第１章緒論第１章緒論

通過本章的學(xué)習(xí)，掌握建筑力學(xué)的研究對(duì)象，能進(jìn)行建筑力學(xué)的分析學(xué)習(xí)目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，掌握建筑力學(xué)的研究對(duì)象，能進(jìn)行建筑力學(xué)的分析。１１建筑力學(xué)概述１１１建筑力學(xué)的研究對(duì)象 建筑結(jié)構(gòu)是指在建筑物或構(gòu)筑物中，由建筑材料做成用來(lái)承受各種荷載或者作用，以起骨架作用的空間受力體系。組成建筑結(jié)構(gòu)的根本部件稱為構(gòu)件。 根據(jù)構(gòu)件的幾何特征，可以將構(gòu)件歸納為如下四類：〔１〕桿。如圖１１〔ａ〕所示，它的幾何特征是細(xì)而長(zhǎng)，即L>>H,L>>B。桿又可分為直桿和曲桿?！玻病嘲搴蜌?。如圖１１〔ｂ〕所示，它的幾何特征是寬而薄，即a>>t，b>>t。平面形狀的稱為板，曲面形狀的稱為殼。〔３〕塊體。如圖１１〔ｃ〕所示，它的幾何特征是三個(gè)方向的尺寸都是同量級(jí)大小的。〔４〕薄壁桿。如圖１１〔ｄ〕所示的槽形鋼材就是薄壁桿的一個(gè)例子。它的幾何特征是長(zhǎng)、寬、厚三個(gè)尺寸都相差很懸殊，即L>>B>>T。由桿件組成的結(jié)構(gòu)稱為桿系結(jié)構(gòu)。桿系結(jié)構(gòu)是建筑工程中應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)。本書所研究的主要對(duì)象是均勻連續(xù)的、各向同性的、彈性變形的固體，且限于小變形范圍的桿件和由桿件組成的桿系結(jié)構(gòu)。１１２建筑力學(xué)的研究?jī)?nèi)容桿系結(jié)構(gòu)是由桿件組成的一種結(jié)構(gòu)，它必須滿足一定的組成規(guī)律，才能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定從而承受各種作用。結(jié)構(gòu)的形式各異，但必須具備可靠性、適用性、耐久性。由此可知，建筑力學(xué)首先要研究的是結(jié)構(gòu)在外力作用下的平衡規(guī)律，其次要研究的是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。平衡是指結(jié)構(gòu)相對(duì)于地球保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線平移。強(qiáng)度是指結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力，即結(jié)構(gòu)在使用壽命期限內(nèi)，在荷載作用下不允許破壞。剛度是指結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，即結(jié)構(gòu)在使用壽命期限內(nèi)，在荷載作用下產(chǎn)生的變形不允許超過某一額定值。穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)保持原有平衡形態(tài)的能力，即結(jié)構(gòu)在使用壽命期限內(nèi)，在荷載作用下原有平衡形態(tài)不允許改變。１１３建筑力學(xué)的研究任務(wù)建筑力學(xué)的研究任務(wù)是：通過研究結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度、穩(wěn)定性、幾何組成規(guī)那么以及材料的力學(xué)性能在保證結(jié)構(gòu)既平安可靠又經(jīng)濟(jì)節(jié)約的前提下，為構(gòu)件選擇適宜的材料、確定合理的截面形狀和尺寸并提供計(jì)算理論及計(jì)算方法。１２剛體和變形固體１２１剛體 在很多情況下，固體在受力和運(yùn)動(dòng)過程中變形很小，根本上保持原來(lái)的形狀和大小不變。 對(duì)此，人們提出了剛體這一理想模型。剛體是指在任何情況下形狀和大小都不發(fā)生變化的物體，其特點(diǎn)是在運(yùn)動(dòng)過程中，剛體的所有質(zhì)元之間的距離始終保持不變。因此，構(gòu)成剛體的質(zhì)元只能以非常受限制的方式彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)。而且，作用在剛體各個(gè)局部之間的內(nèi)力，在剛體的整體運(yùn)動(dòng)中不起作用。剛體是力學(xué)中的一個(gè)科學(xué)抽象概念，即理想模型。事實(shí)上，任何物體受到外力都不可能不改變形狀。實(shí)際物體都不是真正的剛體。假設(shè)物體本身的變化不影響整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，為使被研究的問題簡(jiǎn)化，可將該物體當(dāng)作剛體來(lái)處理而忽略物體的體積和形狀變化，這樣所得到結(jié)果仍與實(shí)際情況相符合。１２２變形固體１．變形固體的概念

建筑工程上所用的構(gòu)件都是由固體材料制成的，如鋼、鑄鐵、木材、混凝土等，它們?cè)谕饬ψ饔孟聲?huì)或多或少地產(chǎn)生變形，有些變形可直接觀察到，有些變形可通過儀器測(cè)出。在外力作用下，會(huì)產(chǎn)生變形的固體稱為變形固體。

變形固體在外力作用下會(huì)產(chǎn)生兩種不同性質(zhì)的變形：一種是外力消除時(shí)，變形隨之消失，這種變形稱為彈性變形；另一種是外力消除后，變形不隨之消失這種變形稱為塑性變形。一般情況下，物體受力后既有彈性變形，又有塑性變形。但工程中常用的材料，當(dāng)外力不超過一定范圍時(shí)塑性變形很小，忽略不計(jì)，認(rèn)為只有彈性變形，這種只有彈性變形的變形固體稱為完全彈性體。只引起彈性變形的外力范圍稱為彈性范圍。本書主要討論材料在彈性范圍內(nèi)的變形及受力。２．變形固體的根本假設(shè)變形固體多種多樣，其組成和性質(zhì)是非常復(fù)雜的。對(duì)于用變形固體材料做成的構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，為了使問題簡(jiǎn)化，常略去一些次要的性質(zhì)，而保存其主要的性質(zhì)，因此，對(duì)變形固體材料作出以下幾個(gè)根本假設(shè)?！玻薄尘鶆蜻B續(xù)假設(shè)：假設(shè)變形固體是在其整個(gè)體積內(nèi)由同種介質(zhì)毫無(wú)空隙地充滿了的物體。實(shí)際上，變形固體是由很多微?；蚓w組成的各微粒或晶體之間是有空隙的，且各微?；蚓w彼此的性質(zhì)并不完全相同。但是由于這些空隙與構(gòu)件的尺寸相比是極微小的，同時(shí)構(gòu)件包含的微?；蚓w的數(shù)目極多，排列也不規(guī)那么，而物體的力學(xué)性能并不反映其某一個(gè)組成局部的性能，而是反映所有組成局部性能的統(tǒng)計(jì)平均值，因此可以認(rèn)為固體的結(jié)構(gòu)是密實(shí)的，力學(xué)性能是均勻的。有了這個(gè)假設(shè)，物體內(nèi)的一些物理量才可能是連續(xù)的才能用連續(xù)函數(shù)來(lái)表示。在進(jìn)行分析時(shí)，可以從物體內(nèi)任何位置取出一小局部來(lái)研究材料的性質(zhì)，其結(jié)果可代表整個(gè)物體，也可將那些大尺寸構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于物體的任何微小局部上去?！玻病掣飨蛲约僭O(shè)：假設(shè)變形固體沿各個(gè)方向的力學(xué)性能均相同。實(shí)際上，組成固體的各個(gè)晶體在不同方向上有著不同的性質(zhì)。但由于構(gòu)件所包含的晶體數(shù)量極多，且排列也完全沒有規(guī)那么，變形固體的性質(zhì)實(shí)際上是這些晶粒性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)平均值。這樣，在研究以構(gòu)件為對(duì)象的問題時(shí)，就可以認(rèn)為是各向同性的。工程使用的大多數(shù)材料，如鋼材、玻璃、銅和高強(qiáng)度的混凝土，都可以認(rèn)為是各向同性的材料。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，當(dāng)獲得了材料在任何一個(gè)方向的力學(xué)性能后，就可將其結(jié)果應(yīng)用于其他方向。在實(shí)際工程中，也存在了不少的各向異性材料。例如軋制鋼材、合成纖維材料、木材、竹材等，它們沿各方向的力學(xué)性能是不同的。很明顯，當(dāng)木材分別在順紋方向、橫紋方向和斜紋方向受到外力作用時(shí)，它所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)是各不相同的。因此，對(duì)于由各向異性材料制成的構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮材料在不同方向的不同力學(xué)性質(zhì)。〔３〕小變形假設(shè)。在實(shí)際工程中，構(gòu)件在荷載作用下，其變形與構(gòu)件的原尺寸相比通常很小，可以忽略不計(jì)，稱這一類變形為小變形。所以在研究構(gòu)件的平衡和運(yùn)動(dòng)時(shí)，可按變形前的原始尺寸和形狀進(jìn)行計(jì)算。在研究和計(jì)算變形時(shí)，變形的高次冪項(xiàng)也可忽略不計(jì)。這樣，使計(jì)算工作大為簡(jiǎn)化，而又不影響計(jì)算結(jié)果的實(shí)用精度。１３建筑力學(xué)的分析方法

建筑結(jié)構(gòu)分析包括理論分析、試驗(yàn)分析和數(shù)值分析三個(gè)方面，過程如圖１２所示。建筑力學(xué)是力學(xué)的一門分支課程，在理論分析中應(yīng)用了力學(xué)的許多根本概念及根本方法。在學(xué)習(xí)時(shí)要注重對(duì)根本概念的理解，同時(shí)要學(xué)習(xí)力學(xué)的根本研究方