河北工程大學(xué) 結(jié)構(gòu)力學(xué) 第一章 緒論

1、1結(jié)構(gòu)力學(xué)河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)力學(xué)教研組周書(shū)敬 郭延華2目錄結(jié)構(gòu)力學(xué)(I)第一章 緒論第二章 平面體系的幾何構(gòu)造分析第三章 靜定結(jié)構(gòu)的受力分析第四章 影響線第五章 靜定結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算第六章 力法第七章 位移法第八章 漸近法3結(jié)構(gòu)力學(xué)(II)第十 章 矩陣位移法第十三章 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算第十五章 結(jié)構(gòu)的塑性分析與極限荷載目錄結(jié)構(gòu)力學(xué)教程(I)、(II)龍馭球 包世華 主編龍馭球 包世華 匡文起 袁駟 編著高等教育出版社4第一章 緒 論1-1 結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法1-2 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖51-1 結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法一、結(jié)構(gòu) 建筑物或構(gòu)筑物中承受、傳遞荷載而起骨架作用的部分稱為結(jié)構(gòu)。 如

2、：房屋中的梁柱體系、橋梁、水壩等等都是工程結(jié)構(gòu)的例子。 結(jié)構(gòu)的作用結(jié)構(gòu)的作用：起承受：起承受和傳遞荷載的作用。和傳遞荷載的作用。 6萬(wàn)里長(zhǎng)城中國(guó)萬(wàn)里長(zhǎng)城是世界上修建時(shí)間最長(zhǎng)，工程量最大的冷兵器戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代的國(guó)家軍事性防御工程，凝聚著我們祖先的血汗和智慧，是中華民族的象征和驕傲。秦始皇為了修筑長(zhǎng)城動(dòng)用了30萬(wàn)人，創(chuàng)造了人類建筑史上的奇跡。 在建筑材料和建筑結(jié)構(gòu) 上以“就地取材、因材施用”的原則，創(chuàng)造了許多種結(jié)構(gòu)方法。有夯土、塊石片石、磚石混合等結(jié)構(gòu)；在沙漠中還利用了紅柳枝條、蘆葦與砂粒層層鋪筑的結(jié)構(gòu)。有“山險(xiǎn)墻、劈山墻、關(guān)城、烽火臺(tái)”延續(xù)建筑達(dá)2000年。 7天安門(mén)城樓天安門(mén)城樓大殿為重檐歇山式屋頂

3、，天安門(mén)城樓為木結(jié)構(gòu)建筑，大殿飛檐下令人眼花繚亂而又排列有序的斗拱和梁枋。斗拱為我國(guó)傳統(tǒng)木構(gòu)架體系中獨(dú)有，是斗形木弓形橫木組成的具有翹、昂、拱特點(diǎn)的木制構(gòu)件。梁枋又分額枋、檐枋，斗拱下面是額枋，上面彩畫(huà)和金龍圖案，柱子之間的構(gòu)件叫檐枋，會(huì)有金龍和璽圖案。天安門(mén)城樓大殿內(nèi)有60根直徑為92厘米的紅漆木柱，承受著屋頂建筑大部分重力。 8國(guó)家大劇院 9國(guó)家大劇院內(nèi)部 10國(guó)家大劇院內(nèi)部 11國(guó)家大劇院內(nèi)部 12 國(guó)家大劇院中心建筑為獨(dú)特的殼體造型，高46.68米，地下最深32.50米,周長(zhǎng)達(dá)600余米，周?chē)敲娣e達(dá)3.55萬(wàn)平方米的人工湖水面。 1、6750噸鋼梁架起中國(guó)第一大穹頂：殼體結(jié)構(gòu)由一根根

4、弧形鋼梁所組成，是目前我國(guó)跨度最大的殼體鋼結(jié)構(gòu)建筑。如此巨大的鋼架結(jié)構(gòu)中間沒(méi)有一根柱子支撐，重達(dá)6750噸的鋼結(jié)構(gòu)完全可以依靠自身的力學(xué)結(jié)構(gòu)體系來(lái)保證安全穩(wěn)定。它對(duì)殼體的整體穩(wěn)定性、整體剛度和抗震、抗風(fēng)荷載、抗雪荷載及拼接、安裝等都有很高的技術(shù)要求。 2、超深基礎(chǔ)施工：地下最深達(dá)到32.5米，是目前北京地區(qū)公共建筑最深的地下工程。 3、鈦金屬的安裝：殼體表面鈦板面積達(dá)3萬(wàn)平方米，由18398塊鈦金屬板組成。由于是橢圓體、雙曲面，所以每塊鈦板的形狀，角度、弧度各不相同，加之鈦金屬板的厚度只有0.44毫米，因此對(duì)加工、制作、安裝技術(shù)要求很高。 4、石材全部國(guó)產(chǎn)：共使用了20多種天然石材。13三峽大

5、壩2006年5月，全長(zhǎng)2309米的三峽大壩全線建成，全線澆筑達(dá)到設(shè)計(jì)高程海拔185米，是世界上規(guī)模最大的混凝土重力壩。壩頂總長(zhǎng)3035米，壩頂高程185米 14印度泰姬陵陵墓主殿四角都有圓柱形高塔一座，特別的地方是每座塔均向外傾斜12度，若遇上地震只會(huì)向四方倒下，而不會(huì)影響主殿。 印度泰姬陵 是世界七大建筑奇跡之一 15意大利比薩斜塔公元1174年動(dòng)工，1350年完工，是8層圓柱形建筑。塔高545米，塔身墻壁底厚約 4米，頂部厚2米多，從下而上，外圍8重拱形券門(mén)，由底層15根圓柱，中間6層各31根圓柱，頂層12根圓柱，建成213個(gè)拱形券門(mén)而成。 塔由于造基不慎，到第3層出現(xiàn)傾斜，被迫停建達(dá)一個(gè)

6、世紀(jì)，后來(lái)繼續(xù)施工。建成時(shí)，塔頂中心偏離垂直中心線21米。600多年以來(lái)，塔身繼續(xù)而緩慢地傾斜，所以稱為“斜塔”。 16巴黎凱旋門(mén)凱旋門(mén)建成于1836年。它只有一個(gè)拱洞，上為桶形穹窿，高50米，寬45米。 17埃菲爾鐵塔18吉隆坡石油雙塔19 橋梁20趙州橋21青馬大橋22舊金山大橋結(jié)構(gòu)力與美的欣賞picture.ppt23二、結(jié)構(gòu)分類（從幾何角度分類）1. 桿系結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)梁、柱由桿件長(zhǎng)度l遠(yuǎn)大于橫截面尺寸b、h的細(xì)長(zhǎng)桿組成的結(jié)構(gòu)。24埃菲爾鐵塔252. 板殼結(jié)構(gòu)(薄壁結(jié)構(gòu)薄壁結(jié)構(gòu))悉尼歌劇院厚度遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度和寬度的結(jié)構(gòu)。26清華大禮堂273. 實(shí)體結(jié)構(gòu)(塊體結(jié)構(gòu)塊體結(jié)構(gòu))長(zhǎng)、寬、高三個(gè)尺寸相

7、近的結(jié)構(gòu)。三、結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的任務(wù)、對(duì)象和內(nèi)容1、結(jié)構(gòu)力學(xué) 結(jié)構(gòu)力學(xué)研究由細(xì)長(zhǎng)桿件組成的平面桿系結(jié)構(gòu)，如：梁、桁架、剛架、拱及組合結(jié)構(gòu)等。 (1) 結(jié)構(gòu)力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支； (2) 結(jié)構(gòu)力學(xué)是以結(jié)構(gòu)(建筑)為研究對(duì)象的。 力學(xué)：固體力學(xué)、流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等。28 固體力學(xué)：理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、巖體力學(xué)、斷裂力學(xué) 。2、結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)(1) 研究結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律和合理形式，合理選擇計(jì)算簡(jiǎn)圖。 組成規(guī)律：保證結(jié)構(gòu)各部分之間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)能承受荷載，并且能夠維持平衡。 合理形式：有效利用材料，使其性能得以充分發(fā)揮。29 (2) 研究在靜荷載作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)

8、力和變形的計(jì)算原理和方法； (3) 研究在動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng) (動(dòng)內(nèi)力、動(dòng)位移)的計(jì)算原理和方法； (4) 研究在靜荷載作用下，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的計(jì)算原理和方法； (5) 研究在靜荷載作用下，結(jié)構(gòu)的極限承載力的計(jì)算原理和方法；304. 研究?jī)?nèi)容 (1) 平面桿件體系的幾何構(gòu)造分析； 幾何構(gòu)造分析主要是討論幾何不變體系的組成規(guī)律，因?yàn)橹挥袔缀尾蛔凅w系才能作為結(jié)構(gòu)來(lái)使用。 (2) 承載能力的計(jì)算(結(jié)構(gòu)選定后) ； 內(nèi)力分析：FN(軸力)、FQ(剪力)、M(彎矩)；3、研究對(duì)象 研究由細(xì)長(zhǎng)桿件組成的平面桿系結(jié)構(gòu): 梁、桁架、剛架、拱及組合結(jié)構(gòu)等。31 強(qiáng)度計(jì)算在于保證結(jié)構(gòu)物使用中的安全性，并符

9、合經(jīng)濟(jì)要求。 變形計(jì)算：在彈性范圍內(nèi)。 剛度計(jì)算在于保證結(jié)構(gòu)物不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形從而影響使用。 (3) 動(dòng)力反應(yīng)：動(dòng)荷載作用下的動(dòng)內(nèi)力和動(dòng)位移(電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、地震等)。 動(dòng)力分析是研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性以及在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)-結(jié)構(gòu)受到的地震力、結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度及動(dòng)內(nèi)力等。32 (4) 穩(wěn)定分析、塑性分析：結(jié)構(gòu)變形進(jìn)入塑性階段以后的問(wèn)題； 穩(wěn)定性驗(yàn)算在于保證結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。 極限荷載的求解是為了充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載能力，由討論結(jié)構(gòu)的彈性計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄杂?jì)算。 (5) 桿系結(jié)構(gòu)的矩陣位移分析：適合電算的方法。335、結(jié)構(gòu)力學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系 結(jié)構(gòu)力學(xué)是理論力學(xué)、材料力學(xué)的后續(xù)課程、屬于專業(yè)

10、(技術(shù))基礎(chǔ)課。在后續(xù)課程中，結(jié)構(gòu)力學(xué)除與彈性力學(xué)性質(zhì)相近外，又為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼木結(jié)構(gòu)、水工結(jié)構(gòu)等專業(yè)課提供力學(xué)基礎(chǔ)。 各學(xué)科的任務(wù)：理論力學(xué)討論物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律；材料力學(xué)(結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué))是研究單根桿件(桿系結(jié)構(gòu)、實(shí)體結(jié)構(gòu)和板殼結(jié)構(gòu))的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的計(jì)算原理和計(jì)算方法。34四、學(xué)習(xí)方法和注意事項(xiàng) 首先，要充分認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)力學(xué)課程對(duì)本專業(yè)的重要性。1、學(xué)習(xí)方法 (1) 一定注意分析方法和解題思路，從具體問(wèn)題的算法中學(xué)習(xí)分析問(wèn)題的一般方法。 如：從“已知未知”；“整體局部整體”的方法。 (2) 認(rèn)真聽(tīng)課、做好筆記，提高聽(tīng)課效果。35 (3) 多練，必須獨(dú)立、高質(zhì)量的完成作業(yè)。2

11、、注意事項(xiàng) (1) 切忌不看書(shū)、不復(fù)習(xí)、照例題埋頭作習(xí)題； (2) 切忌貪多求快、不求甚解； (3) 切忌照答案湊數(shù)、不會(huì)自己校核； (4) 切忌不改正錯(cuò)題、不接受教訓(xùn)。 結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門(mén)古老的科學(xué)，其理論的經(jīng)典部分幾乎已經(jīng)達(dá)到盡善盡美的程度，但它又是不斷發(fā)展的科學(xué)，含義如下：36 (1) 新結(jié)構(gòu)層出不窮要求從理論和實(shí)踐上加以解決； (2) 計(jì)算機(jī)的發(fā)展使結(jié)構(gòu)力學(xué)獲得了新生，提高了精度和適度； (3) 各力學(xué)學(xué)科間互相滲透擴(kuò)展了計(jì)算原理和計(jì)算方法； (4) 關(guān)于“優(yōu)化設(shè)計(jì)”問(wèn)題電算產(chǎn)生以前提出的有可能解決的問(wèn)題正逐步得到解決。371-2 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖一、支座和支座反力1. 固定支座AB模型工程實(shí)

12、例把結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)起來(lái)的裝置稱為支座。 38簡(jiǎn)圖：特點(diǎn)：（1) 桿端截面A不產(chǎn)生線位移和角位移；（2) 桿端截面A有反力矩以及沿x、y方向的反力。xAFyAFAMAA392. 固定鉸支座特點(diǎn)：(1) 桿端截面A無(wú)線位移，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)；(2) 桿端截面A產(chǎn)生沿x、y方向的反力。模型AxAFyAFxAFyAFA403. 輥軸支座（活動(dòng)鉸支座）特點(diǎn)：（1) 桿端A產(chǎn)生垂直于鏈桿方向的線位移；（2) 桿端A產(chǎn)生的支座反力沿鏈桿方向作用。AyAFA414. 滑動(dòng)支座（定向支座）特點(diǎn)： （1）桿端A無(wú)轉(zhuǎn)角，不能產(chǎn)生沿鏈桿方向的線位移，可以產(chǎn)生垂直于鏈桿方向的線位移； （2）桿端A存在反力矩以及沿鏈桿方向的

13、反力。模型AyAFAMAyAFAMA425、伸縮彈性支座yF特點(diǎn)： （1）只有豎向支座反力Fy； （2）豎向可有一定的彈性變形，可轉(zhuǎn)動(dòng)和水平移動(dòng)。6、 旋轉(zhuǎn)彈性支座MxFyFyFxFMxFyFM43特點(diǎn)： （1）有支反力矩M、水平支反力Fx和豎向支反力Fy ； （2）不允許豎向位移和水平位移，可有一定轉(zhuǎn)角彈性變形。44二、幾種桿系結(jié)構(gòu)1. 梁1）單跨梁超靜定梁1（一端固定一端簡(jiǎn)支梁） 靜定梁（簡(jiǎn)支梁）超靜定梁2（兩端固定梁） 超靜定梁3（一端固定一端滑動(dòng)梁） 452）多跨梁靜定多跨梁連續(xù)梁（超靜定）梁的特點(diǎn)： 梁的軸線通常為直線，在豎向荷載作用下，截面存在彎矩、剪力和軸力。462. 剛架靜定剛

14、架超靜定剛架剛架的特點(diǎn)： （1）剛架通常由梁和柱等直桿組成，桿件與桿件連結(jié)的結(jié)點(diǎn)多為剛結(jié)點(diǎn)； （2）荷載作用下桿件截面存在彎矩、剪力和軸力。473. 拱拉桿拱拉桿無(wú)鉸拱三鉸拱HFHFPFVFVF拱的特點(diǎn)： （1) 拱的軸線為曲線，在豎向荷載作用下支座有水平推力FH （見(jiàn)圖)； （2) 拱軸截面的軸力較大，彎距和剪力較小。484. 桁架和組合結(jié)構(gòu)靜定桁架超靜定桁架特點(diǎn)： 桁架由直桿組成，所有結(jié)點(diǎn)都是鉸結(jié)點(diǎn)，荷載作用于結(jié)點(diǎn)上，各桿只受軸力；49 特點(diǎn)：組合結(jié)構(gòu)則是由梁式桿和鏈桿組成，其中梁式桿以受彎為主，內(nèi)力不僅有軸力，還有彎矩和剪力。 按空間觀點(diǎn)分為平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。 平面結(jié)構(gòu)：各桿的軸線和外

15、力作用線都在同一平面內(nèi)； 空間結(jié)構(gòu)：各桿的軸線不在同一平面內(nèi)。組合結(jié)構(gòu)50三、 荷載 按計(jì)算特性分為靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)。 靜定結(jié)構(gòu)：桿件的內(nèi)力(包括反力)可由平衡條件唯一確定； 超靜定結(jié)構(gòu)：桿件的內(nèi)力(包括反力)由平衡條件還不能唯一確定，而必須同時(shí)考慮變形條件才能唯一確定。 荷載：主動(dòng)作用于結(jié)構(gòu)的外力(自重、水壓力和土壓力)。51 廣義荷載：還包括溫度變化、基礎(chǔ)沉陷、材料收縮等。 荷載的確定是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極為重要的工作。 荷載如果估計(jì)過(guò)大，則設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)會(huì)過(guò)于笨重，造成浪費(fèi)；荷載如果估計(jì)過(guò)低，則設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將不夠安全。 荷載可以根據(jù)不同特征進(jìn)行分類： 1、按荷載作用時(shí)間長(zhǎng)短可分為： 恒載：永久作用在結(jié)構(gòu)上的荷載。如自重等。52 活載：荷載有時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上，有時(shí)又不作用在結(jié)構(gòu)上。如：樓面活荷載，雪荷載。 2、按荷載作用位置可分為： 固定荷載：作用位置不變的荷載，如自重等。 移動(dòng)荷載：作用在結(jié)構(gòu)上的荷載位置是移動(dòng)的，如吊車(chē)荷載、橋梁上的汽車(chē)和火車(chē)荷載。3、按荷載作用的性質(zhì)可分為： 靜荷載：荷載的大小、方向、位置不隨時(shí)間變化或變化很緩慢的荷載。恒載都是靜荷載。53 動(dòng)荷載：荷載的大小、方向隨時(shí)間迅速變化，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著振動(dòng)，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量承受的加速度及慣性力不能忽略?；秃吮ǖ臎_擊波荷載、地震荷載和風(fēng)荷載等都是動(dòng)力荷載。 注意：車(chē)輛荷載、風(fēng)載和地震荷載通常在設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化為靜力荷載，但在