建筑力学与结构课件(陈克森等南京大学出版社)

1、第一章第一章 绪论绪论学学习目标习目标1. 认识力学与结构的关系，树立应用力学知认识力学与结构的关系，树立应用力学知识解释结构问题的思想意识识解释结构问题的思想意识;2. 了了解建筑力学的研究对象和主要任务；解建筑力学的研究对象和主要任务；3. 绘绘制结构计算简图。制结构计算简图。学习重点学习重点1. 约束与约束反力的分析约束与约束反力的分析2. 结构的计算简图绘制结构的计算简图绘制3. 受力分析与受力图绘制受力分析与受力图绘制本章学习内容及学习要求本章学习内容及学习要求1.3结构计算简图结构计算简图1.4物体的受力分析与受物体的受力分析与受力图力图1.5刚体、变形固体及其刚体、变形固体及其基

2、本假设基本假设1.1本课程的研究对象及任务本课程的研究对象及任务1.2建筑结构分类建筑结构分类了解本课程大概任务了解本课程大概任务掌掌握握建建筑结构分类的原则筑结构分类的原则约束力与约束反力约束力与约束反力掌掌握简化原则握简化原则熟练绘制受力图熟练绘制受力图物体间相互的机械作用。物体间相互的机械作用。外效应（使物体的运动状态产生变化）外效应（使物体的运动状态产生变化）内效应（使物体的形状和大小发生改内效应（使物体的形状和大小发生改变，即产生变形）变，即产生变形）力力高层建筑高层建筑 高耸结构高耸结构（杆系结构、（杆系结构、框架结构、框架结构、钢筋混凝土结构等钢筋混凝土结构等）（壳体结构、（壳体

3、结构、钢筋混凝土结钢筋混凝土结构、空间结构等构、空间结构等）大跨结构大跨结构（杆系结构、空间网架结构、薄壳结构、钢结构等）（杆系结构、空间网架结构、薄壳结构、钢结构等）桥梁结构桥梁结构（杆系结构、悬索结构等）（杆系结构、悬索结构等）121.21.2建建筑结构的类型筑结构的类型 建筑结构常用的材料有混凝土、钢材、建筑结构常用的材料有混凝土、钢材、砖、石、木材等。砖、石、木材等。 按所用材料不同，建筑结构分为按所用材料不同，建筑结构分为钢筋混钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构和木结构凝土结构、砌体结构、钢结构和木结构。斗拱结构斗拱结构埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔高高320.7米米金门大桥横跨金门海金门大桥横

4、跨金门海峡峡钢钢塔耸立在大桥南北两侧，高塔耸立在大桥南北两侧，高342米，米， 钢塔钢塔之间的大之间的大桥跨桥跨度达度达1280米，为世界所建大桥米，为世界所建大桥中罕见的单孔长跨中罕见的单孔长跨距大距大吊桥之一吊桥之一,从海面到桥从海面到桥中心部的高度约中心部的高度约60米米 .宽宽27.4米米,长长2000多米多米吉隆坡吉隆坡 石油双子大厦石油双子大厦钢结构高层建筑钢结构高层建筑吊吊车梁上的荷载车梁上的荷载主梁上的荷载主梁上的荷载2)分布荷载顾名思义，分布荷载是指分布荷载顾名思义，分布荷载是指力在构件内部或表面上连续分布和作用。分力在构件内部或表面上连续分布和作用。分布荷载的大小用分布集度

5、来表示，意为力的布荷载的大小用分布集度来表示，意为力的连续分布的密集程度。分布荷载可分为以下连续分布的密集程度。分布荷载可分为以下3种：种：体分布荷载体分布荷载面分布荷载面分布荷载线分布荷载线分布荷载板上的面荷载板上的面荷载梁梁上的线荷载上的线荷载 挡挡土墙的受力分析土墙的受力分析(1)永久荷载永久荷载(恒载恒载)这类荷载具有三定这类荷载具有三定性：作用时间长久，位置固定，数值不变，性：作用时间长久，位置固定，数值不变，故又称为恒载。例如，结构自身的重力荷载故又称为恒载。例如，结构自身的重力荷载(自重自重)，以及建筑构造层，以及建筑构造层(楼面、顶棚、装饰楼面、顶棚、装饰面层等面层等)的重力荷

6、载，均属于永久荷载。的重力荷载，均属于永久荷载。图图 (a)是建筑物承受荷载示意图，是建筑物承受荷载示意图，图图 (b)是结构是结构荷载简图。其中标者为构件自重，梁的自荷载简图。其中标者为构件自重，梁的自重为均布荷载，而柱的自重为集中荷载。重为均布荷载，而柱的自重为集中荷载。施加在建筑物上的荷载施加在建筑物上的荷载楼面活荷载楼面活荷载(2)可变荷载可变荷载(活载活载)这类荷载经常变化，这类荷载经常变化，具有三变性：作用时间短暂、位置不定具有三变性：作用时间短暂、位置不定(在在一定范围内可以随意变动，任意分布一定范围内可以随意变动，任意分布)，数，数值可变值可变(数值随时间变化，时有时无，时大数

7、值随时间变化，时有时无，时大时小、有时成群密集，有时无影无踪时小、有时成群密集，有时无影无踪)。故。故又称为活载。又称为活载。静力荷载是逐渐增加的荷载，简称静载。静力荷载是逐渐增加的荷载，简称静载。其大小和位置变化，不会引起显著的结构振其大小和位置变化，不会引起显著的结构振动；反之，若荷载作用在结构上会引起显著动；反之，若荷载作用在结构上会引起显著的结构振动，则称之为动力荷载，简称动载的结构振动，则称之为动力荷载，简称动载。结结构的自重及其他恒载，是典型的静力构的自重及其他恒载，是典型的静力荷载；而动力设备荷载；而动力设备(如吊车如吊车)所产生的荷载以所产生的荷载以及地震荷载等，则是动力荷载。

8、及地震荷载等，则是动力荷载。 在空间能够任意运动的物体，称为在空间能够任意运动的物体，称为自由体自由体。受到周围其。受到周围其他物体限制而不能任意运动的物体，称为他物体限制而不能任意运动的物体，称为非自由体非自由体。若一个物体受到周围其它物体的限制，这些周围的若一个物体受到周围其它物体的限制，这些周围的 物体就称为该物体的物体就称为该物体的约束约束。约束施加于被约束物体上的力，称为约束施加于被约束物体上的力，称为约束反约束反 力力，简称为，简称为约束力约束力或或反力反力。约束与约束反力的概念约束与约束反力的概念使物体产生运动或运动趋势的力。在工程中，把使物体产生运动或运动趋势的力。在工程中，把

9、 主动力称为主动力称为荷载荷载。如重力、风荷载等。如重力、风荷载等。 对物体的运动或运动趋势起限制作用的力。如约对物体的运动或运动趋势起限制作用的力。如约 束反力。束反力。 不同性质的约束，其约束力也不同。工程中实际的约不同性质的约束，其约束力也不同。工程中实际的约束很多，本节主要介绍几种常见的典型约束及其约束力。束很多，本节主要介绍几种常见的典型约束及其约束力。 主动力一般是已知的或是可以预先确定的，而约束力随主动力一般是已知的或是可以预先确定的，而约束力随主动力的变化而变化，一般是未知的。确定未知的约束力，主动力的变化而变化，一般是未知的。确定未知的约束力，是静力平衡计算的主要内容。是静力

10、平衡计算的主要内容。待定待定与约束所能限制的运动方向相反与约束所能限制的运动方向相反接触处接触处 由柔软的绳索、链条、胶带等构成的约束，称为由柔软的绳索、链条、胶带等构成的约束，称为柔体柔体约束约束。柔体约束柔体约束柔体约束只能限制物柔体约束只能限制物体沿柔体约束的中心体沿柔体约束的中心线离开约束的运动线离开约束的运动约束力：恒为约束力：恒为拉力拉力，用，用FT表表示。作用在接触处，作用线示。作用在接触处，作用线沿柔体约束的中心线沿柔体约束的中心线(即长度即长度方向方向)，箭头背离物体。，箭头背离物体。WFTWAWAA柔绳约束柔绳约束简图简图受力图受力图运动方向运动方向限制方向限制方向柔体约束

11、柔体约束ABBAAB 当两个物体直接接触，而接触面处的摩擦很小可以忽当两个物体直接接触，而接触面处的摩擦很小可以忽略不计时，称为略不计时，称为光滑接触面约束光滑接触面约束。光滑接触面约束光滑接触面约束只能限制物体沿接触面的公只能限制物体沿接触面的公法线方向进入接触面的运动法线方向进入接触面的运动约束力：过接触点，沿接触面的公约束力：过接触点，沿接触面的公法线，箭头指向物体，用法线，箭头指向物体，用FN表示。表示。公法线公法线BA 用一个园柱形销钉将两个带孔的物体连接在一起，且用一个园柱形销钉将两个带孔的物体连接在一起，且接触面光滑，构成接触面光滑，构成光滑圆柱铰链约束光滑圆柱铰链约束，又称为，

12、又称为中间铰中间铰。圆柱铰链约束圆柱铰链约束只能限制两物体只能限制两物体间的相对移动，间的相对移动，不能限制两物体不能限制两物体间的相对转动间的相对转动当物体受力后，当物体受力后，销钉和孔壁在某销钉和孔壁在某处接触，构成光处接触，构成光滑接触面约束。滑接触面约束。约束力：过接触约束力：过接触处，通过销钉中处，通过销钉中心，方向未知，心，方向未知，用用FN表示。表示。铰铰BABA圆柱铰链约束圆柱铰链约束简图简图将力将力FN垂直分解，用垂直分解，用两个垂直分力两个垂直分力FNx 和和FNy来表示来表示FNBB受力图受力图 用光滑圆柱铰链将物体与固定的支承物上，称为用光滑圆柱铰链将物体与固定的支承物

13、上，称为固定固定铰支座铰支座。因此，固定铰支座约束与圆柱铰链约束一样，区。因此，固定铰支座约束与圆柱铰链约束一样，区别只是其中一个物体是否固定。别只是其中一个物体是否固定。固定铰支座固定铰支座约束力：通过销约束力：通过销钉中心，方向未钉中心，方向未知，用知，用F表示。表示。AA固定铰支座固定铰支座(物物A固定固定)圆柱铰链圆柱铰链(物物A不固定不固定)固定铰支座固定铰支座FAyFAxFA计算简图计算简图AAAA受力图受力图A固定铰支座固定铰支座 在固定铰支座的底部安装几个辊轴（圆柱形滚轮），在固定铰支座的底部安装几个辊轴（圆柱形滚轮），支承于支承面上，这种约束称为支承于支承面上，这种约束称为可

14、动铰支座可动铰支座，又称为，又称为活动活动铰支座。铰支座。可动铰支座可动铰支座约束力：垂直于约束力：垂直于支承面，指向待支承面，指向待定，用定，用F表示表示只能限制物体在只能限制物体在垂直于支承面方垂直于支承面方向的运动向的运动可动铰可动铰支支 座座固定铰固定铰支支 座座可动铰支座可动铰支座FA计算简图计算简图AA受力图受力图AAACB 两端用光滑圆柱铰链（即铰）与物体相连且中间不受两端用光滑圆柱铰链（即铰）与物体相连且中间不受力的直杆，称为力的直杆，称为链杆链杆。链杆约束链杆约束只能限制物体沿链杆只能限制物体沿链杆中心线趋向或离开链中心线趋向或离开链杆的运动杆的运动约束力：沿链杆中心线，约束

15、力：沿链杆中心线，箭头指向或背离物体，箭头指向或背离物体，用用F表示。表示。ACBF链杆约束链杆约束FCFBABFFAyFAxFB链杆是二力链杆是二力杆，即链杆杆，即链杆受压受压(压杆压杆)或受拉或受拉(拉杆拉杆)问问题：题：AB杆是不是链杆？杆是不是链杆？ 两端各以铰链与其他物两端各以铰链与其他物体相连接且中间不受力体相连接且中间不受力(包括包括物体本身的自重物体本身的自重)的直杆称为的直杆称为链杆，如图链杆，如图1-12 所示。链杆所示。链杆可以受拉或者是受压，但不可以受拉或者是受压，但不能限制物体沿其他方向的运能限制物体沿其他方向的运动和转动，所以，链杆的约动和转动，所以，链杆的约束反力

16、总是沿着链杆的轴线束反力总是沿着链杆的轴线方向，指向不定，常用符号方向，指向不定，常用符号F表示。表示。 链链杆约束杆约束 (c)图图1-12 1-12 链杆链杆约束约束(a)(b)固定端支座固定端支座 如果物体与支座固定在一起，使物体既不能沿任何方如果物体与支座固定在一起，使物体既不能沿任何方向移动，也不能转动，这类约束称为向移动，也不能转动，这类约束称为固定端支座固定端支座或或固定支固定支座座。约束力：限制物体移动的约束力约束力：限制物体移动的约束力FAX、FAy，限制转动的约束力偶，限制转动的约束力偶 mA限制物体在任何方限制物体在任何方向的移动和转动向的移动和转动ABFAymAAB固定

17、端支座固定端支座固定端支座固定端支座ABFAymAAB 一、结构计算简图一、结构计算简图 在结构计算中，用以代替实际结构，并反应在结构计算中，用以代替实际结构，并反应实际结构主要受力和变形特点的计算模型。实际结构主要受力和变形特点的计算模型。二、结构计算简图的简化原则二、结构计算简图的简化原则 1 1、反映实际结构的主要受力和变形特点：计、反映实际结构的主要受力和变形特点：计算结果安全可靠；算结果安全可靠； 、便于计算：简化程度与计算手段以及对结、便于计算：简化程度与计算手段以及对结果的要求相一致。果的要求相一致。 三、结构计算简图的简化过程三、结构计算简图的简化过程 1 1、建筑物所受荷载的

18、抽象和简化；、建筑物所受荷载的抽象和简化； 2 2、约束的抽象和简化；、约束的抽象和简化； 3 3、结构构件的抽象和简化。、结构构件的抽象和简化。1 1、建筑物所受荷载的抽象和简化、建筑物所受荷载的抽象和简化荷载或广义荷载荷载或广义荷载内力、位移内力、位移结构系统结构系统荷载的抽象和简化荷载的抽象和简化建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范构构件的简化件的简化先以一个最简单的例子来说明选取先以一个最简单的例子来说明选取计算简图的方法和原则。计算简图的方法和原则。如如图图(a)所示的一根搁置在砖墙上的所示的一根搁置在砖墙上的钢筋混凝土梁，其上受有均布荷载钢筋混凝土梁，其上受有均布荷载q的的作用，梁的净

19、跨为作用，梁的净跨为ln，在墙内的支承长，在墙内的支承长度为度为a。现在要分析的是：如何将梁简。现在要分析的是：如何将梁简化为化为图图(b)这样一个计算简图？这样一个计算简图？梁的计算简图梁的计算简图1)支座的简化支座的简化所选用的支座简图必须与支座的实际构所选用的支座简图必须与支座的实际构造和变形特点相吻合。在建筑结构中，支座造和变形特点相吻合。在建筑结构中，支座的实际构造形式很多，但在计算简图中常用的实际构造形式很多，但在计算简图中常用的有的有3种：固定铰支座、可动铰支座、固定种：固定铰支座、可动铰支座、固定端支座。现在就以这端支座。现在就以这3种支座的简化举例说种支座的简化举例说明如下。

20、明如下。柱与基础联结柱与基础联结拱脚与基础联结拱脚与基础联结如如图所图所示的钢网架及桁架支座，由于构示的钢网架及桁架支座，由于构造上的差别，其支座可分别简化为固定铰支造上的差别，其支座可分别简化为固定铰支座和可动铰支座。座和可动铰支座。图图 (a)，(b)两图为柱与支两图为柱与支座之间加一弧形钢板，并用螺栓联结。座之间加一弧形钢板，并用螺栓联结。图图 (a)可简化为固定铰支座，而可简化为固定铰支座，而图图(b)图可简化为图可简化为可动铰支座。可动铰支座。弧形承压支弧形承压支座座如如图的图的屋架端部与柱或墙联结的构造。屋架端部与柱或墙联结的构造。图图 (a)的木屋架通过预埋在柱子或墙内的螺的木屋

21、架通过预埋在柱子或墙内的螺栓与柱或墙相连接；而栓与柱或墙相连接；而图图 (b)的钢筋混凝土的钢筋混凝土屋架，其端部与柱顶都有事先预埋的钢板，屋架，其端部与柱顶都有事先预埋的钢板，吊装就位后，把钢板焊在一起。两图中的屋吊装就位后，把钢板焊在一起。两图中的屋架与柱都不能发生相对位移，但仍然有可能架与柱都不能发生相对位移，但仍然有可能发生微小的相对转动，故常把这种结点简化发生微小的相对转动，故常把这种结点简化为铰结点。为铰结点。屋架与柱屋架与柱(墙墙)联结联结铰结点铰结点如如图图(a)所示为现浇钢筋混凝土框架顶层所示为现浇钢筋混凝土框架顶层结点的构造。因梁与柱在结点处，是用混凝结点的构造。因梁与柱在

22、结点处，是用混凝土现浇成整体，且配置适量钢筋，截面能传土现浇成整体，且配置适量钢筋，截面能传递弯矩，故在结点处，梁与柱既不能相对移递弯矩，故在结点处，梁与柱既不能相对移动又不能相对转动，此时便把该结点简化为动又不能相对转动，此时便把该结点简化为刚结点，如刚结点，如图图(b)所示。所示。现浇钢筋混凝土框架的梁与柱联结现浇钢筋混凝土框架的梁与柱联结刚结点刚结点3)构件的简化构件的简化构件的截面宽度或厚度通常比其长度要构件的截面宽度或厚度通常比其长度要小得多，在求截面内力时，其实与截面形状小得多，在求截面内力时，其实与截面形状和尺寸并无关系。既然如此，在计算简图中，和尺寸并无关系。既然如此，在计算简

23、图中，构件则可用其轴线来代替，并把构件统称为构件则可用其轴线来代替，并把构件统称为杆件。杆件之间的联结需用结点表示，杆长杆件。杆件之间的联结需用结点表示，杆长用结点间的距离表示，而荷载的作用点也移用结点间的距离表示，而荷载的作用点也移至轴线上。至轴线上。如如图图 (a)所示，厂房中的屋架在竖向荷载所示，厂房中的屋架在竖向荷载作用下为一受弯构件，可用一水平杆件替代，作用下为一受弯构件，可用一水平杆件替代，柱的上下两段截面尺寸不同，截面形心的连柱的上下两段截面尺寸不同，截面形心的连线不是一条直线，故用粗细不一的杆件代替。线不是一条直线，故用粗细不一的杆件代替。根据梁与柱结点构造情况，一般梁与柱联结根据梁与柱结点构造情况，一般梁与柱联结可视为铰结，故该结构简化为可视为铰结，故该结构简化为(b)图的排架。图的排架。厂房的排架厂房的排架门式刚架的计算简图门式刚架的计算简图4)结构体系的简化结构体系的简化大多数的结构实际上都是空间结构，各大多数的结构实际上都是空间结构，各个构件相互连接成为一个空