結(jié)構(gòu)力學(xué)2012年2月20日同濟(jì)大學(xué)建筑工程系

幾點(diǎn)注意事項(xiàng)1、結(jié)構(gòu)力學(xué)是技術(shù)基礎(chǔ)課，課堂討論、提問大家都應(yīng)積極參與。2、幾乎每次課后都有作業(yè)，必須按時(shí)完成，基本上一周交一次作業(yè)。同學(xué)們應(yīng)在系統(tǒng)學(xué)習(xí)教材的基礎(chǔ)上盡可能作較多習(xí)題，才能熟練掌握本課程的知識(shí)。3、部分自學(xué)內(nèi)容，考試也要考。

如何學(xué)好結(jié)構(gòu)力學(xué)課？1、上課認(rèn)真聽講，盡可能課內(nèi)消化，課外勤看書，勤思考，勤討論，勤練習(xí)。2、重新回顧、復(fù)習(xí)并掌握理論力學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。3、認(rèn)真、獨(dú)立、按時(shí)完成、上交課后作業(yè)。下面我們轉(zhuǎn)入正題，首先簡(jiǎn)單介紹一些背景資料。加里萊·伽利略（Galileo·Galilei1564—1642年）是意大利偉大的物理學(xué)家、力學(xué)家、天文學(xué)家。他推翻了當(dāng)時(shí)最權(quán)威的亞里斯多德的學(xué)說，1582年，他先后發(fā)明了“擺錘擺動(dòng)等時(shí)性定律、落體定律、慣性定律”。伽利略的成就被公認(rèn)為——近代科學(xué)的起源。在數(shù)學(xué)上，牛頓創(chuàng)立了微積分學(xué)，制定了二項(xiàng)式定理，發(fā)展了關(guān)于方程式的大部分理論，引進(jìn)了字母標(biāo)志。在數(shù)學(xué)物理學(xué)方面，他推導(dǎo)出可借以預(yù)測(cè)月亮在諸星體中的未來方位的數(shù)表——這對(duì)航海來說，是最有價(jià)值的一個(gè)成就。他創(chuàng)立了流體動(dòng)力學(xué)，其中包括波動(dòng)傳播理論，他還對(duì)流體靜力學(xué)作了許多改進(jìn)。在光學(xué)上，他在了解光束、光的折射及色彩現(xiàn)象方面作出了重要貢獻(xiàn)。

牛頓（1642-1727年、英國(guó)）使力學(xué)成為一門較完整與系統(tǒng)的學(xué)科。建筑是在力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，古人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)想來構(gòu)造結(jié)構(gòu)，直到18世紀(jì)有了系統(tǒng)力學(xué)分析后，以受力狀態(tài)為依據(jù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才逐漸代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)想。

建筑歷史1、歷代建筑的演變穴居巢居棚居房屋（人類生活逐步穩(wěn)定和發(fā)明工具）2、建筑三要素公元前32-22年間，古羅馬奧古斯都時(shí)代的維特魯威在《建筑十書》中提出“堅(jiān)固、實(shí)用、美觀”的原則。2、科學(xué)時(shí)代—由專業(yè)班子分工合作主持工程1811年巴黎麥倉(cāng)園頂工程第一次建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)分開設(shè)計(jì)。1889年巴黎國(guó)際博覽會(huì)建成機(jī)械館與埃菲爾鐵塔第一次完全按力學(xué)結(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)出來的建筑物，標(biāo)志著人類在建筑史上進(jìn)入科學(xué)時(shí)代。20世紀(jì)中，一些高科技及其在各工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與力學(xué)指導(dǎo)密不可分。環(huán)球金融中心的多個(gè)“第一”■屋頂高度世界第一：492米，超過了目前屋頂高度世界第一的臺(tái)北101大樓（480米）?！鋈丝蛇_(dá)到高度世界第一：474米，大樓100層的觀光天閣是世界上人能到達(dá)的最高觀景平臺(tái)。■世界最高中餐廳：416米，設(shè)在93層的中餐廳，將成為全球最高中餐廳?！鍪澜缱罡哂斡境兀?66米，設(shè)在85層的游泳池，將奪得“世界最高游泳池”稱號(hào)。■世界最高酒店：設(shè)在大樓79至93層的柏悅酒店，將成為世界最高酒店。■燃?xì)廨斔椭?3層416米的高度，生活用水最高處在434米的97層觀光天橋上，而消防用水則通過4節(jié)系統(tǒng)送至樓頂，均創(chuàng)下了新高。被譽(yù)為“江蘇省第一高樓”的南京綠地廣場(chǎng)紫峰大廈2010年9月28日竣工。該大廈位于南京中心鼓樓廣場(chǎng)西北角，總高88層，主體高度最高達(dá)381米、天線頂高450米，因其高度超過420米的上海金茂大廈，而成為中國(guó)第二高樓。2008年11月29日，總高度達(dá)632米的“上海中心”開工建設(shè)。

“迪拜塔”高818米，160層，共使用33萬立方米的水泥、3.14萬噸的鋼材和14.2萬平方米的玻璃，2010年1月4日揭幕。人類建筑師總想將摩天大樓越蓋越高，美國(guó)有527米高的芝加哥西爾斯大廈，加拿大有553米高的多倫多CN電視塔，阿聯(lián)酋迪拜市正在建造一座高達(dá)807米的世界最高樓。然而這些摩天大樓和日本大成建筑公司藍(lán)圖中的“X-Seed4000”摩天巨塔相比，卻全都是“小巫見大巫”。

西爾斯大廈

442m

金茂大廈421m吉隆坡的雙子塔452m臺(tái)北市的101大樓508m

芝加哥“螺旋之尖”摩天大樓的建設(shè)方案獲得了政府批準(zhǔn)，“螺旋之尖”摩天大樓全高610米，建成后將是全美最高的大樓，它也將是世界各大城市里高樓建筑的一個(gè)典范。上海港國(guó)際客運(yùn)中心上海港國(guó)際客運(yùn)中心（一滴水）2008年8月5日投入使用澳門橋斜拉橋拱橋40人死亡；

14人受傷；

直接經(jīng)濟(jì)損失631萬元。1999年1月4日，我國(guó)重慶市綦江縣彩虹橋發(fā)生垮塌，造成：垮塌前的彩虹橋垮塌后的彩虹橋簡(jiǎn)單力學(xué)問題－大部隊(duì)過橋時(shí)不能齊步走高等力學(xué)問題－

沖擊載荷的概念：

人跑步時(shí)腳上的力量有多大？

損傷累積與結(jié)構(gòu)壽命

與跑步的次數(shù)有關(guān)人跑步時(shí)腳上的力量有多大？腳上的力量假設(shè)人體重量為750N3000N3500N4500N6000N12500N高等力學(xué)問題－

損傷累積與結(jié)構(gòu)壽命與跑步的次數(shù)有關(guān)力學(xué)研究方法

理論分析方法－20世紀(jì)初，探索新設(shè)計(jì)、新結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)方法－具體設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證飛機(jī)靜載試驗(yàn)戰(zhàn)斗機(jī)的仿真振動(dòng)模態(tài)分析飛鳥與空中客車機(jī)翼相撞鋼結(jié)構(gòu)接頭振動(dòng)試驗(yàn)振動(dòng)試驗(yàn)

高層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)中的仿真試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)專題幾何組成分析靜定結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)構(gòu)位移計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)影響線梁剛架拱桁架組合結(jié)構(gòu)力法位移法力矩分配法結(jié)構(gòu)矩陣分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算**結(jié)構(gòu)極限荷載**實(shí)驗(yàn)

第一章緒論

1～1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象和基本任務(wù)1.工程結(jié)構(gòu)的概念指建筑物、構(gòu)筑物和其它工程對(duì)象中支承和傳遞荷載而起骨架作用的部分。2.工程結(jié)構(gòu)的受力特性和承載能力與結(jié)構(gòu)的幾何特征有著密切的聯(lián)系。3.結(jié)構(gòu)分類：按照幾何特征分：（a）桿系結(jié)構(gòu)——由若干個(gè)桿件相互聯(lián)接組成的結(jié)構(gòu)。幾何特征：其橫截面上兩個(gè)方向的尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度。典型形式：梁、剛架、拱和珩架。（b）板殼結(jié)構(gòu)——也稱薄壁結(jié)構(gòu)。幾何特征：其厚度遠(yuǎn)小于其余兩個(gè)方向上的尺度。典型形式：房屋建筑中的樓板、殼體屋蓋及飛機(jī)和輪船的外殼等。（c）實(shí)體結(jié)構(gòu)——也稱三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)。幾何特征：結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向的尺寸大小相仿。典型形式：重力式擋土墻、水工建筑中的重力壩等。臺(tái)北101大樓--“最高建筑物”(508米)

國(guó)家石油公司雙塔大樓（452米）

（桿系結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等）（殼體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)等）高層建筑

高聳結(jié)構(gòu)大跨結(jié)構(gòu)（桿系結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等）橋梁結(jié)構(gòu)（桿系結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等）水利建筑核電建筑（實(shí)體、壩體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）（實(shí)體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）

結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)科性質(zhì)、研究目的和基本任務(wù)學(xué)科性質(zhì)：

研究結(jié)構(gòu)的合理形式以及結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下內(nèi)力、變形、動(dòng)力反應(yīng)和穩(wěn)定性等方面的規(guī)律性的學(xué)科；是結(jié)構(gòu)工程類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。研究目的：

使結(jié)構(gòu)滿足安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)方面的要求。基本任務(wù)：

（1）根據(jù)功能和使用等方面的不同要求和結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律，研究結(jié)構(gòu)的合理形式。（2）研究結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形、動(dòng)力反應(yīng)和穩(wěn)定性計(jì)算的理論和方法。（3）研究由結(jié)構(gòu)受力結(jié)果確定外界作用信息，或是根據(jù)外界作用信息，確定結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息，或是對(duì)結(jié)構(gòu)的受力反應(yīng)進(jìn)行控制的理論和方法。一、結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖1.概念：在計(jì)算中把實(shí)際結(jié)構(gòu)中的一些次要因素加以忽略，但又反映出實(shí)際結(jié)構(gòu)主要受力特征的經(jīng)過簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)圖形。2.計(jì)算簡(jiǎn)圖的選擇原則：（1）存本去末原則：保留主要因素，略去次要因素，使計(jì)算簡(jiǎn)圖能反應(yīng)出施加架構(gòu)的主要受力特征。（2）計(jì)算簡(jiǎn)便原則：根據(jù)需要和可能，并從實(shí)際出發(fā)，力求使計(jì)算簡(jiǎn)圖便于計(jì)算。（3）據(jù)不同的要求與具體情況，對(duì)同一實(shí)際結(jié)構(gòu)可選擇不同的計(jì)算簡(jiǎn)圖。研究動(dòng)向：由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)向概念結(jié)構(gòu)力學(xué)和計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)兩個(gè)方向縱深發(fā)展。

1～2結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.在選擇計(jì)算簡(jiǎn)圖時(shí)，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行多方面的簡(jiǎn)化如下：（1）結(jié)構(gòu)體系的簡(jiǎn)化

a.平面桿系結(jié)構(gòu)b.空間桿系結(jié)構(gòu)（2）桿件的簡(jiǎn)化桿件用桿件的軸線表示，桿長(zhǎng)用軸線交點(diǎn)間距離表示。（3）結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化桿件相互連接處稱為結(jié)點(diǎn)。按結(jié)點(diǎn)的計(jì)算簡(jiǎn)圖可分為以下兩種類型：

a.鉸結(jié)點(diǎn)（特征：所聯(lián)結(jié)各桿可以繞鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，可用一理想光滑鉸表示。實(shí)例：木屋架的下弦中間節(jié)點(diǎn)。）

b.剛結(jié)點(diǎn)（特征：所聯(lián)結(jié)桿件之間不能在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即剛節(jié)點(diǎn)處各桿件之間的夾角在變形前后保持不變。實(shí)例：混凝土多層剛架邊柱與橫梁結(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖。）4.支座的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)相連接的部分稱為支座。結(jié)構(gòu)通過支座將荷載傳給基礎(chǔ)和地基。支座多結(jié)構(gòu)的反作用力稱為支座反力。平面結(jié)構(gòu)的支座形式有以下五種：（1）活動(dòng)鉸支座a.機(jī)動(dòng)特征：結(jié)構(gòu)可繞鉸做自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并允許沿支承面有微量的移動(dòng)，但限制鉸沿垂直于支承面方向的移動(dòng)。b.實(shí)例：橋梁結(jié)構(gòu)中的輥軸支座及搖軸支座的等。c.計(jì)算簡(jiǎn)圖：用一根豎向支座鏈桿的計(jì)算簡(jiǎn)圖代表。（2）固定鉸支座a.機(jī)動(dòng)特征：結(jié)構(gòu)仍可繞鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，但沿水平和豎向的位移受到限制。b.實(shí)例：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中柱子和基礎(chǔ)連接處交叉布筋時(shí)。c.計(jì)算簡(jiǎn)圖：用交于一點(diǎn)的兩個(gè)支座鏈桿表示。

（3）固定支座a.機(jī)動(dòng)特征:結(jié)構(gòu)與支座聯(lián)結(jié)處，既不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，也不能發(fā)生水平和豎直的移動(dòng)。b.實(shí)例:插入杯型基礎(chǔ)較深的混凝土柱的杯口面處。c.計(jì)算簡(jiǎn)圖:如圖所示（4)滑動(dòng)支座（亦稱定向支座）a.機(jī)動(dòng)特征:能限制結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿一個(gè)方向上的移動(dòng)，但允許結(jié)構(gòu)在另一方向上有滑動(dòng)的自由。b.實(shí)例：c.計(jì)算簡(jiǎn)圖：

注意：上述四種支座均假設(shè)支座本身不變形，計(jì)算簡(jiǎn)圖中桿件也被認(rèn)為其本身是不能變形的剛性鏈桿，此類支座稱為剛性支座。（5）彈性支座

需要考慮支座本身變形的支座，稱為彈性支座。固定鉸支座固定鉸支座反力限制X、Y向位移固定鉸支座反力固定鉸支座限制X、Y、Z向位移可動(dòng)鉸支座可動(dòng)鉸支座反力限制X向位移限制Y向位移固定支座固定支座反力限制X、Y向位移及轉(zhuǎn)動(dòng)固定支座反力固定支座限制三方向位移及轉(zhuǎn)動(dòng)定向支座定向支座反力限制X位移及轉(zhuǎn)動(dòng)限制Y位移及轉(zhuǎn)動(dòng)a.抗移彈性支座——在承受（拉力或壓力）荷載的同時(shí)，其本身將產(chǎn)生一定的（拉伸或壓縮）彈性變形的支座。例如，橋梁結(jié)構(gòu)。

b.抗轉(zhuǎn)彈性支座——具有一定抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)能力的彈性支座，例如，考慮地基不均勻沉降時(shí)，煙囪的基礎(chǔ)。5.荷載的簡(jiǎn)化

a.樓面荷載簡(jiǎn)化為豎向均布荷載；

b.側(cè)向風(fēng)荷載一般沿建筑物高度方向分段簡(jiǎn)化為水平均布荷載。

1～3結(jié)構(gòu)和荷載的分類一、結(jié)構(gòu)的分類

A.結(jié)構(gòu)分類實(shí)際上指結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的分類。桿系結(jié)構(gòu)通常可分為如下五種類型：1.梁特點(diǎn)：梁是一種受彎構(gòu)件；軸線一般為直線；在豎向荷載作用下支座不產(chǎn)生水平反力；可以單跨，也可以多跨。2.拱特點(diǎn)：拱的軸線一般為曲線，在豎向荷載作用下支座產(chǎn)生水平反力，可減小拱截面上的彎矩。3.剛架特點(diǎn)：通常由直桿組成，桿件聯(lián)結(jié)結(jié)點(diǎn)為剛結(jié)點(diǎn)，有時(shí)也稱為框架。4.珩架特點(diǎn)：由直桿組成，各桿聯(lián)結(jié)處的結(jié)點(diǎn)均為鉸結(jié)點(diǎn)，當(dāng)珩架承受結(jié)點(diǎn)荷載時(shí)，各桿只產(chǎn)生軸力。5.組合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由珩架桿件和梁或珩架桿件和剛架等組合而成的構(gòu)，除珩架桿件只受軸力外，其余受彎桿件能夠同時(shí)承受軸力、剪力和彎矩。平面桁架空間桁架直桿鉸結(jié)體系、只受結(jié)點(diǎn)荷載作用桿件與荷載均在同一平面內(nèi)桿件與荷載不在同一平面內(nèi)不等高三鉸拱等高兩鉸拱豎向荷載下，將產(chǎn)生水平推力連續(xù)梁（直線）曲梁（曲線）荷載作用下，主要承彎的結(jié)構(gòu)多跨靜定梁（直線）剛架直桿剛結(jié)、主要承彎組合結(jié)構(gòu)部分桁架桿，部分梁式桿的結(jié)構(gòu)梁式桿桁架桿排架的特殊組合結(jié)構(gòu)一種工業(yè)廠房用柱柱柱屋架屋架幾何

上述五種結(jié)構(gòu)類型是桿系結(jié)構(gòu)最基本的結(jié)構(gòu)類型，此外還有懸索結(jié)構(gòu)等類型。B.按空間特點(diǎn)分：

a.平面（桿系）結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)各桿件的軸線與作用荷載均位于同一平面。

b.空間（桿系）結(jié)構(gòu)：不符合a條件的結(jié)構(gòu)。二、荷載的分類

荷載——主動(dòng)作用于結(jié)構(gòu)上的外力。例如，結(jié)構(gòu)的自重，吊車荷載，車輛荷載，水壓力，風(fēng)荷載等。

1.按照荷載作用時(shí)間的長(zhǎng)短劃分

a.恒載——永久作用在結(jié)構(gòu)上的不變的荷載。如結(jié)構(gòu)自重及永久固定在結(jié)構(gòu)上的設(shè)備重量等。特點(diǎn)：在結(jié)構(gòu)使用階段，荷載的大小、位置和方向均不改變。

b.活載——臨時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上的可變荷載。如人群、風(fēng)、雪、吊車、列車等。在具體計(jì)算時(shí)，常把恒載及有些活載

（如人群、風(fēng)雪荷載）在結(jié)構(gòu)上的作用位置是固定的，這類荷載稱之為固定荷載；有些活載（如吊車、汽車和列車荷載）在結(jié)構(gòu)上的作用位置是移動(dòng)的，這類荷載稱為移動(dòng)荷載。2.按照荷載作用的性質(zhì)分類a.靜力荷載——大小、位置和方向并不隨時(shí)間而變化，荷載加載過程比較緩慢，一般由零逐漸增加到最終值。如結(jié)構(gòu)自重和其他恒載等。b.動(dòng)力荷載——隨時(shí)間迅速變化的荷載