1、土木工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)科組,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,結(jié)構(gòu)力學(xué),STRUCTURAL MECHANICS,什么是結(jié)構(gòu)力學(xué) ? The meaning of Structural Mechanics,顧名思義，結(jié)構(gòu)力學(xué)是研究“結(jié)構(gòu)”的“力學(xué)”。,力學(xué) 研究結(jié)構(gòu)合理形式及在外界條件作用下反應(yīng)的規(guī)律性的學(xué)科。,結(jié)構(gòu) 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。,Introduction,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,2 / 40,由古 至今,遠(yuǎn)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(gòu)筑物,2020/7/30,哈工

2、大 土木工程學(xué)院,3 / 40,人類活動的各個領(lǐng)域都有形形色色的結(jié)構(gòu),商業(yè)大廈內(nèi)景,公路大橋雄姿,靜止的結(jié)構(gòu),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,4 / 40,直升機(jī),洲際客機(jī),天上飛的結(jié)構(gòu),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,5 / 40,軍車集錦,機(jī)車集錦,陸地跑的結(jié)構(gòu),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,6 / 40,航空母艦,巡洋艦,水上游的結(jié)構(gòu),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,7 / 40,娛樂設(shè)施的結(jié)構(gòu),旋轉(zhuǎn)車,過山車,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,8 / 40,結(jié)構(gòu)無所不在,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,9 / 40,物體的存在

3、并不是為了受力，而是為了發(fā)揮某種“功能”（Function）。 飛機(jī)要在藍(lán)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(jié)構(gòu)”。,結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在預(yù)期的工作條件下，正常使用，它就是具備“安全性”(Safety)的結(jié)構(gòu)。,為了防止結(jié)構(gòu)失效，保證其安全性就要研究結(jié)構(gòu)力學(xué)！,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,10 / 40,結(jié)構(gòu)的受力特性和承載能力與結(jié)構(gòu)的幾何特征密切相關(guān),0-1 結(jié)構(gòu)的分類,桿系結(jié)構(gòu)(structure of bar system) ： 構(gòu)件的橫截面尺

4、寸長度尺寸； 板殼結(jié)構(gòu)(plate and shell structure) ： 構(gòu)件的厚度表面尺寸 ； 實體結(jié)構(gòu)(massive structure) ： 結(jié)構(gòu)的長、寬、厚三個尺寸相仿。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,11 / 40,0-2 結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù),控制通過控制理論和控制技術(shù)，智能化地抵御外界作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。,分析結(jié)構(gòu)在外因作用下的反應(yīng)。通過分析使設(shè)計的結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟(jì)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）。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,12 / 40,基本任務(wù),1. 研究結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律和合理形式以及計算簡

5、圖的合理選擇；,組成規(guī)律：保證結(jié)構(gòu)各部分之間不能發(fā)生相對運(yùn)動，以承擔(dān)預(yù)定的荷載； 合理形式：為了充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的性能，更有效地利用材料，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的； 計算簡圖：將實際結(jié)構(gòu)變成理論模型（Structural idealization) ，便于研究和討論。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,13 / 40,2. 討論結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)；,變形計算是為了保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生過大位移，滿足使用要求,3. 討論結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及在動荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)規(guī)律，利用控制理論尋找恰當(dāng)?shù)目刂品椒ā?研究結(jié)構(gòu)在外界因素(如荷載、溫度變化及

6、支座移動)的影響下，結(jié)構(gòu)的反力、內(nèi)力和位移的計算原理和方法。為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,14 / 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(jié)構(gòu)簡化為計算簡圖，再對計算簡圖進(jìn)行理論分析。,結(jié)構(gòu)力學(xué)分析要綜合考慮三個方面的條件：,1.力系的平衡條件好運(yùn)動條件； 2.變形的幾何連續(xù)條件； 3.應(yīng)力-應(yīng)變間的物理條件。,將三個條件根據(jù)不同的具體情況結(jié)合起來就可以得到不同的計算方法。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,15 / 40,本課與其它課程的關(guān)系,高等數(shù)學(xué) 作為分析工具,理論力學(xué) 著重討論物體的機(jī)械運(yùn)動,材料力學(xué)

7、以單桿作為對象，討論應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,彈性力學(xué) 以實體和板殼結(jié)構(gòu)為研究對象,結(jié)構(gòu)力學(xué) 重點(diǎn)研究桿系結(jié)構(gòu)，它為鋼混結(jié)構(gòu)、鋼木結(jié)構(gòu)，水工結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等專業(yè)課提供力學(xué)基礎(chǔ)和設(shè)計依據(jù)。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,16 / 40,基本要求：,(1).注意與理論力學(xué)和材料力學(xué)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(rèn)真做好作業(yè)，不盲目,(5).注意自學(xué)能力的培養(yǎng),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,17 / 40,0-3 計算簡圖,計算工程實際問題的過程:,力學(xué)模型的合理性直接決定計算結(jié)果的正確性，因此模型的概念和建立力學(xué)模型的思想是

8、學(xué)習(xí)的一個重點(diǎn)。計算簡圖的選用需要較深厚的力學(xué)概念，并與工程實踐相結(jié)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。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,18 / 40,計算簡圖(computing model of structure ),為了結(jié)構(gòu)計算，需要對實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些簡化和假設(shè)，略去某些次要因素，保留其主要受力特征和變形特點(diǎn)，以簡化圖形代替實際結(jié)構(gòu)，該圖形稱為計算簡圖。,選取結(jié)構(gòu)的計算簡圖必要性、重要性：,實際結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，面面俱到困難重重。 適當(dāng)簡化合理選型，存本去末關(guān)鍵一環(huán)。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,19 / 40,能反映

9、結(jié)構(gòu)的實際受力特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)的計算簡圖的原則：,計算簡圖要它能反映工程結(jié)構(gòu)物的如下特征：,1受力特性（荷載的大小、方向、作用位置） 2幾何特性（構(gòu)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）,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,20 / 40,影響計算簡圖選取的主要因素：,結(jié)構(gòu)性質(zhì) ： 次要結(jié)構(gòu)粗；重要結(jié)構(gòu)精；,設(shè)計階段： 初步設(shè)計粗；技術(shù)設(shè)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(jìn)精。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,21 / 40,結(jié)構(gòu)(Structure)簡化：

10、一般結(jié)構(gòu)實際上都是空間結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)分解為平面結(jié)構(gòu)。,結(jié)構(gòu)簡化的幾個主要方面,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,22 / 40,單層工業(yè)廠房,取一榀計算，并化為平面體系。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,23 / 40,桿件(Bar)簡化：由桿的特征，截面應(yīng)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(diǎn)用結(jié)點(diǎn)表示；桿長用結(jié)點(diǎn)間的距離表示；荷載作用點(diǎn)移到軸線上。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,24 / 40,連接(Joints)簡化：桿

11、件間的連接區(qū)按約束程度簡化成理想模型,l鉸 結(jié) 點(diǎn) 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(jié)構(gòu)示意),鉸結(jié)點(diǎn)(Hinge Joints),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,25 / 40,l組合結(jié)點(diǎn) 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(jié) 點(diǎn) 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(jié)點(diǎn)(Rigid joints),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,26 / 40,支座(Supports)簡化:結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)相聯(lián)結(jié)的部分稱支座，結(jié)構(gòu)所受荷載通過支座傳遞到基礎(chǔ)和地基。,可動鉸支座 (Roller

12、support),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,27 / 40,固定鉸支座 (hinge support),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,28 / 40,滑動支座(定向支座) (guide support),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,29 / 40,固定端支座 (fixed support),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,30 / 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(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，其反力與結(jié)構(gòu)支承端相應(yīng)的位移成正比,彈性支座(elastic support),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院

13、,31 / 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(jié)構(gòu)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。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,32 / 40,1.梁(beam),實際是對計算簡圖進(jìn)行分類，按結(jié)構(gòu)的受力特性和連接特征劃分。,受彎構(gòu)件。承受橫向荷載,0-4 桿系結(jié)構(gòu)的類型,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,33 / 40,2.拱(arch),軸線為曲線，力學(xué)

14、特征是在豎向荷載作用下支座產(chǎn)生水平推力,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,34 / 40,由若干兩端為理想鉸的直桿連接而成體系。,3.桁架(truss),2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,35 / 40,4.剛架(rigid frame),由梁柱組成，具有剛結(jié)點(diǎn)，主要受彎,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,36 / 40,5.組合結(jié)構(gòu)(composite structure),兼有剛架和桁架的組合體,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,37 / 40,能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的因素，統(tǒng)稱荷載(loads),進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算前，確定荷載大小很關(guān)鍵：若估計過大，消耗材料，增

15、加造價；若估計過小，無法保證結(jié)構(gòu)的安全。要做到既經(jīng)濟(jì)又安全，同時滿足剛度、強(qiáng)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(jié)構(gòu)上的外力。自重、風(fēng)、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,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,38 / 40,恒載（Dead loading）：長期作用于結(jié)構(gòu)的不變荷載，包括:結(jié)構(gòu)的自重和土壓力；,按作用時間久暫分為,活載（Living loading）：建筑物施工和使用期間可能存在的荷載，包括：風(fēng)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（Fixed load） 位置上固定分布，或作用位置不變的荷載

16、,包括:結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備等,可動荷載（Moving load） 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,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,39 / 40,按作用性質(zhì)分為,靜力荷載（Static loading） 略去慣性力的影響，大小方向作用點(diǎn)不隨時間變化或變化極為緩慢，無加速度。,動力荷載（Dynamic loading） 使結(jié)構(gòu)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(jié)了設(shè)計經(jīng)驗和科研成果，供設(shè)計時用。,End,主要荷載：指結(jié)構(gòu)在正常使用條件下經(jīng)常作用著的荷載，如結(jié)構(gòu)自重、車輛荷載； 附加荷載：指不經(jīng)常作用的荷載，如風(fēng)壓力、溫度變化等,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,40 / 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。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,41 / 40,水壩在水壓力的作用不能崩潰。,2020/7/30,哈工大 土木工程學(xué)院,42 / 40,擋土墻在側(cè)面土的壓力下要保證不滑動、不傾覆,地基土應(yīng)有足夠的承載力,2020/7/30