第一章建筑力學緒論

建筑(jiànzhù)力學主講(zhǔjiǎng)教師：段軍2014年2月共二十九頁第1章緒論(xùlùn)

建筑力學是研究建筑物或者構筑物（稱為結構）及其組成部分（稱為結構構件(gòujiàn)）力學性能的一門學科，是重要的專業(yè)基礎課。掌握基本的力學知識和計算方法可為建筑工程領域的結構設計和建筑施工等提供基本保障，也為進一步學習相關的專業(yè)課程打下必要的基礎。共二十九頁

建筑物和構筑物是人類生存和勞動所必需的空間。隨著技術進步和生產(chǎn)力的發(fā)展，人類建造了木屋、土屋和石屋，直至發(fā)展到今天的現(xiàn)代建筑。

現(xiàn)代建筑的發(fā)展不僅僅能夠滿足人類生活和生產(chǎn)的基本目的，也是一個國家政治、經(jīng)濟和文化(wénhuà)發(fā)展的標志。現(xiàn)代建筑的發(fā)展依賴于建筑力學和建筑材料科學的發(fā)展。1.1建筑力學的研究對象(duìxiàng)和任務共二十九頁

從古代的趙州橋，采用石材，運用(yùnyòng)了“拱”的力學原理趙州橋共二十九頁到現(xiàn)代(xiàndài)的各式建筑：鳥巢共二十九頁紐約世貿(mào)中心共二十九頁上海世界(shìjiè)環(huán)球金融中心共二十九頁小蠻腰共二十九頁海上(hǎishànɡ)鉆井平臺東方明珠共二十九頁斜橋

這些都是采用鋼材和混凝土材料(cáiliào)，發(fā)展和應用了大型復雜結構的力學分析原理和方法，無一不體現(xiàn)了科技的進步和發(fā)展。共二十九頁荷載：

建筑物或構筑物各部分的自重、人和設備的重力、風力等等，這些直接主動作用在建筑物上的外力在工程上統(tǒng)稱為荷載。建筑結構、構件：在建筑物或構筑物中起骨架作用的物體稱為建筑結構，組成建筑結構的基本(jīběn)部件有桿件、梁、板、柱子等，統(tǒng)稱為構件，構件和結構起著承受力和傳遞力的作用。承載能力：

構件的強度、剛度和穩(wěn)定性統(tǒng)稱為構件的承載能力。共二十九頁

建筑物或構筑物按照其幾何特征可以分成桿系結構、板殼結構和實體結構等幾種類型(lèixíng)。

1、桿系結構是由若干桿件通過一定的方式連接起來組成的結構，桿件是在長度方向上遠大于其橫截面尺寸的結構構件，又分為曲桿和直桿，如圖1-1所示。共二十九頁工程上常用的桿系結構(jiégòu)有框架結構、桁架結構和網(wǎng)架結構。如圖1-2所示。

圖1-2(a)廣東(guǎngdōng)科技中心網(wǎng)架（b）施工中的框架結構（c）某廠房屋架---桁架共二十九頁

2、板和殼體都是厚度方向尺寸遠小于長寬方向尺寸、寬而薄的構件。平面(píngmiàn)形狀的構件稱為板，曲面形狀的構件稱為殼。如圖1-3（a）、（b）所示。共二十九頁

由板和殼體組成的結構稱為板殼結構，一般(yībān)鋼筋混凝土建筑物的樓面結構為平板結構，如圖1-4所示；一些特殊形體的建筑屋面如悉尼歌劇院的屋面、廠房的馬鞍形屋面等都是殼體結構，如圖1-5所示。

圖1-4某倉庫(cāngkù)平面樓蓋

圖1-5悉尼歌劇院共二十九頁3、實體(shítǐ)結構是在長、寬和高三個方向都有一定相對接近的比例尺寸的結構。

實體結構在工程上用作堤壩、擋土墻、建筑物或構筑物的獨立式、條帶式基礎和片伐式基礎等，如圖1-6所示。

圖1-6三峽大壩共二十九頁

所有的建筑物或構筑物都可能由石材、鋼材、混凝土或者木材等固體建筑材料做成，每種材料具有不同的力學性能和承受荷載的能力。由這些材料建成的結構荷載作用下，或多或少都會產(chǎn)生變形。如果材料承受荷載的能力不夠，結構或構件變形過大可能導致破壞，將不安全。

因此，必須保證在設計荷載作用下，在建筑物使用期限內(nèi)，結構處于能夠正常使用的安全狀態(tài)。

結構設計是保證結構安全的重要措施(cuòshī)，力學分析是結構設計的理論基礎。共二十九頁

結構物是否能夠安全建成并且正常工作，取決于結構構件的力學性能、結構的幾何組成是否合理，以及結構承受荷載的情況。

在建筑物的設計和施工階段，都需要對擬建的建筑物和構筑物進行(jìnxíng)力學分析。

建筑力學課程針對彈性桿狀構件和桿系結構，分析用作結構構件的材料在荷載或其他影響因素（如溫度變化、基礎沉降等等）作用下的力學性能、建筑物或構筑物的幾何組成、以及在荷載作用下結構的承載能力和變形狀態(tài)。主要內(nèi)容包括以下五個方面：

共二十九頁常見工程結構體系的計算簡圖，常見荷載類型、約束類型及受力分析、力系合成（簡化）與平衡的理論和方法。桿系結構的幾何組成規(guī)律分析，合理(hélǐ)的結構幾何組成是保證所設計的桿件體系成為能夠承受荷載的結構體系的必要條件結構和構件的強度問題。

強度是指結構構件或結構承受荷載和抵抗破壞的能力，與構件所用材料的力學性質(zhì)、構件的截面幾何形狀和尺寸，以及所承受荷載的類型和大小有關。共二十九頁因此，在討論強度問題時，需要討論材料的力學性質(zhì)、截面的幾何性質(zhì)，構件的內(nèi)力和應力等與強度有關(yǒuguān)的問題，以便在設計荷載確定后，設計構件的幾何形狀和尺寸。剛度問題。剛度是指結構或構件抵抗變形的能力。

因此，需要討論構件的變形和應變，結構的位移等與剛度有關的問題，以便設計時控制變形和位移。穩(wěn)定性問題。

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穩(wěn)定性是指構件在荷載作用下應該能夠保持原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

某些細長構件或結構在荷載作用下可能不能保持原有形狀下的平衡，即喪失穩(wěn)定性，產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，因此，有必要進行結構的穩(wěn)定性分析。建筑力學的任務:

通過研究結構的強度、剛度、穩(wěn)定性，材料的力學性能，結構的幾何組成規(guī)則(guīzé)，在保證結構既安全可靠又經(jīng)濟節(jié)約的前提下，為構件選擇合適的材料、確定合理的截面形狀和尺寸，提供計算理論及計算方法，為結構設計提供力學分析依據(jù)。共二十九頁1.2建筑力學的兩種分析模型及基本(jīběn)假設抽象化方法：

根據(jù)所研究的不同問題，抓住主要的、起決定作用的因素，忽略次要的、偶然的因素，對實際結構進行(jìnxíng)科學的抽象化，根據(jù)分析側(cè)重點的不同，建立力學分析模型的方法。剛體：指在運動中和受力作用后，形狀和大小都不發(fā)生改變，而且內(nèi)部各點之間的距離保持不變的物體。共二十九頁注意：

在研究某些問題由于構件的變形對結構的影響較小，可以忽略不計，為將問題簡化，將其視為剛體。因此，剛體是從實際物體抽象得來的一種理想化的力學模型，自然界中并不存在。變形體：指在運動中和受力作用后，形狀和大小都發(fā)生改變的物體。

即當物體的微小變形在所研究的問題中轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)為主要因素時，就不能再把此物體看做剛體，而必須視為變形體共二十九頁力學分析中的基本假設：

一些力學問題中，在研究構件的強度、剛度、穩(wěn)定性時，常根據(jù)與問題有關的一些主要(zhǔyào)因素，省略一些關系不大的次要因素，對材料作一定的假設來簡化力學模型。主要假設如下：均勻連續(xù)性假設變形固體由同種性質(zhì)的材料構成，在其整個體積內(nèi)部毫無空隙地、連續(xù)地充滿(chōngmǎn)了同種性質(zhì)的材料。各向同性

假設認為變形固體沿各個方向的力學性能均相同。共二十九頁如果材料在各個方向具有相同力學性能，則稱為各向同性(ɡèxiànɡtónɡxìnɡ)材料，如鋼材、玻璃等。如果材料在不同方向上具有不同的力學性能，則稱為各向異性材料，如木材、一些種類的復合材料等。小變形指實際工程中的構件在荷載作用下，其變形與構件的原尺寸相比通常很小，可以忽略不計，稱這一類變形為小變形。線彈性假設作用于變形固體上的外力與變形固體的彈性變形始終成正比例關系。（是針對結構變形而言的）共二十九頁在荷載作用下，一般工程材料制成的構件都要產(chǎn)生變形。如果荷載不超過一定的范圍，在荷載卸去后，構件能夠恢復到原來的形狀；如果荷載過大，則在卸載后，構件只能部分復原，而要殘留一部分不能消失的變形。

卸載后能夠完全消失的那一部分變形稱為彈性變形；而殘留下來(xiàlái)不能消失的那部分變形則稱為塑性變形。

建筑力學研究均質(zhì)連續(xù)、各向同性的結構和結構構件的線彈性、小變形的力學模型。共二十九頁1.3建筑(jiànzhù)力學的課程特點及要求

課程(kèchéng)特點理論推導概念性強；計算分析技巧性高；結合工程實際緊密；實踐教學與理論教學并進共二十九頁

課程(kèchéng)基本要求掌握平面結構體系的平衡條件及分析方法和平面結構的幾何組成規(guī)律，建筑結構和構件在各種條件下的強度、剛度、穩(wěn)定性等方面的問題；掌握平面靜定結構的內(nèi)力(nèilì)分析和位移計算，平面超靜定結構體系在各種條件下的受力分析方法和相應的近似分析方法；實踐訓練，培養(yǎng)獨立分析問題和解決問題的能力。共二十九頁內(nèi)容(