结构力学结力上一章绪论

结构力学

StrucuralMechanics同济大学土木工程学院CollegeofCivilEngineering,TongjiUnivesity吕凤悟

LvFengwu结构力学2024/1/31几点说明课程学时1980年至今的课时改革（6＋4＋2）→（4＋4）→（3＋3）→（4＋2）土木工程专业课程教改背景及目的成绩评定Homework:20～25%FinalExam:75～80%AdditionalPoints:课外活动答疑OfficeHours:Mon2:00-3:30PM,Wed10:00-11:30AM,Fri10:00-11:30AM,orbyappointmentA401CivilBuildingEmail:（个性化差异调整）结构力学2024/1/31几点说明教材与参考书朱慈勉主编，“十一五教材”《结构力学》，高教出版社龙驭球主编，《结构力学》，高教出版社

(特点:概念清晰，通俗易懂)周竞欧、朱伯钦主编，《结构力学》，同济大学出版社

(特点:例题多，习题难，概念与技巧并重)龙驭球等主编，“面向21世纪教材”《结构力学教程》，高教出版社共含上册第一分册、上册第二分册、下册三册共含上、下册两册共含Ⅰ、Ⅱ两册有程序结构力学与之配套结构力学2024/1/31力学的进展

经典力学以宏观物体为对象，运动速度远小于光速以17世纪牛顿(I.Newton)提出的基本定律为基础也称为牛顿力学相对论当物体运动速度接近于光速时，牛顿力学将不适用这是爱因斯坦(AlbertEinstein)的贡献1905年狭义相对论1915年广义相对论工程中绝大多数的研究对象属牛顿力学的研究范围经典力学在工程对象研究中具有重要的地位结构力学2024/1/31力学研究的对象

物理对象的力学模型在对自然界与工程对象进行研究时，必须对复杂的实际的物理对象进行简化根据研究的目的定义这些物理对象的力学模型离散系统质点物体的形状对其影响可以忽略不计质点系刚体物体的变形对其影响可忽略不计刚体系连续介质（物质在空间连续分布）变形体流体

结构力学2024/1/31力学研究的对象

不同形态机械运动的研究产生了不同的力学分支一般力学固体力学流体力学不同分支中的力学模型各不相同一般力学：离散系统基础：理论力学固体力学：变形体基础：材料力学，结构力学，弹塑性力学流体力学：流体基础：流体力学结构力学2024/1/31结构力学培养的目标

结构力学起源于力学的一个独立分支固体力学内容紧密联系工程实践结构力学是工程科学的技术基础课特别：土木(结构)工程学科、机械工程学科结构力学是其他后续专业基础课程和专业课程的基础专业基础课程计算结构力学、结构极限荷载与稳定、结构数值分析专业课程钢筋混凝土、钢结构、建筑施工、结构抗震结构力学2024/1/31结构力学的架构

整体架构一个基础，两个支柱(两个大厦)概念结构力学与计算结构力学并重两大模块基础模块计算机辅助分析模块结构力学2024/1/31第1章绪论§1-1结构力学的内容、特点和学习方法

一.结构力学的任务二.结构力学发展简史三.结构力学的研究方法

四.结构力学的特点和学习方法

§1-2结构计算简图

一.计算简图的概念与选择原则二.简化内容§1-3杆系结构的分类一.按结构形式分类二.按计算特点分类结构力学2024/1/31一、结构力学的任务

1、结构力学之顾名思义：

1)研究结构的力学(StructuralMechanics)2)用力学的方法分析结构(StructuralAnalysis)

2、结构：

建(构)筑物中支承荷载并维持形态的骨架。如：房屋中的梁柱；水工中的闸门、水坝；公路铁路中的桥梁等。

3、结构的分类：

1)按使用功能分：房屋结构、桥梁结构、地下结构、水工结构等。

2)按结构材料分：钢结构、钢筋砼结构、木结构、砌体结构等。

3)按构件的几何尺寸分：杆系结构、板壳结构、实体结构等。§1-1结构力学的内容、特点和学习方法结构力学2024/1/31结构按使用功能分类房屋结构高耸结构水工结构核电结构大跨空间结构桥梁结构临时施工结构……结构力学2024/1/31结构按建筑材料分类钢结构(土木大楼)钢筋砼结构(某在建高层)砌体结构(川西北藏族民居)木结构(四川黄龙寺)结构力学2024/1/31结构按构件的几何尺寸分类结构分类：1)杆系结构：由一维构件组成。如：房屋结构中的框架结构，南京长江大桥(钢桁架桥)2)板壳结构：由两维构件组成。如：核电站混凝土保护壳3)实体结构：由三维构件组成。如：水坝结构构件按几何尺寸可分为：1)一维构件：构件的横截面尺寸比长度小得多。如梁、柱等。又称为杆件。2)两维构件：构件的厚度比长度和宽度小得多。如楼板、剪力墙等。3)三维构件：构件的长、宽、厚三个尺度大小相仿。又称为块体。框剪结构框筒结构框架结构上述分类方法是结构力学通常采用的结构分类方法，因为结构分析方法通常与结构功能和建筑材料关系不大。结构力学2024/1/314、土木工程力学基础课程的联系与区别：

1)理论力学：

2)材料力学：

3)结构力学：

4)弹塑性力学：

研究质点、刚体静力平衡及机械运动的基本规律。研究结构及其构件(变形体)的强度、刚度、稳定性。以单根杆件为研究对象主要以杆系结构为研究对象以实体、板壳为研究对象

四门课程中，后述课程以前述课程为基础。内容有交叉重叠部分。理论力学和材料力学建立的静力平衡计算理论作为结构力学的分析计算基础，必须熟练掌握。平面汇交力系平衡条件：平面一般力系平衡条件：结构力学2024/1/315、结构力学的任务(内容)：

1)研究杆系结构的组成规律。

2)杆系结构静力计算和静位移计算的原理和方法。

3)杆系结构动力响应的计算原理和方法。

4)杆系结构稳定性计算原理和方法。

5)杆系结构极限承载力计算原理和方法。

“结构力学”课程讲授选修课“结构稳定与极限荷载”讲授第一学期：第一章绪论第二章几何组成分析————第1）部分内容第三章静定结构受力分析第四章静定结构影响线第五章静定结构位移计算第六章力法第2）部分内容第七章位移法第八章矩阵位移法(一)第二学期：第八章矩阵位移法(二)

第九章渐进法与概念分析第十章结构动力学—————第3）部分内容

结构力学2024/1/31二、结构力学发展简史(四个阶段)

1、萌芽：结构力学来源于工程实践

人类在远古时代就开始制造各种器物，如弓箭、房屋、舟楫以及乐器等，这些都是简单的结构。随着社会的进步，人们对于结构设计的规律以及结构的强度和刚度逐渐有了认识，并且积累了经验，这表现在古代建筑的辉煌成就中。国内：建筑结构——六千年前，木框架结构房屋(浙江余姚河姆渡遗址)

桩、柱、梁、板采用檇卯连接。水工结构——公元前256～251年，岷江水利枢纽工程都江堰竹笼装卵石堆砌堤坝结构，结构简单，规模宏伟。桥梁结构——公元605～617年，河北赵县安济桥(赵州桥)

敞肩石拱桥，造型优美，结构合理。“结构”一词最早出现于汉代王延寿的《鲁灵光殿赋》。国外：古埃及人的金字塔、古希腊人的女神庙、古罗马人的半圆拱形尽管在这些结构中隐含有力学的知识，但并没有形成一门学科。结构力学2024/1/312、从“萌芽”到“独立”15～16世纪，欧洲文艺复兴，力学在欧洲萌芽。

代表：达·芬奇(意)(L.daVinci，1452~1519)关于起重机具的滑轮和杠杆的分析(静力学雏形)17世纪，开展材料强度和构件的安全尺寸研究。

代表：伽利略(意)

(GalileoG.，1564-1642)和伯努利(瑞士)(D.Bernoulli，1700~1782)关于梁的研究(伯努利梁理论)18世纪，单根构件的强度和稳定性研究。

代表：牛顿(英)(IsaacNewton,1643~1727)经典力学与工业革命19世纪初，由于工业的发展，人们开始设计各种大规模的工程结构，对于这些结构的设计，要作较精确的分析和计算。工程结构的分析理论和分析方法开始独立出来，奠定形成了结构分析的理论基础。

代表：1850年，克希霍夫(德)(G.R.Kirchhoff，1824~1887)弹性板理论；

1873年，卡斯提安诺(意)(A.Castigliano，1847~1884)卡氏定理和单位荷载法；

1874年，莫尔(德)(Otto.Mhor，1835~1918)求解超静定结构的“力法”。19世纪中叶，结构力学从力学中独立出来，开始成为一门独立的学科。

结构力学2024/1/313、近代的发展与飞跃20世纪初期，诞生了与高次超静定结构相适应的计算理论和方法。

代表：1914年，本笛克森(A.Bendixen)提出位移法；

30年代初，克劳斯(H.Cross)提出弯矩分配法，林同炎(T.Y.Lin)改进。

20世纪中期，发展了考虑塑性的结构计算理论、结构稳定理论和结构动力学计算理论。随着结构力学的发展，疲劳问题、断裂问题和复合材料结构问题先后进入结构力学的研究领域。20世纪中后期，随着计算机的出现(1945年)，发展了适应计算机特点的结构数值计算方法。电子计算机和有限元法的问世使得大型结构的复杂计算成为可能，从而将结构力学的研究和应用水平提到了一个新的高度。

代表：结构矩阵分析方法—杆系结构的有限单元法；形成了力学、数学、工程学、计算机科学的交叉学科—计算结构力学；有限元方法(Finite-ElementMethod，FEM)[1960年克劳夫(R.W.Clough)、1963年威尔逊(E.L.Wilson)]；边界元方法(BEM)。

结构力学2024/1/314、现代广义结构力学现代结构力学的特点：发展快，应用范围广，应用水平高。大型复杂结构计算，非线性分析。

发展方向：

1)从结构的被动分析发展到主动优化设计，进而进入结构状态控制。即进行结构特征识别、设计方案优化、施工使用中结构工作状态与结构参数的调整控制。

2)考虑荷载和结构所具有的各种不确定性因素(如随机性、模糊性和未确定性)的结构分析，即不确定性有限元分析、不确定性振动理论、广义可靠度理论等。

3)基于智能材料的智能结构研究。智能材料是一种在外部激励作用(如电信号刺激)下能迅速作出应变反应的材料。

展望：

全寿命、软科学的发展方向，即将工程项目从论证到设计、从施工到使用期维护整个过程中各个阶段的规划、决策和设计作为研究对象，应用综合分析方法(力学与结构工程渗透融合)研究其中的各种力学行为问题。结构力学2024/1/31三、结构力学的研究方法结构力学的研究方法主要有工程结构的使用分析、实验研究、理论分析和计算三种。在结构设计和研究中，这三方面往往是交替进行并且是相辅相成的。使用分析就是在结构的使用过程中，对结构中出现的情况进行分析比较和总结，这是易行而又可靠的一种研究手段。使用分析对结构的评价和改进起着重要作用。新设计的结构也需要通过使用来检验性能。实验研究能为鉴定结构提供重要依据，这也是检验和发展结构力学理论和计算方法的主要手段。实验研究分为三类：模型实验、真实结构部件实验、真实结构实验。例如，飞机地面破坏实验、和汽车的碰撞实验等。结构的力学实验通常要耗费较多的人力、物力和财力，因此只能有限度地进行，特别是在结构设计的初期阶段，一般多依靠对结构部件进行理论分析和计算。本课程主要讲述结构理论分析和计算的原理和方法。结构力学2024/1/31四、结构力学的特点和学习方法

1、结构力学的特点：

学习内容以经典的杆系结构力学为主。

1)概念性强——强调方法(基础)2)技巧性高——难点

2、学习方法：

1)概念的形成与掌握：以课堂听讲为主，适当笔记，课后通过独立完成作业复习来掌握。

2)技巧的发现与掌握：多做习题，勤思考总结。

无数经验证明：结构力学的掌握程度与习题量成正比。

结构力学2024/1/31一、计算简图的概念与选择原则

1、计算简图：用来代替实际结构进行力学分析的简化图形(力学模型)。

2、选择原则：

1)简图要能反映实际结构的主要受力特征，保证计算结果可靠。

2)在满足计算精度要求的前提下，尽量简化，便于计算。两个原则辩正统一。二、简化内容

主要以下五个方面：

1)结构体系简化；2)杆件简化；3)结点简化；4)支座简化；5)荷载简化。§1-2结构计算简图结构力学2024/1/31杆件轴线结构体系的简化空间结构平面结构杆件的简化杆件结构力学2024/1/31结点的简化杆件之间的联系，称为结点。(内部约束)常见的结点类型：刚结点(Rigidjoint)铰结点(Hinge)

半铰结点(混合结点)刚结点铰结点半铰结点结构力学2024/1/31支座的简化结构与基础之间的联系，称为支座。(外部约束)常见的支座形式：固定铰支座活动铰支座固定支座滑动支座(定向支座)

弹性支座位移约束与支座反力一一对应，有位移约束可能产生支座反力，无位移约束必无支座反力。两个位移约束，两个反力一个位移约束，一个反力三个位移约束，三个反力两个位移约束，两个反力结构力学2024/1/31弹性支座

弹性支座在提供反力的同时产生相应的位移。反力与位移之比为常量，称为弹性支座的刚度系数。刚性支座在提供反力的同时在约束方向不产生任何相应的位移。弹性支座与刚性支座的关系结构力学2024/1/31荷载的简化

荷载(Load)：主动作用于结构上的外力或外部作用。支座反力不是荷载，因为非主动作用。荷载的分类：

支座反力是不是荷载？为什么？一般分类

(a)狭义荷载：力的作用。

(b)广义荷载：环境温度变化、支座位移等。按作用时间久暂划分

(a)恒载：永久作用在结构上的不变荷载。如，结构材料自重。

(b)活载：临时作用在结构上的可变荷载。如，风、雪、人群等。按作用性质划分

(a)