建筑力学与结构基础课件

建筑力学与结构基础本课程将深入探讨建筑物的力学特性及其承载能力,为学生奠定扎实的力学基础,为后续的建筑设计和工程实践打下坚实的基础。力学基础概述力学基础理论力学是研究物体受力和运动规律的基础学科。它包括静力学、动力学和材料力学等分支,为建筑物的结构设计提供理论支持。力学应用知识建筑工程中广泛应用力学理论,如计算载荷作用下的结构变形和应力状态,分析结构的稳定性和可靠性等。这些知识对结构安全性至关重要。学习重点本课程将重点讲解力的种类、受力分析、应力与变形计算等基础知识,并结合经典结构设计实例进行深入探讨。学习目标掌握建筑结构的力学基础,为后续的高等结构分析和设计打下坚实的理论基础。力的种类力的大小力有大小之分，可以用大小来描述力的强弱。力的方向力还有方向性，可以描述力作用的方向。力的类型按力的作用类型可以分为集中力、分布力及力偶。力的分解1水平分量将力沿平行于地面的方向进行分解,得到水平分量。这在分析结构物受力时非常重要。2垂直分量将力沿垂直于地面的方向进行分解,得到垂直分量。这反映了力对物体的压缩或拉伸作用。3合力分析通过力的分解,我们可以更好地理解和分析结构物受到的各种作用力,为结构设计提供依据。受力分析1外力分析识别作用在结构上的外部力2内力分析确定结构内部力的分布和大小3反力分析计算支座和约束产生的反力受力分析是确定结构受力状态的关键步骤。通过分析结构受到的外部力、内部力以及支座反力的大小和分布,我们可以深入了解结构的受力机制,为后续的结构设计和分析奠定基础。平衡条件力的平衡物体处于静止状态时,作用于它的所有力必须在大小和方向上相互抵消,使得物体保持平衡。力矩平衡物体必须满足所有力矩的代数和等于零,才能保持平衡状态。这意味着物体不会发生转动。平面平衡当物体受到的力都在同一平面内时,可以通过分解力和力矩分别满足平衡条件。空间平衡如果物体受到的力不在同一平面内,则需要同时满足三个方向的力和力矩平衡条件。受力分析实例分析结构以一简支梁为例,分析其受力情况以及内力分布。确定荷载根据实际使用情况,确定梁上的均布荷载。计算反力应用力的平衡条件,计算梁两端的支座反力。分析弯矩根据反力和荷载分布,确定梁上的弯矩图。应力概念1内部分力当外力作用在物体上时，内部会产生分布于整个物体内部的内部分力。2应力定义应力表示内部分力对单位面积的作用强度，是一个向量量。3应力分析分析物体内部的应力分布情况对于确定物体的强度和安全性非常重要。4应力表示可以用数字和图形的方式表示物体内部的应力分布情况。应力类型拉应力拉应力是一种引起物体伸长的应力,主要出现在受拉构件中。它会导致材料内部粒子彼此分开,产生裂纹或断裂。压应力压应力是一种引起物体挤压的应力,主要出现在受压构件中。它会使材料内部粒子彼此靠近,可能导致材料局部失稳或整体塌陷。剪应力剪应力是一种使物体发生切向位移的应力,常见于梁柱等结构构件。它会造成材料内部层间分离或破坏。应力分析1应力分类应力可以分为正应力和切应力2应力计算通过受力分析计算得到各处的应力大小3应力分布根据结构的几何形状和加载条件分析应力分布应力分析是结构力学的核心内容之一。通过对结构中各部位的应力大小和分布进行分析,我们可以了解结构在载荷作用下的力学行为,为结构设计提供关键依据。应力计算实例1应力计算步骤确定作用于结构的外力2应力分析采用合理的应力分析方法3应力计算根据应力分析结果进行计算4结果验证检查计算结果是否符合规范要求应力计算是结构分析的重要环节,需要明确作用于结构的外力,采用合理的应力分析方法,根据分析结果进行计算,并验证计算结果是否符合规范要求。通过详细的应力计算,可以确保结构的安全性和可靠性。变形概念1弹性变形当外力作用于材料时,材料会发生可逆性的变形,这种变形称为弹性变形。2塑性变形当外力达到材料的屈服强度时,材料会发生不可逆的永久性变形,这种变形称为塑性变形。3破坏变形当外力进一步增大时,材料会发生断裂,这种变形称为破坏变形。4应变计算通过测量材料的变形量,可以计算出材料的应变,从而分析材料的力学性能。变形计算应力与变形的关系材料在受力作用下会产生应力和相应的变形。通过力学分析可以计算材料的应力和变形。主要变形类型主要包括轴向伸缩、弯曲变形、剪切变形、扭转变形等。不同的结构受力方式决定了主要变形类型。材料力学模型应用材料力学理论，建立材料在受力下的力-变形关系模型。常用模型包括弹性、塑性、粘弹性等。变形计算方法根据结构受力情况和材料力学模型,借助数学分析方法计算结构受力下的变形情况。具体包括微分方程法、能量法等。变形计算1平面应力计算平面应力下的变形2轴向应力分析受轴向载荷的变形3剪应力评估剪应力导致的变形4弯曲应力确定弯曲应力引起的变形在建筑结构设计中,合理评估和预测结构的变形行为至关重要。通过分析不同类型的应力如平面应力、轴向应力、剪应力和弯曲应力,我们可以计算出结构在各种荷载下的变形量,为结构优化提供依据。结构分类按荷载分类建筑结构可分为自重承载型和外荷载承载型。前者主要承担自重,如柱、墙等。后者需承担风、雪、地震等外部荷载,如屋顶、桥梁等。按材料分类常见的结构材料包括钢筋混凝土、钢结构、木结构等。不同材料具有不同的力学特性,适用于不同的建筑类型。按形式分类结构形式可分为梁柱结构、框架结构、剪力墙结构、拱形结构等。每种形式都有其特点和适用范围。按受力状态分类根据受力状态,结构可分为受压结构、受拉结构、受弯结构等。正确分析受力状态至关重要。简单结构受力分析1力的分解分析外部作用于结构上的各种力的大小和方向,将其分解成构件轴线方向的分力和垂直于构件轴线的分力。2内力分析根据平衡条件,计算构件内部产生的轴向力、剪力和弯矩,为后续的应力和变形分析奠定基础。3简单构件分析针对梁、柱等基本构件,可以通过力的分解和平衡条件,推导出内力的分布和变化规律。悬臂梁受力分析1识别关键力学确定悬臂梁承受的外力和内力2分析受力情况分析梁内部的剪力和弯矩分布3计算关键参数根据受力情况计算应力和变形悬臂梁是一种典型的单侧固定受力结构,它的受力分析需要重点关注梁端受力、剪力和弯矩分布等关键力学因素。通过系统的受力分析和参数计算,可以准确评估悬臂梁的承载能力和使用性能。简支梁受力分析1支座反力分析简支梁两端支座的反力是关键,需要根据梁体受到的外荷载计算得出。2弯矩分布规律弯矩在梁体上的分布呈抛物线形状,中跨最大,两端为0。3剪力分布规律剪力在梁体上的分布呈线性分布,两端最大,中跨为0。连续梁受力分析划分端段将连续梁划分为多个端段,每个端段受到左右两侧支座的影响。计算内力对每个端段应用力学平衡原理,计算出剪力和弯矩的分布情况。考虑连续性将各端段的内力联系起来,满足梁端的位移和旋转角连续性条件。分析特殊点关注支座处和跨中位置的内力变化,为下一步的应力分析做准备。拱形结构受力分析1力的分布拱形结构将力均匀地分散到整个结构上2承压能力拱形结构具有出色的承压和抗压性能3稳定性拱形结构具有良好的结构稳定性4跨度拱形结构可以跨越更大的空间拱形结构是一种广泛应用于各类建筑中的重要结构形式。它通过将重力荷载均匀地分散到整个结构上,具有出色的承压和抗压能力。同时,拱形结构具有良好的稳定性,并能跨越更大的空间,这使其在建筑设计中广受青睐。柱受力分析1受压分析柱受压分析是建筑结构设计的重点之一。需要评估柱子在轴向荷载和偶然偏心力作用下的应力状态。2稳定性评估分析柱子在受压时的稳定性十分重要。需评估柱子的承载能力、临界荷载和临界应力。3柱承载能力根据柱子的强度、材料特性、截面尺寸等因素,计算柱子的承载能力。确保柱子在各种荷载作用下都能安全承担。受压构件稳定性屈曲失稳当受压构件承受的轴向压力超过其临界值时,会发生突然的侧向变形,导致整个构件失去稳定,这种现象称为屈曲失稳。影响因素构件的长度、截面形状和材料属性等都会影响其临界压力值,进而决定构件的稳定性。稳定性计算通过应用稳定性理论,可以计算出构件的临界压力值,从而评估其承载能力和稳定性。稳定性分析实例确定构件长细比根据设计要求确定构件长细比，这是判断稳定性的重要指标。计算临界荷载运用相应公式计算构件在理想条件下的临界压缩荷载。考虑实际因素由于实际条件与理想条件存在差异,需要引入相应的折减系数。验算稳定性将实际荷载与计算的临界荷载进行对比,判断构件是否稳定。结构可靠性概念结构可靠性定义结构可靠性指结构在设计使用年限内能够安全可靠地承担预期的荷载和使用功能的能力。这是结构设计的核心目标之一。可靠性分析方法通过概率统计分析结构各种影响因素的不确定性,计算其极限状态出现的概率,从而评估结构的可靠性水平。可靠性指标常用的可靠性指标包括失效概率、可靠性指数、安全系数等,用于定量描述结构的安全冗余程度。可靠性分析1概率分析基于随机事件的概率理论进行分析2极限状态分析确定结构在极限状态下的承载能力3可靠性指标定量描述结构可靠性水平的指标可靠性分析是建筑结构设计的重要组成部分。通过概率分析确定结构在极限状态下的承载能力,并建立可靠性指标,以量化评估结构的安全性和使用性。这种分析方法可以帮助设计师优化结构方案,提高建筑物整体的可靠性。荷载组合自重荷载建筑物及其构件自身重量所产生的永久性荷载。风荷载建筑物受到风力作用而产生的动态荷载。地震荷载建筑物在地震作用下所产生的动态荷载。积雪荷载屋顶或其他水平表面上积积的雪所产生的荷载。结构设计原则安全性结构设计必须确保在任何情况下,结构都能够承受载荷,维持稳定,避免发生破坏或坍塌,确保使用者的生命安全。经济性在满足安全性的前提下,应尽量节约建材、减少建设投资,提高经济效益。合理利用材料,优化设计方案。美观性结构设计应考虑与建筑物的整体美学风格相协调,体现建筑的精神内涵,增加建筑物的艺术价值。可靠性结构在使用过程中应能承受各种预期和意外的载荷,保持长期良好的性能,确保使用安全。结构设计流程1需求分析充分了解建筑物的使用功能和预期寿命2荷载评估准确评估各类荷载对结构的影响3方案设计根据需求和荷载制定最优结构布局4结构计算对结构受力进行全面分析和验算5优化调整不断优化方案以确保结构安全可靠结构设计流程包括需求分析、荷载评估、方案设计、结构计算和优化调整等关键步骤。设计师需要深入了解建筑物的功能需求,准确评估各类荷载,提出最优结构布局,并进行全面的受力分析和结构优化,确保设计满足安全和使用要求。结构设计实例结构设计实例通常涉及复杂的计算和分析过程,需要考虑多方面因素。下面是一个典型的结构设计实例,展示了从需求确定到最终设计的步骤。1需求分析确定建筑物的功能、使用要求、环境条件等2荷载确定确定各类荷载作用及其组合3受力分