結(jié)構(gòu)力學(xué)第一章

1、123456準備工作準備工作確定結(jié)構(gòu)確定結(jié)構(gòu)方案方案明確結(jié)構(gòu)布置明確結(jié)構(gòu)布置選擇結(jié)構(gòu)計算選擇結(jié)構(gòu)計算簡圖簡圖結(jié)構(gòu)分析和設(shè)結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計計算計計算結(jié)構(gòu)設(shè)計說明結(jié)構(gòu)設(shè)計說明結(jié)構(gòu)設(shè)計計算書結(jié)構(gòu)設(shè)計計算書結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟結(jié)構(gòu)力學(xué)荷荷載載計計算算結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)內(nèi)力力分分析析荷荷載載效效應(yīng)應(yīng)組組合合構(gòu)構(gòu)件件截截面面設(shè)設(shè)計計構(gòu)構(gòu)造造要要求求71.1.性質(zhì)性質(zhì) 結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)的一門重要的結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個，在整個土木工程專業(yè)知識理論體系中起著承前啟后的核心作用。土木工程專業(yè)知識理論體系中起著承前啟后的核心作用。幾何組成分析幾何組成分析靜定

2、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算靜定結(jié)構(gòu)位移計算靜定結(jié)構(gòu)位移計算超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算基本方法基本方法工程使用工程使用力矩分配法（手算）力矩分配法（手算）2.2.內(nèi)容內(nèi)容矩陣位移法矩陣位移法（電算）（電算）（力法、位移法）（力法、位移法）8大學(xué)課程體系大學(xué)課程體系理論基礎(chǔ)課：理論基礎(chǔ)課：高數(shù)、線代、大學(xué)物理等等高數(shù)、線代、大學(xué)物理等等專業(yè)基礎(chǔ)課：專業(yè)基礎(chǔ)課：工程力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程材料工程力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程材料專業(yè)課：專業(yè)課：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、橋梁混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、橋梁工程工程93.3.課程特點課程特點a.a.內(nèi)容連貫，章節(jié)銜接緊密。內(nèi)容連貫，章節(jié)銜接緊密。b.

3、b.邏輯性強，計算方法技巧性要求高。邏輯性強，計算方法技巧性要求高。c.c.計算量大，對微分方程、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)課程的依賴性大。計算量大，對微分方程、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)課程的依賴性大。d.d.承前啟后，對后續(xù)課程學(xué)習至關(guān)重要。承前啟后，對后續(xù)課程學(xué)習至關(guān)重要。 4.4.學(xué)習目標學(xué)習目標能力培養(yǎng)能力培養(yǎng)a.a.分析能力分析能力b.b.計算能力計算能力c.c.自學(xué)能力自學(xué)能力d.d.表達能力表達能力10a.a.由于內(nèi)容連貫性強，切勿欠賬，每學(xué)完一章后，應(yīng)由于內(nèi)容連貫性強，切勿欠賬，每學(xué)完一章后，應(yīng)及時復(fù)習，切實掌握。及時復(fù)習，切實掌握。b.b.加強對基本概念、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析思路的理解與掌握，加強對基本概

4、念、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析思路的理解與掌握，熟記部分基本結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律。熟記部分基本結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律。c.c. 認真預(yù)習，及時復(fù)習鞏固知識，主動答疑，按時認真預(yù)習，及時復(fù)習鞏固知識，主動答疑，按時獨立完成作業(yè)。獨立完成作業(yè)。5 5. .學(xué)習方法學(xué)習方法認真聽認真聽 勤練習勤練習 多動手多動手11基本內(nèi)容基本內(nèi)容 1.結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象和任務(wù)； 2.結(jié)構(gòu)計算簡圖的選取原則、要求及其主要簡化內(nèi)容； 3.平面桿系結(jié)構(gòu)的分類。重點重點 結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的對象和任務(wù)；桿件結(jié)構(gòu)的計算簡圖結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的對象和任務(wù)；桿件結(jié)構(gòu)的計算簡圖。難點難點 結(jié)構(gòu)計算簡圖的選取結(jié)構(gòu)計算簡圖的選取。121.1 1.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究

5、對象和任務(wù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象和任務(wù) 1 1） 結(jié)構(gòu)及其分類結(jié)構(gòu)及其分類 建筑物或構(gòu)筑物中承擔荷載、傳遞荷載并起骨架作用的建筑物或構(gòu)筑物中承擔荷載、傳遞荷載并起骨架作用的部分，都可稱為結(jié)構(gòu)。部分，都可稱為結(jié)構(gòu)。 上海金茂大廈上海金茂大廈(右右)和國際金融中心和國際金融中心(左左) 南京長江大橋南京長江大橋 13長江三峽大壩長江三峽大壩 國家大劇院國家大劇院 14北京奧運會主北京奧運會主體育館體育館(鳥巢鳥巢) 上海世博會上海世博會中國國家館中國國家館 15結(jié)構(gòu)按其幾何特征通常分為以下三類：結(jié)構(gòu)按其幾何特征通常分為以下三類： (1) 桿件結(jié)構(gòu)桿件結(jié)構(gòu) 桿件結(jié)構(gòu)是由桿件或若干桿件相互連接組成。桿件結(jié)

6、構(gòu)是由桿件或若干桿件相互連接組成。 lbh 其長度其長度l比截面寬度比截面寬度b和厚度和厚度h大得多（大得多（桿件的截桿件的截面尺寸面尺寸長度尺寸長度尺寸）。）。16結(jié)構(gòu)按其幾何特征通常分為以下三類：結(jié)構(gòu)按其幾何特征通常分為以下三類： (2)板殼結(jié)構(gòu)板殼結(jié)構(gòu) 薄壁結(jié)構(gòu)又稱為板殼結(jié)構(gòu)。板殼構(gòu)件的厚度薄壁結(jié)構(gòu)又稱為板殼結(jié)構(gòu)。板殼構(gòu)件的厚度h要比長、寬兩個尺度小得多。要比長、寬兩個尺度小得多。 lbhh(a)(b)平板平板 殼體殼體 17(3) 實體結(jié)構(gòu)實體結(jié)構(gòu) 實體結(jié)構(gòu)是由長、寬、厚三個尺度大致相當?shù)膶嶓w結(jié)構(gòu)是由長、寬、厚三個尺度大致相當?shù)膲K體組成的結(jié)構(gòu)。塊體組成的結(jié)構(gòu)。 擋土墻擋土墻 結(jié)構(gòu)按其幾

7、何特征通常分為以下三類：結(jié)構(gòu)按其幾何特征通常分為以下三類： 18模型：客觀存在的一種理想化近似。模型：客觀存在的一種理想化近似。研究平面幾何時，研究平面幾何時，點點線線面面牛頓力學(xué)：研究物體的運動，把物體等效于質(zhì)點，牛頓力學(xué)：研究物體的運動，把物體等效于質(zhì)點，也質(zhì)點力學(xué)。也質(zhì)點力學(xué)。理論力學(xué)：研究剛體的運動，剛體也是一種近似。理論力學(xué)：研究剛體的運動，剛體也是一種近似。材料力學(xué)材料力學(xué)物理方面：可變形的固體物理方面：可變形的固體幾何方面：等截面的直桿幾何方面：等截面的直桿桿件力學(xué)桿件力學(xué)2） 結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象和任務(wù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象和任務(wù)192） 結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象和任務(wù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象和

8、任務(wù) 結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象是桿系結(jié)構(gòu)，即主要研究桿結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象是桿系結(jié)構(gòu)，即主要研究桿系結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其內(nèi)力和變形的計算問題。系結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其內(nèi)力和變形的計算問題。 具體任務(wù)包括以下三個方面：具體任務(wù)包括以下三個方面：研究結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律、合理形式以及結(jié)構(gòu)計算簡圖的選擇研究結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律、合理形式以及結(jié)構(gòu)計算簡圖的選擇。研究結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的計算方法，以便進行結(jié)構(gòu)強度和研究結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的計算方法，以便進行結(jié)構(gòu)強度和剛度的驗算。剛度的驗算。研究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及在動力荷載作用下的反應(yīng)。研究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及在動力荷載作用下的反應(yīng)。20 進行強度、穩(wěn)定性計算的目的，在于保證結(jié)構(gòu)滿足安全

9、進行強度、穩(wěn)定性計算的目的，在于保證結(jié)構(gòu)滿足安全和經(jīng)濟的要求。計算剛度的目的，在于保證結(jié)構(gòu)不至于發(fā)生和經(jīng)濟的要求。計算剛度的目的，在于保證結(jié)構(gòu)不至于發(fā)生過大的變形，以至于影響正常使用。研究組成規(guī)律的目的，過大的變形，以至于影響正常使用。研究組成規(guī)律的目的，在于保證結(jié)構(gòu)各部分之間不至于發(fā)生相對的剛體運動，而能在于保證結(jié)構(gòu)各部分之間不至于發(fā)生相對的剛體運動，而能承受荷載維持平衡。探討結(jié)構(gòu)的合理形式，是為了有效的利承受荷載維持平衡。探討結(jié)構(gòu)的合理形式，是為了有效的利用材料，使其性能得到充分發(fā)揮。用材料，使其性能得到充分發(fā)揮。211.2 桿件結(jié)構(gòu)的計算簡圖桿件結(jié)構(gòu)的計算簡圖 1）計算簡圖及其選擇原則）

10、計算簡圖及其選擇原則 a.計算簡圖計算簡圖將實際結(jié)構(gòu)作適當?shù)暮喕プ≈饕?，將實際結(jié)構(gòu)作適當?shù)暮喕?，抓住主要矛盾，忽略次要因素，得到一種能夠基本反映實際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，忽略次要因素，得到一種能夠基本反映實際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并代替原結(jié)構(gòu)的并代替原結(jié)構(gòu)的“簡化圖形簡化圖形”。能反映結(jié)構(gòu)的實際受力特點及變形性能。能反映結(jié)構(gòu)的實際受力特點及變形性能。保留主要因素，略去次要因素，便于分析計算。保留主要因素，略去次要因素，便于分析計算。b.選取結(jié)構(gòu)計算簡圖原則選取結(jié)構(gòu)計算簡圖原則： 實際工作中，計算簡圖的確定要經(jīng)過實驗、實測和理實際工作中，計算簡圖的確定要經(jīng)過實驗、實測和理論分析，并要經(jīng)過多次實踐的檢

11、驗。論分析，并要經(jīng)過多次實踐的檢驗。22c.影響計算簡圖選取的主要因素：影響計算簡圖選取的主要因素： 結(jié)構(gòu)的重要性結(jié)構(gòu)的重要性 ： 重要結(jié)構(gòu)重要結(jié)構(gòu)精；精；靜力計算靜力計算精；精；次要結(jié)構(gòu)次要結(jié)構(gòu)粗；粗；設(shè)計階段：設(shè)計階段：初步設(shè)計初步設(shè)計粗；粗；技術(shù)設(shè)計技術(shù)設(shè)計精；精；計算問題的性質(zhì)：計算問題的性質(zhì)：計算工具：計算工具： 先進先進精；簡陋精；簡陋粗。粗。動力計算動力計算粗；粗；232）計算簡圖的簡化要點）計算簡圖的簡化要點 應(yīng)從以下幾方面進行簡化應(yīng)從以下幾方面進行簡化 (1) 結(jié)構(gòu)體系的簡化結(jié)構(gòu)體系的簡化 桿件結(jié)構(gòu)有平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)兩桿件結(jié)構(gòu)有平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)兩大類，實際工程結(jié)構(gòu)大部分都

12、是空間結(jié)構(gòu)，在大多數(shù)情況大類，實際工程結(jié)構(gòu)大部分都是空間結(jié)構(gòu)，在大多數(shù)情況下，?？珊雎砸恍┐我目臻g約束而將其分解為平面結(jié)構(gòu)，下，?？珊雎砸恍┐我目臻g約束而將其分解為平面結(jié)構(gòu)，使計算得到簡化。本書主要討論平面桿件結(jié)構(gòu)的計算問題。使計算得到簡化。本書主要討論平面桿件結(jié)構(gòu)的計算問題。24(2) 桿件的簡化桿件的簡化不論是直桿或曲桿均可用其軸線（截面不論是直桿或曲桿均可用其軸線（截面形心的連線）表示。形心的連線）表示。 25(3) 結(jié)點的簡化結(jié)點的簡化 剛結(jié)點：剛結(jié)點的特點是匯交于結(jié)點的各桿端之間不能剛結(jié)點：剛結(jié)點的特點是匯交于結(jié)點的各桿端之間不能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，各桿間可相互傳遞力和力矩。發(fā)生相對轉(zhuǎn)

13、動，各桿間可相互傳遞力和力矩。 剛結(jié)點剛結(jié)點26鉸結(jié)點：鉸結(jié)點： 鉸結(jié)點的特點是匯交于結(jié)點的各桿端可以繞結(jié)點自由轉(zhuǎn)鉸結(jié)點的特點是匯交于結(jié)點的各桿端可以繞結(jié)點自由轉(zhuǎn)動，各桿間可相互傳遞力，但不能傳遞力矩。動，各桿間可相互傳遞力，但不能傳遞力矩。 (a)(b)組合結(jié)點：組合結(jié)點： 123A 在同一結(jié)點上，某些桿件相互剛在同一結(jié)點上，某些桿件相互剛結(jié)，而另一些桿件相互鉸結(jié)，則稱為結(jié)，而另一些桿件相互鉸結(jié)，則稱為組合結(jié)點。組合結(jié)點。 27(4) 支座的簡化支座的簡化活動鉸支座活動鉸支座它允許結(jié)構(gòu)繞鉸它允許結(jié)構(gòu)繞鉸A轉(zhuǎn)動和沿支承平面方向移轉(zhuǎn)動和沿支承平面方向移動，但動，但A點不能沿垂直于支承面的方向移動

14、。點不能沿垂直于支承面的方向移動。 FAyAA(a)(b)固定鉸支座固定鉸支座簡稱為鉸支座，它允許結(jié)構(gòu)繞鉸簡稱為鉸支座，它允許結(jié)構(gòu)繞鉸A轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動，但但A點不能沿水平或豎向移動。點不能沿水平或豎向移動。 (a)A(b)FAyAAxF(c)FAxFAyA28固定支座固定支座這種支座不允許結(jié)構(gòu)在支承處發(fā)生任何方向的這種支座不允許結(jié)構(gòu)在支承處發(fā)生任何方向的移動和轉(zhuǎn)動。移動和轉(zhuǎn)動。 AFAxFAyAM(a)(b)定向支座定向支座定向支座又稱滑動支座，結(jié)構(gòu)在支承處不能定向支座又稱滑動支座，結(jié)構(gòu)在支承處不能轉(zhuǎn)動，不能沿垂直于支承面的方向移動，但可沿支承面方向轉(zhuǎn)動，不能沿垂直于支承面的方向移動，但可沿支承面

15、方向滑動?；瑒?。 (a)(c)MAxFAAAyFMAA(b)29 彈性支座彈性支座如果在結(jié)構(gòu)計算中，需要考慮支座本身的變形如果在結(jié)構(gòu)計算中，需要考慮支座本身的變形時，則這種支座稱為彈性支座。彈性支座又分為抗移動彈性支時，則這種支座稱為彈性支座。彈性支座又分為抗移動彈性支座和抗轉(zhuǎn)動彈性支座。座和抗轉(zhuǎn)動彈性支座。 AMAyFFAxAyFAA(a)(b)kk(5) 材料性質(zhì)的簡化材料性質(zhì)的簡化(6) 荷載的簡化荷載的簡化荷載簡化為作用在桿件軸線上的力，祥見以下討論。荷載簡化為作用在桿件軸線上的力，祥見以下討論。 為了簡化計算，通常假設(shè)材料為連續(xù)的、均勻的、各向同性為了簡化計算，通常假設(shè)材料為連續(xù)的、

16、均勻的、各向同性的、完全彈性或彈塑性的。的、完全彈性或彈塑性的。 303）荷載的分類）荷載的分類(1) 按照荷載作用時間的長短分：按照荷載作用時間的長短分：恒載恒載： 永久作用在結(jié)構(gòu)上的不變荷載，如結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)永久作用在結(jié)構(gòu)上的不變荷載，如結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備、土壓力等。備、土壓力等?；钶d活載 ：暫時作用在結(jié)構(gòu)上的可變荷載，如臨時設(shè)備、人群、：暫時作用在結(jié)構(gòu)上的可變荷載，如臨時設(shè)備、人群、風力、水壓力、移動的汽車和吊車等。風力、水壓力、移動的汽車和吊車等。(2) 按照荷載的分布情況分：按照荷載的分布情況分：集中荷載集中荷載 ：當荷載的分布面積遠小于結(jié)構(gòu)的尺寸時，則可認：當荷載的分布面積遠小于

17、結(jié)構(gòu)的尺寸時，則可認為此荷載是作用在結(jié)構(gòu)的一個點上，稱為集中荷載。集中荷載為此荷載是作用在結(jié)構(gòu)的一個點上，稱為集中荷載。集中荷載有集中力和集中力偶兩種。有集中力和集中力偶兩種。分布荷載分布荷載 當荷載的分布面積較大時，即是分布荷載。分布荷當荷載的分布面積較大時，即是分布荷載。分布荷載又可分為均勻分布荷載、線性分布（如三角形或梯形分布）載又可分為均勻分布荷載、線性分布（如三角形或梯形分布）荷載等。荷載等。31(3) 按照荷載作用的性質(zhì)分：按照荷載作用的性質(zhì)分：靜力荷載靜力荷載： 其大小、方向和位置不隨時間而變化或變化極為其大小、方向和位置不隨時間而變化或變化極為緩慢，不會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的振動，因

18、而可略去慣性力的影響。緩慢，不會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的振動，因而可略去慣性力的影響。恒載以及只考慮位置改變而不考慮動力效應(yīng)的移動荷載都是靜恒載以及只考慮位置改變而不考慮動力效應(yīng)的移動荷載都是靜力荷載。力荷載。動力荷載動力荷載 ：隨時間迅速變化的荷載，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的振動，：隨時間迅速變化的荷載，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的振動，因而慣性力的影響不能忽略。如往復(fù)周期荷載（機械運轉(zhuǎn)時產(chǎn)因而慣性力的影響不能忽略。如往復(fù)周期荷載（機械運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的荷載）、沖擊荷載（爆炸沖擊波）和瞬時荷載（地震、風生的荷載）、沖擊荷載（爆炸沖擊波）和瞬時荷載（地震、風震）等。震）等。 除荷載外，還有其他一些因素也可以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力除荷載外

19、，還有其他一些因素也可以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和位移，例如溫度變化、支座沉陷、制造誤差、材料脹縮和位移，例如溫度變化、支座沉陷、制造誤差、材料脹縮等。從廣義上來說，可將這些因素視為廣義荷載。等。從廣義上來說，可將這些因素視為廣義荷載。 324）結(jié)構(gòu)計算簡圖舉例）結(jié)構(gòu)計算簡圖舉例例例1.1 圖示為一根兩端圖示為一根兩端擱在墻上的梁，其上擱在墻上的梁，其上放一重物，現(xiàn)確定梁放一重物，現(xiàn)確定梁的計算簡圖。的計算簡圖。 b/2b/2bbl0gPF(a)(b)lb/2b/2bbl0gPF(a)(b)l331.3 平面桿件結(jié)構(gòu)的分類平面桿件結(jié)構(gòu)的分類 結(jié)構(gòu)的分類，實際上是指結(jié)構(gòu)計算簡圖的分類結(jié)構(gòu)的分類，實際上是指

20、結(jié)構(gòu)計算簡圖的分類。 1）按受力和變形特性分）按受力和變形特性分（1）梁梁 梁是一種受彎構(gòu)件，其軸線通常為直線。梁有單跨的梁是一種受彎構(gòu)件，其軸線通常為直線。梁有單跨的和多跨的。其內(nèi)力一般有彎矩和剪力，以彎矩為主。和多跨的。其內(nèi)力一般有彎矩和剪力，以彎矩為主。 34簡支梁懸臂梁多跨靜定梁超靜定梁曲梁35（2）剛架）剛架 剛架由梁和柱組成，結(jié)點多為剛結(jié)點。其內(nèi)力一剛架由梁和柱組成，結(jié)點多為剛結(jié)點。其內(nèi)力一般有彎矩、剪力和軸力，以彎矩為主。般有彎矩、剪力和軸力，以彎矩為主。 (c)(a)(b)36（3）拱）拱 拱的軸線為曲線，且在豎向荷載作用下會產(chǎn)生水拱的軸線為曲線，且在豎向荷載作用下會產(chǎn)生水平反

21、力（推力）。這使得拱內(nèi)彎矩和剪力比同跨度、平反力（推力）。這使得拱內(nèi)彎矩和剪力比同跨度、同荷載的梁的要小。其內(nèi)力以壓力為主。同荷載的梁的要小。其內(nèi)力以壓力為主。 (b)(a)(c)37（4）桁架）桁架 桁架由直桿組成，所有結(jié)點都為理想鉸結(jié)點。桁架由直桿組成，所有結(jié)點都為理想鉸結(jié)點。當僅受結(jié)點集中荷載作用時，其內(nèi)力只有軸力（拉當僅受結(jié)點集中荷載作用時，其內(nèi)力只有軸力（拉力和壓力）。力和壓力）。 38（5）組合結(jié)構(gòu)）組合結(jié)構(gòu) 組合結(jié)構(gòu)是由只承受軸力的桁桿和主要承受組合結(jié)構(gòu)是由只承受軸力的桁桿和主要承受彎矩的梁桿（梁或剛架桿件）組成的結(jié)構(gòu)，其中彎矩的梁桿（梁或剛架桿件）組成的結(jié)構(gòu)，其中含有組合結(jié)點含有組合結(jié)點 。392）按計算特性分