任務(wù)1.3認(rèn)識約束與約束力湄洲灣跨海大橋是國內(nèi)首座跨海高鐵矮塔斜拉橋，全長14.7km，其中10km位于海上，海域路線長、工程量大、工程難度大。海上橋梁施工要應(yīng)對雨季、大風(fēng)、臺風(fēng)等惡劣天氣，該橋于2021年11月13日成功合龍。湄洲灣跨海大橋合龍，標(biāo)志著福廈高速鐵路關(guān)鍵控制性節(jié)點順利打通，“乘坐高鐵看?！钡脑竿磳崿F(xiàn)。橋梁在施工過程中為什么支撐在橋墩上的橋身掉不下來？橋墩對橋身起著怎樣的約束？請聯(lián)系日常生活舉例說明物體受到的約束一、約束與約束力能夠在空間自由運動的物體稱為自由體例如：飛行的飛機。位移受到某些限制的物體稱為非自由體例如：懸掛著的燈，在重力的作用下，燈不能離開繩索向下運動。阻礙非自由體運動的限制條件稱為非自由體的約束。這些限制條件總是由被約束物體周圍的其他物體構(gòu)成的，為了方便計算，將構(gòu)成約束的周圍物體本身也稱為約束。例如，繩索就是燈的約束。既然約束能限制物體的運動，也就能改變物體的運動狀態(tài)，約束對物體的作用力稱為約束反力，簡稱為反力。如圖所示，F(xiàn)T就是繩索對燈的約束反力。物體總是同時受到主動力和約束力的作用，主動力通常是已知的，而約束力則是未知的。類型約束力（被動力）主動力（荷載）定義由主動力引起抵抗主動力的作用而產(chǎn)生的力使物體運動或使物體具有運動趨勢的力舉例繩索對吊燈的拉力等重力、風(fēng)壓力、推力等條件未知已知物體受到的力的類型一、工程中常見的約束1.柔性約束由繩索、鏈條、皮帶等柔性體對物體構(gòu)成的約束稱為柔性約束。由于柔索只能承受拉力，不能承受壓力，所以它們只能限制物體沿著柔性體伸長方向的運動。柔索對物體的約束力，作用在接觸點，方向沿柔索中心線，背離物體提供拉力，常用字母FT表示，如圖所示。一、工程中常見的約束2.光滑接觸面約束當(dāng)兩物體接觸面之間的摩擦力小到可以忽略不計時，可將接觸面視為理想光滑的約束。不論接觸面是平面或曲面，都不能限制物體沿接觸面切線方向的運動，只能限制物體沿著接觸面的公法線指向約束物體方向的運動。光滑接觸面對物體的約束力是：通過接觸點，沿著接觸面公法線方向，指向受力物體。這類約束力也稱法向反力,通常用FN表示，如圖所示。一、工程中常見的約束3.鏈桿約束在土木工程力學(xué)中把不計自重且兩端用光滑銷釘與物體相連的直桿稱為鏈桿。如圖所示，把桿BC視為鏈桿。鏈桿只能限制物體沿著鏈桿的軸線方向的運動，而不能限制其他方向的運動。所以鏈桿的約束力的作用線沿鏈桿軸線方向，可能是拉力，也可能是壓力，如圖所示，F(xiàn)RB是桿BC作用于桿AB的約束力，F(xiàn)RC是桿BC作用于桿CD的約束力。圓柱鉸鏈約束力垂直于銷釘軸線，用兩個相互垂直的未知力FX、FY來表示，圓柱鉸鏈的計算簡圖如圖a所示，約束力如圖b所示。一、工程中常見的約束4.圓柱形鉸鏈約束圓柱形鉸鏈簡稱鉸鏈，常見的門窗的合頁就是這種約束（圖a）。理想的圓柱鉸鏈?zhǔn)怯梢粋€圓柱形銷釘插入兩個物體的圓孔中構(gòu)成的（圖b），且認(rèn)為銷釘與圓孔的表面很光滑，銷釘不能限制物體繞銷釘轉(zhuǎn)動，只能限制物體在垂直于銷釘軸線的平面內(nèi)的沿任意方向的移動。一、工程中常見的約束4.圓柱形鉸鏈約束圓柱鉸鏈約束力垂直于銷釘軸線，用兩個相互垂直的未知力FX、FY來表示，圓柱鉸鏈的計算簡圖如圖a所示，約束力如圖b所示。（1）可動鉸支座如圖所示，房屋建筑中常將橫梁支承在磚墻上，磚墻是橫梁的支座，這種支座對橫梁起著怎樣的約束作用呢？磚墻只能限制橫梁沿垂直于支承面方向的移動，不能限制梁繞墻體轉(zhuǎn)動和沿支撐面方向的移動，我們把這種支座稱為可動鉸支座。一、工程中常見的約束5.支座工程中把構(gòu)件連接再墻、柱、基礎(chǔ)等支承物上的裝置稱為支座。支座對構(gòu)件的約束力稱為支座反力。工程中的支座通?？珊喕癁槿N：可動鉸支座、固定鉸支座和固定端支座?？蓜鱼q支座的結(jié)構(gòu)簡圖如圖a所示，可動鉸支座對構(gòu)件的約束力通過構(gòu)件與支撐面，并垂直于支撐面，方向可能向上，也可能向下。可動鉸支座的計算簡圖如圖b所示，其約束力常用字母FN表示（圖c）。（2）固定鉸支座將構(gòu)件用圓柱形銷釘與支座連接，并將支座固定在支承物上，就構(gòu)成了固定鉸支座，固定鉸支座的結(jié)構(gòu)簡圖如圖a所示。因構(gòu)件受到上下、左右移動的限制，即固定鉸支座有兩個方向的約束力，其計算簡圖如圖b所示，約束力常采用兩個互相垂直的未知力FX、FY表示，也可以用一個不知大小和方向的力FR表示（圖c）。（3）固定端支座鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，大多陽臺呈懸挑行駛，它的一端懸空，另一端與框架結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆后固定在一起，如圖所示?？蚣芙Y(jié)構(gòu)對陽臺懸挑梁起著怎樣的約束作用呢？構(gòu)件與支承物固定在一起，構(gòu)件在固定端既不能沿任何方向移動，同時也不能轉(zhuǎn)動，這種支座稱為固定端支座。固定端支座的結(jié)構(gòu)簡圖如圖a所示，其計算簡圖如圖b所示，固定端支座的約束力有三個未知數(shù)：作用于插入處的水平約束力FX和豎向約束力FY，還有一個阻止轉(zhuǎn)動的力偶，其力偶矩用Me表示，如圖c所示。約束名稱

約束性能實例結(jié)構(gòu)簡圖約束力圖示方向未知數(shù)個數(shù)柔性約束只能受拉，不能受壓

過接觸點，沿柔性體中心線，背離被約束物體

１

光滑接觸面約束限制沿光滑面的垂線并指向光滑面的運動，不限制沿著光滑面或離開光滑面的運動

過接觸點，沿接觸面垂直方向，指向被約束物體

１

鏈桿約束限制沿鏈桿方向的移動，不限制其他方向的運動

沿鏈桿軸線方向，

指向不定，可能是拉力，也可能是壓力

１工程中常見的約束類型及約束力約束名稱

約束性能實例結(jié)構(gòu)簡圖約束力圖示方向未知數(shù)個數(shù)圓柱形鉸鏈約束限制移動，不限制繞銷釘?shù)霓D(zhuǎn)動

過銷釘中心，垂直于銷釘軸線，方向不定２固定鉸支座約束限制移動不限制饒銷釘?shù)霓D(zhuǎn)動

過銷釘中心，方向不定2

固定端支座約束限制移動和轉(zhuǎn)動

除了水平約束力與豎向約束力外，還有一個力偶，方向均不定3工程中常見的約束類型及約束力在日常生活中，經(jīng)常會看到如圖所示的三角支架，試分析直桿BC對橫桿AB起著怎樣的約束作用呢？任務(wù)1.3.1認(rèn)識鏈桿任務(wù)分析第一步：分析直桿BC對橫桿AB的約束作用直桿BC只能限制桿AB沿桿BC的軸線方向的運動，而不能限制桿AB其他方向的運動。第二步：確定約束的類型由于在土木工程力學(xué)中把不計自重并兩端光滑地與物體相連的直桿稱為鏈桿，所以把圖(a)中桿BC視為鏈桿。第三步：受力分析鏈桿的約束力沿鏈桿軸線，指向不定。圖(b)中的FRB就是桿BC作用于橫桿AB的約束力。(a)(b)在房屋建筑中經(jīng)常會看到如圖所示的屋架，其端部支承在柱子上，通過預(yù)埋在屋架和柱子上的兩塊墊板間的焊縫連接，柱子對屋架起著怎樣的約束作用呢？任務(wù)1.3.2認(rèn)識固定鉸支座任務(wù)分析第一步：分析柱子對屋架的約束作用如圖所示，因為屋架受到上下、左右移動的限制，所以屋架不可能產(chǎn)生上下、左右