建筑力学与结构基础课件

建筑力学与结构基础建筑力学是研究建筑物在各种外力作用下的力学性能，并利用力学原理进行结构设计和分析的学科。它为建筑结构安全、稳定和耐久提供理论基础。绪论本课程介绍建筑力学和结构基础知识，涵盖结构受力分析、材料性质、结构设计原则等方面，为后续建筑结构课程学习奠定基础。1.1建筑力学的基本概念11.力学建筑力学是力学的一个分支，研究建筑结构在各种外力作用下的力学特性、强度、刚度和稳定性。22.结构结构是指由不同材料和构件组成的整体，用于承载各种荷载，并满足使用功能和安全要求。33.力与运动建筑力学主要研究力对结构的影响，包括外力作用下的结构变形、内力分布和运动规律。44.安全与可靠性建筑力学研究的目标是保证结构在各种荷载作用下安全、可靠地运行，确保建筑物的安全和使用寿命。1.2结构工程的基本问题安全与可靠性结构必须在各种荷载作用下保持稳定，确保人员和财产安全。功能性结构应满足建筑物的使用功能需求，例如承载能力、空间利用率、舒适性等。经济性结构设计需要在满足安全和功能的前提下，尽可能地降低成本。美观性结构的外观应与周围环境协调，并符合审美要求。1.3结构设计的基本原理安全性结构设计首要考虑安全性，确保结构能够承受各种负荷而不发生破坏。经济性结构设计应兼顾经济效益，选择最优的材料和方案，降低工程造价。适用性结构设计应满足使用功能的要求，如空间布局、采光通风等。美观性结构设计应与建筑整体风格协调，力求美观大方。2.材料的基本性质材料是构成结构的基础，其基本性质决定了结构的性能。了解材料的基本性质对于合理选择材料、设计结构至关重要。2.1材料的基本机械性质应力材料在外力作用下产生的内力，反映了材料内部抵抗变形的能力。应力单位通常为帕斯卡(Pa)或牛顿每平方米(N/m²)。应变材料在外力作用下发生的形变程度，反映了材料的变形能力。应变是一个无量纲量，表示材料尺寸变化与原始尺寸的比值。弹性模量材料在弹性范围内，应力与应变的比值，反映了材料抵抗弹性变形的程度。弹性模量单位与应力单位相同，通常为帕斯卡(Pa)或牛顿每平方米(N/m²)。泊松比材料在单向拉伸或压缩时，横向应变与纵向应变的比值，反映了材料横向变形与纵向变形的比例关系。泊松比是一个无量纲量，通常为一个负数，其绝对值小于0.5。2.2材料的变形特性应力-应变关系材料在受力作用下，应力与应变之间的关系曲线，体现了材料的变形特性。弹性模量材料在弹性阶段，应力与应变的比例系数，反映了材料的刚度。泊松比材料在受力方向拉伸或压缩时，其垂直方向上尺寸变化与受力方向尺寸变化的比值，反映了材料的横向变形特性。屈服强度材料发生永久变形时的应力值，是衡量材料抵抗塑性变形的能力指标。2.3材料的强度特性抗拉强度材料承受拉伸载荷而不发生断裂的最大应力。抗压强度材料承受压缩载荷而不发生破坏的最大应力。抗剪强度材料在剪切力作用下所能承受的最大应力。屈服强度材料发生显著塑性变形时的应力值。简单构件的受力分析本节将深入探讨常见结构构件在不同受力状态下的行为，并分析其受力特点、内力分布以及应力应变规律。我们将从常见的轴向受力构件、弯曲受力构件开始，深入分析其受力特性，为后续结构整体分析奠定基础。3.1轴向受力构件1概念受力方向与构件轴线重合2类型拉伸、压缩3计算应力、应变、强度4应用柱、梁、索轴向受力构件是结构中最常见的类型之一，应用范围广泛。在建筑结构中，柱子承受着来自楼板和屋顶的垂直荷载，而钢缆则用于悬吊桥梁和建筑物。了解轴向受力构件的受力特点和计算方法是建筑结构设计的基础知识。3.2弯曲受力构件1弯曲应力横截面上的内力2弯曲变形构件的弯曲程度3弯曲强度材料抵抗弯曲破坏的能力4弯曲刚度构件抵抗弯曲变形的能力弯曲受力构件是结构中常见的类型，例如梁。弯曲受力构件的受力分析需要考虑弯曲应力、弯曲变形、弯曲强度和弯曲刚度。3.3剪力与弯矩关系剪力与弯矩定义剪力是作用在构件横截面上的力，弯矩是作用在构件横截面上的力矩。它们是描述构件受力状态的重要参数。剪力与弯矩关系剪力是弯矩对横截面的导数，弯矩是剪力对横截面的积分。它们之间的关系可以用微积分来描述。剪力与弯矩图剪力图和弯矩图可以用来直观地显示构件上的剪力和弯矩分布，便于分析构件的受力状态。平面骨架结构平面骨架结构是建筑结构中最常见的一种形式。它由梁、柱、墙等构件组成，并以平面形式排列。4.1平面刚架的受力分析1定义平面刚架是指所有杆件和节点均处于同一平面上的框架结构。它主要由梁和柱组成，具有较强的整体性，能够承受较大的荷载，广泛应用于建筑工程中。2受力分析平面刚架的受力分析主要涉及梁和柱的内力计算，包括弯矩、剪力和轴力。它需要遵循力学平衡原理，并结合刚度矩阵法或有限元法等数值计算方法进行分析。3应用平面刚架的受力分析结果可用于确定结构的强度、刚度和稳定性，为结构设计提供依据。同时，也能够帮助了解结构的实际受力情况，判断是否存在危险区域。4.2平面桁架的受力分析1节点法求解节点上力的平衡2截面法求解截面上内力的平衡3虚拟功法利用功的原理求解内力平面桁架的受力分析是结构力学中的重要内容，其分析方法主要有节点法、截面法和虚拟功法。节点法通过分析节点上各杆件的内力平衡来求解桁架的受力情况，截面法通过分析截面上各杆件的内力平衡来求解桁架的受力情况，虚拟功法则利用功的原理来求解桁架的受力情况。4.3平面结构的静定与静不定1静定结构结构中所有未知力可以通过平衡方程求解。简单的结构，例如三角形桁架，通常是静定的。2静不定结构结构中未知力多于平衡方程的数量。需要考虑材料的变形特性来进行分析。3静定与静不定判断可以通过计算结构的自由度和约束条件来判断结构是静定还是静不定。空间结构空间结构是指在三维空间中分布的结构体系，相较于平面结构，其更加复杂，但也更加稳定，能够承受来自各个方向的荷载。5.1空间刚架的受力分析1空间刚架的概念空间刚架由多个杆件在空间连接而成，能够承受多方向的荷载。空间刚架的受力分析需要考虑各个杆件的受力情况，以及节点处的平衡关系。2力的分解在空间刚架中，外部荷载可以分解成三个方向的力，即水平力、垂直力以及扭矩。同时，杆件的内力也需要分解成这三个方向的力。3平衡方程为了求解空间刚架的内力，需要建立平衡方程。平衡方程需要考虑所有外力，内力以及杆件的几何关系。平衡方程可以利用矩阵形式进行表示，方便求解。5.2空间桁架的受力分析空间桁架定义空间桁架由若干杆件在空间以铰接方式连接而成，适用于跨度较大、荷载较轻的空间结构。空间桁架受力空间桁架受力复杂，杆件承受轴力，节点承受力偶和集中力。受力分析方法采用节点法分析，将空间桁架分解为多个节点，分别进行受力分析。平衡方程每个节点的平衡方程包括三个力平衡方程和三个力矩平衡方程。桁架结构5.3空间结构的稳定性与刚度稳定性空间结构必须具备足够的稳定性，以抵抗外力作用下失稳破坏。稳定性是指结构在荷载作用下保持平衡的能力。稳定性与结构的几何形状、支撑条件、材料性质等因素有关。刚度空间结构的刚度是指其抵抗变形的能力。刚度越大，结构在荷载作用下产生的变形越小。刚度与结构的截面尺寸、材料的弹性模量、支承条件等因素有关。6.结构抗震设计基础抗震设计是建筑结构设计的重要组成部分，旨在确保建筑物在发生地震时能够抵抗地震力，保证建筑物和人员的安全。抗震设计需要综合考虑地震荷载特征、结构抗震设计理论、结构抗震设计规范等因素。6.1地震荷载特征地震波类型地震波分为纵波和横波。纵波速度快，横波速度慢，破坏性更大。地震烈度地震烈度表示地震对地面和建筑物的破坏程度，通常用地震烈度表表示。地震影响因素地震震级、震源深度、地质构造、建筑物自身特性等都会影响地震荷载。6.2结构抗震设计理论地震反应谱地震反应谱是描述地震动对结构反应影响的重要工具，它反映了地震动频率特性对结构振动响应的影响。结构动力分析结构动力分析是研究结构在地震作用下动力响应的关键方法，它能预测结构在不同地震荷载下的振动行为。抗震设计原则结构抗震设计原则包括提高结构的整体性和延性，降低结构的振动周期，以及控制结构的破坏程度。抗震措施抗震措施