土木工程概论-4土木工程中的力学和结构概念

第4章土木工程中的力学和结构概念4.1、力、力矩、平衡4.2、外力、内力和反力4.3、荷载、作用和效应4.4、结构和结构失效4.5、土木工程结构的设计方法主讲老师:丁腾飞土木工程要解决的问题之一是建造抵御自然或人为作用力的空间和通道，就必然会遇到大量的力学和结构问题。本章阐述土木工程中一些最基本的力学与结构概念。结构模型大赛建筑结构计算机建模4.1力、力矩和平衡•力（Force）是一种物体间有方向的作用，有大小方向。可用矢量表示。•重力：物体重量产生的作用力，方向指向地球中心，作用点在该物体的中心。•力矩和平衡的概念•AlexanderCalder提出的装置–力矩（Moment，土木中称弯矩）：力×距离–转动平衡：对同一点所有力矩之和为0，即转动效应之和为0。–移动平衡：对同一物体所有力之和为0，即处于不移动的静止状态。力：是一种物体间有方向的相互作用；这种相互作用有使物体改变原来形状或改变运动方向的效应；力是既有量值又有方向的矢量。力矩：是力对物体产生绕某一轴转动作用的物理量，其大小等于力与力臂（力的作用线到该轴的垂直距离）的乘积；力矩在土木工程中习称弯矩。平衡：力矩既可顺时针方向转动，也可按逆时针方向转动，当两个方向转动效应之和为零时，称物体处于平衡状态。思考：全桥弯曲下垂，说明桥身承有内力，桥身的上下承受什么力桥身两端固定处承受反力对任何一个土木工程的结构而言，力有外力、内力和反力之分。人体、重物的重力和木桥自重是外力4.2、外力、内力和反力桥身承受扭曲倘若桥的两端曾可能被锯过又接了起来，当人拿着重物走上去，桥身必然像被剪切般地下落。现在桥身没有被锯，受力后完好无损，说明桥身还承受有剪切力。桥身承受剪切再如果将重物放在桥的一侧，全桥还将受到扭曲。这些拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭曲就是桥身承受内力的结果。人和重物能静止地位于桥上，说明它的外力、反力和内力作用处于平衡状态。独木桥是最简单的例子，所有土木工程设施的结构，无论大小、重轻、厚薄（大如大桥、小如小木屋）都处于外力、内力和内力作用下的平衡状态。它承受的内力无非是下列5种以及它们的组合土木工程结构的5种内力特征：土木工程结构就是通过5种内力的基本作用，将施加在结构上的力传递给地球（基础下的土层），基础给予结构的则是作用在结构基础上的反力。受剪发生剪切变形在土木工程中：拉力以＋N表示；压力以－N表示；弯矩以M表示；剪力以V表示；扭矩以MT表示。4.3、荷载、作用和效应直接施加在土木工程结构上的外力是由荷载引起的。如果地球没有引力，自然界没有风吹、雨雪，荷载就不会存在，土木工程也就不需要结构。土木工程结构要有能抵御自然或人为的作用力的能力，因此，了解作用在结构上的荷载有那些，其性质如何非常重要。作用与作用效应的基本概念作用分为直接作用：是指能使结构产生效应的各种原因的总称。作用和间接作用。1荷载（直接作用）荷载是直接以力的形式作用于结构，如结构自重、行人或车辆的重量、风压力、土压力、水压力等。作用效应：作用在结构上产生的内力和变形的总称。能使结构产生作用效应的原因有两种：一种是施加在结构上集中力和分布力，如结构自重，作用于楼面的人群、家具、设备，作用于桥面的车辆、人群，施加于结构物上的风压力、水压力、土压力等，它们都是直接施加于结构上（直接作用），工程界习称为“荷载”；另一种是施加于结构上的外加变形或约束变形，如地震、基础沉降、材料收缩和徐变、温度变化引起结构产生作用效应，它们都是间接作用于结构（间接作用）。荷载是指直接作用在结构上的外加力。⑴恒载（永久荷载）指使用期间永久施加在结构上,其值不随时间变化的荷载。作用在工程结构上的恒载类型主要有：结构自重、墙面、地面、屋面、桥面以及建筑物内的固定装置等。楼板大梁楼面内隔断墙体及内装饰窗门（2）活载（可变荷载）：指在使用期间施加在结构上、其值可随时间变化或移动的荷载。作用在工程结构上的活载有多种类型，如：使用活载、移动的设备及车辆活载、风载、雪载等。①使用活载：包括楼面活载、屋面活载。家具家具家具人群可移动设备可移动设施桥梁上的汽车荷载T1、T2、T3、T4——汽车轴重；a、a1、b1、b2、c——车轴间距离车辆活载是一种移动式荷载②车辆活载：主要是铁路或公路车辆的荷载，包括工业厂房的行车（俗称天车）。工业厂房的行车W③风载：风是由大气压力不等引起的空气运动。由风的运动而施加在墙面或结构上的压力称为风载。风载有三个“不一样”：不同地区不一样（沿海、内陆）；同一地区不同时间不一样；同一房屋不同高度、不同部位不一样。风载0.22kNm2同处一区的18层高层建筑0.7kNm2北京郊区某5m高单层房屋迎风面均匀分布荷载作用三角形分布荷载作用集中荷载作用集中荷载的单位一般为KN，均布荷载的单位一般为KN/m或KN/m2（3）偶然荷载在使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。如地震作用、爆炸力、台风、船只或漂流物等。佛山九江大桥被撞百米桥面坠入江中美国世贸中心大厦撞击起火倒塌震源、地震波、震中、震中距的关系地震释放的能量以地震波的形式传到地面，引起结构振动。结构由地震引起的振动称为地震反应，振动过程中作用在结构上的惯性力就是“地震荷载”。地震震级和地震烈度是两个不同概念，震级表示一次地震释放的能量的大小，烈度表示某地区遭受地震影响的强度。地震对结构施加的影响属间接作用，应把结构承受的“地震荷载”称为地震作用。2间接作用（间接荷载）除直接施加在结构上的外力（即荷载）外，还有一种因间接施加影响引起结构受力的作用。作用也使结构内部产生内力和变形。它们也以三类形式出现。⑴约束变形作用这种作用以温差作用为典型约束如一根钢梁，当环境气温为00C时长度为20m，当环境气温升高至350C时，钢梁会在内力作用下伸长土木工程中的构件因昼夜温差、季节性温差，每时每刻都在改变着形状和尺寸，当这种改变受到约束时，就会使结构受到内力效应。建筑物的温度裂缝内外柱高差达几十毫米现代高层房屋必须考虑这种温差内力效应。水泥路面在温差作用下起拱达90cm高层建筑外墙的温度裂缝钢结构构件在焊接时产生的作用也属温差作用⑵外加变形作用这种作用以地基不均匀沉陷为典型。土木工程结构构筑在地基上，地基土受力后总会产生不均匀沉陷，过大的不均匀沉陷会引起结构产生不小的内力，甚至可使结构开裂或倒塌。比萨斜塔就是由于地基不均匀沉陷而成为世界著名建筑！震施加给结构的力，即地震作用。地面运动时建筑物的相应运动⑶惯性作用以地震作用为典型。地震引起的地面运动会使土木工程结构在水平和竖向产生加速度反应。这种加速度反应值与土木工程设施本身质量的乘积就形成了地北川县底框建筑在惯性力作用下底层彻底垮塌地震作用是一种惯性力，它的大小与土木工程的质量、地震烈度和结构的动力特性相关。地震作用以水平方向为主。原因统称为“荷载”。按照国际通行做法和现行国家标准，“作用”泛指使结构产生内力、变形的所有原因，包括直接作用和间接作用；而“荷载”仅等同于施加于结构上的直接作用。5.12大地震北川县垮塌的建筑物和道路长期以来，我们习惯上将所有引起结构产生效应的但目前道路、桥梁、隧道设计的行业标准中，尚未引进“作用”代替“荷载”，仍沿用“荷载”一词表述引起结构产生效应的直接作用和间接作用。荷载和作用的分类人为因素地球物理因素爆炸力引起的作用地震荷载（作用）地基不均匀沉降引起的作用温差引起的作用风荷载雪荷载构配件自重机器振动引起的作用焊接引起的作用结构安装引起的作用撞击引起的作用使用荷载重力气象地质静载动载3应力、应变、弹性模量土木工程结构受力后，其构件将产生内力（平衡状态）和变形（其长度、形状将发生改变）。在产生拉力、压力、剪力、弯矩和扭矩内力的同时结构构件会出现5种基本变形的形式。拉伸压缩剪切扭转弯曲⑴应力为度量结构构件所发生内力的大小，我们将作用于单位面积上的内力强度称之为应力：pAσ=按照荷载作用的形式不同，应力又可分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力σ表示正应力或法向应力，τ代表剪应力或切应力。应力的单位是：N/mm2，即MPaε=ΔbbΔLL,ε=⑵应变土木工程结构受力后，构件将发生变形，我们将单位长度上的变形量称之为应变：ε表示构件的纵向线应变，ε，代表构件的横向线应变。对于拉杆来说，ε为正，ε，为负；压杆则ε为负，ε，为正。成正比。Δ2Δ1=p2p1⑶弹性模量当力作用一物体时，物体有变形。当这个力移去后，物体又恢复原来的形状。物体所具有的这种特性，称之为弹性。材料在弹性状态，荷载与变形其应力与应变也成正比例关系，其比例系数E称为弹性模量。=Eσε当结构材料继续承受更大荷载时，移去荷载，有残余变形，变形不能恢复原状。称结构材料进入塑性阶段。1Δ3−Δ2Δ2−Δ1P3P2P2P材料进入塑性状态，荷载与变形不成正比。弹性模量是材料抗弹性变形的一个指标，其值越大，即材料的刚度越大。结构承受荷载为0→P2时，结构构件处于弹性状态；结构承受荷载为P2→P3时，结构构件处于塑性状态；＞P3P2~P30~P2结构承受荷载超过P3，将达其极限应力时，结构构件处于破坏失效状态。不同的结构材料弹、塑性是不同的。有塑性的材料称为塑性材料，如钢材、砼等，这类材料一旦出现塑性有发生破坏的预兆；反之称为脆性材料如石材、玻璃等。4.4、结构和结构失效4.1结构的定义和要求⑴结构的定义：土木工程设施中的结构是一个在空间和通道中用各种基本构件组合建成的有功能特征的机体，为土木工程设施的持久使用和美观需求服务，对生财产提供安全保障。它是一个由构件组合成的整体，是一个有功能特征的机体，是一个有丰富应用价值的载体，是一个被建造的实体。体育场结构的三维模型⑵土木工程结构的要求●在应用上，要充分满足空间和通道的多项使用要求；●在安全上，要完全符合承载、变形、稳定的持久需要；●在造型上，要能够与环境、规划和建筑艺术融为一体；●在技术上，要力争体现科学、技术和工程的新发展；●在建造上，要合理用材、节约能源，与施工实际紧密结合。⑶为安全可靠的目的，在结构设计中必须做到：①结构承受荷载后的内力（±N、M、V、MT）≤结构的承载力；②结构承受荷载后的变形（挠度、侧移、沉陷）≤变形的允许值。4.2结构的功能要求⑴能承受正常施工和使用时可能出现的各种作用力（如拉力、压力、剪力、弯矩、扭矩等）；⑵在正常使用时具有良好的工作性能（如不发生过大的侧向位移，不发生过大的不均匀沉陷，不使人感到晃动等）；⑶在正常维护下具有足够的耐久性能（如有抵抗酸类、盐类等物质的侵蚀能力）；⑷在偶然事件发生时能保持必需的稳定性（如有很好的抗地震的能力）。⑴和⑷是安全性，⑵是适用性，⑶是持久性。“安全、适用、持久”三者缺一不可，但安全第一。4.3结构的失效结构设计应遵循的原则：SR--S为荷载施加在结构的作用效应；--R为结构的抗力。当结构或从属于它的构件不能满足上述基本功能要求，称为结构失效。结构失效的常见表现形式※破坏--结构或构件截面抵抗能力不足以承受作用效应的现象，如拉断、压碎、弯折等。※失稳--结构或构件因长细比过大而在不大的作用力下突然发生作用力平面外的极大变形的现象，如柱子压屈、梁在平面外扭曲等。※发生影响正常使用的变形--梁板的过大挠度或过宽裂缝，柱、墙的过大侧移，结构有过大倾斜或过大的沉陷等。※倾覆--结构或结构的一部分失去平衡而倾倒或移动的现象。※结构材料丧失耐久性--钢材锈蚀、砼受腐蚀、砌体遭冻融、木构件被虫蛀蚀等化学、物理、生物现象。A柱抗拉能力不足被拉断B柱长细比过大被压屈上部结构抗侧移能力不足被拉裂某高层建筑上部结构抗剪能力不足被剪断4.5、土木工程结构的设计方法5.1结构工程师的任务⑴土木工程设计的分工规划师负责工程的选址、开发强度和空间环境。建筑师负责工程的布局、造型，满足各项功能性使用要求。结构工程师负责工程的承载、变形、稳定的安全性需求。设备工程师负责工程的给排水、供热通风和电气等配套设施。⑵结构工程师要解决的问题①确定结构承受的荷载，并合理选用结构材料；②正确选用