結構力學STRUCTURALMECHANICS什么是結構力學

?Themeaningof"StructuralMechanics"

顧名思義，結構力學是研究“結構”的“力學”。力學研究結構合理形式及在外界條件作用下反應的規(guī)律性的學科。結構用某種材料按一定方式組成旨在承受和傳遞荷載載荷的體系。Introduction2024/4/17xx2/40由古至今

遠古人的穴居陋室

現(xiàn)代太空站

人類為了生存和發(fā)展建造了大量各式各樣的構筑物2024/4/17xx3/40人類活動的各個領域都有形形色色的結構

商業(yè)大廈內(nèi)景

公路大橋雄姿

靜止的結構2024/4/17xx4/40直升機洲際客機

天上飛的結構

2024/4/17xx5/40軍車集錦機車集錦陸地跑的結構

2024/4/17xx6/40航空母艦巡洋艦水上游的結構

2024/4/17xx7/40娛樂設施的結構旋轉(zhuǎn)車

過山車

2024/4/17xx8/40

結構無所不在

2024/4/17xx9/40物體的存在并不是為了受力，而是為了發(fā)揮某種“功能”（Function）。飛機要在藍天翱翔汽車要在大地奔馳輪船要在海洋游弋為了發(fā)揮它的功能，它們必須經(jīng)受外力和內(nèi)力，因此它們又必須是“結構”。結構由于受力過大而無法繼續(xù)發(fā)揮功能時，就稱為“失效”(Faliure)，如果結構在預期的工作條件下，正常使用，它就是具備“安全性”(Safety)的結構。為了防止結構失效，保證其安全性就要研究結構力學！

2024/4/17xx10/40結構的受力特性和承載能力與結構的幾何特征密切相關

§0-1結構的分類桿系結構(structureofbarsystem)

：構件的橫截面尺寸<<長度尺寸；板殼結構(plateandshellstructure)

：構件的厚度<<表面尺寸；實體結構(massivestructure)

：結構的長、寬、厚三個尺寸相仿。

2024/4/17xx11/40

§0-2結構力學的任務控制——通過控制理論和控制技術，智能化地抵御外界作用下的結構反應。分析——結構在外因作用下的反應。通過分析使設計的結構既經(jīng)濟合理，又安全可靠。識別——通過系統(tǒng)的反饋信息，確定體系內(nèi)在實質(zhì)（系統(tǒng)識別）或外界作用（荷載識別）。2024/4/17xx12/40

基本任務1.研究結構的組成規(guī)律和合理形式以及計算簡圖的合理選擇；組成規(guī)律：保證結構各部分之間不能發(fā)生相對運動，以承擔預定的荷載；合理形式：為了充分發(fā)揮結構的性能，更有效地利用材料，以達到安全、經(jīng)濟的目的；計算簡圖：將實際結構變成理論模型（Structuralidealization)

，便于研究和討論。2024/4/17xx13/40

2.討論結構內(nèi)力和變形的計算原理和計算方法內(nèi)力計算是為了保證結構強度和穩(wěn)定性，使結構安全經(jīng)濟；變形計算是為了保證結構不發(fā)生過大位移，滿足使用要求3.討論結構的穩(wěn)定性及在動荷載作用下的結構反應規(guī)律，利用控制理論尋找恰當?shù)目刂品椒?。研究結構在外界因素(如荷載、溫度變化及支座移動)的影響下，結構的反力、內(nèi)力和位移的計算原理和方法。為結構設計提供理論依據(jù)。2024/4/17xx14/40

研究手段1.理論分析2.實驗研究3.數(shù)值計算首先把實際結構簡化為計算簡圖，再對計算簡圖進行理論分析。結構力學分析要綜合考慮三個方面的條件：1.力系的平衡條件好運動條件；2.變形的幾何連續(xù)條件；3.應力-應變間的物理條件。將三個條件根據(jù)不同的具體情況結合起來就可以得到不同的計算方法。2024/4/17xx15/40本課與其它課程的關系高等數(shù)學

作為分析工具理論力學

著重討論物體的機械運動材料力學

以單桿作為對象，討論應力-應變關系彈性力學以實體和板殼結構為研究對象結構力學

重點研究桿系結構，它為鋼混結構、鋼木結構，水工結構和橋梁結構等專業(yè)課提供力學基礎和設計依據(jù)。

2024/4/17xx16/40基本要求：(1).注意與理論力學和材料力學的聯(lián)系(2).注意理論聯(lián)系實際(3).注意分析方法和計算能力的培養(yǎng)(4).注意多練，認真做好作業(yè)，不盲目(5).注意自學能力的培養(yǎng)

2024/4/17xx17/40§0-3計算簡圖

計算工程實際問題的過程:

力學模型的合理性直接決定計算結果的正確性，因此模型的概念和建立力學模型的思想是學習的一個重點。計算簡圖的選用需要較深厚的力學概念，并與工程實踐相結合，以及實踐的檢驗。需要通過物體間的接觸與聯(lián)接方式的簡化來體會建模思想和建模過程。實際對象力學模型數(shù)學模型計算

2024/4/17xx18/40計算簡圖(computingmodelofstructure)

為了結構計算，需要對實際結構進行一些簡化和假設，略去某些次要因素，保留其主要受力特征和變形特點，以簡化圖形代替實際結構，該圖形稱為計算簡圖。選取結構的計算簡圖必要性、重要性：

實際結構錯綜復雜，面面俱到困難重重。適當簡化合理選型，存本去末關鍵一環(huán)。2024/4/17xx19/40

能反映結構的實際受力特點，保證計算精度和可靠性。忽略次要因素，使計算切實可行。

選取結構的計算簡圖的原則：計算簡圖要它能反映工程結構物的如下特征：2024/4/17xx20/40

1．受力特性（荷載的大小、方向、作用位置）

2．幾何特性（構件的軸線、形狀、長度）

3．支承特性（支座的約束反力性質(zhì)、桿件連接形式）影響計算簡圖選取的主要因素：

結構性質(zhì)：次要結構——粗；重要結構——精；

設計階段：初步設計——粗；技術設計——精；

計算性質(zhì)：動力計算——粗；靜力計算——精；

計算工具：簡陋——粗；先進——精。2024/4/17xx21/40結構(Structure)簡化：一般結構實際上都是空間結構，各部相連成為一空間整體，以承受各方向可能出現(xiàn)的荷載。在多數(shù)情況下，常忽略一些次要的空間約束，而將實際結構分解為平面結構。

結構簡化的幾個主要方面2024/4/17xx22/40單層工業(yè)廠房取一榀計算，并化為平面體系?！?024/4/17xx23/40桿件(Bar)簡化：由桿的特征，截面應力可根據(jù)截面內(nèi)力確定，而內(nèi)力只沿桿長方向變化，因此桿的簡圖可用軸線代替。桿件連接點用結點表示；桿長用結點間的距離表示；荷載作用點移到軸線上。

FP2FP1

↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓2024/4/17xx24/40連接(Joints)簡化：桿件間的連接區(qū)按約束程度簡化成理想模型l鉸結點—被連接的桿件在連接處不能移動但可轉(zhuǎn)動。即可以傳遞力，但不能傳遞力矩(桁架結構示意)鉸結點(HingeJoints)

2024/4/17xx25/40l組合結點—被連接的桿件在連接處不能移動但部分桿可轉(zhuǎn)動。l剛結點—被連接的桿件在連接區(qū)不能移動亦不可相對轉(zhuǎn)動。即可以傳遞力，也可以傳遞力矩。

剛結點(Rigidjoints)

2024/4/17xx26/40支座(Supports)簡化:結構與基礎相聯(lián)結的部分稱支座，結構所受荷載通過支座傳遞到基礎和地基?？蓜鱼q支座(Rollersupport)

Fy2024/4/17xx27/40固定鉸支座(hingesupport)

FyFx2024/4/17xx28/40滑動支座(定向支座)(guidesupport)

FyM2024/4/17xx29/40固定端支座(fixedsupport)

細石混凝土填充FyMFx2024/4/17xx30/40

實際工程中，支承部分有一定的彈性。在外荷載作用下支座產(chǎn)生變形，從而影響結構的內(nèi)力和變形，其反力與結構支承端相應的位移成正比彈性支座(elasticsupport)2024/4/17xx31/40

荷載(Loads)簡化:

荷載簡化為作用在桿件軸線上。作用面積不大：按集中荷載考慮；作用面積較大：按分布荷載考慮；相聯(lián)作用給予的反作用力：力偶荷載；最后化成三大作用：線荷載、集中荷載及力偶荷載

材料(Materials)簡化:

將結構材料視為連續(xù)、均勻、各向同性、線彈性或理想彈塑性、小變形。2024/4/17xx32/40

1.梁(beam)實際是對計算簡圖進行分類，按結構的受力特性和連接特征劃分。受彎構件。承受橫向荷載§0-4桿系結構的類型

qFP2024/4/17xx33/40

2.拱(arch)軸線為曲線，力學特征是在豎向荷載作用下支座產(chǎn)生水平推力

2024/4/17xx34/40由若干兩端為理想鉸的直桿連接而成體系。3.桁架(truss)

2024/4/17xx35/404.剛架(rigidframe)由梁柱組成，具有剛結點，主要受彎

2024/4/17xx36/40

5.組合結構(compositestructure)兼有剛架和桁架的組合體

2024/4/17xx37/40能使結構產(chǎn)生內(nèi)力或變形的因素，統(tǒng)稱荷載(loads)進行結構計算前，確定荷載大小很關鍵：若估計過大，消耗材料，增加造價；若估計過小，無法保證結構的安全。要做到既經(jīng)濟又安全，同時滿足剛度、強度和穩(wěn)定性的要求。§0-4荷載分類

狹義荷載：主動作用在結構上的外力。自重、風、地震廣義荷載：外力、溫度改變、支座沉降、制造誤差、材料的收縮及松馳等2024/4/17xx38/40恒載（Deadloading）：長期作用于結構的不變荷載，包括:結構的自重和土壓力；按作用時間久暫分為活載（Livingloading）：建筑物施工和使用期間可能存在的荷載，包括：風載、雪載、吊車荷載、屋面荷載

按空間位置的變異分為固定荷載（Fixedload）

位置上固定分布，或作用位置不變的荷載,包括:結構自重、固定設備等可動荷載（Movingload）

位置上一定范圍內(nèi)可以任意分布，或作用位置可以移動的荷載，包括：人群荷載、吊車荷載等2024/4/17xx39/40按作用性質(zhì)分為靜力荷載（Staticloading）

略去慣性力的影響，大小方向作用點不隨時間變化或變化極為緩慢，無加速度。動力荷載（Dynamicloading）

使結構產(chǎn)生不容忽視的加速度，沖擊、振動。按荷載規(guī)范分為荷載規(guī)范

總結了設計經(jīng)驗和科研成果，供設計時用。End主要荷載：指結構在正常使用條件下經(jīng)常作用著的荷載，如結構自重、車輛荷載；附加荷載：指不經(jīng)常作用的荷載，如風壓力、溫度變化等2024/4/17xx40/40橋梁在列車荷載作用下不至于破壞和產(chǎn)生過大的變形。2024/4/17xx41/40水壩在水壓力的作用不能崩潰。2024/4/17xx42