建筑力学课件第一章绪论

《建筑力学》教程选用教材：建筑力学出版社：同济大学出版社课件制作人：肖昕迪 第一章绪论课件制作人：肖昕迪 第一节建筑力学的任务一、建筑力学的任务在建筑工程中，如桥梁、水坝、电视塔、隧道和房屋等，用以担负预定的任务和支撑荷载、由建筑材料按合理方式组成的建筑物成为结构。而这些结构又往往按一定形式组成，如房屋结构中的梁、柱。在荷载作用下,承受荷载和传递荷载的建筑结构和构件会引起周围物体对它们的反作用。同时，构件本身因受荷载作用而产生变形，且可能被破坏。课件制作人：肖昕迪 第一节建筑力学的任务建筑力学的任务：研究和分析作用在结构（或构件）上力与平衡的关系，结构（或构件）有内力、应力、变形的计算方法以及构件的强度、刚度和稳定条件，为保证结构（或构件）安全可靠又经济合理提供计算理论依据。课件制作人：肖昕迪 建筑力学的主要任务归纳为以下几个方面的内容力系的简化和平衡问题强度问题刚度问题稳定问题研究几何组成规则，保证结构各部分不至发生相对运动本课程只限于杆和杆系结构课件制作人：肖昕迪 杆件结构是由杆件组成的一种体系。杆件体系必须按一定的规律组成，才能保持稳定的骨架而承受各种外部作用。不同结构形式在承受相同的外部作用时，某种结构形式就可能比另一种结构形式合理。在结构分析中，须把实际的结构及其承受的作用简化为计算模型，这样的模型称为结构的计算简图。课件制作人：肖昕迪 结构必须具备可靠、适用、耐久的功能。强度：在使用期内，务必使结构和构件安全可靠，不发生破坏，具有足够的承载能力。结构和构件抵抗破坏的能力称为强度。刚度：在使用期内，务必使结构和构件不发生影响正常使用的变形。结构或构件抵抗变形的能力称为刚度。稳定性：在使用期内，务必使结构和构件平衡形态保持稳定。稳定性是结构或构件保持原有平衡形态的能力。课件制作人：肖昕迪 二、建筑力学的研究对象结构：是建筑物或构筑物中承受外部作用的骨架。可能出现的外部作用包括荷载作用(恒载、活载、风载、水压力、土压力等)、变形作用(地基不均沉降、材料胀缩变形、温度变化引起的变形、地震引起的地面变形等)、环境作用(阳光、风化、环境污染引起的腐蚀、火灾等)。构件：是组成结构的基本部件。课件制作人：肖昕迪 按照几何特征，构件可分为杆件、板壳和实体(图)。杆件的几何特征为长条形，长度远大于其他两个尺度(横截面的长度和宽度)。板壳的厚度远小于其他两个尺度(长度和宽度)，板的几何特征为平面形，壳的几何特征为曲面形。实体的几何特征为块状，长、宽、高三个尺度大体相近，内部大多为实体。杆件按照一定的方式连接，形成杆件结构。课件制作人：肖昕迪 建筑力学的研究对象是结构。课件制作人：肖昕迪 三、土木工程与力学土木工程：用建筑材料(土、石、砖、木、混凝土、钢、铝、聚合物、钢筋混凝土、复合材料等)建筑房屋、道路、铁路、桥梁、河、港、市政卫生等建筑物或构筑物的生产活动和工程技术。力学是研究宏观机械运动规律及其应用的学科。机械运动指物体之间或物体内部各部分之间相对位置的变动，包括物体相对于地球的运动、物体的变形、流体的流动等。课件制作人：肖昕迪 平衡是机械运动的特殊情况，指物体相对于地球保持静止，或作匀速直线平移。土木工程是力学最重要的发展源泉和应用园地之一，力学是土木工程重要的理论基础。人类早就会建造房屋了，直到掌握了丰富的力学知识以后，各种各样的摩天大楼、跨海大桥、特大跨度的公共建筑、水下隧道、高速公路才得以建成。课件制作人：肖昕迪 力学的分支学：理论力学、材料力学、结构力学、板壳力学、弹性力学、弹塑性力学、塑性力学、断裂力学、流体力学、复合材料力学、实验力学、计算力学、量子力学等。作为高等教育的一门课程，“建筑力学”的内容只是力学中最基本的应用广泛的部分。它将静力学、材料力学、结构力学三门课程的主要内容贯通融合成为一体。课件制作人：肖昕迪 第二节荷载的分类在建筑力学中，我们把作用在物体上的力一般分为两种：一种是使物体运动或有运动趋势的主动力；第二种是阻碍物体运动的约束力。所谓约束，就是能够限制某构件运动。约束作用于被约束构件上的力就是约束力。通常把作用在结构上的主动力称为荷载，而把约束力称为反力，荷载与反力是相互对立又相互依存的一个矛盾的两个方面。它们都是其他物体作用在结构上的力，所以统称为外力。在外力作用下，结构内各部分之间产生相互作用的力称为内力。课件制作人：肖昕迪 按作用时间分按作用范围分按作用性质分第二节荷载的分类课件制作人：肖昕迪 一、按作用时间分1、恒载恒载是作用在结构上的不变荷载，即在结构建成后，其大小和位置都不再发生变化的荷载。例如，构件的自重和土压力等。构件的自重可根据构件尺寸和材料的密度进行计算。课件制作人：肖昕迪 一、按作用时间分2、活载活荷载是指在施工和建成后试用期间可能作用在结构上的可变荷载，即是有时存在有时不存在，它们的作用位置和范围可能是固定的（如风荷载、雪荷载、会议室的人群重力等），也可能是移动的（如吊车荷载、桥梁上行驶的车辆等）。有规范详细规定，活荷载以每平米面积上的荷载来表示，如民用建筑的楼面活载规定为：2000N/m2课件制作人：肖昕迪 二、按作用范围分1、分布荷载分布荷载是指满布在结构某一表面上的荷载，又可分为均布荷载和非均布荷载。均布荷载：如梁的自重荷载连续作用，大小各处相同，自重荷载以每米长度重力表示，N/m或KN/m，又称线均布荷载。板的自重荷载也是均匀分布，但它是以每平米面积重力来表示的，N/m2,KN/m2非均布荷载：荷载的连续作用，但大小各处不相同。如一水池的壁板受到的水压力作用。课件制作人：肖昕迪 二、按作用范围分2、集中荷载是指作用在结构上的荷载一般总是分布在一定的面积上，当分布面积远小于结构尺寸时。则可以认为此荷载是作用在结构的一点上，称为集中荷载。如吊车的轮子对吊车辆的压力、屋架传给柱子或墙压力，单位用N或KN来表示。二、课件制作人：肖昕迪 三、按作用性质分1、静荷载荷载从零慢慢增加到最后的确定值后，其大小、位置和方向就不再随时间而变化，这样的荷载称为静荷载，如结构的自重、一般的活荷载等。2、动荷载是指荷载的大小、位置、方向随时间的变化而迅速变化，称为动荷载。如动力机械产生的荷载、地震力等课件制作人：肖昕迪 工程上将结构或构件连接在支承物上的装置，称为支座。在工程上常常通过支座将构件支承在基础或地面或另一静止的构件上。支座对构件就是一种约束。支座对它所支承的构件的约束反力也叫支座反力。支座的构造是多种多样的，其具体情况也是比较复杂的，只有加以简化，归纳成几个类型，才便于分析计算。建筑结构的支座通常分为固定铰支座，活动铰支座，和固定(端)支座三类。第三节平面结构的支座及反力课件制作人：肖昕迪 图1.18(a)是固定铰支座的示意图。构件与支座用光滑的圆柱铰链联接，构件不能产生沿任何方向的移动，但可以绕销钉转动，可见固定铰支座的约束反力与圆柱铰链约束相同，即约束反力一定作用于接触点，通过销钉中心，方向未定。固定铰支座的简图如图1.18(b)所示。约束反力如图1.18(c)所示，可以用FRA和一未知方向角α表示，也可以用一个水平力FXA和垂直力FYA表示。1．固定铰支座第三节平面结构的支座及反力课件制作人：肖昕迪 AXAYA第三节平面结构的支座及反力课件制作人：肖昕迪 图l.20(a)是可动铰支座的示意图。构件与支座用销钉连接，而支座可沿支承面移动，这种约束，只能约束构件沿垂直于支承面方向的移动，而不能阻止构件绕销钉的转动和沿支承面方向的移动。所以，它的约束反力的作用点就是约束与被约束物体的接触点、约束反力通过销钉的中心，垂直于支承面，方向可能指向构件，也可能背离构件，视主动力情况而定。这种支座的简图如1.20(b)所示，约束反力如图1.20(c)所示。2．可动铰支座课件制作人：肖昕迪 第三节平面结构的支座及反力课件制作人：肖昕迪 可动铰BCRC辊轴支座RB第三节平面结构的支座及反力课件制作人：肖昕迪 整浇钢筋混凝土的雨篷，它的一端完全嵌固在墙中，一端悬空如图1.22(a)，这样的支座叫固定端支座。在嵌固端，既不能沿任何方向移动，也不能转动，所以固定端支座除产生水平和竖直方向的约束反力外，还有一个约束反力偶(力偶将在第三节讨论)。这种支座简图如图1.22(b)所示，其支座反力表示如图1.22(c)所示。3．固定端支座课件制作人：肖昕迪 研究力学问题，首先要了解物体的受力状态，即对物体进行受力分析，反映物体受力状态的图称为受力图。受力图绘制步骤：1.取分离体；2.画已知力；3.画约束反力。课件制作人：肖昕迪 第四节结构计算简图一、结构计算简图的简化原则1、反映结构的实际情况，使工作尽量简化、使计算结构精确可靠；2、分清主次，略去次要因素，尽可能地反映结构的主要受力情况，以便于分析和计算。课件制作人：肖昕迪 二、结构计算简图的简化方法1、结构体系的简化①平面简化②杆件的简化；纵轴线③节点的简化：铰节点（木架）、钢节点（钢混结构）2、支座的简化课件制作人：肖昕迪 二、结构计算简图的简化方法3、荷载的简化线荷载集中荷载力偶课件制作人：肖昕迪 第五节杆系结构的分类空间观点分为：平面结构（杆件轴线、荷载都在同一平面内）；空间结构（杆件轴线、荷载不在同一平面内）按几何观点可分为：杆件结构（它的几何特征是细而长，即l>>h，l>>b）；薄壁结构（厚度远远小于其他两个尺度结构）实体结构（实体的几何特征为块状，长、宽、高三个尺度大体相近，内部大多为实体）。课件制作人：肖昕迪 第五节杆系结构的分类平面杆系结构的分类1、梁：梁是一种受弯杆件，其轴线通常为直线。梁又分为单跨梁和多跨梁。2、拱：拱的轴线为曲线且在竖向荷载作用下会产生水平反力，其弯矩比相应梁的弯矩为小。3、刚架：由梁和柱组成。主要的结点是钢结点。4、桁架：由直杆组成，但所有结点均为铰结点，在集中结点荷载作用下，各杆只产生轴力。5、组合结构：这是由桁架和梁或桁架和刚架等组合在一起的结构。6、悬索结构：主要承重构件为悬挂在塔、柱上的缆索，索只承受轴向拉力。课件制作人：肖昕迪 第六节变形固体及其基本假设在外力作用下，一切固体都将发生变形，故称为变形固体，而构件一般均由固体材料制成，所以构件一般都是变形固体。由于变形固体种类繁多，工程材料中有金属与合金，工业陶瓷，聚合物等，性质是多方面的，而且很复杂，因此在材料力学中通常省略一些次要因素，对其作下列假设：（1）均匀连续性假设：假定变形固体内部毫无空隙地充满物质，且各点处的力学性能都是相同的。（2）各向同性假设:认为物体内在各个不同方向上的力学性能相同。课件制作人：肖昕迪 在载荷作用下，构件会产生变形。实验证明，当载荷不超过某一限度时，卸载后变形就完全消失。这种卸载后能够消失的变形称为弹性变形。若载荷超过某一限度时，卸载后仅能消失部分变形，另一部分不能消失的变形称为塑性变形。构件的承载能力分析主要研究微小的弹性变形问题，称为弹性小变形。由于这种弹性小变形与构件的原始尺寸相比较是微不足道的，因此，在确定构件内力和计算应力及变形时，均按构件的原始尺寸进行分析计算。（3）弹性小变形条件：课件制作人：肖昕迪 第七节杆件的几何特性与基本变形形式一、杆件的几何特性杆件的长度方向称为纵向，垂直长度的方向称为横向。工程上经常遇到的杆件是指纵向尺寸远较横向尺寸为大的杆件。在实际工程中的梁、柱等构件就是典型的杆件实例。杆件有两个常用到的几何元素：横截面和轴线。前者指垂直杆件长度方向的截面，后者为各横截面形心的连线，两者具有互相垂直的关系，如图所示。课件制作人：肖昕迪 按杆件轴线的形状，分为直杆、曲杆和折杆。而等直杆就是轴线是直线且横截面形状、尺寸均不改变的杆件。课件制作人：肖昕迪 在外荷载作用下，实际杆件的变形有时是复杂的。但此复杂的变形总可以分解为几种基本变形的形式。杆件的基本变形形式有下列四种：1.轴向拉伸或轴向压缩在一对大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线相重合的轴向外力作用下，使杆件在长度方向发生伸长变形的称为轴向拉伸（图a)；长度方向发生缩短变形的称为轴向压缩（图b）。二、杆件的基本变形形式课件制作人：肖昕迪 2.剪切在一对大小相等、方向相反、作用线相距很近的横向力作用下，杆件的主要变形是横截面沿外力作用方向发生错动（图c），这种变形形式称为剪切。课件制作人：肖昕迪 3.扭转如（图d）所示，在一对大小相等、转向相反、作用平面与杆件轴线垂直的外力偶矩T作用下，直杆的相邻横截面将绕着轴线发生相对转动，而杆件轴线仍然保持直线，这种变形形式称为扭转。课件制作人：肖昕迪 4.弯曲如图（e）所示，在杆的纵向平面内作用一对大小相等、转向相反的外力偶矩Me，使直杆任意两横截面发生相对倾斜，且杆件轴线弯曲变形为曲线，此种变形形式称为弯曲。课件制作人：肖昕迪