1、結(jié) 構(gòu) 力 學(xué),結(jié)構(gòu)力學(xué)Structural mechanics,第1章 緒 論,1-1 結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)科內(nèi)容和教學(xué)要求 一、結(jié)構(gòu)的概念與分類 1.概念：由基本構(gòu)件按一定方式聯(lián)結(jié)而成的承受荷載并傳 遞荷載的骨架稱為結(jié)構(gòu)。 2.分類,（1）按幾何特征分：,（2）按桿件系統(tǒng)的軸線是否在同一平面內(nèi)分：,（3）按內(nèi)力是否靜定分：,二、課程的主要研究對象 理論力學(xué)研究物體機(jī)械運(yùn)動的基本規(guī)律， 靜力學(xué):研究的是剛體的平衡問題 材料力學(xué)以研究單個(gè)桿件為主 結(jié)構(gòu)力學(xué)研究平面桿件結(jié)構(gòu) 彈塑性力學(xué)研究板、殼、及實(shí)體結(jié)構(gòu),三、學(xué)習(xí)任務(wù) 1. 研究結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律，以保證在荷載作用下結(jié)構(gòu)各部分不致發(fā)生相對運(yùn)動。探討結(jié)構(gòu)的

2、合理形式，以便能有效地利用材料，充分發(fā)揮其性能。 2. 計(jì)算由荷載、溫度變化、支座沉陷等因素在結(jié)構(gòu)各部分所產(chǎn)生的內(nèi)力，為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算提供依據(jù)，以保證結(jié)構(gòu)滿足安全和經(jīng)濟(jì)的要求。 3. 計(jì)算由上述各因素所引起的變形和位移，為結(jié)構(gòu)的剛度計(jì)算提供依據(jù)，以保證結(jié)構(gòu)在使用過程中不致發(fā)生過大變形。 4. 分析動力荷載作用下的特性及反應(yīng)。,四、能力培養(yǎng) 分析能力選擇結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖的能力、對結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行平衡 分析、對結(jié)構(gòu)變形和位移進(jìn)行幾何分析、選擇計(jì)算方法的能力。 計(jì)算能力計(jì)算、校核、判斷，需要作大量的習(xí)題。 自學(xué)能力消化已學(xué)的知識，提取新的知識，以理解為主。 表達(dá)能力作業(yè)要整潔、清晰、步驟分明，思路清楚。,1

3、-2 結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖 一、計(jì)算簡圖的概念和簡化原則 1. 概念：將實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象和簡化，使之既能反映實(shí)際工程的主要受力和變形特征，同時(shí)又能使計(jì)算大大簡化。這種經(jīng)合理簡化，用來代替實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型叫做結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖。 2. 簡化原則 （1）計(jì)算簡圖要盡可能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的主要受力和變形特點(diǎn)，使計(jì)算結(jié)果安全可靠；（2）略去次要因素，便于分析和計(jì)算。,二、簡化要點(diǎn) 1結(jié)構(gòu)體系的簡化：由空間向平面簡化 2桿件的簡化：以桿件的軸線代替桿件 3結(jié)點(diǎn)的簡化：桿件之間的連接由理想結(jié)點(diǎn)來代替 （1）鉸結(jié)點(diǎn)：鉸結(jié)點(diǎn)所連各桿端可獨(dú)自繞鉸心自由轉(zhuǎn)動，不存在結(jié)點(diǎn)對桿的轉(zhuǎn)動約束，不會傳遞力矩，只能傳遞軸力和剪力，一般用

4、小圓圈表示。如圖1所示。（2）剛結(jié)點(diǎn)：結(jié)點(diǎn)對桿端的轉(zhuǎn)動有約束作用，轉(zhuǎn)動時(shí)各桿間的夾角保持不變。桿端除產(chǎn)生軸力和剪力外，還產(chǎn)生彎矩。如圖2所示。 （3）組合結(jié)點(diǎn)（半鉸）：剛結(jié)點(diǎn)與鉸結(jié)點(diǎn)的組合體。,圖1 鉸結(jié)點(diǎn),圖2 剛結(jié)點(diǎn),4 支座的簡化 （1） 固定鉸支座（簡稱鉸支座） 如圖3所示的結(jié)構(gòu)，預(yù)制柱插入杯形基礎(chǔ)，四周用瀝青麻絲填實(shí)。 ,(2) 可動鉸支座（又稱活動鉸、輥軸、鏈桿支座） 在單層多跨并有縱向變形縫的廠房中，當(dāng)中柱為單柱時(shí)，搭在中柱柱頂?shù)钠渲幸婚菁軐⒅苯訑R置于鋼滾軸上，而鋼滾軸擱置于柱頂或牛腿頂面上。如圖4(a)所示。,(3) 固定支座 在實(shí)際工程中，有些結(jié)構(gòu)構(gòu)件既不能發(fā)生任何方向的移

5、動，也不能發(fā)生任何角度的轉(zhuǎn)動。如圖5(a)所示。,(4) 定向支座（滑動支座） 在實(shí)際工程中，為了簡化計(jì)算而利用對稱性時(shí)，常會用到定向支座。這種支座能夠限制結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動和一個(gè)方向上的移動，但允許在另一個(gè)方向上的滑動。如圖6所示。,5 荷載的簡化 荷載的簡化是指將實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件上所受到的各種荷載簡化為作用在構(gòu)件縱軸上的線荷載、集中荷載或力偶。在簡化時(shí)應(yīng)注意力的作用點(diǎn)、方向和大小。 6 材料性質(zhì)的簡化 在力學(xué)計(jì)算中一般都把各構(gòu)件材料假設(shè)為均勻、連續(xù)、各向同性、完全彈性或彈塑性的，但對于混凝土、鋼筋混凝土、磚、石等材料有一定程度的近似性。,三、計(jì)算簡圖示例 例1 如圖7(a)所示為某排架結(jié)構(gòu)單層廠房的剖

6、面圖，圖7(b)為其平面布置圖，屋面板為大型預(yù)應(yīng)力屋面板，基礎(chǔ)為獨(dú)立杯形基礎(chǔ)，并用細(xì)石混凝土灌縫，試確定該排架結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖。,解：（1） 結(jié)構(gòu)的簡化 結(jié)構(gòu)體系的簡化 將該空間結(jié)構(gòu)簡化為一平面體系的結(jié)構(gòu)，即取一平面排架作為研究對象，而不考慮相鄰排架對它的影響。 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的簡化 柱用其軸線表示，屋架因其平面內(nèi)剛度很大，故也可用一直桿表示。 （2） 結(jié)點(diǎn)的簡化 在該平面排架內(nèi)的結(jié)點(diǎn)只有屋架與柱的連接結(jié)點(diǎn)，一般該結(jié)點(diǎn)均為螺栓連接或焊接，結(jié)點(diǎn)對屋架轉(zhuǎn)動的約束較弱，故可簡化為鉸結(jié)點(diǎn)。 ,（3） 支座的簡化 由于柱插入基礎(chǔ)后，用細(xì)石混凝土灌縫嵌固，限制了柱在豎直方向和水平方向的移動及轉(zhuǎn)動，因此柱下按固定支

7、座考慮。 （4） 荷載的簡化 該平面排架結(jié)構(gòu) 的計(jì)算簡圖如圖8所示。,例2 現(xiàn)澆整體式框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系的簡化。 如圖9(a)所示的框架結(jié)構(gòu)是由橫向框架和縱向框架組成的空間結(jié)構(gòu)，要精確計(jì)算其內(nèi)力是十分困難的。為了簡化計(jì)算通常忽略它們之間的空間聯(lián)系，而將空間結(jié)構(gòu)體系簡化為橫向和縱向平面框架計(jì)算，并取出具有代表性的一榀或幾榀框架作為計(jì)算單元。,一般可取縱向邊框架、縱向中框架、橫向邊框架和橫向中框架共四榀作為計(jì)算單元。 由于現(xiàn)澆整體式框架結(jié)構(gòu)的梁柱結(jié)點(diǎn)是現(xiàn)澆成整體的，縱梁和橫梁的梁端彎矩可通過該結(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞和分配，所以該結(jié)點(diǎn)一般認(rèn)為是剛結(jié)點(diǎn)。柱下端一般與基礎(chǔ)整體澆注在一起，可簡化為固定支座，見圖9(

8、b）、(c)。,圖 9,1-3 平面桿件結(jié)構(gòu)和荷載的分類 一、平面桿件結(jié)構(gòu)的分類 1. 梁梁是一種受彎構(gòu)件，軸線常為一直線，可以是單跨梁，也可以是多跨連續(xù)梁，其支座可以是鉸支座、可動鉸支座，也可以是固定支座。如圖10(a)為單跨梁，圖10(b)為多跨連續(xù)梁。 2. 拱拱的軸線為曲線，在豎向力作用下，支座不僅有豎向支座反力，而且還存在水平支座反力，拱內(nèi)不僅存在剪力、彎矩，而且還存在軸力。圖10(c)所示為一兩鉸拱。 ,3. 剛架剛架由梁、柱組成，梁、柱結(jié)點(diǎn)多為剛結(jié)點(diǎn)，柱下支座常為固定支座，在荷載作用下，各桿件的軸力、剪力、彎矩往往同時(shí)存在，但以彎矩為主。如圖10(d)所示。 4. 桁架由若干桿件

9、通過鉸結(jié)點(diǎn)連接起來的結(jié)構(gòu)，各桿軸線為直線，支座常為固定鉸支座或可動鉸支座，當(dāng)荷載只作用于桁架結(jié)點(diǎn)上時(shí)，各桿只產(chǎn)生軸力，如圖10(e)所示。 5. 組合結(jié)構(gòu)即結(jié)構(gòu)中部分是鏈桿，部分是梁或剛架，在荷載作用下，鏈桿中往往只產(chǎn)生軸力，而梁或剛架部分則同時(shí)還存在彎矩與剪力，如圖10(f)所示。,圖 10,梁(Beam),拱(Arch),剛架(Frame),剛架(Frame),桁架(Truss),桁架(Truss),二、荷載的分類 荷載是主動作用在結(jié)構(gòu)上的外力，如結(jié)構(gòu)自重、人的重量、水壓力、風(fēng)壓力等。 根據(jù)特征的不同，荷載可有下列的分類： 1. 根據(jù)荷載作用時(shí)間的久暫，荷載可分為恒荷載和活荷載（也叫可變荷

10、載）。 恒荷載是長期作用在結(jié)構(gòu)上的大小和方向不變的荷載，如結(jié)構(gòu)的自重等，活荷載是隨著時(shí)間的推移，其大小、方向或作用位置發(fā)生變化的荷載，如雪荷載、風(fēng)荷載、人的重量等。,2. 根據(jù)荷載的分布范圍，荷載可分為集中荷載和分布荷載。 集中荷載是指分布面積遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)尺寸的荷載，如吊車的輪壓，由于這種荷載的分布面積較集中，因此在計(jì)算簡圖上可把這種荷載作用于結(jié)構(gòu)上的某一點(diǎn)處。 分布荷載是指連續(xù)分布在結(jié)構(gòu)上的荷載，當(dāng)連續(xù)分布在結(jié)構(gòu)內(nèi)部各點(diǎn)上時(shí)叫體分布荷載，當(dāng)連續(xù)分布在結(jié)構(gòu)表面上時(shí)叫面分布荷載，當(dāng)沿著某條線連續(xù)分布時(shí)叫線分布荷載，當(dāng)為均勻分布時(shí)叫均布荷載。,3. 根據(jù)荷載位置的變化情況，荷載可分為固定荷載和移動荷載。 固定荷載是指荷載的作用位置固定不變的荷載，如所有恒載、風(fēng)載、雪載等； 移動荷載是指在荷載作用期間，其位置不斷變化的荷載，如吊車梁上的吊車荷載、鋼軌上的火車荷載等。,4. 根據(jù)荷載的作用性質(zhì)，荷載可分為靜力荷載和動力荷載。 靜力荷載的數(shù)量、方向和位置不隨時(shí)間變化或變化極為緩慢，因而不使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的運(yùn)動，例如結(jié)構(gòu)的自重和其它恒載； 動力荷載是隨時(shí)間迅速變化的荷載，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的運(yùn)動，例如錘頭沖擊鍛坯時(shí)的沖擊荷載、地震作用等。,1-4 結(jié)構(gòu)力學(xué)的