结构力学第一章

1结构力学西南交通大学希望学院土木系田宝银23456准备工作确定结构方案明确结构布置选择结构计算简图结构分析和设计计算结构设计说明结构设计计算书结构设计图纸建筑结构设计步骤结构力学荷载计算结构内力分析荷载效应组合构件截面设计构造要求7结构力学导学1.性质结构力学是土木工程专业的一门重要的专业基础课，在整个土木工程专业知识理论体系中起着承前启后的核心作用。几何组成分析静定结构内力计算静定结构位移计算超静定结构内力计算基本方法工程使用力矩分配法（手算）2.内容矩阵位移法（电算）（力法、位移法）8大学课程体系理论基础课：高数、线代、大学物理等等专业基础课：工程力学、结构力学、工程材料专业课：混凝土结构设计、钢结构设计、桥梁工程93.课程特点a.内容连贯，章节衔接紧密。b.逻辑性强，计算方法技巧性要求高。c.计算量大，对微分方程、线性代数等数学课程的依赖性大。d.承前启后，对后续课程学习至关重要。4.学习目标——能力培养a.分析能力b.计算能力c.自学能力d.表达能力10a.由于内容连贯性强，切勿欠账，每学完一章后，应及时复习，切实掌握。b.加强对基本概念、结构内力分析思路的理解与掌握，熟记部分基本结构的内力分布规律。c.认真预习，及时复习巩固知识，主动答疑，按时独立完成作业。5.学习方法认真听勤练习多动手11●基本内容1.结构力学的研究对象和任务；2.结构计算简图的选取原则、要求及其主要简化内容；3.平面杆系结构的分类。●重点结构力学研究的对象和任务；杆件结构的计算简图。●难点结构计算简图的选取。第1章绪论121.1结构力学的研究对象和任务1）结构及其分类建筑物或构筑物中承担荷载、传递荷载并起骨架作用的部分，都可称为结构。上海金茂大厦(右)和国际金融中心(左)南京长江大桥13长江三峡大坝国家大剧院14北京奥运会主体育馆(鸟巢)上海世博会中国国家馆15结构按其几何特征通常分为以下三类：(1)杆件结构杆件结构是由杆件或若干杆件相互连接组成。lbh其长度l比截面宽度b和厚度h大得多（杆件的截面尺寸长度尺寸）。16结构按其几何特征通常分为以下三类：(2)板壳结构薄壁结构又称为板壳结构。板壳构件的厚度h要比长、宽两个尺度小得多。lbhh(a)(b)平板壳体17(3)实体结构实体结构是由长、宽、厚三个尺度大致相当的块体组成的结构。挡土墙结构按其几何特征通常分为以下三类：18模型：客观存在的一种理想化近似。★研究平面几何时，点线面★牛顿力学：研究物体的运动，把物体等效于质点，也质点力学。★理论力学：研究刚体的运动，刚体也是一种近似。★材料力学物理方面：可变形的固体几何方面：等截面的直杆——杆件力学2）结构力学的研究对象和任务192）结构力学的研究对象和任务结构力学的研究对象是杆系结构，即主要研究杆系结构在荷载作用下，其内力和变形的计算问题。具体任务包括以下三个方面：●研究结构的组成规律、合理形式以及结构计算简图的选择。●研究结构的内力和变形的计算方法，以便进行结构强度和刚度的验算。●研究结构的稳定性以及在动力荷载作用下的反应。20进行强度、稳定性计算的目的，在于保证结构满足安全和经济的要求。计算刚度的目的，在于保证结构不至于发生过大的变形，以至于影响正常使用。研究组成规律的目的，在于保证结构各部分之间不至于发生相对的刚体运动，而能承受荷载维持平衡。探讨结构的合理形式，是为了有效的利用材料，使其性能得到充分发挥。211.2杆件结构的计算简图1）计算简图及其选择原则a.计算简图——将实际结构作适当的简化，抓住主要矛盾，忽略次要因素，得到一种能够基本反映实际结构的受力状态，并代替原结构的“简化图形”。●能反映结构的实际受力特点及变形性能。●保留主要因素，略去次要因素，便于分析计算。b.选取结构计算简图原则：实际工作中，计算简图的确定要经过实验、实测和理论分析，并要经过多次实践的检验。22c.影响计算简图选取的主要因素：●结构的重要性：重要结构——精；静力计算——精；次要结构——粗；●设计阶段：初步设计——粗；技术设计——精；●计算问题的性质：●计算工具：先进——精；简陋——粗。动力计算——粗；232）计算简图的简化要点——应从以下几方面进行简化(1)结构体系的简化——杆件结构有平面结构和空间结构两大类，实际工程结构大部分都是空间结构，在大多数情况下，常可忽略一些次要的空间约束而将其分解为平面结构，使计算得到简化。本书主要讨论平面杆件结构的计算问题。24(2)杆件的简化——不论是直杆或曲杆均可用其轴线（截面形心的连线）表示。↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓25(3)结点的简化①刚结点：刚结点的特点是汇交于结点的各杆端之间不能发生相对转动，各杆间可相互传递力和力矩。刚结点26②铰结点：铰结点的特点是汇交于结点的各杆端可以绕结点自由转动，各杆间可相互传递力，但不能传递力矩。(a)(b)③组合结点：123A在同一结点上，某些杆件相互刚结，而另一些杆件相互铰结，则称为组合结点。27(4)支座的简化①活动铰支座——它允许结构绕铰A转动和沿支承平面方向移动，但A点不能沿垂直于支承面的方向移动。FAyAA(a)(b)②固定铰支座——简称为铰支座，它允许结构绕铰A转动，但A点不能沿水平或竖向移动。(a)A(b)FAyAAxF(c)FAxFAyA28③固定支座——这种支座不允许结构在支承处发生任何方向的移动和转动。AFAxFAyAM(a)(b)④定向支座——定向支座又称滑动支座，结构在支承处不能转动，不能沿垂直于支承面的方向移动，但可沿支承面方向滑动。(a)(c)MAxFAAAyFMAA(b)29⑤弹性支座——如果在结构计算中，需要考虑支座本身的变形时，则这种支座称为弹性支座。弹性支座又分为抗移动弹性支座和抗转动弹性支座。AMAyFFAxAyFAA(a)(b)kk(5)材料性质的简化(6)荷载的简化——荷载简化为作用在杆件轴线上的力，祥见以下讨论。为了简化计算，通常假设材料为连续的、均匀的、各向同性的、完全弹性或弹塑性的。303）荷载的分类(1)按照荷载作用时间的长短分：①恒载：永久作用在结构上的不变荷载，如结构自重、固定设备、土压力等。②活载：暂时作用在结构上的可变荷载，如临时设备、人群、风力、水压力、移动的汽车和吊车等。(2)按照荷载的分布情况分：①集中荷载：当荷载的分布面积远小于结构的尺寸时，则可认为此荷载是作用在结构的一个点上，称为集中荷载。集中荷载有集中力和集中力偶两种。②分布荷载当荷载的分布面积较大时，即是分布荷载。分布荷载又可分为均匀分布荷载、线性分布（如三角形或梯形分布）荷载等。31(3)按照荷载作用的性质分：①静力荷载：其大小、方向和位置不随时间而变化或变化极为缓慢，不会使结构产生显著的振动，因而可略去惯性力的影响。恒载以及只考虑位置改变而不考虑动力效应的移动荷载都是静力荷载。②动力荷载：随时间迅速变化的荷载，使结构产生显著的振动，因而惯性力的影响不能忽略。如往复周期荷载（机械运转时产生的荷载）、冲击荷载（爆炸冲击波）和瞬时荷载（地震、风震）等。除荷载外，还有其他一些因素也可以使结构产生内力和位移，例如温度变化、支座沉陷、制造误差、材料胀缩等。从广义上来说，可将这些因素视为广义荷载。324）结构计算简图举例例1.1图示为一根两端搁在墙上的梁，其上放一重物，现确定梁的计算简图。b/2b/2bbl0gPF(a)(b)lb/2b/2bbl0gPF(a)(b)l331.3平面杆件结构的分类结构的分类，实际上是指结构计算简图的分类。1）按受力和变形特性分（1）梁梁是一种受弯构件，其轴线通常为直线。梁有单跨的和多跨的。其内力一般有弯矩和剪力，以弯矩为主。34简支梁悬臂梁多跨静定梁超静定梁曲梁35（2）刚架刚架由梁和柱组成，结点多为刚结点。其内力一般有弯矩、剪力和轴力，以弯矩为主。(c)(a)(b)36（3）拱拱的轴线为曲线，且在竖向荷载作用下会产生水平反力（推力）。这使得拱内弯矩和剪力比同跨度、同荷载的梁的要小。其内力以压力为主。(b)(a)(c)37（4）桁架桁架由直杆组成，所有结点都为理想铰结点。当仅受结点集中荷载作用时，其内力只有轴力（拉力和压力）。38（5）组合结构组合结构是由只承受轴力的桁杆和主要承受弯矩的梁杆（梁或刚架杆件）组成的结构，其中含有组合结点。392）按计算特性分（1）静定结构：其杆件内力（包括反力）可由平衡条件唯一确定。（2）超静定结构：其杆件内力（包括反力）仅由平衡条件还不能惟一确定，而必须同时考虑变形条件才能唯一确定。三、按几何特性分（1）平面结构：各杆的轴线和外力的作用线均在同一平面内。（2）空间结构：各杆的轴线不在同一平面内。如空间刚架、网架、电视塔等。40本章小结（1）结构是指建筑物或构筑物中承担荷载而起骨架作用的部分。结构力学的研究对象是平面杆件结构，研究任务是平面杆件体系的几何组成规律及平面杆件结构的强度、刚度、稳定性计算和动力反应。（2）用一理想化的简化模型来代替实际结构，该模型称为实际结构的计算简图。选择计算简图的两条原则可归纳为“反映实际、简化计算”。要通过分析结构的构造特征、受力特征，并结合经验和实验综合考虑，才能确定出计算简图。选择计算简图时，要从结构体系、杆件、结点、支座、材料、荷载等几个方面入手进行简化。（3）平面杆件结构可划分为梁和刚架、桁架、拱以及组合结构等几种类型。41m1m1m2m4m2mkN8kN/m40kN160kN40作业：1.复习材料力学知识，主要是内力图的相关知识。2.作出下面题目的弯矩图和剪力图。