建筑結(jié)構(gòu)選型力學(xué)基礎(chǔ)()

第1章力學(xué)基礎(chǔ)主講：齊小燕2013年3月21日建筑力學(xué)研究?jī)?nèi)容“建筑力學(xué)”涉及：理論力學(xué)；材料力學(xué)；結(jié)構(gòu)力學(xué)。建筑力學(xué)是建筑學(xué)、城市規(guī)劃、工程管理、

環(huán)境工程、房地產(chǎn)等專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，是一門重要的必修課程。它包含了理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的最基本內(nèi)容，研究土木工程結(jié)構(gòu)中的桿件和桿系的受力分析、強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性問題。它是力學(xué)結(jié)合工程應(yīng)用的橋梁，同時(shí)為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定必要的分析和計(jì)算基礎(chǔ)。其內(nèi)容極其豐富，這是一門綜合性、實(shí)踐性都非常強(qiáng)的學(xué)科。1.1關(guān)于建筑力學(xué)學(xué)習(xí)建筑力學(xué)的必要性建筑學(xué)是一門介于工程類和藝術(shù)類之間的特殊學(xué)科，它需要將工程和藝術(shù)充分結(jié)合，同時(shí)兼顧嚴(yán)密的邏輯思維與跳躍性的抽象思維之間的有機(jī)互動(dòng)，在這個(gè)專業(yè)領(lǐng)域取得成就非常不容易?？v觀國內(nèi)外，著名的建筑大師和優(yōu)秀的建筑作品都是結(jié)構(gòu)形式與建筑理念的完美結(jié)合。建筑三要素：

-建筑功能（堅(jiān)固）第一位由結(jié)構(gòu)承擔(dān)

-物質(zhì)技術(shù)條件（適用）

-建筑形象（美觀）結(jié)構(gòu)就是建筑物的骨架。承荷傳力、開辟空間、保證不坍塌。

建筑力學(xué)：保證構(gòu)件安全的理論基礎(chǔ)。負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃的建筑師、規(guī)劃師，其職責(zé)既是創(chuàng)作，更是協(xié)調(diào)。大量工程實(shí)踐和國際建筑大師成功經(jīng)驗(yàn)表明，只有建筑與結(jié)構(gòu)相互理解，融會(huì)貫通各方的思路，才能設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、藝術(shù)性強(qiáng)的建筑物。要想成為一名出色的建筑師，建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)生一定要掌握結(jié)構(gòu)工程知識(shí)。因此，要重視建筑力學(xué)的學(xué)習(xí)。建筑力學(xué)課特點(diǎn)理論概念性較強(qiáng)，方法技巧性要求高。理論概念——需要通過練習(xí)來加深理解；方法技巧——需要多做練習(xí)來熟悉掌握。

——從具體算法中學(xué)習(xí)分析問題的一般方法和解題思路，培養(yǎng)分析和解決問題的思路。建筑力學(xué)的任務(wù)結(jié)構(gòu)及其分類結(jié)構(gòu)——建筑物中承受荷載而起骨架作用的部分。構(gòu)件——組成結(jié)構(gòu)的各單獨(dú)部分。結(jié)構(gòu)承受的荷載自重、風(fēng)載、人群荷載、屋面積雪重量、吊車壓力等非荷載影響因素：溫度變化、支座沉降、地震作用等建筑力學(xué)研究對(duì)象的幾何特征構(gòu)件的分類（長(zhǎng)寬高來衡量）桿件：一個(gè)方向的尺寸大板和殼：兩個(gè)方向的尺寸大實(shí)體：三個(gè)方向的尺寸都大且相近構(gòu)件幾何特征各橫截面的形心連線——軸線垂直于桿軸線的截面——橫截面根據(jù)軸線形狀可分為：直桿、曲桿、折桿結(jié)構(gòu)的幾何特征——平面桿件結(jié)構(gòu)與空間桿件結(jié)構(gòu)凡組成結(jié)構(gòu)的所有桿件的軸線都位于某一平面內(nèi)，并且荷載也位于該平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)，稱為平面桿件結(jié)構(gòu)。否則，稱為空間結(jié)構(gòu)。直桿曲桿：拱折桿：剛架構(gòu)件：組成機(jī)械或結(jié)構(gòu)物的最小單元強(qiáng)度：構(gòu)件或結(jié)構(gòu)物抵抗破壞的能力剛度：構(gòu)件抵抗變形的能力穩(wěn)定性：構(gòu)件保持原有平衡狀態(tài)的能力

幾個(gè)基本概念構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性不僅與構(gòu)件的形狀有關(guān)，而且與所用材料的力學(xué)性能有關(guān)，因此在進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究是完成材料力學(xué)的任務(wù)所必需的途徑和手段。強(qiáng)度——抵抗破壞的能力

即材料強(qiáng)度破壞時(shí)所需外力大小的指標(biāo)。

幾種材料特性：

低碳鋼：剛性，強(qiáng)度高玻璃片：剛性，強(qiáng)度低尼龍繩：柔性，強(qiáng)度高橡膠：柔性，強(qiáng)度低滿足強(qiáng)度要求就是：要求結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件在正常工作條件下不發(fā)生破壞。剛度——抵抗變形的能力不同材料有不同的剛度特性——?jiǎng)傂?、柔性、伸長(zhǎng)性、松弛性等。材料的剛度用彈性模量E表示?！獙?duì)給定的材料，E是常數(shù)。滿足剛度要求就是：要使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在正常工作條件下所發(fā)生的變形不超過允許的范圍。

穩(wěn)定性——結(jié)構(gòu)或構(gòu)件以原有的形狀保持穩(wěn)定的平

衡狀態(tài)。穩(wěn)定性要求：要使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在正常工作條件下不會(huì)突然改變?cè)行螤睿灾掳l(fā)生過大的變形而導(dǎo)致破壞。1.2靜力學(xué)基本概念

靜力學(xué)研究物體作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特殊情況——物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)力的平衡規(guī)律。包括：受力分析、力系的簡(jiǎn)化、平衡的條件等等。

物體的靜平衡是指物體相對(duì)于地面保持靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。剛體(Rigidbody)

在任何外力的作用下，大小和形狀始終保持不變的物體。即：不產(chǎn)生變形或變形可以忽略。絕對(duì)的剛體實(shí)際并不存在。例如:橋梁在車輛、人群等荷載作用下的最大豎直變形一般不超過橋梁跨度的1/700～1/900。物體的微小變形對(duì)于研究物體的平衡問題影響很小，因而可以將物體視為不變形的理想物體——?jiǎng)傮w靜力學(xué)只研究剛體，因此，只討論物體在力的作用下整體的平衡問題。力(Force)是物體間相互的機(jī)械作用

力對(duì)物體作用效應(yīng)(Effectofanaction)：使物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，叫做力的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)或外效應(yīng)。是使物體的形狀發(fā)生改變，叫做力的變形效應(yīng)或內(nèi)效應(yīng)。力的定義力的單位，采用國際單位,為：牛頓，簡(jiǎn)稱牛，符號(hào)N。

定義：能使一千克質(zhì)量的物體獲得1米每二次方秒的加速度所需的力定義為1牛頓。

釋例：1公斤＝9.8牛頓，即，1Kg=9.8N力的大小、力的方向、力的作用點(diǎn)。力的圖示法：力的三要素：力具有大小和方向，所以說力是矢量(vector)?？梢杂靡粋€(gè)帶箭頭的直線段將力的三要素表示出來，力系的定義

作用于同一個(gè)物體上的一組力。

力系(Systemofforces)的分類

各力的作用線都在同一平面內(nèi)的力系稱為平面力系；各力的作用線不在同一平面內(nèi)的力系稱為空間力系。平面力系的分類平面匯交力系：各力作用線都匯交于同一點(diǎn)的力系平面力偶系：若干個(gè)力偶組成的力系平面平行力系：各力作用線平行的力系平面一般力系：各力作用線既不匯交又不平行的平面力系平面匯交力系平面力偶系平面平行力系平面一般力系

平面力系的分類空間力系各力的作用線均不在同一平面內(nèi)，如下圖示：空間任意力系：空間平行力系：空間匯交力系：等效力系

(Equivalentforcesystem)

指兩個(gè)力(系)對(duì)物體的作用效果完全相同。平衡力系(Equilibriumforcesystem)

力系作用下使物體平衡的力系。合力與分力—若一個(gè)力與一個(gè)力系等效。則這個(gè)力稱為該力系的合力，而力系中的各個(gè)力稱為該合力的一個(gè)分力。幾個(gè)相關(guān)概念平衡—

一般是指物體相對(duì)于地球保持靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。1.3靜力學(xué)公理二力平衡公理

作用在同一剛體上的兩個(gè)力，使剛體平衡的必要和充分條件是，這兩個(gè)力大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。(a)

(b)

二力平衡公理二力平衡公理加減平衡力系公理三力平衡匯交定理作用與反作用定律受二力作用而處于平衡的桿件或構(gòu)件稱為二力桿件（簡(jiǎn)稱為二力桿）或二力構(gòu)件。

二力桿

加減平衡力系公理

在作用于剛體上的任意力系中，加上或去掉任何平衡力系，并不改變?cè)ο祵?duì)剛體的作用效果。

力的可傳性原理作用于剛體上的力可沿其作用線移動(dòng)到剛體內(nèi)任意一點(diǎn)，而不會(huì)改變?cè)摿?duì)剛體的作用效應(yīng)。==FAF2F1FABF1AB加減平衡力系力的可傳性

力的平行四邊形法則

作用在物體上同一點(diǎn)的兩個(gè)力，可以合成為仍作用于該點(diǎn)的一個(gè)合力，合力的大小和方向由以原來的兩個(gè)力為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對(duì)角線矢量來表示。

力的平行四邊形法則

力的三角形法則三力平衡匯交定理

一剛體受共面不平行的三力作用而平衡時(shí)，此三力的作用線必匯交于一點(diǎn)。證明：F1F3F2A=A3F1F2F3A3AA2A1作用與反作用定律

兩個(gè)相互作用物體之間的作用力與反作用力大小相等，方向相反，沿同一直線且分別作用在這兩個(gè)物體上。

約束—阻礙物體運(yùn)動(dòng)的限制條件，約束總是通過物體間的直接接觸而形成。約束對(duì)物體必然作用一定的力，這種力稱為約束反力或約束力，簡(jiǎn)稱反力。約束反力的方向總是與物體的運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反，它的作用點(diǎn)就在約束與被約束物體的接觸點(diǎn)。運(yùn)用這個(gè)準(zhǔn)則，可確定約束反力的方向和作用點(diǎn)的位置。

1.4約束與約束反力工程中常見的約束及約束力：柔體約束光滑面約束鏈桿約束圓柱鉸鏈約束支座約束（固定鉸支座、活動(dòng)鉸支座、固定端）1.柔體約束

由柔軟且不計(jì)自重的繩索、膠帶、鏈條等構(gòu)成的約束統(tǒng)稱為柔體約束。柔體約束的約束反力為拉力，沿著柔體的中心線背離被約束的物體，用符號(hào)FT表示，如圖1.4.1所示。圖1.4.1柔體約束(a)(b)(c)(a)(b)(c)圖1.4.2光滑接觸面約束2.光滑接觸面約束

物體之間光滑接觸，只限制物體沿接觸面的公法線方向并指向物體的運(yùn)動(dòng)。光滑接觸面約束的反力為壓力，通過接觸點(diǎn)，方向沿著接觸面的公法線指向被約束物體，通常用FN表示，如圖1-11所示。兩端各以鉸鏈與其他物體相連接且中間不受力(包括物體本身的自重)的直桿稱為鏈桿，如圖1.4.3所示。鏈桿可以受拉或者是受壓，但不能限制物體沿其他方向的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，所以，鏈桿的約束反力總是沿著鏈桿的軸線方向，大小相等，方向相反，指向不定，也稱“二力桿”。常用符號(hào)F表示。

3.鏈桿約束圖1.4.3鏈桿約束(a)(b)(c)

光滑圓柱鉸鏈約束的約束性質(zhì)是限制物體平面移動(dòng)（不限制轉(zhuǎn)動(dòng)），其約束反力是互相垂直的兩個(gè)力（本質(zhì)上是一個(gè)力），指向任意假設(shè)。

4.光滑圓柱鉸鏈約束（簡(jiǎn)稱鉸約束）圖1.4.4圓柱鉸鏈約束

FAXFAYFA5.固定鉸支座

將構(gòu)件或結(jié)構(gòu)連接在支承物上的裝置稱為支座。用光滑圓柱鉸鏈把構(gòu)件或結(jié)構(gòu)與支承底板相連接，并將支承底板固定在支承物上而構(gòu)成的支座，稱為固定鉸支座,如圖1.4.5所示。固定鉸支座的約束反力與圓柱鉸鏈相同，其約束反力也應(yīng)通過鉸鏈中心，但方向待定。為方便起見，常用兩個(gè)相互垂直的分力FAx,FAy表示。

圖1.4.5固定鉸支座(a)(b)(c)FAXFAyFA6.可動(dòng)鉸支座

如果在固定鉸支座的底座與固定物體之間安裝若干輥軸，就構(gòu)成可動(dòng)鉸支座，如圖1.4.6所示。可動(dòng)鉸支座的約束反力垂直于支承面，且通過鉸鏈中心，但指向不定，常用R(或F)表示。FA(RA)圖1.4.6可動(dòng)鉸支座(a)(b)(d)(c)(e)7.固定端支座

如果構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的一端牢牢地插入到支承物里面，就形成固定端支座，如圖1.4.7(a)所示。約束的特點(diǎn)是連接處有很大的剛性，不允許被約束物體與約束物體之間發(fā)生任何