第十一章-結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖課件

學(xué)習(xí)目標(biāo)：1．了解結(jié)構(gòu)的概念、構(gòu)件的基本類型及荷載的分類；2．掌握結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖的概念及結(jié)點(diǎn)、支座、荷載的計(jì)算簡圖；3．了解平面桿系結(jié)構(gòu)的分類。學(xué)習(xí)目標(biāo)：1．了解結(jié)構(gòu)的概念、構(gòu)件的基本類型及荷載的分類；1第一節(jié)結(jié)構(gòu)及其類型第一節(jié)結(jié)構(gòu)及其類型2第一節(jié)結(jié)構(gòu)及其類型

一、結(jié)構(gòu)建筑物和工程設(shè)施中承受、傳遞荷載而起骨架作用的部分稱為工程結(jié)構(gòu)，簡稱為結(jié)構(gòu)。房屋中的梁柱體系，水工建筑物中的閘門和水壩，公路和鐵路上的橋梁和隧洞等，都是工程結(jié)構(gòu)的典型例子。狹義的結(jié)構(gòu)往往指的就是桿系結(jié)構(gòu)，而通常所說的建筑力學(xué)就是指桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)。

第一節(jié)結(jié)構(gòu)及其類型一、結(jié)構(gòu)3

二、結(jié)構(gòu)的類型結(jié)構(gòu)的類型，也就是實(shí)際結(jié)構(gòu)物計(jì)算簡圖的類型。

（一）按照空間觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)可分為：

1.平面結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)的所有桿件的軸線和作用在結(jié)構(gòu)上的荷載都在同一平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)。

2.空間結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)的所有桿件的軸線或荷載不在同一平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)。實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)都是空間結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中是被分解為平面結(jié)構(gòu)來計(jì)算的。不過在有些情況下，必須考慮結(jié)構(gòu)的空間作用。

二、結(jié)構(gòu)的類型4（二）按照兒何觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)可分為桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)、實(shí)體結(jié)構(gòu)

1.桿系結(jié)構(gòu)長度方向的尺寸遠(yuǎn)大于橫截面尺寸的構(gòu)件稱為桿件。由若干桿件通過適當(dāng)方式連接起來組成的結(jié)構(gòu)體系稱為桿系結(jié)構(gòu)。如果組成結(jié)構(gòu)的所有各桿件的軸線都位于某一平面內(nèi)，并且荷載也作用于此同一平面，則這種結(jié)構(gòu)稱為平面桿系結(jié)構(gòu)，否則便是空間桿系結(jié)構(gòu)。

（二）按照兒何觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)可分為桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)、實(shí)體結(jié)構(gòu)5

2.板殼結(jié)構(gòu)厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于長度和寬度方向尺寸的結(jié)構(gòu)。其中：表面為平面的稱為板(如圖11-2(a)所示)，表面為曲面的稱為殼(如圖11-2(b)所示)。例如一般的鋼筋混凝土樓面均為平板結(jié)構(gòu)，一些特殊形體的建筑如悉尼歌劇院的屋面就為殼體結(jié)構(gòu)。

2.板殼結(jié)構(gòu)厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于長度和寬度6

3.實(shí)體結(jié)構(gòu)長、寬、厚三個(gè)方向尺寸相近的結(jié)構(gòu)。如擋土墻(如圖11-3(a)所示)、建筑物基礎(chǔ)等、設(shè)備基礎(chǔ)(如圖11-3(b)所示)、重力式堤壩。

3.實(shí)體結(jié)構(gòu)長、寬、厚三個(gè)方向尺寸相近的結(jié)7在建筑工程領(lǐng)域內(nèi)，桿系結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，幾乎在所有工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都含有桿系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，故結(jié)構(gòu)力學(xué)將桿系結(jié)構(gòu)作為主要研究對象。通常所說的結(jié)構(gòu)力學(xué)指的就是桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)。在建筑工程領(lǐng)域內(nèi)，桿系結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛8三、結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的基本要求

（一）強(qiáng)度要求（二）剛度要求（三）穩(wěn)定性要求

三、結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的基本要求9第二節(jié)荷載的分類第二節(jié)荷載的分類10第二節(jié)荷載的分類一、按荷載作用的范圍分類（一）分布荷載是指滿布在結(jié)構(gòu)某一表面上的荷載，可分為均布荷載和非均布荷載兩種。第二節(jié)荷載的分類一、按荷載作用的范圍分類11（二）集中荷載作用在結(jié)構(gòu)上的荷載一般總是分布在一定的面積上，當(dāng)分布面積遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的尺寸時(shí)，則可認(rèn)為此荷載是作用在結(jié)構(gòu)的一點(diǎn)上，稱為集中荷載。

（二）集中荷載12二、按荷載作用的時(shí)間長短分類（一）恒載恒載是指作用在結(jié)構(gòu)上的不變荷載，即在結(jié)構(gòu)建成以后，其大小和位置都不再發(fā)生變化的荷載，例如，構(gòu)件的自重和土壓力等（二）活載活荷載是指在施工和建成后使用期間可能作用在結(jié)構(gòu)上的可變荷載。所謂可變荷載，就是這種荷載有時(shí)存在、有時(shí)不存在，它們的作用位置及范圍可能是固定的(如風(fēng)荷載、雪荷載、會(huì)議室的人群重力等)，也可能是移動(dòng)的(如吊車荷載、橋梁上行駛的車輛、會(huì)議室的人群等)。二、按荷載作用的時(shí)間長短分類13三、按荷載作用的性質(zhì)分類（一）靜荷載靜荷載是指荷載從零慢慢增加至最后的確定數(shù)值后，其大小、位置和方向就不再隨時(shí)間而變化，這樣的荷載稱為靜荷載。如結(jié)構(gòu)的自重、一般的活荷載等。（二）動(dòng)荷載動(dòng)荷載是指荷載的大小、位置、方向隨時(shí)間的變化而迅速變化，稱為動(dòng)荷載。在這種荷載作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的加速度，因此，必須考慮慣性力的影響。如動(dòng)力機(jī)械產(chǎn)生的荷載、地震力等。以上是從三種不同角度將荷載分為三類，但它們不是孤立無關(guān)的，例如，結(jié)構(gòu)的自重，它既是恒載，又是分布荷載，也是靜荷載。

三、按荷載作用的性質(zhì)分類14第三節(jié)結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖第三節(jié)結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖15一、確定計(jì)算簡圖的原則實(shí)際工程結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，必須進(jìn)行簡化，否則分析計(jì)算將十分困難。將實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化的過程，稱為力學(xué)建模，簡化后可以用于分析計(jì)算的模型，稱為結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖。確定計(jì)算簡圖的一般原則是：

1.盡可能簡單——既要忽略次要因素，使計(jì)算工作盡量簡化，又要使計(jì)算結(jié)果有足夠的精確性。

2.盡可能符合實(shí)際——計(jì)算簡圖應(yīng)盡可能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的主要受力、變形等特性一、確定計(jì)算簡圖的原則16

需要說明的是，對于同一結(jié)構(gòu)，計(jì)算簡圖不是惟一不變的。計(jì)算簡圖的選擇與結(jié)構(gòu)的重要性、設(shè)計(jì)階段、計(jì)算問題的性質(zhì)有關(guān)，隨著人們認(rèn)識(shí)水平的提高，科學(xué)水平的進(jìn)步及計(jì)算目的、手段不同，同一結(jié)構(gòu)也可能出現(xiàn)不同的計(jì)算簡圖。

需要說明的是，對于同一結(jié)構(gòu)，計(jì)算簡圖不是惟一不17

二、平面桿件結(jié)構(gòu)的簡化確定結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)體系、材料、支座、荷載四個(gè)方面進(jìn)行簡化。（一）結(jié)構(gòu)體系的簡化結(jié)構(gòu)體系的簡化包含了體系、桿件及結(jié)點(diǎn)的簡化。實(shí)際結(jié)構(gòu)一般均為由各部件連接的空間結(jié)構(gòu)，以承受來自各方面的荷載。但一般來說，均可忽略一些次要的空間約束而將實(shí)際空間結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu)，使計(jì)算大大簡化。對組成結(jié)構(gòu)的各桿件而言，截面上的應(yīng)力可由截面內(nèi)力來確定。故在計(jì)算內(nèi)力時(shí)，桿件(無論直桿還是曲桿)用其軸線表示，桿件間的連接區(qū)域在計(jì)算中均簡化為結(jié)點(diǎn)。

二、平面桿件結(jié)構(gòu)的簡化18

1.鉸結(jié)點(diǎn)鉸結(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是與鉸結(jié)點(diǎn)相連接的各桿件在連接處可以相對轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能相對移動(dòng)，同時(shí)假定不存在轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，鉸結(jié)點(diǎn)能傳遞力，但不能傳遞力矩。這種理想情況在實(shí)際結(jié)構(gòu)中并不存在，但螺栓、鉚釘、榫頭的連接處，其剛性不大，而變形、受力特征與此近似，可作為鉸結(jié)點(diǎn)處理。

1.鉸結(jié)點(diǎn)19

2.剛結(jié)點(diǎn)剛性結(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是與剛結(jié)點(diǎn)相連接的各桿件在連接處既不能相對轉(zhuǎn)動(dòng)，也不能相對移動(dòng)，剛結(jié)點(diǎn)既能傳遞力，也能傳遞力矩。如現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)點(diǎn)或其他連接方法使連結(jié)點(diǎn)的剛性很大，即屬于此種情況。

2.剛結(jié)點(diǎn)20（二）材料性質(zhì)的簡化常用的建筑材料有鋼材、木材、混凝土、鋼筋混凝土、磚、石等，在結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)，為簡化計(jì)算，一般均可將這些材料假定為均勻、連續(xù)、各向同性、完全彈性或彈塑性體。此時(shí)材料的物理參數(shù)為常量，使計(jì)算大為簡化。但要注意上述假定對象對金屬材料，在一定受力范圍內(nèi)是適合的，但對其他材料都只能是近似的，特別是木材的順紋與橫紋方向的物理性質(zhì)是不同的，在應(yīng)用計(jì)算結(jié)果時(shí)給予適當(dāng)考慮。

（二）材料性質(zhì)的簡化21

（三）支座的簡化支座是支承結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的各種裝置。它具有兩方面作用：一是限制位移(限制結(jié)構(gòu)朝某方向移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng))；二是傳遞力(將上部結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的力傳遞給下部結(jié)構(gòu)或構(gòu)件)。（三）支座的簡化22

1.活動(dòng)鉸支座如圖11-9(a)。其特點(diǎn)是：支座只約束結(jié)構(gòu)的豎向移動(dòng)，不約束其水平移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；只有豎向約束反力?；顒?dòng)鉸支座可簡化為一根豎向支桿，如圖11-9(b)。一般實(shí)際結(jié)構(gòu)中，對自由放于其他構(gòu)件上的構(gòu)件，如放于墻上的梁等，其支座可簡化為此種支座形式。按約束效用區(qū)分，平面結(jié)構(gòu)的支座一般可分為以下幾類。

1.活動(dòng)鉸支座按約束效用區(qū)分，平面結(jié)構(gòu)的支座一般可分23

2.固定鉸支座如圖11-10(a)。其特點(diǎn)是：支座除了約束結(jié)構(gòu)或構(gòu)件豎向移動(dòng)外，還要約束結(jié)構(gòu)或構(gòu)件水平移動(dòng)，但不約束其轉(zhuǎn)動(dòng)；支座反力除豎向約束反力外，還有水平約束反力。固定鉸支座可簡化為交于一點(diǎn)的兩根支桿，如圖11-10(b)。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，如柱子插入預(yù)制杯形基礎(chǔ)內(nèi)，若柱子與杯口之間用瀝青麻絲填實(shí)，則可簡化為此種支座形式。

2.固定鉸支座24

3.定向支座如圖11-11(a)。其特點(diǎn)是支座約束結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直于其支承面的移動(dòng)，它可沿其支承面移動(dòng)；支座反力為一約束力矩和垂直于支承面的約束反力。定向支座可簡化為兩根平行支桿，如圖11-11(b)。

3.定向支座25

4.固定支座如圖11-12(a),其特點(diǎn)是：支座約束結(jié)構(gòu)的任何移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)；支座反力有水平和豎向的約束反力，及約束力矩。固定支座可簡化為既不平行亦不交于一點(diǎn)的三根支桿，見圖11-12(b)

4.固定支座26

5.彈性支座如圖11-13(a)。其特點(diǎn)是：支座主要約束結(jié)構(gòu)的某種位移，同時(shí)其本身又要產(chǎn)生一定的位移；其約束反力與位移有關(guān)。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，井字樓蓋的交叉梁系之間及橋梁結(jié)構(gòu)的縱梁支承于橫梁上均屬于此種情況。

5.彈性支座27在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，如果支承體的剛度遠(yuǎn)大于被支承體的剛度，則應(yīng)將支座視為剛性支座，不考慮支座本身變形，按前四種支座形式簡化。如果支承體的剛度與被支承體的剛度相近，則應(yīng)將支座視為彈性支座，考慮支座本身變形，按第五種支座形式簡化。另外支座不是絕對的，應(yīng)視分析對象而定，若只分析結(jié)構(gòu)中的某一構(gòu)件，則支承該構(gòu)件的構(gòu)件即為其支座；若分析整個(gè)結(jié)構(gòu)，則基礎(chǔ)為其支座。

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，如果支承體的剛度遠(yuǎn)大于被支承體28（四）荷載的簡化作用于結(jié)構(gòu)上的荷載可分為體積力與表面力。體積力為分布于物體體積內(nèi)的力，與物體體積有關(guān)，如自重、慣性力等。表面力為作用于物體外表面的力，由物體之間的接觸而傳遞，如土壓力、水壓力、人作用于樓板上的力等。在一般的結(jié)構(gòu)受力分析中，由于桿件用其軸線代替，故不論體力還是表面力，均簡化為作用于桿軸上的力。當(dāng)荷載作用區(qū)域與結(jié)構(gòu)本身的區(qū)域相比很小時(shí)，可簡化為集中荷載，較大時(shí)，則簡化為分布荷載。

（四）荷載的簡化29三、平面桿系結(jié)構(gòu)的分類本書所研究的主要是平面桿系結(jié)構(gòu)，可按以下方式進(jìn)行分類：（一）按計(jì)算特點(diǎn)分

1.靜定結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其反力和內(nèi)力均可由靜力平衡條件惟一確定的結(jié)構(gòu)，如圖11-15(a)。

2.超靜定結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其反力和內(nèi)力須由靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件及物理?xiàng)l件(壓力應(yīng)變關(guān)系)共同確定的結(jié)構(gòu)，如圖11-15(b)。

三、平面桿系結(jié)構(gòu)的分類30

31（二）按結(jié)構(gòu)組成及受力特征分

1.梁桿軸通常為直線(也可能為曲線或折線)的一種受彎構(gòu)件，可以是單跨或多跨。

（二）按結(jié)構(gòu)組成及受力特征分32

2.拱

桿軸通常為曲線，其力學(xué)特點(diǎn)是：在豎向荷載作用下有水平反力產(chǎn)生。由于水平反力可減小拱截面內(nèi)的彎矩，拱體內(nèi)力以受壓為主?？勺鳛榇罂缍冉Y(jié)構(gòu)的一種應(yīng)用形式。2.拱33

3.桁架由直桿組成，所有結(jié)點(diǎn)均為鉸結(jié)點(diǎn)。在結(jié)點(diǎn)荷載作用下，各桿只受軸力作用。3.桁架34

4.剛架由直桿組成，全部或部分結(jié)點(diǎn)為剛結(jié)點(diǎn)，各桿內(nèi)力以受彎為主。4.剛架35

5.組合結(jié)構(gòu)是由梁與桁架或剛架與桁架組合而成的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中，梁式桿內(nèi)力以受彎為主，而桁桿(二力桿)只承受軸力。5.組合結(jié)構(gòu)36本章小結(jié)本章小結(jié)37本章小結(jié)討論了三個(gè)問題