建筑结构选型力学基础()

第1章力学基础主讲：齐小燕2013年3月21日建筑力学研究内容“建筑力学”涉及：理论力学；材料力学；结构力学。建筑力学是建筑学、城市规划、工程管理、

环境工程、房地产等专业的一门技术基础课，是一门重要的必修课程。它包含了理论力学、材料力学和结构力学的最基本内容，研究土木工程结构中的杆件和杆系的受力分析、强度、刚度及稳定性问题。它是力学结合工程应用的桥梁，同时为后续课程学习奠定必要的分析和计算基础。其内容极其丰富，这是一门综合性、实践性都非常强的学科。1.1关于建筑力学学习建筑力学的必要性建筑学是一门介于工程类和艺术类之间的特殊学科，它需要将工程和艺术充分结合，同时兼顾严密的逻辑思维与跳跃性的抽象思维之间的有机互动，在这个专业领域取得成就非常不容易。纵观国内外，著名的建筑大师和优秀的建筑作品都是结构形式与建筑理念的完美结合。建筑三要素：

-建筑功能（坚固）第一位由结构承担

-物质技术条件（适用）

-建筑形象（美观）结构就是建筑物的骨架。承荷传力、开辟空间、保证不坍塌。

建筑力学：保证构件安全的理论基础。负责总体设计规划的建筑师、规划师，其职责既是创作，更是协调。大量工程实践和国际建筑大师成功经验表明，只有建筑与结构相互理解，融会贯通各方的思路，才能设计出结构合理、艺术性强的建筑物。要想成为一名出色的建筑师，建筑学专业的学生一定要掌握结构工程知识。因此，要重视建筑力学的学习。建筑力学课特点理论概念性较强，方法技巧性要求高。理论概念——需要通过练习来加深理解；方法技巧——需要多做练习来熟悉掌握。

——从具体算法中学习分析问题的一般方法和解题思路，培养分析和解决问题的思路。建筑力学的任务结构及其分类结构——建筑物中承受荷载而起骨架作用的部分。构件——组成结构的各单独部分。结构承受的荷载自重、风载、人群荷载、屋面积雪重量、吊车压力等非荷载影响因素：温度变化、支座沉降、地震作用等建筑力学研究对象的几何特征构件的分类（长宽高来衡量）杆件：一个方向的尺寸大板和壳：两个方向的尺寸大实体：三个方向的尺寸都大且相近构件几何特征各横截面的形心连线——轴线垂直于杆轴线的截面——横截面根据轴线形状可分为：直杆、曲杆、折杆结构的几何特征——平面杆件结构与空间杆件结构凡组成结构的所有杆件的轴线都位于某一平面内，并且荷载也位于该平面内的结构，称为平面杆件结构。否则，称为空间结构。直杆曲杆：拱折杆：刚架构件：组成机械或结构物的最小单元强度：构件或结构物抵抗破坏的能力刚度：构件抵抗变形的能力稳定性：构件保持原有平衡状态的能力

几个基本概念构件的强度、刚度和稳定性不仅与构件的形状有关，而且与所用材料的力学性能有关，因此在进行理论分析的基础上，实验研究是完成材料力学的任务所必需的途径和手段。强度——抵抗破坏的能力

即材料强度破坏时所需外力大小的指标。

几种材料特性：

低碳钢：刚性，强度高玻璃片：刚性，强度低尼龙绳：柔性，强度高橡胶：柔性，强度低满足强度要求就是：要求结构的各构件在正常工作条件下不发生破坏。刚度——抵抗变形的能力不同材料有不同的刚度特性——刚性、柔性、伸长性、松弛性等。材料的刚度用弹性模量E表示。——对给定的材料，E是常数。满足刚度要求就是：要使结构或构件在正常工作条件下所发生的变形不超过允许的范围。

稳定性——结构或构件以原有的形状保持稳定的平

衡状态。稳定性要求：要使结构或构件在正常工作条件下不会突然改变原有形状，以致发生过大的变形而导致破坏。1.2静力学基本概念

静力学研究物体作机械运动的特殊情况——物体处于静止状态时力的平衡规律。包括：受力分析、力系的简化、平衡的条件等等。

物体的静平衡是指物体相对于地面保持静止或作匀速直线运动的状态。刚体(Rigidbody)

在任何外力的作用下，大小和形状始终保持不变的物体。即：不产生变形或变形可以忽略。绝对的刚体实际并不存在。例如:桥梁在车辆、人群等荷载作用下的最大竖直变形一般不超过桥梁跨度的1/700～1/900。物体的微小变形对于研究物体的平衡问题影响很小，因而可以将物体视为不变形的理想物体——刚体静力学只研究刚体，因此，只讨论物体在力的作用下整体的平衡问题。力(Force)是物体间相互的机械作用

力对物体作用效应(Effectofanaction)：使物体的机械运动状态发生改变，叫做力的运动效应或外效应。是使物体的形状发生改变，叫做力的变形效应或内效应。力的定义力的单位，采用国际单位,为：牛顿，简称牛，符号N。

定义：能使一千克质量的物体获得1米每二次方秒的加速度所需的力定义为1牛顿。

释例：1公斤＝9.8牛顿，即，1Kg=9.8N力的大小、力的方向、力的作用点。力的图示法：力的三要素：力具有大小和方向，所以说力是矢量(vector)。可以用一个带箭头的直线段将力的三要素表示出来，力系的定义

作用于同一个物体上的一组力。

力系(Systemofforces)的分类

各力的作用线都在同一平面内的力系称为平面力系；各力的作用线不在同一平面内的力系称为空间力系。平面力系的分类平面汇交力系：各力作用线都汇交于同一点的力系平面力偶系：若干个力偶组成的力系平面平行力系：各力作用线平行的力系平面一般力系：各力作用线既不汇交又不平行的平面力系平面汇交力系平面力偶系平面平行力系平面一般力系

平面力系的分类空间力系各力的作用线均不在同一平面内，如下图示：空间任意力系：空间平行力系：空间汇交力系：等效力系

(Equivalentforcesystem)

指两个力(系)对物体的作用效果完全相同。平衡力系(Equilibriumforcesystem)

力系作用下使物体平衡的力系。合力与分力—若一个力与一个力系等效。则这个力称为该力系的合力，而力系中的各个力称为该合力的一个分力。几个相关概念平衡—

一般是指物体相对于地球保持静止或作匀速直线运动的状态。1.3静力学公理二力平衡公理

作用在同一刚体上的两个力，使刚体平衡的必要和充分条件是，这两个力大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。(a)

(b)

二力平衡公理二力平衡公理加减平衡力系公理三力平衡汇交定理作用与反作用定律受二力作用而处于平衡的杆件或构件称为二力杆件（简称为二力杆）或二力构件。

二力杆

加减平衡力系公理

在作用于刚体上的任意力系中，加上或去掉任何平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效果。

力的可传性原理作用于刚体上的力可沿其作用线移动到刚体内任意一点，而不会改变该力对刚体的作用效应。==FAF2F1FABF1AB加减平衡力系力的可传性

力的平行四边形法则

作用在物体上同一点的两个力，可以合成为仍作用于该点的一个合力，合力的大小和方向由以原来的两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线矢量来表示。

力的平行四边形法则

力的三角形法则三力平衡汇交定理

一刚体受共面不平行的三力作用而平衡时，此三力的作用线必汇交于一点。证明：F1F3F2A=A3F1F2F3A3AA2A1作用与反作用定律

两个相互作用物体之间的作用力与反作用力大小相等，方向相反，沿同一直线且分别作用在这两个物体上。

约束—阻碍物体运动的限制条件，约束总是通过物体间的直接接触而形成。约束对物体必然作用一定的力，这种力称为约束反力或约束力，简称反力。约束反力的方向总是与物体的运动或运动趋势的方向相反，它的作用点就在约束与被约束物体的接触点。运用这个准则，可确定约束反力的方向和作用点的位置。

1.4约束与约束反力工程中常见的约束及约束力：柔体约束光滑面约束链杆约束圆柱铰链约束支座约束（固定铰支座、活动铰支座、固定端）1.柔体约束

由柔软且不计自重的绳索、胶带、链条等构成的约束统称为柔体约束。柔体约束的约束反力为拉力，沿着柔体的中心线背离被约束的物体，用符号FT表示，如图1.4.1所示。图1.4.1柔体约束(a)(b)(c)(a)(b)(c)图1.4.2光滑接触面约束2.光滑接触面约束

物体之间光滑接触，只限制物体沿接触面的公法线方向并指向物体的运动。光滑接触面约束的反力为压力，通过接触点，方向沿着接触面的公法线指向被约束物体，通常用FN表示，如图1-11所示。两端各以铰链与其他物体相连接且中间不受力(包括物体本身的自重)的直杆称为链杆，如图1.4.3所示。链杆可以受拉或者是受压，但不能限制物体沿其他方向的运动和转动，所以，链杆的约束反力总是沿着链杆的轴线方向，大小相等，方向相反，指向不定，也称“二力杆”。常用符号F表示。

3.链杆约束图1.4.3链杆约束(a)(b)(c)

光滑圆柱铰链约束的约束性质是限制物体平面移动（不限制转动），其约束反力是互相垂直的两个力（本质上是一个力），指向任意假设。

4.光滑圆柱铰链约束（简称铰约束）图1.4.4圆柱铰链约束

FAXFAYFA5.固定铰支座

将构件或结构连接在支承物上的装置称为支座。用光滑圆柱铰链把构件或结构与支承底板相连接，并将支承底板固定在支承物上而构成的支座，称为固定铰支座,如图1.4.5所示。固定铰支座的约束反力与圆柱铰链相同，其约束反力也应通过铰链中心，但方向待定。为方便起见，常用两个相互垂直的分力FAx,FAy表示。

图1.4.5固定铰支座(a)(b)(c)FAXFAyFA6.可动铰支座

如果在固定铰支座的底座与固定物体之间安装若干辊轴，就构成可动铰支座，如图1.4.6所示。可动铰支座的约束反力垂直于支承面，且通过铰链中心，但指向不定，常用R(或F)表示。FA(RA)图1.4.6可动铰支座(a)(b)(d)(c)(e)7.固定端支座

如果构件或结构的一端牢牢地插入到支承物里面，就形成固定端支座，如图1.4.7(a)所示。约束的特点是连接处有很大的刚性，不允许被约束物体与约束物体之间发生任何