建筑力学(静力学)课程教案

湖南交通工程学院课程授课教案授课内容绪论0.1建筑力学的研究对象0.2建筑力学的主要任务和内容第一章静力学基础1.1力的概念及性质教学目的与要求了解工程力学的研究对象、掌握工程力学的任务和内容；掌握力的概念及性质重点难点力的概念及性质参考资料中国石油大学出版社教学方法讲述教学手段板书教学过程教学手段方法设计新课讲授绪论0.1建筑力学的研究对象建筑力学是工程类专业的一门重要基础课，其研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。工程专业则以工程中的结构和构件为研究对象，研究它们的受力平衡运动、变形等方面的基本规律，并掌握相关计算方法，为后续专业课程的学习奠定基础。建筑物中能承受或传递荷载并起骨架作用的物体及体系叫作结构，结构的各个组成部分称为构件。思考：建筑由哪些构件组成？根据几何形状的不同可将结构分为以下几类。（1）杆系结构。杆系结构由杆件组成。组成结构的杆件其几何特征是横截面尺寸比长度小得多，如梁、柱、拱、桁架等。（2）薄壁结构。薄壁结构也称板壳结构，它是由厚度远比长度和宽度小得多的薄板或薄壳组成的结构，如屋面板、楼面板等。（3）实体结构。实体结构是长、宽、高三个方向尺寸相近的结构，如拱壳、块体（挡土墙、坝体）等。0.2工程力学的主要任务和内容0.2.1工程力学的主要任务工程力学的任务是对结构进行受力分析，分析结构的几何组成规律，解决在荷载作用下结构的强度、刚度和稳定性问题，即解决结构和构件所受荷载与其自身的承载能力这一对基本矛盾。0.2.2工程力学的主要内容（1）工程静力学。这是工程力学中重要的基础理论，主要包括物体的受力分析、力系的简化与平衡、结构的组成规律、静定结构的内力分析等。（2）杆件的承载能力计算。杆件的承载能力计算是结构承载能力计算的实质，主要包括基本变形杆件的内力分析和强度、刚度计算，压杆稳定和组合变形杆件的强度、刚度计算。（3）结构的内力分析。由此可按杆件承载力计算方法进行超静定结构的强度和刚度等计算，主要包括研究静定结构的位移计算和求解超静定结构内力的基本方法（力法、位移法、力矩分配法和矩阵位移法等）。我们主要学习这本书的静力学部分。第一章静力学基础1.1力的概念及性质1.1.1力的概念力的概念产生于人类从事的生产劳动当中。当人们用手握、拉、掷及举起物体时，由于肌肉紧张而感受到力的作用，这种作用广泛存在于人与物及物与物之间。因此，我们将力定义为物体相互间的一种机械作用，它能使物体的运动状态或形状发生改变。物体相互间的机械作用形式多种多样，可归纳为两类：一类是物体相互间的直接接触作用，如弹力、摩擦力等；另一类是通过场的相互作用，如万有引力。物体在受力后会产生外效应和内效应，外效应使物体的运动状态发生改变，内效应使物体的形状发生改变。力有三要素：大小、方向、作用点，国际单位为牛顿（N）或千牛顿（KN）。力的工程单位为千克力kgf，1kgf=9.8N1.1.2力的性质力的三要素表明：力是矢量，要用一条带有箭头的线段来表示（图1-1）。课后小结本次课我们主要了解了工程力学的研究对象、研究任务和研究内容，并重点讲解了力的概念及性质，希望同学们课后多加复习和理解，为后面的学习打好基础。图1-1图1-1图1-1图1-1湖南交通工程学院课程授课教案授课内容第一章力的概念及性质1.2静力学基本公理教学目的与要求掌握静力学基本公理重点难点静力学基本公理参考资料中国石油大学出版社教学方法讲述教学手段板书教学过程教学手段方法设计新课讲授第一章静力学基础1.2静力学基本公理1.2.1二力平衡公理二力作用在同一刚体上，使刚体处于平衡状态的充要条件是：这两个力的大小相等、方向相反，且作用线沿同一直线。二力平衡是一切平衡力系的基础。建筑结构中受二力平衡的杆件很多，钢筋受拉平衡，柱子受轴向压力平衡都属于这一类。1.2.2力的平行四边形公理作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力。合力的作用点也在该点，合力的大小和方向，由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定。该法则指出，两个力合成不能简单地求算术和，而要用平行四边形法则求几何和，即矢量和，它是力系简化的基础（图1-3）。FR=F1+F2，“+”表示矢量相加。正弦定理和余弦定理讲解课后小结本次课我们主要学习了静力学基本公理的二力平衡公理和平行四边形公理，希望同学们课后多加复习和理解。湖南交通工程学院课程授课教案授课内容第1章力的概念及性质1.2静力学基本公理教学目的与要求掌握静力学基本公理重点难点静力学基本公理参考资料中国石油大学出版社教学方法讲述教学手段板书教学过程教学手段方法设计新课讲授1、力的可传性图1-4（b）比1-4（a）增加了一对平衡力，且有F1=-F2=F（即三力的大小相同），作用线沿同一直线，根据加减平衡力系公理，显然图1-4（a）与图1-4（b）二力系为等效力系。由于图1-4（b）中F2与F又可视为一平衡力系，将此平衡力系减去即成为图1-4（c）所示力系。同理，图1-4（b）与图1-4（c）力系等效。最终，图1-4（a）与图1-4（c）力系等效。2、三力平衡汇交定理不平行的三个力若平衡，该三力必汇交于一点且在同一平面内。此定理证明如下：若图1-5所示刚体上不平行的三个力F1，F2与F3处于平衡状态，根据力的平行四边形公理，考虑到力的可传性，显然F2与F3可合成为一个过交点D的力FR，此时三力平衡已变成为F1与FR的二力平衡。根据二力平衡的条件，显然F1也必须通过F2与F3的交点D，因此三力若平衡必须交于一点。由于FR与F2和F3在同一平面，且F1与FR在同一直线上，所以F1，F2和F3也必在同一平面内。1.2.4作用于反作用公理作用与反作用公理为：两物体间相互作用的力总是大小相等，方向相反，沿同一直线，并分别作用在这两个物体上。这一公理是研究结构受力分析特别是绘制隔离体受力图的基础。该公理中需强调的是，作用力与反作用力一定是分别作用于两个物体，且有作用力必定有反作用力；没有反作用力必定没有作用力，两者总是同时存在，又同时消失。思考：作用与反作用力是否为一对平衡力？鸡蛋打石头，为什么碎的是鸡蛋？用手拍桌子，为什么手会痛？课后小结本次课我们主要学习了力的可传性、三力平衡汇交定理及作用力以反作用力公理，希望同学们课后多加复习及理解。说明：教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份。重复班授课不另填写教案。湖南交通工程学院学院课程授课教案授课内容第1章力的概念及性质1.3荷载教学目的与要求理解荷载的概念、掌握荷载的简化重点难点荷载的简化参考资料中国石油大学出版社教学方法讲述教学手段板书教学过程教学手段方法设计1.3荷载1.3.1荷载的概念1.3.2荷载的分类1、按作用时间分为永久性荷载、暂时性荷载2、按作用范围分为集中性荷载和分布荷载思考：在建筑中，永久性荷载和暂时性荷载分别有哪些？1.3.3荷载的简化1、体分布荷载的简化2、面分布荷载的简化体分布荷载和面分布荷载的简化都是向线分布荷载进行转化，在计算时，要先将体分布荷载、面分布荷载转换成总的荷载后再计算。思考：体分布荷载、面分布荷载及线分布荷载三者之间有没有什么关系？书上例题讲解课后小结课后复习课后小结本次课我们主要学习了荷载的概念及荷载的简化，希望同学们完成课堂上布置的作业，并加以复习。湖南交通工程学院课程授课教案授课内容第1章力的概念及性质1.4约束及约束反力教学目的与要求理解约束的概念及约束反力的画法重点难点约束反力的画法参考资料中国石油大学出版社教学方法讲述教学手段板书教学过程教学手段方法设计1.4约束和约束反力1.4.1柔性约束由绳索、胶带、链条等形成的约束称为柔性约束。这类约束只能限制物体沿柔索伸长方向的运动，只能受拉而不能受压，即只能限制物体沿绳索伸长方向的运动（限制离开约束），因此它对物体只有沿柔索方向的拉力，如图所示，常用符号为FT。1.4.2光滑面约束当两物体直接接触，并可忽略接触处的摩擦时，约束只能限制物体在接触点沿接触面的公法线方向约束物体的运动，不能限制物体沿接触面切线方向的运动，故约束反力必过接触点沿接触面法向并指向被约束体，简称法向压力，通常用FN表示。图中(a)和(b)所示分别为光滑曲面对刚体球的约束和齿轮传动机构中齿轮轮齿的约束。思考：公法线方向是哪一个方向？课后习题第一题画约束反力1.4.3光滑铰链约束铰链是工程上常见的一种约束。它是在两个钻有圆孔的构件之间采用圆柱定位销所形成的连接，如图1-16所示。门的活页、铡刀与刀架、起重机的动臂与机座的连接等，都是常见的铰链连接。铰链连接限制杆件在平面内的任何移动，但不限制杆件绕铰链中心转动。课后习题的第二题画约束反力课后小结本次课我们主要学习了柔性约束、光滑接触面约束及光滑铰链约束的约束反力画法，希望同学们在课后多加复习和练习。说明：教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份。重复班授课不另填写教案。湖南交通工程学院课程授课教案授课内容第1章力的概念及性质1.4约束及约束反力教学目的与要求掌握各类约束反力的画法重点难点各类约束反力的画法参考资料中国石油大学出版社教学方法讲述教学手段板书教学过程教学手段方法设计新课讲授第1章力的概念及性质1.4.4链杆约束两端用光滑铰链与其他构件分别联结且中间不受力的直杆称为链杆，如图（a）所示的AB杆。链杆约束的计算简图如图（b）所示。由于链杆限制了构件与支座间沿杆轴线方向的相对移动，因此约束反力FA的作用线沿链杆轴线，指向待定，如图（c）所示。1.4.5支座及其反力1、固定铰支座圆柱铰链连接的两个构件中，如果其中一个构件固定不动就构成了固定铰支座，如图（a）所示，其约束反力在垂直于铰链轴线的平面内，过销钉中心，方向不定，通常也用两个正交分力Fx与Fy表示，如图（b）所示。（a）是桥梁上常用的理想固定铰支座。2、可动铰支座在固定铰支座的底座与支撑面之间装上滚轴所形成的装置，称为可动铰支座，如图（a）所示。其计算简图如图（b）所示。可动铰支座反力只有一个FAy，作用线垂直于支撑面，通过圆柱形销钉中心，通常为压力，如图（c）所示。思考：桥梁中的桥面应该怎样根据支座反力画其计算简图？课后小结课后复习和练习说明：教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份。重复班授课不另填写教案。湖南交通工程学院课程授课教案授课内容第1章力的概念及性质1.4约束和约束反力1.5物体的受力分析与受力图教学目的与要求掌握给类无约束反力的画法、掌握物体的受力分析与受力图重点难点各类约束反力的画法及物体的受力分析与受力图参考资料中国石油大学出版社教学方法讲述教学手段板书教学过程教学手段方法设计新课讲授3、固定端支座使被约束物体在约束端完全固定，既不能转动又不能移动的支座称为固定端支座。其约束反力一般用三个反力分量来表示，即两个相互垂直的分力Fx、Fy和一个反力偶M，如图所示。4、定向支座定向支座又称滑动支座，其特点是只允许沿某一指定方向移动，因此其可以产生一个与移动方向垂直的反力和一个反力偶，方向待定，用字母R、M表示。如图(a)为定向支座的示意图，像平板闸门的门槽、龙门架的滑道等均可视为定向支座。1.5物体的受力分析与受力图在受力分析时，首先应明确哪些物体是需要研究的，这些需研究的构件或结构被称为研究对象。再将研究对象从结构系统中分离出来，单独画出该物体的简图，这一被单独分离出的研究对象称为隔离体。恰当地选取研究对象，正确地画出构件的受力图是解决力学问题的关键。画受力图的具体步骤如下。(1)明确研究对象，画出分离体；(2)在分离体上画出全部主动力；(3)在分离体上画出全部约束反力。书上例题1-1和1-2讲解，课后练习课后小结复习及课后作业5、8说明：教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份。重复班授课不另填写教案。湖南交通工程学院课程授课教案授课内容第2章平面力系的简化及平衡2.1力系的分类2.2平面汇交力系的简化及平衡教学目的与要求了解力系的分类，掌握平面汇交力系简化的方法重点难点平面汇交力系简化的方法参考资料中国石油大学出版社教学方法讲述教学手段板书教学过程教学手段方法设计新课讲授2.1力系的分类根据力作用线的分布情况，力系可分为