雪荷载等，它们都可以使结构产生内力和变形。此外，还有一些其他因素也可以使结构产生内力和变形，如温度变化、基础沉降、制造误差等，从广义上说，这些因素也可称为荷

17、载。确定结构所承受的荷载是进行结构受力分析的前提，必须慎重对待。如果将荷载估计过大，则设计的结构尺寸将偏大，会造成浪费;如果将荷载估计得过小，则设计的结构不够安全。根据荷载分布形式的不同，可将荷载分为集中荷载与分布荷载。(1)集中荷载:当荷载的分布面积远小于结构尺寸时，则可认为荷载是作用在结构的一点上。如次梁传给主梁的荷载、吊车传给吊车梁的荷载等都是集中荷载。(2)分布荷载:指连续分布在结构上的荷载。连续分布于结构内部各点上的分布荷载称为体分布荷载，如结构自重、惯性力等;连续分布于结构表面上的分布荷载称为面分布荷载，如楼面活荷载。根据荷载作用时间的长短，可将荷载分为恒荷载与活荷载。1)恒荷载:

18、指长期作用在结构上的不变荷载，如结构的自重、土压力等。2)活荷载:指在施工或使用阶段，可能作用于结构上的可变荷载，如风荷载、雪载等。具体分类详见第9章。1.4荷载的分类1.5.2结构力学的学习方法学习时要注意结构力学与其他课程的联系。对理论力学和材料力学等先修课程的知识，应当根据情况进行必要的复习，并在运用中得到巩固和提高。学习时要注意分析方法与解题思路，要着重掌握各种方法的解题思路，特别是要从这些具体的算法中学习分析问题的一般方法。例如:由己知领域逐步过渡到未知新领域的方法，将整体分解成局部再由局部综合成整体的方法，把有关几个问题加以对比的方法，等等。学习时要注意多练。做题练习是学习结构力学的重要环节。不做一定量的习题，是很难掌握其中的概念、原理和方法的。做题前一定要看书复习，搞清概念，抓住方法的本质与要点，切忌按例题照搬照套。同时，还要培养对所得计算结果进行校核的能力。结构力学课程具有较强的实用性，通过结构力学的学习，将为后续专业课程打下良好的理论基础，为今后解决工程技术问题提供必要的基础知识和计算技能。因此，在学习结构力学过程中，要注意理论联系实际。1.5结构力学的学习方法THE END