1讲第一章绪论第

1、结 构 力 学Structural Mechanics孟昭博 聊城大学 建筑工程学院 结构力学是土木工程各类专业方向的一门专业基础课。同时，也是土木工程专业的一门重要的主干课。而且也是结构工程专业研究生和注册结构工程师考试的必考课程。 结构力学在基础课与专业课之间起着承上启下的作用。高等数学、线性代数、材料力学和理论力学为结构力学提供了必要的数学基础和力学基础；结构力学的内容又将在钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构、地基基础、高层建筑及建筑结构抗震设计等后续专业课程中有广泛的应用。课 程 简 介课 程 简 介 本课程通过对结构力学基本知识的学习，要求学生掌握杆系结构的强度、刚度及稳定性计算的基本

2、理论和方法，培养结构概念分析与结构计算方面的能力，为学习后续专业课程的学习奠定必要的力学基础，为建筑工程结构设计和施工提供必要的理论知识和分析方法。学时/学分：72/4.5授课时间和地点: 周二5-6节、四1-2节、五1-2节（单）；406 指定教材：结构力学基本教程（第3版），高等教育出版社，2012.8。参考书：1、结构力学， 赵更新主编， 中国水利水电出版社，2004.6.2、结构力学（上），李廉锟主编，高等教育出版社，2010.7.3、结构力学（上），吴德伦主编，重庆大学出版社，1994.1.4、结构力学基本教程同步辅导及习题全解，黄淑森编，中国水利水电出版社，2009.7.课 程 简

3、 介以三角静定桁架计算为起点，结构力学经过100多年的发展，如今已经形成三大分支：经典结构力学、计算结构力学与概念结构力学。经典结构力学的根本任务是：根据力学原理，研究在外力或其他外界因素作用下，杆件结构的内力与变形、强度与刚度、稳定性与动力响应特征等问题。结构力学发展简史 计算结构力学和概念结构力学的根本任务与经典结构力学的任务并没有区别，只是从手段和观念上发生了变化。 计算结构力学侧重结构力学原理的计算机应用，侧重“力法”、“位移法”等方法向复杂结构的延伸。 计算结构力学的出现使结构力学研究的对象、任务、方法、计算模型和数学工具都发生了深刻的变化 。结构力学发展简史结构力学发展简史1、研究

4、对象范围扩大：原先只能研究简单的结构如杆件结构，而现在可以精确研究各种构件（杆件、板、壳和实体结构）的组合体。处理方式发生变化：过去将结构离散化成单体，一样一样地来处理，而现在则可比较如实地按结构的本来面貌来研究。所以，计算结构力学才是名符其实的结构力学。结构力学发展简史2、研究任务由原先仅仅是进行结构受力和反应的分析（被动地分析和说明结构在外因作用下的反应）；发展为在一定的目标和约束下，主动从事结构优化设计（主动地设计和改造结构）。 3、研究方法过去各种特殊的计算方法层出不穷（由于来自计算工作方面的障碍，使基础理论的作用未能充分发挥）；现在已使计算方法趋于比较统一（以变分法为基础的直接刚度法

5、成为普遍采用的方法）。 结构力学发展简史4、计算模型以往总是尽可能把空间问题简化为平面问题；非线性问题简化为线性问题；不均匀简化为均匀；不连续的改为连续的；动态的改为静态的。目的无非是如何使问题简单点，易算，但可能带来较大的误差变大。计算机化以后，结构力学可以处理复杂的计算模型，从而更便于反映结构真实情况。 5、数学工具以往杆件结构用线性代数，板、壳、实体结构用偏微分方程。现在计算工作是离散化的数值计算，矩阵数学成为最有效的数学工具。结构力学发展简史概念结构力学强调结构受力规律与变形趋势的判断，强调为构造一个协调工作能力强的结构体系提供服务。简单地说，概念结构力学的主要任务是为“创造一个好的结

6、构”服务，而计算结构力学和经典结构力学则偏向“很好地计算一个结构”。当然，上述三大分支并不能各自为政。计算结构力学和概念结构力学必须建立在经典结构力学的基础之上；概念结构力学需要计算结构力学的成果来帮助纠正、检验人的判断；计算结构力学成果的可信度需要结构概念知识予以检验与承认，三者均不能独立发展。结构力学发展简史三大结构力学的关系第一章 绪 论1-1结构力学的研究对象和任务1-2结构计算简图1-3杆系结构的分类1-4荷载分类第一章 绪 论究竟什么是结构呢？1-1结构力学的研究对象和任务一、结构的概念结构指：建筑物和工程设施中，起主要受力、传力及支承作用的骨架部分。 常见的工程结构：建筑结构 桥

7、梁结构隧道结构 地下结构 第一章 绪 论a 实景图 b 骨架图 c 受荷图建筑结构 第一章 绪 论桥梁结构 武汉长江二桥位于武汉长江大桥下游6.8公里处，全桥长4678米，其中正桥1877米，设六车道；双塔双索面预应力砼斜拉桥，主跨400米，桥梁宽29.4米。第一章 绪 论隧道结构 武汉长江隧道工程全长3609米，其中越江沉管段1380米，江北岸坡隧道880米，江北引道段183米，江南岸坡隧道1010米，江南引道段156米。横断面总宽34.9米，总高9.2米，净高4.5米。第一章 绪 论地下结构 第一章 绪 论水工结构三峡大坝鸟瞰图三峡大坝的闸门三峡工程由大坝、水电站、通航建筑物等三大部分组成

8、，坝轴线全长2309.47米，坝顶海拔高度185米。第一章 绪 论其他结构 板壳塔架第一章 绪 论膜结构网壳结构澳大利亚昆士兰州布里斯班市布里斯班河库利尔帕桥 第一章 绪 论第一章 绪 论二、结构的分类（1）按几何的角度 分类名称几何特征实例杆件结构构件横截面尺寸长度（B、H L）梁、拱、刚架、桁架板壳结构厚度长度和宽度（H B、H L）房屋中的楼板和壳体屋盖实体结构长、宽、高属于同一个量级（B H L）水工结构中的重力坝第一章 绪 论（2）按结构型式划分为 砖混结构、框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构等。（3）从建筑材料划分 砖石结构、钢筋混凝土结构、钢结构、木结构、组合结构等

9、。（4）从空间角度划分 平面结构、空间结构等。第一章 绪 论三、结构力学研究的对象 平面杆件结构四、结构力学研究的内容（任务） 研究平面杆件结构在载荷等外因作用下产生的内力(强度计算)；研究平面杆件结构在载荷等外因作用下产生的变形(刚度计算)；分析平面杆件结构的稳定性；探讨平面杆件结构的组成规律及合理形式。第一章 绪 论进行强度、稳定性计算的目的，在于保证结构满足安全和经济的要求。计算刚度的目的，在于保证结构不至于发生过大的变形，以至于影响正常使用。研究组成规律目的，在于保证结构各部分，不至于发生相对的刚体运动，而能承受荷载维持平衡。探讨结构合理的形式，是为了有效地利用材料，使其性能得到充分发

10、挥。第一章 绪 论五、与其它课程的关系前修课程 理论力学着重讨论质点、刚体机械运动的一般规律。 材料力学讨论单根杆件的强度、刚度和稳定性问题。本课程 结构力学讨论平面杆件结构的强度、刚度和稳定性问题。后续课程 弹、塑性力学着重讨论薄壁结构（板、壳、膜结构等）和实体结构（挡土墙、墩台、重力坝、块体基础等）的应力、变形、稳定性和动力反应等问题。 钢结构、钢筋混凝土结构、砌体结构、结构抗震等是结构力学的后继课程。（结构力学的应用）要 求 提前预习、记好笔记 认真作业、及时复习第一章 绪 论1-2结构计算简图第一章 绪 论经典结构力学最基本的分析方法是理论分析，通常采用手算方式。该方法主要用于结构规模

11、不大或类型比较简单、有理论解或计算量较小的结构。因此，在进行理论分析之前，首先应将实际的、比较复杂的工程结构进行抽象和简化，然后，才能对其进行理论分析和计算。计算简图的选取在结构的力学分析中占有相当重要的地位 ，它直接影响着计算工作量的大小和分析结构与实际结构的差异。为什么要简化？第一章 绪 论一、结构的计算简图 1、定义：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。2、选取计算简图的原则： （1）正确反映实际结构的受力情况和主要性能。 （2）分清主次，略去次要因素，便于分析和计算。3、选取计算简图时应考虑的因素： （1）结构的重要性（甲类、乙类、丙类、丁类）；

12、 （2）设计阶段（初步设计、施工图设计阶段）； （3）计算问题的性质（静力计算、动力计算）； （4）计算工具（手算、电算）。计算简图不是唯一的第一章 绪 论二、实际结构的简化1、结构体系的简化 空间结构 平面结构所有的空间结构都能简化为平面结构吗？在多数情况下，常忽略一些次要构件的空间约束，而将实际结构简化为平面结构。 当空间结构由某一平面内的杆件结构承担该平面内的荷载时，才可简化为平面结构第一章 绪 论第一章 绪 论实际结构空间骨架平面结构第一章 绪 论第一章 绪 论2、杆件（几何形式）及结点的简化 无论是直杆或曲杆，均可以其轴线（截面形心的连线）代替杆件，而将杆轴线形成的几何轮廓来代替原结

13、构。第一章 绪 论杆件的联结结点一般简化刚结点、铰结点和组合结点。（1）刚结点变形特征和受力特点：汇交于结点的各杆端之间不能发生相对转动；不但能承受和传递力，而且能承受和传递力偶。 角度不变 第一章 绪 论（2）铰结点变形特征和受力特点：汇交于结点的各杆端可以绕结点自由转动；只能承受和传递力，而不能传递力偶。 第一章 绪 论（3）组合结点（又称不完全铰结点或半铰结点）：在同一结点上，部分刚结，部分铰结。 第一章 绪 论ABCDEFGA：刚结点B、D：铰结点C：组合结点思考题：分别指出结点A、B、C、D属于何种结点形式？3、材料性质的简化 第一章 绪 论假设：连续的、均匀的、各向同性的、完全弹性

14、 或弹塑性的。建筑材料通常为钢、混凝土、砖、石、木料等。木料为各向异性材料（横纹与顺纹不同）第一章 绪 论4、支座的简化 支座：结构与基础的连接区； 广义而言指支承结构或构件的各种装置。 可以转动和水平移动，但不能竖向移动。基础提供竖向约束力。（a）滚轴支座（活动铰支座）支杆 支座按受力特征，一般简化为下列四种情形：第一章 绪 论第一章 绪 论（2）固定铰支座（铰支座）铰 可以转动，但不能竖向移动和水平移动。基础提供竖向和水平约束力。第一章 绪 论（3） 定向支座滑动支座 可以水平移动，但不能竖向移动和转动。基础提供竖向力和约束力矩。第一章 绪 论（4） 固定端支座固端 既不能水平移动和竖向移

15、动，也不能转动。基础提供竖向力、水平力和约束力矩。第一章 绪 论第一章 绪 论第一章 绪 论以上均属刚性支座。注意：弹性支座主要有两类： 荷载作用下结构本身产生弹性变形。 有伸缩弹性支座和旋转弹性支座。AAFAyFAyMAkk伸缩弹性支座旋转弹性支座刚性支座：假设支座下部支承体的刚度无穷大，计算时支座节点没有线位移。弹性支座：考虑支座下部支承体的刚度，计算时支座节点产生相应的线位移; 第一章 绪 论5、荷载的简化在对结构进行分析时，常将荷载（体荷载：自重、惯性力；面力：土压力、风荷载、雪荷载）简化为沿杆轴连续分布的线荷载或作用在一点的集中力。 例如，对于横放的等截面杆，可以将其自重简化为沿杆长

16、均匀分布的线荷载；又如:当荷载的作用面积相对于构件的几何尺寸很小时，可以将其简化为集中力。工业厂房中，通过轮子作用在吊车梁上的吊车荷载，由于轮子与吊车梁的接触面积很小，可以将轮压看作是作用在吊车梁上的集中荷载。第一章 绪 论1-3杆件结构的分类一、按结构坐标维度分类-实际上就是计算简图的分类平面杆件结构空间杆件结构第一章 绪 论二、按计算特性分类（支座约束的不同）1、静定结构：其杆件内力（包括反力）可由平衡条件惟一确定。 2、超静定结构：其杆件内力（包括反力）仅由平衡条件还不能惟一确定，而必须同时考虑变形条件才能惟一确定。 曲 梁第一章 绪 论三、按结构的受力和变形特性分类（1）梁-梁是一种受

17、弯构件，一般水平（或斜向）放置，其轴线通常为直线。可能单跨、多跨。内力主要有弯矩、剪力和轴力。由于梁的尺度决定了轴向变形很小（相对于转动和垂直位移），工程上常忽略其轴力图和轴向变形。直 梁第一章 绪 论（2）刚架-不同方向的杆件用结点（至少有一刚结点）连接构成，结点多为刚结点。 刚架杆件内力主要有弯矩、剪力和轴力。以受弯为主，通常不考虑轴向变形和剪切变形。但轴向荷载对刚架的稳定有重要影响，所以，刚架是否考虑轴向变形和是否考虑轴力是两个不同的概念。第一章 绪 论单层刚架的计算简图，按构件的布置和支座的约束条件来分类可分为：无铰刚架、两铰刚架和三铰刚架。第一章 绪 论（3）桁架-由若干直杆在两端用

18、铰结点连接构成。桁架杆件在结点荷载作用下，承受轴向变形，是轴向拉、压构件。第一章 绪 论第一章 绪 论第一章 绪 论对钢结构铆接、焊接或螺栓连接，节点是可以传递一定的弯矩的。而对于钢筋混凝土结构的节点构造往往采用刚接。因此，严格来讲上述桁架应按刚架计算。但理论分析及工程经验表明，上述杆件内的弯矩所产生的应力很小，只要在节点构造上采用适当的措施，该应力对结构或杆件不会造成危害，所以，一般计算中桁架节点按铰接处理。第一章 绪 论(4)拱-拱的轴线为曲线，且在竖向荷载作用下会产生水平反力（推力）。这使得拱内弯矩和剪力比同跨度、同荷载的梁的为小。其内力以压力为主。不等高三铰拱等高两铰拱第一章 绪 论第一章 绪 论(5)组合结构-桁架和梁或刚架组合在一起的结构。桁架受轴力；梁或刚架主要受弯。 常见的组合结构 -不等高排架第一章 绪 论（6）悬索结构：悬索结构通常以仅能承受拉力的柔性缆索作为主要受力构件。 第一章 绪 论第一章 绪 论1-4荷载分类荷载指使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素。习惯上，荷载指施加在工程结构上使工程结构或构件产生效应的各种直接作用。常见的直接作用有：结构自重、楼面（屋面）活荷载、屋面积灰荷载、车