建筑力学课件(完整版)---副本

绪论一、建筑力学的任务建筑力学是一门重要的专业基础课，掌握基本的力学知识和计算方法可为建筑工程领域的结构设计和建筑施工等提供基本保障，也为进一步学习相关的专业课程打下必要的基础。第一节建筑力学的任务和内容荷载：建筑物各部分的自重、人和设备的重力、风力等等，这些直接主动作用在建筑物上的外力在工程上统称为荷载。结构、构件：在建筑物中承受和传递荷载而起骨架作用的部分或体系称为结构。组成结构的每一个部件称为构件。•结构分类•1按组成结构结构的形状及几何尺寸分类：杆件结构（即长度远大于截面尺寸的构件）如梁柱等杆件结构依照空间特征分类：平面杆件结构：凡组成结构的所有杆件的轴线在一平面内空间杆件结构薄壁结构（长度和宽度远大于厚度的构件）如薄板薄壳实体结构(长宽高接近的结构）如挡土墙堤坝等如图0–1是一个单层工业厂房承重骨架的示意图，它由屋面板、屋架、吊车梁、柱子及基础等构件组成,每一个构件都起承受和传递荷载的作用。如屋面板承受着屋面上的荷载并通过屋架传给柱子，吊车荷载通过吊车梁传给柱子，柱子将其受到的各种荷载传给基础，最后传给地基。图0-1赵州桥纽约世贸中心上海世界环球金融中心悉尼歌剧院斜拉桥三峡大坝平衡状态无论是工业厂房或是民用建筑、公共建筑，它们的结构及组成结构的各构件都相对于地面保持着静止状态，这种状态在工程上称为平衡状态。保证构件的正常工作必须同时满足三个要求：（1）在荷载作用下构件不发生破坏，即应具有足够的强度；（2）在荷载作用下构件所产生的变形在工程允许的范围内，即应具有足够的刚度；（3）承受荷载作用时，构件在其原有形状下的平衡应保持稳定的平衡，即应具有足够的稳定性。构件的强度、刚度和稳定性统称为构件的承载能力。其高低与构件的材料性质、截面的几何形状及尺寸、受力性质、工作条件及构造情况等因素有关。在结构设计中，如果把构件截面设计得过小，构件会因刚度不足导致变形过大而影响正常使用，或因强度不足而迅速破坏；如果构件截面设计得过大，其能承受的荷载过分大于所受的荷载，则又会不经济，造成人力、物力上的浪费。因此，结构和构件的安全性与经济性是矛盾的。建筑力学的任务就在于力求合理地解决这种矛盾。即：研究和分析作用在结构（或构件）上力与平衡的关系，结构（或构件）的内力、应力、变形的计算方法以及构件的强度、刚度和稳定条件，为保证结构（或构件）既安全可靠又经济合理提供计算理论依据。二、建筑力学的研究内容要处理好构件所受的荷载与构件本身的承载能力之间的这个基本矛盾，就必须保证设计的构件有足够的强度、刚度和稳定性。建筑力学就是研究多种类型构件(或构件系统)的强度、刚度和稳定性问题的科学。各种不同的受力方式会产生不同的内力，相应就有不同承载能力的计算方法，这些方法的研究构成了建筑力学的研究内容。第二节学习建筑力学的目的建筑力学是研究建筑结构的力学计算理论和方法的一门科学，它是建筑结构、建筑施工技术、地基与基础等课程的基础，它将为读者打开进入结构设计和解决施工现场许多受力问题的大门。显然作为结构设计人员必须掌握建筑力学知识，才能正确的对结构进行受力分析和力学计算，保证所设计的结构既安全可靠又经济合理。作为施工技术及施工管理人员，也要求必须掌握建筑力学知识。知道结构和构件的受力情况，什么位置是危险截面，各种力的传递途径以及结构和构件在这些力的作用下会发生怎样的破坏等等，才能很好地理解图纸设计的意图及要求，科学地组织施工，制定出合理的安全和质量保证措施；在施工过程中，要将设计图纸变成实际建筑物，往往要搭设一些临时设施和机具，确定施工方案、施工方法和施工技术组织措施。如对一些重要的梁板结构施工，为了保证梁板的形状、尺寸和位置的正确性，对安装的模板及其支架系统必须要进行设计或验算；进行深基坑（槽）开挖时，如采用土壁支撑的施工方法防止土壁坍落，对支撑特别是大型支撑和特殊的支撑必须进行设计和计算，这些工作都是由施工技术人员来完成的。因此，只有懂得力学知识才能很好地完成设计及施工任务，避免发生质量和安全事故，确保建筑施工正常进行。二、变形固体的基本假设刚体：外力作用下形状和大小不发生变化的物体（在研究某些问题由于构件的变形对结构的影响较小，可以忽略不计，为将问题简化，将其视为刚体）变形固体：外力作用下形状发生改变的物体。一些力学问题研究中，由于考虑变形因素的影响，并研究构件的强度、刚度、稳定性时，常根据与问题有关的一些主要因素，省略一些关系不大的次要因素，对变形固体作了如下假设：1．连续性假设2．均匀性假设3．各向同性假设二、变形固体的基本假设刚体：外力作用下形状和大小不发生变化的物体（在研究某些问题由于构件的变形对结构的影响较小，可以忽略不计，为将问题简化，将其视为刚体）变形固体：外力作用下形状发生改变的物体。一些力学问题研究中，由于考虑变形因素的影响，并研究构件的强度、刚度、稳定性时，常根据与问题有关的一些主要因素，省略一些关系不大的次要因素，对变形固体作了如下假设：1．连续性假设2．均匀性假设3．各向同性假设第一章静力学基础第一节基本概念一、力1.力的定义力是物体之间相互的机械作用。由于力的作用，物体的机械运动状态将发生改变，同时还引起物体产生变形。前者称为力的运动效应（或外效应）；后者称为力的变形效应（或内效应）。在本课程中，主要讨论力对物体的变形效应。2.力的三要素力的大小、方向（包括方位和指向）和作用点，这三个因素称为力的三要素。实际物体在相互作用时，力总是分布在一定的面积或体积范围内，是分布力。如果力作用的范围很小，可看成是作用在一个点上，该点就是力的作用点，建筑上称这种力为集中力。（1）力是矢量。力是一个既有大小又有方向的量，力的合成与分解需要运用矢量的运算法则，因此它是矢量（或称向量）。（2）力的矢量表示。矢量可用一具有方向的线段来表示，如图1-2所示。用线段的长度（按一定的比例尺）表示力的大小，用线段的方位和箭头指向表示力的方向，用线段的起点或终点表示力的作用点。通过力的作用点沿力的方向的直线称为力的作用线。本教材中以黑体的字母，如、等来表示矢量，白体的字母则代表该矢量的模（大小）。（3）力的单位。在国际单位制中，力的单位是牛顿，用字母N表示。另外，有时还用到比牛顿大的单位，千牛顿（）。图1-1图1-2二、力系1．力系。作用在物体上的若干个力的总称为力系，以表示，如图1-3a。力系中各个力的作用线如果不在同一平面内，则该力系称为空间力系；如果在同一平面内，则称为平面力系。2．等效力系。如果作用于物体上的一个力系可用另一个力系来代替，而不改变原力系对物体作用的外效应，则这两个力系称为等效力系或互等力系，以表示,如图1-3b。（b）（c）图1-33．合力。如果一个力与一个力系等效，则力称为此力系的合力，而力系中的各力则称为合力的分力，如图1-3c.4．物体的平衡及平衡力系所谓物体的平衡，建筑工程上一般是指物体相对于地面保持静止状态或作匀速直线运动状态。要使物体处于平衡状态，作用于物体上的力系必需满足一定的条件，这些条件称为力系的平衡条件。作用于物体上正好使之保持平衡的力系则称为平衡力系。静力学研究物体的平衡问题，实际上就是研究作用于物体上的力系的平衡条件，并利用这些条件解决具体问题。三、荷载工程中的各类建筑物，如房屋、桥梁以及水塔等，在使用过程中都要受到各种力的作用。如工业厂房，其受到的力有自重、风力、屋顶积雪重量、吊车作用力等。这些直接主动作用于建筑物上的外力称为荷载，若荷载分布在整个构件内部各点上的，如重力、万有引力等，称为体分布荷载；有的荷载是分布在构件表面上的，如屋面板上雪的压力、水坝上水的压力、挡土墙上土的压力、蒸汽机活塞上汽的压力等，称为面分布荷载。如果荷载是分布在一个狭长的面积或体积上，则可以把它简化为沿长度方向的线分布荷载，例如，梁的自重就可以简化为沿其轴线分布的线荷载。这样用线分布荷载来代替实际的分布荷载，对结构的平衡并无影响，但可使计算简化。线分布荷载的大小用其集度（即荷载沿分布线的密集程度）来表示，其常用单位为N/m或kN/m。线荷载集度为常数的分布荷载称为均布荷载。在计算简图上，均简化为作用于杆件轴线上的分布线荷载、集中荷载、集中力偶，并且认为这些荷载的大小、方向和作用位置是不随时间变化的，或者虽然有变化但极其缓慢，使结构不至于产生显著的运动（如吊车荷载、风荷载等），这类荷载称为静荷载。如果荷载的大小、方向或作用位置变化剧烈，能引起结构明显的运动或振动（如打桩机的冲击荷载等），这类荷载则称为动力荷载。本课程讨论的主要是静力荷载。四、刚体所谓刚体，就是指在受力情况下保持其几何形状和尺寸不变的物体，亦即受力后物体内部任意两点之间的距离保持不变的物体。显然，这只是一个理想化了的模型，实际上并不存在这样的物体。这种抽象简化的方法，虽然在研究许多问题时是必要的，而且也是许可的，但它是有条件的。值得庆幸的是，在许多情况下，物体变形都很小，将它们忽略不计，对研究结果无明显影响。实际建筑中构件的变形通常是非常微小的，在许多情况下，可以忽略不计。例如一根梁，当其受力弯曲时，由于变形微小，支点之间距离（跨度）的变化量也很小，从而在求支座约束力时可按跨度不变的情况来考虑。第二节静力学公理一、作用力与反作用力公理大量实验事实证明，物体间的作用总是相互的。两个物体之间的作用力与反作用力，沿同一条直线，大小相等，方向相反，分别作用在两个物体上。二、二力平衡公理作用于刚体上的两个力，使刚体处于平衡状态的必要与充分条件是：这两个力大小相等，指向相反，且作用于同一直线上（即等值、反向、共线）（图1-6）。图1-6只受两个力作用而处于平衡的物体称为二力体，如图1-7所示。机械及建筑结构中的二力体常常统称为二力构件，它们的受力特点是：两个力的方向必在二力的作用点的连线上。如果二力构件是一根直杆，则称为二力杆，或称为链杆。图1-7应用二力体的概念，可以很方便地判定结构中某些构件的受力方向。如图图1-8a所示三铰刚架，当不计自重时，其部分只可能通过铰Ｃ和铰Ｅ两点受力，是一个二力构件，故Ｃ、Ｅ两点处的作用力必沿ＣＥ连线的方向，如图图1-8b所示。三、平衡力系公理在作用于刚体上的已知力系中，加上或减去任一平衡力系，并不改变原力系对刚体的效应。这是因为平衡力系对刚体作用的总效应等于零，它不会改变刚体的平衡或运动的状态。这个公理常被用来简化某一已知力系。应用这个公理可以导出作用于刚体上的力的如下一个重要性质。图1-9力的可传性原理：作用于刚体上的力，可沿其作用线任意移动而不改变它对刚体的作用外效应。例如，图1-9中在车后点加一水平力推车，如在车前点加一水平力拉车，对于车的运动效应而言，其效果是一样的。图1-9四、力的平行四边形法则图1-11，作用于物体上同一点上的两个力，其合力也作用在该点上，至于合力的大小和方向则由以这两个力为边所构成的平行四边形的对角线来表示，如图1-11a所示，而原来的两个力称为这个合力的分力。图1-11第三节约束与约束力第三节约束与约束力一、约束与约束力的概念1．自由体在空间能向一切方向自由运动的物体，称为自由体。当物体受到其他物体的限制，因而不能沿某些方向运动时，这种物体就成为非自由体。2．约束限制非自由体运动的物体便是该非自由体的约束，如图1-12。3．约束力约束施加于被约束物体上的力称为约束力，如图1-12b。二、工程中常见的约束及约束力1．柔体约束（柔索）工程上常用的绳索（包括钢丝绳）、胶带和链条等所形成的约束，称为柔体约束2．光滑面约束当两物体接触面上的摩擦力很小时，可以认为接触面是“光滑”的。光滑面的约束力通过接触处，方向沿接触面的公法线并指向被约束的物体（即只能是压力），如图1-13所示。这种约束力也称为法向约束力。3．光滑铰链约束（1）固定铰链支座（2）活动铰链支座4．固定端约束如房屋的雨篷（图1-24a）牢固地嵌入墙内的一端等，其约束便是固定端约束。第四节物体的受力分析第四节物体的受力分析从周围物体的约束中分离出来的研究对象，称为分离体或自由体；同时把画有分离体及其所受外力（包括主动力和约束力）的图称为受力图（或分离体图