中国石油大学考研必备（结构力学课件）第01章

第一课第一课主要介绍结构力学基本概念、结构力学研究对象、结构力学的任务、解题方法、结构计算简图及其简化要点、结构与基础间连接的简化、计算简图、杆件结构的分类、载荷的分类。 基本概念1、结构建筑物和工程设施中承受、传递荷载而起骨架作用的部分称为工程结构，简称为结构。房屋中的梁柱体系，水工建筑物中的闸门和水坝，公路和铁路上的桥梁和隧洞等，都是工程结构的典型例子。从几何角度来看，结构可分为三类: 基本概念杆件结构——这类结构是由杆件所组成。杆件的几何特征是横截面尺寸要比长度小得多。梁、拱、桁架、刚架是杆件结构的典型形式。板壳结构——这类结构也称为薄壁结构。它的厚度要比长度和宽度小得多。房屋中的楼板和壳体屋盖、水利结构中的拱坝都是板壳结构。实体结构——这类结构的长、宽、厚三个尺度大小相仿。水工结构中的重力坝属于实体结构。狭义的结构往往指的就是杆件结构，而通常所说的结构力学就是指杆件结构力学 结构力学的研究对象结构力学与理论力学、材料力学、弹塑性力学有密切的关系。理论力学着重讨论物体机械运动的基本规律，其余三门力学着重讨论结构及其构件的强度、刚度、稳定性和动力反应等问题，其中材料力学以单个杆件为主要研究对象，结构力学以杆件结构为主要研究对象，弹塑性力学以实体结构和板壳结构为主要研究对象。 结构力学的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，以及结构的组成规律。具体地说，包括以下几个方面：讨论结构的组成规律和合理形式，以及结构计算简图的合理选择。讨论结构内力和变形的计算方法，进行结构的强度和刚度的验算。讨论结构的稳定性以及在动力荷载作用下的结构反应。 求解结构力学的方法结构力学问题的研究方法包含理论分析、实验研究和数值计算三个方面。实验研究方法的内容在实验力学和结构检验课程中讨论，理论分析和数值计算方面的内容在结构力学课程中讨论。在结构分析中，首先把实际结构简化成计算模型，称为结构计算简图，然后再对计算简图进行计算。结构力学中介绍的计算方法是多种多样的，但所有各种方法都要考虑下列三方面的条件： 求解结构力学的方法在结构分析中，首先把实际结构简化成计算模型，称为结构计算简图，然后再对计算简图进行计算。结构力学中介绍的计算方法是多种多样的，但所有各种方法都要考虑下列三方面的条件：力系的平衡条件或运动条件。变形的几何连续条件。应力与变形间的物理条件(或称为本构方程)。结构力学的基本解法是直接运用上述三方面条件进行解算的，可称为“平衡一几何”解法。这些解法如果采用虚功和能量形式来表述，则称为“虚功-能量”解法。 计算简图实际结构是很复杂的，完全按照结构的实际情况进行力学分析是不可能的，也是不必要的。因此，对实际结构进行力学计算以前，必须加以简化，略去不重要的细节，显示其基本特点，用一个简化的图形来代替实际结构，这种图形称为结构的计算简图。选择计算简图的原则是：从实际出发—计算简图要反映实际结构的主要性能。分清主次，略去细节—计算简图要便于计算。 结构体系的简化和杆件的简化一般结构实际上都是空间结构，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。但在多数情况下，常可以忽略一些次要的空间约束而将实际结构分解为平面结构，使计算得以简化。本教程主要讨论平面结构的计算问题。杆件的截面尺寸(宽度、厚度)通常比杆件长度小得多，截面上的应力可根据截面的内力(弯矩、轴力、剪力)来确定。因此，在计算简图中，杆件用其轴线表示，杆件之间的连接区用结点表示，杆长用结点间的距离表示，而荷载的作用点也转移到轴线上。当截面尺寸增大时(例如超过长度的)杆件用其轴线表示的简化，将引起较大的误差。 杆件间连接的简化杆件间的连接区简化为结点。结点通常简化为以下两种理想情形：铰结点—被连接的杆件在连接处不能相对移动，但可相对转动，即可以传递力，但不能传递力矩。这种理想情况，实际上很难遇到。木屋架的结点比较接近于饺结点。见图01－01和图01—02图01－01图01—02 杆件间连接的简化刚结点—被连接的杆件在连接处既不能相对移动，又不能相对转动，即可以传递力，也可以传递力矩。现浇钢筋混凝土结点通常属于这类情形。见图01－03和图01—04图01－03图01－04 结构与基础间连接的简化结构与基础的连接区简化为支座，按其受力特征，一般简化为以下四种情形：滚轴支座—被支承的部分可以转动和水平移动，不能竖向移动，所提供的反力只有竖向反力，在计算简图中用一根支杆表示。见图01－05和图01—06图01－05图01－06 结构与基础间连接的简化铰支座—被支承的部分可以转动，不能移动，能提供两个反力，在计算简图中用两根相交的支杆表示。见图01－07和图01—08图01－07图01－08 结构与基础间连接的简化定向支座—被支承的部分不能转动，但可沿一个方向平行滑动，能提供反力矩和一个反力在计算简图中用两根平行支杆表示。见图01－09和图01—10图01－09图01－10 结构与基础间连接的简化固定支座—被支承的部分完全被固定，能提供两个反力和一个反力矩。见图01－11和图01—12图01－11图01－12 材料性质的简化在土木、水利工程中结构所用的建筑材料通常为钢、混凝土、砖、石、木料等。在结构计算中，为了简化，对组成各构件的材料一般都假设为连续的、均匀的、各向同性的、完全弹性或弹塑性的。上述假设对于金属材料在一定受力范围内是符合实际情况的。对于混凝土、钢筋混凝土、砖、石等材料则带有一定程度的近似性。至于术材，因其顺纹与横纹方向的物理性质不间，故应用这些假设时须予注意。 荷载的简化结构承受的荷载可分为体积力和表面力两大类。体积力指的是结构的自重或惯性力等；表面力则是由其它物体通过接触面而传给结构的作用力，如土压力、车辆的轮压力等。在杆件结构中把杆件简化为轴线，因此不管是体积力还是表面力都可以简化为作用在杆件轴线上的力。荷载按其分布情况可简化为集中荷载和分布荷载。 计算简图实际结构是很复杂的，完全按照结构的实际情况进行力学分析是不可能的，也是不必要的。因此，对实际结构进行力学计算以前，必须加以简化，略去不重要的细节，显示其基本特点，用一个简化的图形来代替实际结构，这种图形称为结构的计算简图。 计算简图图01—13所示的钢筋混凝土厂房结构：梁和柱都是预制的。柱子下端插入基础的杯口内，然后用细石混凝土填实。梁与柱的连接是通过将梁端和柱顶的预埋钢板进行焊接而实现的。在横向平面内柱与梁组成排架(见图01—14)，各个排架之间，在梁上有屋面板连接，在柱的牛腿上有吊车梁连接。计算上述的厂房结构时，可采用图01—15所示的计算简图。图01—13图01—14图01—15 计算简图图01－16所示的水电站的高压水管：水管支承在一系列支托上，从整体看是一个连续梁。固定台很重，可看作梁的固定端，而支托可看作支杆。在水管自重和管内水重作用下，水管可按均布荷载作用下的连续梁来计算（见图01－17）。图01－16图01－16 计算简图以下是计算水管纵向应力所取的计算简图。当计算环向应力时，由于水管很长，且每一截面所受的水压力也是一样的，因而可以截取一单位宽度的圆环进行计算(见图01－18)，当水管突然放空而形成真空时，由于外压的存在，有丧失稳定的可能，原先的圆环在失稳后变为椭圆形(见图01－19)，故还须验算圆环在均匀外压作用下的稳定性图01－18图01－19 杆件结构的分类梁—梁是一种受弯构件，其轴线通常为直线。梁可以是单跨的或多跨的(见图01－20)。图01－20拱—拱的轴线为曲线，其力学特点是在竖向荷载作用下有水平支座反力(推力)(见图01－21)。图01－21 杆件结构的分类桁架—桁架由直杆组成，所有结点都为铰结点(见图01－22)。刚架—刚架也是由直杆组成的，其结点通常为刚结点(见图01－23)。图01－22图01－23 杆件结构的分类组合结构—组合结构是桁架和梁或刚架组合在一起形成的结构，其中含有组合结点(见图01－24)。图01－24 杆件结构的分类杆件结构可分为平面结构和空间结构两类。在平面结构中，各杆的轴线和外力的作用线都在同一平面内，图01－25为一平面结构的桁架。图01－25 杆件结构的分类空间结构则不能满足上述条件,各杆的轴线不在同一平面内。大多数结构在设计中通常是按平面结构进行计算的。在有些情况下,必须考虑结构的空间作用(图01－26)。图01－26 载荷的分类荷载是主动作用于结构的外力，例如结构的自重，加于结构的水压力和土压力。除外力以外，还有其他因素可以使结构产生内力或变形，如温度变化、基础沉陷、材料收缩等。从广义上来说，这些因素也可以称为荷载。对结构进行计算以前，须先确定结构所受的荷载。荷载的确定是结构设计中极为重要的工作，荷载如估计过大，则设计的结构会过于笨重，造成浪费；荷载如估计过低，则设计的结构将不够安全。确定荷载需要周密的考虑和谨慎的工作。 载荷的分类荷载可以根据不同特征进行分类:根据荷载作用时间的久暂，可以分为恒载和活载两类。恒载是长期作用在结构上的不变荷载，如结构的自重或土压力。活载是在建筑物施工和使用期间可能存在的可变荷载，如楼面荷载、屋面荷载、吊车荷载、雪载和风载等。对结构进行计算时，恒载和大部分活载(如雪载、风载)在结构上作用的位置可以认为是固定的，这种荷载称为固定荷载。有些活载如吊车梁上的吊车荷载、公路桥梁上的汽车荷载，在结构上的位置是移动的，这种荷载称为移动荷载。 载荷的分类根据荷载作用的性质，可以分为静力荷载和动力荷载两类。静力载荷的数量、方向和位置不随时间变化或变化极为缓慢，不使结构产生显著的加速度，因而惯性力的影响可以忽略。动力载荷是随时间迅速变化或在短暂时段内突然作用或消失的荷载，使结构产生显著的加速度，因而惯性力的影响不能忽略。结构的自重和其他恒载是静力荷载。动力机械运转时产生的荷载或冲击波的压力是动力荷载的例子。车辆荷载、风载和地震荷载通常在设计中简化为静力荷载，但在特殊情况下要按动力荷载考虑。 作业阅读第一章