结构力学课件讲解

结构力学(StructuralMechanics)授课人：赵荣国土木工程与力学学院2020/6/7结构力学2说明主讲：赵荣国学时：88学时，共计5.5个学分，本学期讲授上册64学时，下学期讲授下册24学时。教学用书：龙驭球、包世华编《结构力学教程I、II》高等教育出版社，2001。参考教材：1.杨弗康等主编《结构力学》高等教育出版社，1998。2.包世华主编《结构力学》武汉工业大学出版社，2000。3.王焕定等编著《结构力学》高等教育出版社，2000。2020/6/7结构力学3参考书目：1.雷钟和﹑江爱川﹑郝静明编著《结构力学解疑》清华大学出版社，1996。2.赵更新编著《结构力学辅导-概念‧方法‧解题》中国水利水电出版社，2001。3.关群主编《结构力学学习辅导》中国科学技术大学出版社，2000。作业：每位同学准备2个作业本，轮换使用。到时不交的，过期不予批阅。联系方式：58293214（O）或13762248387（M）。2020/6/7结构力学4第一章绪论(Intrduction)2020/6/7结构力学5目录(contents)§1-1结构力学简介§1-2结构的计算简图及简化要点§1-3杆件结构的分类§1-4荷载的分类--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2020/6/7结构力学6基本要求了解：结构力学的发展历史、研究对象和研究任务，与其它课程的关系及常见杆件结构的分类。掌握：结构计算简图的概念和确定结构计算简图的原则；杆件结构的支座、结点类型和特点及荷载分类。2020/6/7结构力学7§1-1结构力学简介1-1-1结构力学发展简史★溯源古代工程实践在建筑结构方面：①早在六千年前，我们祖先就已经建造了木框架结构房屋（木构件分为桩、柱、梁、板，采用榫卯联接），逐渐告别利用天然结构巢居和穴居的原始状态。（根据浙江余姚河姆渡新石器时代遗址考古）②三千年前《周礼》中的《考工记》就已经记载了各种建筑的形式和制式。③在汉代王延寿的《鲁灵光殿赋》中曾出现“结构”这一专有名词。2020/6/7结构力学8在水工结构方面：①公元前256-251年秦朝修建的岷江水利枢纽工程都江堰创造了用竹笼装卵石堆砌的堤坝结构，使用至今，其结构之简单，规模之宏伟，堪称世界之最。在桥梁结构方面：①公元605-617年隋朝修建的河北赵县安济桥（也称赵州桥）为敞肩石拱桥，造型优美、结构合理。②宋代的广东潮州广济桥（开关活动式）。③福建泉州万安桥（即洛阳桥，筏形基础，砺房胶固），其独特结构型式在世界上都绝无仅有。古埃及人的金字塔、古希腊人的女神庙和古罗马人在建筑物中广泛采用半圆拱形。2020/6/7结构力学9都江堰水利枢纽工程2020/6/7结构力学10隋朝河北赵州桥2020/6/7结构力学11雅典神庙2020/6/7结构力学12古罗马半圆拱建筑2020/6/7结构力学13★从“萌芽”到“独立”①15至16世纪，欧洲文艺复兴时期，科学事业有了转机，力学在欧洲萌芽。②17世纪，人们才开始研究材料强度，尝试用解析法来求构件的安全尺寸。（伽利略考查了固定端悬臂梁的承载能力的问题，雅可比•伯努利关于梁的研究结果就是现今人们常用的伯努利梁理论。）③18世纪的工业革命更促进了单根构件强度和稳定性研究。④进入19世纪后，大型厂房、船舶、堤坝、铁路桥梁的兴建，提出更为复杂的结构计算问题，促进了板壳理论形成，以及桁架、连续梁、拱、吊桥、弹性地基梁、挡土墙等计算理论的诞生，奠定了结构分析的理论基础。⑤19世纪中叶，结构力学（也称结构理论）实际上已从力学中独立出来成为一门学科。2020/6/7结构力学14★近代的发展与飞跃①19世纪末，随着钢结构广泛应用，进一步推动结构分析理论的发展，建立了利用能量原理计算结构位移和应用力法计算超静定结构的一般理论，但主要的发展是桁架分析。②20世纪初，随钢筋混凝土框架结构型式的出现，又诞生了与高次超静定结构相适应的新的计算理论和方法，如位移法和力矩分配法。③20世纪中叶还发展了考虑塑性的结构计算理论、结构稳定计算和结构动力学计算理论。④1945年电子计算机的问世和广泛应用使结构分析如虎添翼，计算能力跃上一个新的台阶，出现以计算机为工具的结构矩阵分析法（即杆件系统的有限单元法）。⑤目前结构力学已进入有史以来发展最快的时期，其应用范围之广、应用水平之高已达到前所未有的程度。2020/6/7结构力学151-1-2结构以及结构的类型在土木工程中，由建筑材料按照一定的方式组成并能承受或传递荷载起骨架作用的部分称为工程结构(简称结构Structure)。柱吊车梁折线形屋架素混凝土垫层杯形基础图1-12020/6/7结构力学16从几何角度来看，结构可分为三种类型•杆件结构(Structureofbarsystem)—这类结构是由杆件所组成。例如如图1-2所示梁、拱、桁架、刚架是杆件结构的典型形式。图1-22020/6/7结构力学17它的厚度要比长度和宽度小得多，房屋中的楼板和壳体屋盖。•板壳结构(Plateandshellstructures)—这类结构也称薄壁结构。图1-32020/6/7结构力学18•实体结构(Massivestructure)––这类结构的长、宽、厚三个尺度大小相仿。例如堤坝、挡土墙、块式基础等均属实体结构。图1-4挡土墙2020/6/7结构力学191-1-3结构力学及其研究对象结构力学是力学学科的一个分支，是研究结构在荷载和外界因素作用下的力学响应—结构的受力和变形的学科。2020/6/7结构力学20结构力学研究对象涉及较广，根据所涉及范围，通常将结构力学分为“狭义结构力学”、“广义结构力学”和“现代结构力学”。狭义结构力学其研究对象为由杆件所组成的体系。这种体系能承担外界荷载作用，并起传力骨架作用，又称为经典结构力学。2020/6/7结构力学21广义结构力学其所研究的对象为可变形的物体。除可变形杆件组成的体系外，还包括可变形的连续体(平板、块体、壳体等)。现代结构力学将工程项目从论证到设计，从施工到使用期内维护的整个过程作为大系统，研究大系统中的各种各样力学问题。显然其研究对象范围更广。我们将以狭义结构力学为主。2020/6/7结构力学22学科研究对象研究任务理论力学质点、刚体物体机械运动的一般规律材料力学单根杆件变形体的强度、刚度、稳定性和动力反应结构力学杆件结构弹性力学板壳、实体结构相关各力学课程的比较2020/6/7结构力学231-1-4结构力学的任务及其研究手段具体任务是：•讨论结构的组成规律和合理形式，以及结构计算简图的合理选择。•讨论结构内力和变形的计算方法，以便进行结构强度和刚度的验算。•讨论结构的稳定性以及在动力荷载作用下结构的反应。2020/6/7结构力学24结构力学问题的研究手段包含理论分析、实验研究和数值计算三个方面。实验研究方法的内容在实验力学和结构检验课程中讨论，理论分析和数值计算方面的内容在结构力学课程中讨论。2020/6/7结构力学251-1-5结构力学基本假设线弹性假设1.结构体连续2.满足胡克定理3.外部作用撤消，则结构回复原无应力状态适用定理1.解的唯一性定理，即变形与外部作用力之间有一一对应关系2.叠加原理3.互等定理2020/6/7结构力学261-1-6结构力学的学习方法•学习时要注意结构力学与其他课程的联系。•学习时要注意理论联系实际。•学习时要注意分析方法与解题思路。•学习时要注意多练。(作业要整洁、清晰、严谨）2020/6/7结构力学27§1-2结构的计算简图及简化要点1-2-1工程实例高层建筑、大型水利工程、桥梁结构、大跨结构高耸结构、核电站结构、体育馆结构。2020/6/7结构力学28框架结构悬索桥（悬索）体育馆（板、壳结构）结构复杂2020/6/7结构力学29上海杨浦斜拉桥世界第一拱——卢浦大桥上海金茂大厦结构复杂2020/6/7结构力学301-2-2结构计算简图的概念实际工程是很复杂的，如果不作任何简化，分析计算将十分困难。因此，在分析计算之前，先要完成力学建模，得到结构计算简图的工作。2020/6/7结构力学31力学建模利用力学知识、结构知识和工程实践经验，经过科学的抽象，并根据实际受力、变形规律等主要因素，对实际结构进行合理的简化。计算简图用以代替实际结构的，可以用于分析计算的简化图形。2020/6/7结构力学32确定计算简图的原则尽可能符合实际—计算简图应尽可能反映实际结构的受力、变形等特性。尽可能简单—忽略次要因素，尽量使分析过程简单。2020/6/7结构力学331-2-3结构体系的简化一般结构实际上都是空间结构，各部分相互连接成为一个空间整体，以承受各个方向可能出现的荷载。但在多数情况下，常可以忽略一些次要的空间约束而将实际结构分解为平面结构，使计算得以简化。本课程主要讨论平面结构的计算问题。2020/6/7结构力学341-2-4杆件的简化在计算简图中，结构的杆件就可抽象化地用轴线来表示。2020/6/7结构力学351-2-5结点的简化及分类结点(Joint)杆件的交汇点。结点可分为铰结点、刚结点和组合结点。铰结点(Hingejoint)各杆件在此点互不分离，但可以相对转动，因此相互间作用为力。(a)铰结点A2020/6/7结构力学36组合结点(Compositejoint)各杆件在此点不能相对移动，部分(但非全部)杆件间还不能相对转动，即部分杆件之间属铰结点，另部分杆件之间属刚结点。(c)组合结点A刚结点(Rigidjoint)各杆件在此点既不能相对移动，也不能相对转动，(保持夹角不变)，因此相互间作用除力以外还有力偶。(b)刚结点A图1-52020/6/7结构力学371-2-6支座的简化及分类理论力学中已经引入了支座的计算简图，现归纳、补充如下：支座是将结构和基础联系起来的装置，其作用是将结构固定在基础上，并将结构上的荷载传递到基础和地基。支座对结构的约束力称为支座反力，支座反力总是沿着它所限制的位移方向。2020/6/7结构力学38固定铰支座限制各方向位移，但不限制转动，其反力可用沿坐标的分量表示。xyAAxFAyF图1-6平面固定铰支座及反力yx2020/6/7结构力学39可动铰支座（滚轴支座）限制某些方向位移，但不限制转动，其反力沿所限制的位移方向。xyAAyF可动铰支座及反力图1-7xyA用于大型钢桥2020/6/7结构力学40固定端(固定支座)限制全部位移(移动和转动)，其反力用沿坐标的分量和力偶来表示。yxAAxFAyFxAMAy平面固定端支座及反力图1-8xyA2020/6/7结构力学41定向支座限制某些方向的位移和转动，而允许某一方向产生位移，其反力除所限制位移方向力外，还有支座反力偶。xyAxyAyFAMA图1-9定向支座及反力2020/6/7结构力学42沥青麻刀填充FxFy铰支座细石混凝土填充FxFyM固定端支座补充说明：2020/6/7结构力学43Y滚轴支座用于大型钢桥:用于中、小型结构:2020/6/7结构力学44在土木．水利工程中结构所用的建筑材料通常为钢、混凝土、砖、石、木料等。在结构计算中，为了简化，对组成各构件的材料一般都假设为连续的、均匀的、各向同性的、完全弹性或弹塑性的。1-2-7材料性质的简化2020/6/7结构力学451-2-8荷载的简化结构承受的荷载可分为体积力和表面力两大类。在杆件结构中把杆件简化为轴线，因此不管是体积力还是表面力都可以简化为作用在杆件轴线上的力。荷载按其分布情况可简化为集中荷载和分布荷载。2020/6/7结构力学46↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓l结构的计算简图举例例1：2020/6/7结构力学47例2：2020/6/7结构力学48例3：2020/6/7结构力学49细石混凝土填充↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓2020/6/7结构力学50P横向荷载下PPPPP纵向荷载下QQQ例4：2020/6