结构力学教程 力学部

结构力学教程力学部第一章绪论第二章结构的几何构造分析第三章静定结构的受力分析第四章影响线第五章结构位移计算与虚功-能量法第六章力法第七章位移法第八章渐近法及超静定力的影响线本学期教学内容第一章绪论绪论结构力学的研究对象、任务和学习方法结构的计算简图及简化要点杆件结构的分类荷载的分类本章目录§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法一、结构(structure)房屋建筑中的梁柱体系；公路和铁路上的桥梁和隧道；水工建筑中的闸门和水坝；

体育场馆；储气罐；输电塔及电视塔，……在建筑物和工程设施中承受、传递荷载，起骨架作用的部分。工程结构通常是由基本结构构件组成，包括梁(曲梁)、板、壳、柱、杆、索。根据结构构件的组合形式，可被分为：工程结构类型

杆系结构刚架结构桁架结构拱结构网架结构板壳结构折板结构壳体结构箱形截面结构剪力墙结构重力式水坝重力式码头墩台与基础实体结构斜拉桥悬索桥悬挂结构悬吊结构临时蓬帐展览馆气垫船飞艇热气球降落伞薄膜结构工程结构的类型二、§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法安全是结构分析的首要目的南京长江大桥，正桥为连续桁架梁，长1576m。于1968年竣工。杆系结构—由杆件按一定方式联结而形成的体系，是土木工程中广泛采用的结构体系之一。典型的形式有梁、刚(框)架结构、桁架结构、拱结构、网架结构、塔桅结构等在桥的建造过程中，发生过两次事故，造成86名人死亡。第一次是计算错误，第二次是施工过错加拿大魁北克大桥，它是世界上跨度最长的悬臂式钢桁架桥，整个总臂距为549m一览众山小§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法刚、柔、劲、美，千姿百态§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法体育馆悉尼歌剧院陕津天然气集输高压球罐站二、板、壳结构主要用于需要大空间的结构，如体育馆、候机楼、音乐厅及储气结构等，或用于大跨度的桥梁结构及高层建筑结构。§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法高峡出平湖长江三峡工程实体结构—主要由三维尺寸相近的块体构件组成的结构隔河岩水电站桥墩§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法世界著名汽车公司宝马公司的慕尼黑总部日本明石海峡大桥，主跨1991m，于1999年竣工，是世界上跨度最大的悬索桥。刚柔相济，与周围风景融为一体，成为旅游景点。悬吊结构—主要由承受拉力很强的构件和梁、柱等构件组成。其结构特点是自重轻，受力合理，结构的跨越能力大，承载力强，能充分发挥结构材料的作用，常用于大跨度的桥梁等。弹性力学以实体结构和板壳结构为研究对象。塑性力学§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法杆系结构(structureofbarsystem)板壳结构(plateandshellstructure)实体结构(massivestructure)构件的三个尺寸a、b、l的比较理论力学以质点、刚体为研究对象，研究物体的机械运动及物体间相互作用的一般规律。材料力学以单根杆件为研究对象，研究其承载能力，即构件的强度、刚度、稳定性和动力反应等问题。结构力学与理论力学、材料力学有密切关系。它们的研究对象不同，其研究的目标是一样的，研究的方法和主要内容虽有较大的差异，但又有许多共同点。壳体结构板实体结构

具体任务:研究其组成规律，使其具有合理而又稳定可靠的组成形式；研究其在荷载等外因素作用下，结构内力和变形的计算原理和方法，进而对结构的强度、刚度及稳定性进行分析；研究其在动力荷载作用下，结构的动力特性和动力响应的计算原理与方法。结构力学是以理论力学和材料力学为基础，以杆系结构为研究对象，§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法分析方法：经典理论分析法、数值计算法、实验分析法经典理论分析法─其特点是结构分析的力学概念非常清楚，计算过程十分简捷，采用手算方式，是结构分析的基本方法。主要用于小规模的简单结构，有理论解或计算量较小的结构分析过程，及一些结构的简化计算情况其作用是：1、作为掌握结构力学基本概念、原理和方法的基础；2、校核数值计算的结果；3、作为建立实验分析模型的基础并对实验结果进行判别。§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法数值计算法─利用计算机为工具，使结构分析的对象模型化，结构分析的过程标准化和程序化。这是现代结构力学普遍采用的方法，它主要应用于大规模结构、复杂结构，以使分析结果更详细、具体。其作用是：1、解决复杂结构的分析和计算问题；2、拓展人们对复杂结构受力机理的认识，探索建立新的结构的简化分析方法；3、模拟结构试验或结构承载的全过程，找出结构设计中的缺陷与不足，完善结构设计或对结构进行优化设计§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法实验分析法─对结构分析过程中所采用的计算模型和分析方法的合理进行验证，对结构分析的未知领域进行探索，以建立新的结构计算模型和结构分析方法其作用是：1、建立和验证结构分析的计算模型和分析方法；2、为结构设计和施工提供参考数据；3、为修改有关规范提供参考依据；4、给出结构极限承载能力的参考值。在实验力学和结构实验课程中讨论§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法结构力学的基本解法是直接运用上述三方面条件进行计算的，可称为平衡—几何解法；采用虚功和能量形式来表述，则称为虚功—能量解法结构力学课程：经典理论分析法数值计算方法计算简图三方面的条件：1、力系的平衡条件或运动条件；2、变形的几何连续条件；3、应力与变形间的物理条件(或称为本构方程)§1-1结构力学的研究对象、任务和学习方法§1-2结构的计算简图及简化要点结构体系的简化；(平面结构)

杆件的简化；(杆件用其轴线表示，荷载作用于轴线上)

结点的简化；(铰结点，刚结点，组合结点)支座的简化；(固定端，固定铰，定向支座，链杆约束)荷载的简化；(集中力，集中力偶，分布荷载)实际结构很复杂，完全按照它的真实情况进行分析是不可能，也是不必要的。因此，在对其进行力学计算前，必须略去其次要的细节，保留其基本特点，建立结构的计算模型。这种替代原结构简化图形被称为结构的计算简图§1-2结构的计算简图及简化要点结构体系的简化实际结构都是空间结构，各部分相互连接，成为一个空间整体，以承受各个方向可能出现的荷载。但在多数情况下，常可以忽略一些次要的空间约束，将实际结构分解为平面结构，使计算得以简化。纵向荷载下F2F2F2F1横向荷载下F1F1F1F1F1§1-2结构的计算简图及简化要点§1-2结构的计算简图及简化要点§1-2结构的计算简图及简化要点铰结点刚结点组合结点混合结点杆件间连接区简化§1-2结构的计算简图及简化要点①滚轴支座(rollersupport)：不能竖向移动，但可水平移动和转动。只有竖向反力。②定向支座(directionalsupport)：允许杆端沿一定方向自由移动，不能沿其它方向移动，也不能转动。FyMFxM定向支座简图Fy链杆约束用于大型钢桥用于中、小型结构支座的简化§1-2结构的计算简图及简化要点FR（大小方向未知）细石混凝土填充③固定支座(fixedsupport)：约束处不能移动，也不能转动FyMFx沥青麻刀填充FxFy④铰支座(hingesupport)：约束处不能移动，但可以转动。§1-2结构的计算简图及简化要点选取结构计算简图的原则:1.能反映结构的实际受力特点，使计算结果接近实际情况；2.忽略次要因素，便于分析计算。影响计算简图选取的主要因素:1.结构的重要性：重要结构—精；次要结构—粗；2.设计阶段：初步设计—粗；技术设计—精；3.计算问题的性质：静力计算—精；动力计算—粗；4.计算工具：先进—精；简陋—粗。材料性质的简化土木、水利工程中结构所用的建筑材料通常为钢筋、混凝土、砖、石、木材等。在结构计算中，为了简化，对组成各构件的材料一般都假设为连续的、均匀的、各向同性的、完全弹性或弹塑性的。上述假设对于金属材料在一定受力范围内是符合实际情况的。对于混凝土、钢筋混凝土、砖、石等材料则带有一定程度的近似性。至于木材，因其顺纹与横纹方向的物理性质不同，故应用这些假设时须给予注意。§1-2结构的计算简图及简化要点§1-2结构的计算简图及简化要点荷载的简化结构承受的荷载可分为体积力和表面力两大类：1.材料的自重或惯性力等；2.物体间接触面而产生的作用力，放置在结构上的各种设备等因为杆件已简化为轴线，因此把荷载的作用位置简化为作用

在杆件轴线上。1.集中荷载作用区域较小；2.分布荷载作用区域比较大；荷载的简化需要根据实际结构的情况周密的考虑和合理的处置，其大小的确定比较复杂，需要根据结构的功能、作用和所处环境综合考虑确定。§1-2结构的计算简图及简化要点§1-3杆件结构的分类1、梁它是一种受弯构件，其轴线为直线，主要承受弯矩和剪力。梁可以是单跨的或是多跨的。2、拱拱的轴线为曲线，其力学特点是在竖向荷载作用下有水平支座反力(推力)，并主要承受轴力和相对较小的弯矩和剪力。无铰拱二铰拱三铰拱3、桁架由直杆组成，所有结点都为铰结点。其力学特点是各杆件仅承受轴向力。4、刚架由直杆组成，其结点通常为刚结点。其力学特点是各杆件不仅承受轴向力，还要承受弯矩和剪力。§1-3杆件结构的分类5、组合结构有多种构件参与组合而成杆件结构可分为平面结构和空间结构两类。在平面结构中，各杆的轴线和外力的作用线都在同一平面内；不满足上述条件的，称为空间结构。§1-3杆件结构的分类空间刚架F平面桁架§1-4荷载的分类恒载和大部分活载(如雪载、风载)在结构上的作用位置，在其作用期间不发生变化，称为固定荷载。有些荷载如吊车、汽车和火车，在结构上的作用位置在荷载作用随期间不断地变化，因此称为移动荷载

荷载—广义上说，使结构产生内力或变形的因素称为荷载荷载分类：根据荷载作用时间的长短，可以分为恒载和活载两类恒载是长期作用在结构上的不变荷载，如结构的自重或土压力。活载是可变荷载，如人群荷载、吊车荷载、雪载和风载等。根据荷载作用位置的情况，分为固定荷载和移动荷载如作用于结构上的外力、温度变化、基础沉陷、材料收缩等通常把外力称为荷载，如结构的自重，作用于结构的土压力等静力荷载：力的大小、方向和位置不随时间变化或变化极为缓慢，不致引起结构产生明显振动，因而惯性力的影响可以忽略动力荷载：力的三要素中至少有一个是随时间迅速变化，或在短暂时段内突然作用，或消失的荷载，使结构产生显著的振动，因而惯性力的影响不能忽略。结构的恒载和部分活载(如人群荷载、雪载)是静力荷载爆炸的冲击波、台风和海浪的压力、地震力都是动力荷载车辆荷载、风载和地震荷载通常在