建筑工程技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文1

1、永城職業(yè)學(xué)院yongcheng vocational college建筑工程系畢業(yè)論文 建筑力學(xué)在建筑工程中的應(yīng)用專 業(yè)： 建筑工程技術(shù) 班 級(jí)： 建技113班 學(xué) 號(hào)： 201163302 2013年6月摘要從遙遠(yuǎn)的古石器時(shí)代到而今日益發(fā)達(dá)的社會(huì)，力學(xué)總是和人類的發(fā)展與進(jìn)步息息相關(guān)。人類在遠(yuǎn)古時(shí)代就開始制造各種器物，如弓箭、房屋、舟楫以及樂器等，這些都是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)律以及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度逐漸有了認(rèn)識(shí)，并且積累了經(jīng)驗(yàn)，這表現(xiàn)在古代建筑的輝煌成就中，如埃及的金字塔，中國(guó)的萬里長(zhǎng)城、趙州安濟(jì)橋、北京故宮等等。盡管在這些結(jié)構(gòu)中隱含有力學(xué)的知識(shí)，但并沒有形成一門學(xué)科

2、。隨著人類的進(jìn)步發(fā)展，人們逐漸從這些結(jié)構(gòu)和實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展成現(xiàn)代的力學(xué)理論與方法。這些理論和方法幾乎被應(yīng)用到了所有的領(lǐng)域。建筑的發(fā)展和力學(xué)是密不可分的，可以說沒有可靠的力學(xué)與結(jié)構(gòu)分析就沒有安全而又實(shí)用的優(yōu)秀建筑。尤其是對(duì)于現(xiàn)代建筑的意義更為重要，每一座好的建筑在建造前都要通過很多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與安全評(píng)估，否則將產(chǎn)生諸多不好的后果，損失難以估計(jì)。首先是建筑結(jié)構(gòu)的合理性，如何在實(shí)際情況下選取合適節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)方式完成工程很重要。尤其要考慮到安全因素，從整體的靜力分析到有線單元的桁架與混凝土結(jié)構(gòu)再到外部環(huán)境因素，如風(fēng)載荷、地震波、特殊場(chǎng)地的特殊設(shè)計(jì)要求等，這些都是我們要關(guān)注的。力學(xué)是美麗的也是要我

3、們認(rèn)真對(duì)待的，他幾乎應(yīng)用到了所有角落。建筑是隨著人類文明進(jìn)步一起發(fā)展的，再好的理論都需要可靠地實(shí)踐來證明，同理好的理論和方法也尤為重要，如計(jì)算機(jī)的發(fā)展，模擬軟件的開發(fā)，模塊的受力及有限單元法的使用等極大地促進(jìn)了力學(xué)分析和復(fù)雜問題的計(jì)算，所以他們實(shí)相符促進(jìn)和影響的。總之，力學(xué)與建筑是分不開的，我們作為力學(xué)學(xué)習(xí)者，特別是對(duì)我這樣對(duì)建筑土木感興趣的學(xué)生來說，掌握最基本的分析方法和培養(yǎng)良好的科學(xué)習(xí)慣尤為重要，并為以后的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。當(dāng)一個(gè)工程在我們手中像長(zhǎng)城一樣佇立不隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，人類逐漸從建筑建構(gòu)和實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展成現(xiàn)代的力學(xué)理論與方法。這些理論和方法幾乎被應(yīng)用到了所用領(lǐng)域

4、。建筑的發(fā)展和力學(xué)是不可分的，可以說沒有可靠的力學(xué)與結(jié)構(gòu)分析就沒有安全而又實(shí)用的優(yōu)秀建筑。尤其是對(duì)于現(xiàn)代建筑的意義更為重要，每一座好的建筑建造前都要通過很多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如何用最少的材料建造最安全適用的房屋是有一套過程的，通過對(duì)建筑模型的力學(xué)分析，如它的抗彎能力,彈性性能等。尤其在一些大型橋梁建筑中使用的鋼筋結(jié)構(gòu)和拉桿等，在長(zhǎng)期的負(fù)荷作用下如何保持結(jié)構(gòu)的受力均衡和穩(wěn)定，在做工程建造前必須有著嚴(yán)密的計(jì)算分析及準(zhǔn)備方案。例如，在建設(shè)青藏鐵路時(shí)，為了保證鐵路地基的長(zhǎng)年冷凍狀態(tài)，在鐵路兩旁的地基中插入了數(shù)千根散熱棒，否則地基會(huì)由于長(zhǎng)期的工作解凍，坍塌裂縫，造成鐵軌受力不均，造成不可預(yù)計(jì)的損失，這些都是

5、要在實(shí)際工程中考慮和解決的問題，只有正確地利用力學(xué)才能把一座座優(yōu)美堅(jiān)固的建筑呈現(xiàn)在大地上。關(guān)鍵詞：建筑工程、建筑力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、應(yīng)用目錄第一章引言51.1 概述51.2 力學(xué)的由來61.3 古代力學(xué)的應(yīng)用61.4建筑力學(xué)發(fā)展示柜81.5 建筑力學(xué)的范圍9第二章材料力學(xué)的應(yīng)用122.1 材料力學(xué)的定義122.2 材料力學(xué)的任務(wù)122.3材料力學(xué)基本假設(shè)122.4 材料力學(xué)的研究對(duì)象122.4.1 桿件122.4.2 桿件變形的基本形式132.5 組合變形142.6 組合變形在建筑工程的應(yīng)用142.6.1 組合變形強(qiáng)度計(jì)算142.6.2 組合變形位移計(jì)算142.7 壓桿穩(wěn)定152.8提高壓桿穩(wěn)定性

6、的措施15第三章 結(jié)構(gòu)力學(xué)的應(yīng)用163.1 結(jié)構(gòu)的定義及分類163.2 建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用163.3 結(jié)構(gòu)的基本要求18第四章 建筑力學(xué)的應(yīng)用194.1. 建筑力學(xué)在工程中的應(yīng)用194.1.1固體力學(xué)方面：194.1.2流體力學(xué)方面：194.1.3一般力學(xué)方面：204.1.4力學(xué)與其他學(xué)科的交叉：204.1.5力學(xué)與物理學(xué)的進(jìn)一步交叉：204.2 施工力學(xué)的大跨度應(yīng)用21第五章 建筑力學(xué)在工程中的實(shí)例2251 薄圈石拱橋的承載力225. 2 剛架拱振動(dòng)與加固2953 雙支座薄壁墩連續(xù)梁橋31第一章 引言1.1 概述力學(xué)是數(shù)學(xué)方法研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)的學(xué)科?！傲W(xué)”一詞譯自英語mechanics源于希臘語機(jī)

7、械，因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)是由力引起的。mechanics在19世紀(jì)50年代作為研究力的作用的學(xué)科名詞傳人中國(guó)后沿用至今。力學(xué)是一門基礎(chǔ)科學(xué)，它所闡明的規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)。為許多工程技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。力學(xué)又是一門技術(shù)科學(xué)，為許多工程技術(shù)提供設(shè)計(jì)原理，計(jì)算方法，試驗(yàn)手段。力學(xué)和工程學(xué)的結(jié)合促使工程力學(xué)各個(gè)分支的形成和發(fā)展。力學(xué)按研究對(duì)象可劃分為固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué)三個(gè)分支。固體力學(xué)和流體力學(xué)通常采用連續(xù)介質(zhì)模型來研究；余下的部分則組成一般力學(xué)。屬于固體力學(xué)的有彈性力學(xué)、塑性力學(xué)，近期出現(xiàn)的散體力學(xué)、斷裂力學(xué)等；流體力學(xué)由早期的水力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)兩個(gè)分支匯合而成，并衍生出空氣動(dòng)力學(xué)、多相流體力學(xué)、滲流

8、力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)等；力學(xué)間的交叉又產(chǎn)生粘彈性理論、流變學(xué)、氣動(dòng)彈性力學(xué)等分支。 力學(xué)在工程技術(shù)方面的應(yīng)用結(jié)果則形成了工程力學(xué)或應(yīng)用力學(xué)的各種分支，諸如材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、巖石力學(xué)、爆炸力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、天體力學(xué)、物理力學(xué)、等離子體動(dòng)力學(xué)、電流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)、熱彈性力學(xué)、生物力學(xué)、生物流變學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、地球流體力學(xué)、理性力學(xué)、計(jì)算力學(xué)等等。建筑力學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué)，又是技術(shù)科學(xué)，建筑力學(xué)在工程中的應(yīng)用與各行業(yè)的結(jié)合是非常密切的。與力學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科有數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文、地球科學(xué)及生命科學(xué)等，與力學(xué)相關(guān)的工程學(xué)科有機(jī)械、土木、航空航天、交通、能源、化工、材料、環(huán)境、船

9、舶與海洋等等。由于相關(guān)行業(yè)的發(fā)展與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展同步，使得力學(xué)在其中多項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展中起著重要的甚至是關(guān)鍵的作用。力學(xué)專業(yè)畢業(yè)生既可以從事力學(xué)教育與研究工作，又可以從事與力學(xué)相關(guān)的機(jī)械、土木、航空航天、交通、能源、化工等工程專業(yè)的設(shè)計(jì)與研究工作，還可以從事數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文、地球或生命等基礎(chǔ)學(xué)科的教育與研究工作。從這個(gè)意義上講，力學(xué)專業(yè)培養(yǎng)人才的對(duì)口是非常寬的，社會(huì)對(duì)力學(xué)人才的需求也是很多的。 隨著力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，在本世紀(jì)將產(chǎn)生一些新的學(xué)科結(jié)合點(diǎn)，如生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境與資源、數(shù)字化信息等。經(jīng)典力學(xué)與納米科技一起孕育了微納米力學(xué)將力學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生物領(lǐng)域產(chǎn)生了生物力學(xué)和仿生力學(xué)；這些都

10、是近年來力學(xué)學(xué)科發(fā)展的亮點(diǎn)?？梢灶A(yù)料，隨著社會(huì)的發(fā)展，力學(xué)學(xué)科與環(huán)境和人居工程等專業(yè)的學(xué)科交叉也將會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。而鑒于力學(xué)的應(yīng)用及本論文簡(jiǎn)述以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：1. 材料力學(xué)2. 結(jié)構(gòu)力學(xué)3. 平衡力系在建筑工程中的應(yīng)用除此之外論文還將力學(xué)的基本知識(shí)穿插在各章節(jié)中以便與解釋應(yīng)用中所用到基本原理。1.2 力學(xué)的由來力學(xué)知識(shí)最早起源于對(duì)自然現(xiàn)象的觀察和在生產(chǎn)勞動(dòng)中的經(jīng)驗(yàn)。人們?cè)诮ㄖ⒐喔鹊葎趧?dòng)中使用杠桿、斜面、汲水器具，逐漸積累其對(duì)平衡物體受力情況的認(rèn)識(shí)。1.3 古代力學(xué)的應(yīng)用中國(guó)是世界上最早進(jìn)入農(nóng)業(yè)時(shí)期的國(guó)家之一。距離現(xiàn)在約有四五千年的仰韶文化時(shí)期，農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)部門中已占有重要的地位。這個(gè)時(shí)期相當(dāng)

11、于傳說中的神農(nóng)氏時(shí)代結(jié)束以后，黃帝、堯、舜相繼起來的時(shí)期。 二千多年前的春秋(公元前772年公元前481年)戰(zhàn)國(guó)(公元前403年公元前221年)時(shí)期，生產(chǎn)關(guān)系的變革促使社會(huì)面貌發(fā)生了重大的變化。隨著冶鐵手工業(yè)的出現(xiàn)和鐵制工具的使用，農(nóng)田水利的發(fā)達(dá)，都邑建筑的興盛，特別是各種原動(dòng)力和簡(jiǎn)單機(jī)械的應(yīng)用，勞動(dòng)人民在生產(chǎn)實(shí)踐中積累了相當(dāng)豐富的關(guān)于力學(xué)的生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，作為中國(guó)古代物理學(xué)的最早分支之一的古代力學(xué)，也就隨著生產(chǎn)的發(fā)展而發(fā)展起來了。 力和力矩的概念是古代人在長(zhǎng)期勞動(dòng)實(shí)踐中，在應(yīng)用簡(jiǎn)單機(jī)械如杠桿、滑車、輪軸、桔槔、轆轤等的過程中發(fā)展起來的。有關(guān)的論述集中在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的著作墨經(jīng)一書中。墨經(jīng)是以魯國(guó)人墨

12、翟為首的墨家的著述。墨家學(xué)派的成員多數(shù)是一些直接參加生產(chǎn)勞動(dòng)的勞動(dòng)者。墨子本人就是極精于機(jī)械制作的能工巧匠。因此，他們的著作中有許多自然科學(xué)知識(shí)。 墨經(jīng)中關(guān)于力的概念是從人的體力對(duì)外界物體的作用中引伸出來的。墨經(jīng)把人體叫做“刑”，即“形”；把人體通過舉、持、擲、踢、蹬等方式使物體發(fā)生運(yùn)動(dòng)變化的過程叫做“奮”。這樣，它定義力是：“力，刑之所以奮也?！边@就是說，力是人使物體運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化的原因。它在解釋這定義的時(shí)候，更明確地指出：“力：重之謂。下、與，重奮也?！边@里“下”指物體下墜；“與”，舉之省文，是舉物向上。意思是說，力與重相當(dāng)，重是一種力。物體下落，舉物向上分別是重的作用和人體發(fā)奮反抗重力作用

13、的結(jié)果。墨經(jīng)的論述，講的是外力，有一些古籍則涉及內(nèi)力的概念，這就是內(nèi)力不能使物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)變化的問題。幾本古籍都有關(guān)于能夠舉起千鈞(1鈞=15kg)的大力士不能舉起自己的議論。公元前3世紀(jì)的荀子子道寫道：“孔子曰：雖有國(guó)士之力，不能自舉其身，非無力也，勢(shì)不可也?！睎|漢思想家王充(27年97年)在論衡效力篇中寫道：“古之多力者，身能負(fù)荷千鈞，手能決角伸鉤，使之自舉，不能離地?！币馑际钦f，一個(gè)力大無比的人，即使他能身負(fù)千鈞，折斷牛角，拉直鐵鉤，但他卻“不能自舉”，使自己離地。這個(gè)說法和近代動(dòng)力學(xué)中關(guān)于質(zhì)點(diǎn)組內(nèi)諸內(nèi)力的總和等于零的原理是一致的。力學(xué)在中國(guó)古代有著很大的成就，上述僅是一例。在古代有多的關(guān)

14、于力學(xué)的成就，在中國(guó)古建筑中力學(xué)的巧妙應(yīng)用例子也是非常的多應(yīng)用程度深度也是世界上嘆為觀之的。不僅在古代中國(guó)在古希臘中力學(xué)同樣有著不可思議的成就。古希臘勞動(dòng)人民在生產(chǎn)中也積累了不少力學(xué)知識(shí)。亞里士多德和阿基米德是古希臘力學(xué)知識(shí)的集大成者。 亞里士多德(aristotle，公元前384年公元前322年)是古希臘偉大的思想家，他是柏拉圖的學(xué)生，曾做過亞歷山大一世的教師。公元前335年，亞里士多德回到雅典建立了他的學(xué)院。據(jù)說，由于他和弟子們常在散步時(shí)進(jìn)行哲學(xué)討論，所以被稱為“逍遙學(xué)派”。他的遺著很多，包括著名的形而上學(xué)、物理學(xué)、倫理學(xué)、工具篇等，被稱為古希臘思想史上的“百科全書”。 亞里士多德的力學(xué)理

15、論著眼于對(duì)“運(yùn)動(dòng)的原因”的探索，屬于動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的。他把運(yùn)動(dòng)分為兩類：自然運(yùn)動(dòng)和受迫運(yùn)動(dòng)。他認(rèn)為地上萬物是由四個(gè)基本元素“土、水、氣、火”組成的。它們都有一個(gè)自然的運(yùn)動(dòng)，輕的元素火與空氣趨向于上升的運(yùn)動(dòng)，重的元素土與水趨向于向下的運(yùn)動(dòng)。他認(rèn)為由于重的物體包含的土元素比輕的物體更多，所以重物落向地面的傾向性也更大，經(jīng)過相等的時(shí)間，重的東西比輕的東西運(yùn)動(dòng)得快一些。在論天一書中他寫道：“一定的重量在一定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)一定的距離；一較重的重量在較短的時(shí)間內(nèi)走過同樣的距離，即時(shí)間同重量成反比。比如，一物的重量為另一物重量的二倍，則它走過一給定距離只需一半的時(shí)間。”這就是說，物體下落的快慢，與它的重量成正比。

16、當(dāng)然除此之外古代力學(xué)的應(yīng)用及成就數(shù)不勝數(shù)，本論文不再一一講解。歷史的車輪始終是向前走的。對(duì)于力學(xué)探索和應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走。1.4建筑力學(xué)發(fā)展示柜托勒密(ptolemy,100-170)在大匯編(almagest)中建立了建筑力學(xué)的托勒密體系。希羅(hero of alexandria,約公元60)在建筑力學(xué)(pneumatics)中涉及了真空、水與空氣的壓力、虹吸管、玩具和一種用正氣驅(qū)動(dòng)的高層建筑力學(xué)。在建筑力學(xué)(mechanics)中介紹了荷載、特征值和簡(jiǎn)單低應(yīng)變的知識(shí)。帕普斯(pappus alexandrinus，300-350)在建筑匯編第八卷(mathematical coll

17、ec-tion book 8)中匯集了古希臘對(duì)建筑力學(xué)研究的成果。1022約旦努(jordanus de nemore,1220)在建筑奇觀的論述(liber de ponderibus)中討論了物體的抗震問題，包含了設(shè)計(jì)原理的萌芽。1533布德白達(dá)(nicholas copernicus,1473-1543)在建筑力學(xué)論(de revolutionibus orbium celestium)中提出了布德白尼系統(tǒng)。1543凱普勒(johannes kepler,1571-1630)在建筑力學(xué)的和諧(harmonice mindi)中總結(jié)了建筑力學(xué)的三大定律。1619斯梯芬(semon stev

18、in,1548-1620)的靜力學(xué)原理(staticae elementis)是靜力學(xué)體系標(biāo)志性著作。1586默森(marin mersenne,1588-1648)在我的建筑觀(traite de lharmonie universelle)是最早把力的特征分析完整的著作。1627鄧玉函(joannes terrens,1576-1630)王徵在遠(yuǎn)西奇器圖說中最早介紹了西方建筑力學(xué)知識(shí)。1627伽利略(galileo galilei，1564-1642)在關(guān)于托勒密與哥白尼兩大世界體系的對(duì)話(the system of the world:in four dialogues where-in

19、 the two grand systemes of ptolemy and copernicus)中系統(tǒng)地論證了布斯萊斯頓系統(tǒng)，提出了建筑慣性運(yùn)動(dòng)的概念。1632關(guān)于兩門新學(xué)科的對(duì)話總結(jié)了材料強(qiáng)度、自由落體和拋物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。1638托里拆利(evangelista torrielli，1608-1647)在論建筑物的振動(dòng)(de motu gravium)中證明了孔口出流的速度與液高的平方根成比例(即托里拆利定理)，還指出位置最低時(shí)平衡得好，是平衡穩(wěn)定性的最早提法。1644 波義耳(boyle, hobert,1627-1691)在關(guān)于建筑的變性及其效果的建筑力學(xué)新實(shí)驗(yàn)(new experi

20、ments physico-mechanicall, tou-ching the spring of the air and its effects)中以系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)論證了氣體的彈性。1660科恩(a. korn)在關(guān)于抗震性理論與轉(zhuǎn)軸彎曲的不等式(uber einige ungleichungen welche in der theorie der elastoschen und elektrischen schwingungen eine rolle spoelen)中給出了建筑力學(xué)能量正定性的不等式。1909索維菲(arnold sommerfeld,1868-1951)在對(duì)建筑震動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

21、荷載的解釋(ein beitrag zur hydrodynamichen erklaung der turbulent flus-sigkeit-sbewegungen)是對(duì)建筑物穩(wěn)定性的較早研究，得到了非自共軛的orr-sommerfeld偏微分方程。1909馮.米賽斯(richard von mises,1883-1953)在塑性變形固體的力學(xué)(mechanik der fes-ten korper in plastisch deformablen)中提出固體在一定應(yīng)力狀態(tài)下的一種屈服條件，被稱為米賽斯條件。1913伽遼金( , 1871-1945)在在建筑問題中的級(jí)數(shù)(俄文)中提出一種

22、直接離散的近似方法，被稱為伽遼金(galerkin)方法。1915諾特(emmy noether,1882-1935)在建筑問題的不變量(invariante variations prob-leme)中給出了兩個(gè)關(guān)于動(dòng)力系統(tǒng)的不變量定理，對(duì)20世紀(jì)建筑力學(xué)在工程中的應(yīng)用發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。1918格里菲斯(alan arnold griffith,1893-1963)在建筑力學(xué)與斷裂現(xiàn)象(the phenomena of rupture and flow in solids)是斷裂力學(xué)的最早文獻(xiàn)。1920從上述簡(jiǎn)單介紹中可以看到以下結(jié)論：16世紀(jì)以前建筑力學(xué)發(fā)展較慢；中國(guó)雖然在建筑水利、橋

23、梁、土木等等的偉大工程，卻沒有發(fā)表過建筑力學(xué)方面的文獻(xiàn)；建筑力學(xué)與工程關(guān)系緊密、建筑力學(xué)力學(xué)的發(fā)展與工程的需要密不可分；一輩子能為后人留下有用的寶貴知識(shí)并不容易。1.5 建筑力學(xué)的范圍工程中的建筑力學(xué)是研究有關(guān)物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，及其應(yīng)用的科學(xué)。工程給力學(xué)提出問題，力學(xué)的研究成果改進(jìn)工程設(shè)計(jì)思想。從工程上的應(yīng)用來說，工程力學(xué)包括：質(zhì)點(diǎn)及剛體力學(xué)，固體力學(xué)，流體力學(xué)，流變學(xué)，土力學(xué)，巖體力學(xué)等。 人類對(duì)建筑力學(xué)的一些基本原理的認(rèn)識(shí)，一直可以追溯到史前時(shí)代。在中國(guó)古代及古希臘的著作中，已有關(guān)于力學(xué)的敘述。但在中世紀(jì)以前的建筑物是靠經(jīng)驗(yàn)建造的。 1638年3月伽利略出版的著作關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)

24、證明被認(rèn)為是世界上第一本材料力學(xué)著作，但他對(duì)于粱內(nèi)應(yīng)力分布的研究還是很不成熟的。 納維于1819年提出了關(guān)于粱的強(qiáng)度及撓度的完整解法。1821年5月14日，納維在巴黎科學(xué)院宣讀的論文在一物體的表面及其內(nèi)部各點(diǎn)均應(yīng)成立的平衡及運(yùn)動(dòng)的一般方程式，這被認(rèn)為是彈性理論的創(chuàng)始。其后，1870年圣維南又發(fā)表了關(guān)于塑性理論的論文水力學(xué)也是一門古老的學(xué)科。 早在中國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前5前4世紀(jì))，墨翟就在墨經(jīng)中敘述過物體所受浮力與其排開的液體體積之間的關(guān)系。歐拉提出了理想流體的運(yùn)動(dòng)方程式。物體流變學(xué)是研究較廣義的力學(xué)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)新學(xué)科。1929年，美國(guó)的賓厄姆倡議設(shè)立流變學(xué)學(xué)會(huì)，這門學(xué)科才受到了普遍的重視。

25、土力學(xué)在二十世紀(jì)初期即逐淅形成，并在40年代以后獲得了迅速發(fā)展。在其形成以及發(fā)展的初期，泰爾扎吉起了重要作用。巖體力學(xué)是一門年輕的學(xué)科，二十世紀(jì)50年代開始組織專題學(xué)術(shù)討淪，其后并已由對(duì)具有不連續(xù)面的硬巖性質(zhì)的研究擴(kuò)展到對(duì)軟巖性質(zhì)的研究。巖體力學(xué)是以工程力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)兩門學(xué)科的融合而發(fā)展的。 從十九世紀(jì)到二十世紀(jì)前半期，連續(xù)體力學(xué)的特點(diǎn)是研究各個(gè)物體的性質(zhì)，如粱的剛度與強(qiáng)度，柱的穩(wěn)定性，變形與力的關(guān)系，彈性模量，粘性模量等。這一時(shí)期的連續(xù)體力學(xué)是從宏觀的角度，通過實(shí)驗(yàn)分析與理論分析，研究物體的各種性質(zhì)。它是由質(zhì)點(diǎn)力學(xué)的定律推廣到連續(xù)體力學(xué)的定律，因而自然也出現(xiàn)一些矛盾。 于是基于二十世紀(jì)前半

26、期物理學(xué)的進(jìn)展，并以現(xiàn)代數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，出現(xiàn)了一門新的學(xué)科理性力學(xué)。1945年，賴納提出了關(guān)于粘性流體分析的論文，1948年，里夫林提出了關(guān)于彈性固體分析的論文，逐步奠定了所謂理性連續(xù)體力學(xué)的新體系。 隨著結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的進(jìn)步，工程學(xué)家也同力學(xué)家和數(shù)學(xué)家一樣對(duì)工程力學(xué)的進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)。如在桁架發(fā)展的初期并沒有分析方法，到1847年，美國(guó)的橋梁工程師惠普爾才發(fā)表了正確的桁架分析方法。電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用，新型材料的研究，新的施工技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)的應(yīng)用等，促使工程力學(xué)日新月異地發(fā)展。 質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系及剛體力學(xué)是理論力學(xué)的研究對(duì)象。所謂剛體是指一種理想化的固體，其大小及形狀是固定的，不因外來

27、作用而改變，即質(zhì)點(diǎn)系各點(diǎn)之間的距離是絕對(duì)不變的。理論力學(xué)的理論基礎(chǔ)是牛頓定律，它是研究工程技術(shù)科學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)。 固體力學(xué)包括材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)以及斷裂力學(xué)等。尤其是前三門力學(xué)在土木建筑工程上的應(yīng)用廣泛，習(xí)慣上把這三門學(xué)科統(tǒng)稱為建筑力學(xué)，以表示這是一門用力學(xué)的一般原理研究各種作用對(duì)各種形式的土木建筑物的影響的學(xué)科。 在二十世紀(jì)50年代后期，隨著電子計(jì)算機(jī)和有限元法的出現(xiàn)，逐漸形成了一門交叉學(xué)科即計(jì)算力學(xué)。計(jì)算力學(xué)又分為基礎(chǔ)計(jì)算力學(xué)及工程計(jì)算力學(xué)兩個(gè)分支，后者應(yīng)用于建筑力學(xué)時(shí)，它的四大支柱是建筑力學(xué)、離散化技術(shù)、數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)軟件。其任務(wù)是利用離散化技術(shù)和數(shù)值分

28、析方法，研究結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算機(jī)程序化方法，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和結(jié)構(gòu)分析圖像顯示等。 如按使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反應(yīng)的作用性質(zhì)分類，工程力學(xué)的許多分支都可以再分為靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)。例如結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，后者主要包括：結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論、波動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性理論。由于施加在結(jié)構(gòu)上的外力幾乎都是隨機(jī)的，而材料強(qiáng)度在本質(zhì)上也具有非確定性。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)50年代以來，概率統(tǒng)計(jì)理論在工程力學(xué)上的應(yīng)用愈益廣泛和深入，并且逐漸形成了新的分支和方法，如可靠性力學(xué)、概率有限元法等第二章 材料力學(xué)的應(yīng)用2.1 材料力學(xué)的定義材料力學(xué)：主要探討作用力對(duì)物體的內(nèi)效應(yīng)(物體形狀的改變)，研究桿件的拉壓彎剪扭變形特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)

29、行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析計(jì)算。2.2 材料力學(xué)的任務(wù)1. 研究材料在外力作用下破壞的規(guī)律 ； 2. 為受力構(gòu)件提供強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性計(jì)算的理論基礎(chǔ)條件； 3. 解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的矛盾。 2.3材料力學(xué)基本假設(shè) 1.連續(xù)性假設(shè)組成固體的物質(zhì)內(nèi)毫無空隙地充滿了固體的體積：2.均勻性假設(shè)在固體內(nèi)任何部分力學(xué)性能完全一樣：3.各向同性假設(shè)材料沿各個(gè)不同方向力學(xué)性能均相同：4.小變形假設(shè)變形遠(yuǎn)小于構(gòu)件尺寸，便于用變形前的尺寸和幾何形狀進(jìn)行計(jì)算研究。在人們運(yùn)用材料進(jìn)行建筑、工業(yè)生產(chǎn)的過程中，需要對(duì)材料的實(shí)際承受能力和內(nèi)部變化進(jìn)行研究，這就催生了材料力學(xué)。運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)可以分析材料的強(qiáng)度、剛

30、度和穩(wěn)定性。材料力學(xué)還用于機(jī)械設(shè)計(jì)使材料在相同的強(qiáng)度下可以減少材料用量，優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低成本、減輕重量等目的。在材料力學(xué)中，將研究對(duì)象被看作均勻、連續(xù)且具有各向同性的線性彈性物體，但在實(shí)際研究中不可能會(huì)有符合這些條件的材料，所以須要各種理論與實(shí)際方法對(duì)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較。材料在機(jī)構(gòu)中會(huì)受到拉伸或壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)及其組合等變形。根據(jù)胡可定律(hookes law)，在彈性限度內(nèi)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系。2.4 材料力學(xué)的研究對(duì)象2.4.1 桿件構(gòu)件的形狀可以是各式各樣的。材料力學(xué)主要研究對(duì)象是桿件。所謂桿件，是指是指長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向尺寸的變形體。如房屋中的梁、柱、屋架中的各

31、根桿等等。軸線為直線、橫截面相同的桿稱為等直桿。材料力學(xué)主要研究等直桿。2.4.2 桿件變形的基本形式桿件的受力有各種情況，相應(yīng)的變形就有各種形式。桿件變形的基本形式有四種：圖2.11拉伸或壓縮：這類變形是由大小相等方向相反，力的作用線與桿件軸線重合的一對(duì)力引起的。在變形上表現(xiàn)為桿件長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)或縮短。截面上的內(nèi)力稱為軸力。橫截面上的應(yīng)力分布為沿著軸線反向的正應(yīng)力。整個(gè)截面應(yīng)力近似相等。（見圖2.1a.b）2剪切：這類變形是由大小相等、方向相反、力的作用線相互平行的力引起的。在變形上表現(xiàn)為受剪桿件的兩部分沿外力作用方向發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。截面上的內(nèi)力稱為剪力。橫截面上的應(yīng)力分布為沿著桿件截面平面內(nèi)的的

32、切應(yīng)力。整個(gè)截面應(yīng)力近似相等。（見圖2.1c）圖2.13扭轉(zhuǎn)：這類變形是由大小相等、方向相反、作用面都垂直于桿軸的兩個(gè)力偶引起的。表現(xiàn)為桿件上的任意兩個(gè)截面發(fā)生繞軸線的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。截面上的內(nèi)力稱為扭矩。橫截面上的應(yīng)力分布為沿著桿件截面平面內(nèi)的的切應(yīng)力。越靠近截面邊緣，應(yīng)力越大。（見圖2.1d）4彎曲：這類變形由垂直于桿件軸線的橫向力，或由包含桿件軸線在內(nèi)的縱向平面內(nèi)的一對(duì)大小相等、方向相反的力偶引起，表現(xiàn)為桿件軸線由直線變成曲線。截面上的內(nèi)力稱為彎矩和剪力。在垂直于軸線的橫截面上，彎矩產(chǎn)生垂直于截面的正應(yīng)力，剪力產(chǎn)生平行于截面的切應(yīng)力。另外，受彎構(gòu)件的內(nèi)力有可能只有彎矩，沒有剪力，這時(shí)稱之為純剪

33、構(gòu)件。越靠近構(gòu)件截面邊緣，彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力越大。（見圖2.1e）工程實(shí)際中的桿件，可能同時(shí)承受不同形式的荷載而發(fā)生復(fù)雜的變形，但都可以看做以上四種基本變形的組合。2.5 組合變形在外力作用下，構(gòu)件同時(shí)產(chǎn)生兩種或兩種以上的基本變形，稱為組合變形。例如斜彎曲，是相互垂直的兩個(gè)平面彎曲的組合；軸向拉伸(壓縮)與彎曲的組合；以及扭轉(zhuǎn)和彎曲的組合等。2.6 組合變形在建筑工程的應(yīng)用2.6.1 組合變形強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)材料符合胡克定律、圣文南原理，小變形條件下，應(yīng)的疊加原理，對(duì)組合變形構(gòu)件的強(qiáng)度分析計(jì)算方法，可概括為：分解簡(jiǎn)明化按照基本算分析疊加法。具體方法：1將外力分解或簡(jiǎn)化為符合各基本變形外力作用條件的靜

34、力等效力系。 2按照各基本變形，計(jì)算出橫截面上內(nèi)力確定危險(xiǎn)截面位置及其內(nèi)力分量。根據(jù)應(yīng)力分布規(guī)律，確定危險(xiǎn)點(diǎn)的位置及其應(yīng)力分量。 3分析疊加作出危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，選擇適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度理論建立強(qiáng)度條件，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。由于受力方式的不同，組合變形在危險(xiǎn)截面上危險(xiǎn)點(diǎn)處疊加后的應(yīng)力狀態(tài)分別有兩種情況；一種是仍處于單向拉伸或壓縮應(yīng)力狀態(tài)，可直接應(yīng)用拉伸(壓縮)的強(qiáng)度條件。如斜彎曲，拉伸(壓縮)和彎曲的組合(包括偏心拉、壓)等。另一類同時(shí)存在有正應(yīng)力和剪應(yīng)力作用處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，則須用強(qiáng)度理論建立強(qiáng)度條件。如彎曲與扭轉(zhuǎn)的組合等2.6.2 組合變形位移計(jì)算1將外力分解或簡(jiǎn)化為符合各基本變形外力作用條件的靜力等效力

35、系。2按照各基本變形計(jì)算相應(yīng)的位移。3對(duì)于不同變形性質(zhì)的位移相互獨(dú)立，對(duì)于同一變形性質(zhì)的位移進(jìn)行疊加。2.7 壓桿穩(wěn)定壓桿穩(wěn)定是指當(dāng)細(xì)長(zhǎng)的受壓桿當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，受壓桿可能突然彎曲而破壞，即產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。由于受壓桿失穩(wěn)后將喪失繼續(xù)承受原設(shè)計(jì)荷載的能力，而失穩(wěn)現(xiàn)象又常是突然發(fā)生的，所以，結(jié)構(gòu)中受壓桿件的失穩(wěn)常造成嚴(yán)重的后果，甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)物的倒塌。工程上出現(xiàn)較大的工程事故中，有相當(dāng)一部分是因?yàn)槭軌簶?gòu)件失穩(wěn)所致，因此對(duì)受壓桿的穩(wěn)定問題絕不容忽視。所謂壓桿的穩(wěn)定，是指受壓桿件其平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。當(dāng)壓力p小于某一值時(shí)，直線狀態(tài)的平衡為穩(wěn)定的，當(dāng)p大于該值時(shí)，便是不穩(wěn)定的，其界限值p稱為臨界力。當(dāng)壓

36、桿處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)時(shí)，就稱為喪失穩(wěn)定或簡(jiǎn)稱失穩(wěn)。顯然，承載結(jié)構(gòu)中的受壓桿件絕對(duì)不允許失穩(wěn)。由于桿端的支承對(duì)桿的變形起約束作用，且不同的支承形式對(duì)桿件變形的約束作用也不同，因此，同一受壓桿當(dāng)兩端的支承情況不同時(shí)，其所能受到的臨界力值也必然不同。工程中一般根據(jù)桿件支承條件用“計(jì)算長(zhǎng)度”來反映壓桿穩(wěn)定的因素。不同材料的壓桿，在不同支承條件下，其承載力的折減系數(shù)也不同，所用的名稱也不同，例如鋼壓桿叫長(zhǎng)細(xì)比，鋼筋混凝土柱叫高寬比，砌體墻、柱叫高厚比，但這些都是考慮壓桿穩(wěn)定問題。2.8提高壓桿穩(wěn)定性的措施1.選擇合理截面形狀在其他條件相同情況下，截面的慣性矩i越大，則臨界力per越大，壓桿穩(wěn)定性就越好

37、。其臨界力越大，因此穩(wěn)定性最好。所以房屋的柱子多采用正方形、圓形和空心圓形等截面穩(wěn)定性好。2.減小壓桿的長(zhǎng)度減小壓桿的長(zhǎng)度，以增大臨界力，是提高壓桿穩(wěn)定性最有效的措施。在條件允許時(shí)，應(yīng)盡量使壓桿的長(zhǎng)度減小。例如塔架、井架、腳手架等。隔一定距離就要加橫向支撐，就是這個(gè)緣故。3.加強(qiáng)桿端約束結(jié)合拉（壓）桿的變形概念，在兩端鉸支壓桿中，其長(zhǎng)度系數(shù)為1，壓桿兩端鉸支約束較弱，臨界小容易失穩(wěn)，若將壓桿兩端改為兩端固定，可見臨界力增大了三倍，從而提高了壓桿的穩(wěn)定性，因此在條件允許時(shí)，應(yīng)盡可能加強(qiáng)桿段約束。4.合理選擇材料由歐拉公式可知，臨界力與材料的彈性橫量e成正比，選用e值較大的材料，可以增大壓桿的臨界

38、力，從而提高壓桿的穩(wěn)定性。但應(yīng)注意，各種鋼材的e值大致相同，因此，選用高強(qiáng)度鋼對(duì)提高細(xì)長(zhǎng)壓桿的臨界力是沒有意義的。第三章 結(jié)構(gòu)力學(xué)的應(yīng)用3.1 結(jié)構(gòu)的定義及分類建筑結(jié)構(gòu)是指在建筑物（包括構(gòu)筑物）中，由建筑材料做成用來承受各種荷載或者作用，以起骨架作用的空間受力體系。建筑結(jié)構(gòu)因所用的建筑材料不同，可分為混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、輕型鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)等。建筑結(jié)構(gòu)中常見結(jié)構(gòu)受力體系類型及施工方法分：1.混合結(jié)構(gòu)：磚混或磚木，塊材砌筑墻體（或用大型預(yù)制墻材安裝）、（木、預(yù)制或現(xiàn)澆混凝土）樓板 2.框架結(jié)構(gòu)：梁柱鋼接而成的受力體系，（鋼筋混凝土或者鋼材）預(yù)制柱、梁、板裝配；現(xiàn)澆混凝土柱、梁，

39、預(yù)制板；全現(xiàn)澆鋼筋混凝土 3.框架剪力墻結(jié)構(gòu)：現(xiàn)澆混凝土墻，現(xiàn)澆混凝土柱、梁，現(xiàn)澆板 4.剪力墻結(jié)構(gòu)：全裝配大板；內(nèi)澆外掛；全現(xiàn)澆（大模板、滑模）；配筋砌塊墻體，現(xiàn)澆構(gòu)造柱、芯柱和圈梁 5.框筒結(jié)構(gòu)：全現(xiàn)澆（大模板、滑模）； 6.筒中筒結(jié)構(gòu)：內(nèi)外各做成筒，一般內(nèi)筒為全現(xiàn)澆；外筒（現(xiàn)澆混凝土、鋼）做成密柱深梁形成筒體 7.鋼網(wǎng)架、懸索結(jié)構(gòu)3.2 建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用按所用材料分類：1.混凝土結(jié)構(gòu) 混凝土結(jié)構(gòu)包括素混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。其主要有點(diǎn)事強(qiáng)度高、整體性好、耐久性與耐火性好、易于就地取材、具有良好的可模型等。主要缺點(diǎn)是自重大、抗裂性差、施工

40、環(huán)節(jié)多、工期長(zhǎng)等。 2.砌體結(jié)構(gòu) 砌體結(jié)構(gòu)是由塊材和砂漿等膠結(jié)材料砌筑而成的結(jié)構(gòu)，包括磚砌體結(jié)構(gòu)、石砌體結(jié)構(gòu)和砌塊砌體結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于多層名用建筑。其主要有點(diǎn)事易于就地取材、耐久性與耐火性好、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低。主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度（尤其是抗拉強(qiáng)度）低、整體性差、結(jié)構(gòu)自重大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高等。 3.鋼結(jié)構(gòu)（圖3.1） 鋼結(jié)構(gòu)是由鋼板、型鋼等鋼材通過有效的鏈接方式所形成的結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑及高層建筑結(jié)構(gòu)中。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建筑的迅速發(fā)展，鋼產(chǎn)量的大幅度增加，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域有了較大的擴(kuò)展。可以預(yù)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)形式相比，其主要有點(diǎn)是強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)自重輕、材質(zhì)均勻，

41、可靠性好、施工簡(jiǎn)單、工期短、具有良好的抗震性能。主要缺點(diǎn)是易腐蝕、耐火性差、工程造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用較高。 4.木結(jié)構(gòu) 木結(jié)構(gòu)是指全部或大部分用木材料之所的結(jié)構(gòu)。由于木材生長(zhǎng)受自然條件的限制，砍伐木材對(duì)環(huán)境的不利影響，以及易燃、易腐、結(jié)構(gòu)變形大等因素，目前已較少采用。按承重結(jié)構(gòu)類型分類：1.磚混結(jié)構(gòu) 磚混結(jié)構(gòu)是指由砌體和鋼筋混凝土材料制成的構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)。通常，房屋的樓（屋）蓋由鋼筋混凝土的梁、板組成，豎向承重構(gòu)件采用砌體材料，她主要用于層數(shù)不多的住宅、宿舍、辦公樓、旅館等民用建筑。 2.框架結(jié)構(gòu) 框架結(jié)構(gòu)是指由梁和柱為主要構(gòu)件組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)框架結(jié)構(gòu)多采用鋼筋混凝土建造。

42、框架結(jié)構(gòu)具有建筑平面布置靈活，與磚混結(jié)構(gòu)相比具有較高的承載力、較好的延性和整體性、抗震性能較好等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)與民用建筑中獲得了廣泛應(yīng)用。但框架結(jié)構(gòu)仍屬柔性結(jié)構(gòu)，側(cè)向剛度較小，其合理建造高度一般為30m左右。 3.框架剪力墻結(jié)構(gòu) 框架激勵(lì)強(qiáng)結(jié)構(gòu)是指在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)縱橫方向適當(dāng)位置的柱與柱之間，布置厚度不小于160mm的鋼筋混凝土墻體，由框架和剪力墻共同承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系結(jié)合了框架和剪力墻各自的優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛使用于20層左右的高層建筑中。 4.剪力墻結(jié)構(gòu) 剪力墻結(jié)構(gòu)是指房屋的內(nèi)、外墻都做成實(shí)體的鋼筋混凝土墻體，利用墻體承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系的墻體較多，側(cè)向剛度大

43、，可建造比較高的建筑物，目前廣泛使用于住宅、旅館等小開間的高層建筑中。5.筒體結(jié)構(gòu) 筒體結(jié)構(gòu)是指由單個(gè)或多個(gè)筒體組成的空間結(jié)構(gòu)體系，其受力特點(diǎn)與一個(gè) 固定于基礎(chǔ)上的筒形懸臂構(gòu)件相似。一般可將剪力墻或密柱深梁式的框架集中到房屋的內(nèi)部或外圍形成空間封閉的筒體，使整個(gè)結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)大的抗側(cè)剛度和承載能力。根據(jù)筒體不同的組成方式，筒體結(jié)構(gòu)可分為框架筒體、筒中筒、組合筒三種結(jié)構(gòu)形式。 6.排架結(jié)構(gòu) 排架結(jié)構(gòu)是指由屋架（或屋面梁）、柱和基礎(chǔ)組成，且柱與屋架鉸接，與基礎(chǔ)剛接的結(jié)構(gòu)。多采用裝配式體系，可以用鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)建造，廣泛用于單層工業(yè)廠房建筑。3.3 結(jié)構(gòu)的基本要求一個(gè)好的建筑結(jié)構(gòu)必須能滿足安全、穩(wěn)

44、定性的要求。結(jié)構(gòu)力學(xué)所研究的內(nèi)容就是所有桿系結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求時(shí)的力學(xué)原理和方法。1.強(qiáng)度要求當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力、疲勞破壞或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)時(shí)，稱該結(jié)構(gòu)達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超出了承載能力極限狀態(tài)：整個(gè)結(jié)構(gòu)的一部分做為剛體失去平衡（如滑移或傾覆等）；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因其應(yīng)力超過材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞），或因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系而喪失承載能力；結(jié)構(gòu)因達(dá)到臨界荷載而喪失穩(wěn)定。2.剛度要求結(jié)構(gòu)的剛度是指結(jié)構(gòu)能夠限制作用力所產(chǎn)生的變形的一種性質(zhì)，這是屬于結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的問題。可見，在荷載不變的情況

45、下，結(jié)構(gòu)的剛度大，結(jié)構(gòu)的相應(yīng)變形小；結(jié)構(gòu)的剛度小，結(jié)構(gòu)的變形大。一棟建筑物在施加各種設(shè)計(jì)所允許的作用力后，即不應(yīng)該發(fā)生倒塌性的破壞，也不應(yīng)該出現(xiàn)過大的變形。結(jié)構(gòu)一旦由于過分柔軟（即剛度很小，而柔度很大）而出現(xiàn)過大的變形，超越正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)便失去了它的使用功能。例如，吊車梁或樓板梁在荷載等因素作用下，雖然滿足強(qiáng)度要求，即不至破壞，但梁的變形過大，超出所規(guī)定的范圍，也影響正常工作和使用。3.穩(wěn)定性要求穩(wěn)定問題。對(duì)于比較細(xì)長(zhǎng)的中心受壓桿，當(dāng)壓力超過某一定壓力時(shí)，桿就不能保持直線形狀，而突然從原來的直線形狀變成曲線形狀，改變它原來受壓的工作性質(zhì)而發(fā)生破壞。例如，房屋承重的柱子，過細(xì)、過高，就可

46、能由于柱子的失穩(wěn)而導(dǎo)致整個(gè)房屋的突然倒塌。工程中由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生，加拿大魁北克大橋、美國(guó)華盛頓劇院的倒塌事故，1983年北京某科研樓興建中腳手架的整體失穩(wěn)等都是工程結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的典型例子。隨著工程結(jié)構(gòu)向高層、大跨方向發(fā)展，所用材料向高強(qiáng)度方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)中部件或整體平衡狀態(tài)喪失穩(wěn)定性的可能性增大。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除須保證足夠的強(qiáng)度和剛度外，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性也就日顯重要。第4章 建筑力學(xué)應(yīng)用4.1. 建筑力學(xué)在工程中的應(yīng)用4.1.1固體力學(xué)方面：建筑力學(xué)在工程中的應(yīng)用，經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的模型和體系可能被突破，它們可能將包括某些對(duì)宏觀力學(xué)行為起敏感作用的細(xì)觀和微觀因素，以及它們的

47、演化，從而使復(fù)合材料的強(qiáng)化、韌化和功能化立足于科學(xué)的認(rèn)識(shí)之上固體力學(xué)將融匯力-熱-電-磁等效應(yīng)，機(jī)械力與熱、電、磁等效應(yīng)的轉(zhuǎn)換和控制，從而解決微機(jī)械、微工藝、微控制等方面急需解決的問題。固體力學(xué)中非線性動(dòng)力學(xué)、非平衡統(tǒng)計(jì)和熱力學(xué)的概念和方法將大大豐富起來。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，分子動(dòng)力學(xué)等微觀模擬方法、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的仿真分析將更大規(guī)模更迅速地在固體力學(xué)和工程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用和發(fā)展。固體力學(xué)的上述發(fā)展，必將推動(dòng)科學(xué)和工程技術(shù)的巨大進(jìn)步。4.1.2流體力學(xué)方面：建筑力學(xué)在工程中的應(yīng)用為了盡可能多地開采地下油氣，需要深入研究滲流機(jī)理并定量化。它的研究還有助于了解各種新陳代謝的宏觀機(jī)制?；ち鞒痰脑O(shè)計(jì)，很大

48、程度上歸結(jié)為流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算問題。由于流動(dòng)的復(fù)雜性，針對(duì)若干典型化工設(shè)備進(jìn)行深入的研究，將為化工設(shè)計(jì)和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化等提供新方法和基礎(chǔ)。而復(fù)雜流場(chǎng)計(jì)算需要各種計(jì)算方法和理論，必須發(fā)展新的計(jì)算機(jī)軟硬件，這就必須在計(jì)算流體力學(xué)上投入更大的力量。為了盡可能多地開采地下油氣，需要深入研究滲流機(jī)理并定量化。它的研究還有助于了解各種新陳代謝的宏觀機(jī)制?；ち鞒痰脑O(shè)計(jì)，很大程度上歸結(jié)為流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算問題。由于流動(dòng)的復(fù)雜性，針對(duì)若干典型化工設(shè)備進(jìn)行深入的研究，將為化工設(shè)計(jì)和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化等提供新方法和基礎(chǔ)。而復(fù)雜流場(chǎng)計(jì)算需要各種計(jì)算方法和理論，必須發(fā)展新的計(jì)算機(jī)軟硬件，這就必須在計(jì)算流體力學(xué)上投入更大的力量。4

49、.1.3一般力學(xué)方面：建筑力學(xué)在工程中的應(yīng)用隨著技術(shù)的發(fā)展，諸如機(jī)器人、人造衛(wèi)星和高速列車等等領(lǐng)域的發(fā)展，亟需解決多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和控制、大尺度柔性部件和液體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、車輛與軌道作一個(gè)高度復(fù)雜非線性系統(tǒng)等的建模，求解理論和方法等的研究分析。一般力學(xué)近來已經(jīng)進(jìn)入生物體運(yùn)動(dòng)的研究，例如研究人和動(dòng)物行走、奔跑及跳躍中的力學(xué)問題。其研究結(jié)果可提供生物進(jìn)化論方向的理性認(rèn)識(shí)，也可為提高某些機(jī)構(gòu)、機(jī)械的性能提供指導(dǎo)。4.1.4力學(xué)與其他學(xué)科的交叉：建筑力學(xué)在工程中的應(yīng)用所為學(xué)科的交叉可分三類：1)學(xué)科內(nèi)部不同分支交叉，例如流體彈性力學(xué)；2)兩不同學(xué)科間的交叉，例如物理力學(xué)；3)兼有前兩者的特點(diǎn)，例如爆炸力

50、學(xué)、物理化學(xué)滲流、生物力學(xué)等。交叉學(xué)科并非兩個(gè)學(xué)科或分支學(xué)科的簡(jiǎn)單加合，它基于源學(xué)科又有區(qū)別，它的發(fā)展有利于發(fā)展新學(xué)科并促進(jìn)源學(xué)科的發(fā)展。20世紀(jì)力學(xué)已經(jīng)與工程交叉產(chǎn)生了工程力學(xué)，與地學(xué)結(jié)合產(chǎn)生了地球流體力學(xué)，與生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)結(jié)合產(chǎn)生了生物力學(xué)等等。4.1.5力學(xué)與物理學(xué)的進(jìn)一步交叉：建筑力學(xué)在工程中的應(yīng)用從20世紀(jì)50年代開始，力學(xué)家提出了物理力學(xué)，目的是通過物質(zhì)微觀分析，把有關(guān)物質(zhì)宏觀力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以整理和總結(jié)，找出其規(guī)律，從而預(yù)見新的材料性質(zhì)。此分支學(xué)科一提出就得到了多方響應(yīng)并取得了部分成果。例如，在高溫氣體、氣體激光器和核物理研究中都取得了喜人的成果。但是，在用物理力學(xué)方法解釋固

51、體的塑性、強(qiáng)度、損傷和斷裂等方面，卻遇到了極大的困難。力學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué)，也是技術(shù)科學(xué)。希望大家能喜愛它，從而下決心學(xué)好它。4.2 施工力學(xué)的大跨度應(yīng)用施工力學(xué)在大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用已經(jīng)是當(dāng)今工程界和學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)課題,該方面研究工作需要對(duì)作為其力學(xué)基礎(chǔ)的時(shí)變力學(xué)有清楚的認(rèn)識(shí)和理解。本文在前人工作的基礎(chǔ)上,針對(duì)工程界亟待解決的大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工相關(guān)問題,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用施工力學(xué)方法進(jìn)行了研究,取得了一定的效果。主要工作如下: 1.對(duì)施工力學(xué)的研究特點(diǎn)及分類進(jìn)行了分析,完善了土木工程施工力學(xué)研究的課題以及施工力學(xué)效應(yīng)。作為研究對(duì)象的施工力學(xué)理論基礎(chǔ),重點(diǎn)討論了時(shí)變力學(xué)主要研究?jī)?nèi)容以及施工力學(xué)基

52、本方法和特點(diǎn),給出了相應(yīng)問題的時(shí)變力學(xué)基本方程和有限元算式。2.討論了大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)數(shù)值分析方法、特點(diǎn)和參數(shù)時(shí)變的意義,針對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)幾何及邊界條件隨時(shí)間不斷變化這一施工力學(xué)分析難點(diǎn),基于結(jié)構(gòu)分段安裝以及先裝和后裝可通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)造預(yù)夾角的概念,提出“生死”子結(jié)構(gòu)先后獨(dú)立求解,調(diào)整“死”結(jié)構(gòu)邊界節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)約束條件的施工模擬方法,推導(dǎo)了“生死”子結(jié)構(gòu)的有限元方程。通過典型算例驗(yàn)證方法的有效性及先進(jìn)性,并進(jìn)行了實(shí)際工程分析。 3.基于深圳會(huì)展中心工程施工和使用期鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合結(jié)構(gòu)主梁、下弦鋼棒以及邊界約束條件時(shí)變的特點(diǎn),進(jìn)行了全過程“生死單元法”及本文方法的模擬計(jì)算和分析

53、?？紤]幾何非線性以及胎架的支撐與落架,模擬了多種載荷條件下構(gòu)件受力和變形,比較分析了三種數(shù)據(jù)及變化規(guī)律;同時(shí)進(jìn)行了拆撐過程路徑相關(guān)性分析和探討,得出了一些有益結(jié)論,供設(shè)計(jì)和施工者借鑒。 4.張弦梁找形分析屬于施工力學(xué)逆解問題,討論了考慮大變形情況下應(yīng)用溫降法和初應(yīng)變法模擬施加預(yù)應(yīng)力時(shí)單元?jiǎng)偠群蛻?yīng)力產(chǎn)生偏差的問題,提出了相應(yīng)應(yīng)力和剛度的修正方法;借鑒機(jī)械結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊力的概念,給出了模擬張弦梁預(yù)張拉的有效方法并克服了上述方法的弱點(diǎn),通過典型算例驗(yàn)證了方法的有效性。 5.鑒于張弦梁張拉過程撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)體系受力和變形影響大,選擇張拉前后撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)量極小化為優(yōu)化目標(biāo),提出了線性預(yù)測(cè)-非線性校正的優(yōu)化方法

54、。算例分析了方法的有效性,同時(shí)發(fā)現(xiàn)三種拉拔預(yù)張拉方式中,從中間跨通過花籃螺栓預(yù)張拉相對(duì)較好的優(yōu)化結(jié)果,對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工具有一定的實(shí)際意義。第5章 建筑力學(xué)在工程中的實(shí)例51 薄圈石拱橋的承載力中國(guó)古代石拱橋因南北河道性質(zhì)及陸上運(yùn)輸工具不同，所以構(gòu)造不同。北方大多為平橋（或平坡橋），實(shí)腹厚墩厚拱,如北京宛平盧溝橋（圖17.1.1）。而南方水網(wǎng)地區(qū)以舟行為主，且多潮汐河流、軟土地基，則為駝峰式薄墩薄拱。薄拱的拱厚最小者僅為拱跨的1/66.7（資料取自中國(guó)橋梁），而一般拱厚為1/20左右。薄墩薄到相鄰兩拱圈的拱石相接的程度，如浙江杭州拱宸橋（圖17.1.2），橋呈駝峰形，造型美觀。圖17.1.1

55、典型的北方石拱橋 圖17.1.2 薄圈石拱橋福州城內(nèi)現(xiàn)存的未曾命名卻聞名于世的古代石拱橋“福州小橋”，就是典型的薄圈石拱橋。這是一座福州城向南發(fā)展的歷史見證，一般認(rèn)為，先有小橋，后有大橋。而歷經(jīng)七百年的元代萬壽橋（大橋）現(xiàn)已壽終正寢，惟余這座古代石橋具有考證古文物的保存價(jià)值?？赡芎芏嗳诉€沒有意識(shí)到“小橋”的學(xué)術(shù)價(jià)值竟可與“趙州橋”相提并論，它是福建古石橋的兩大奇跡之一。1937年與茅以升院士合作建造舉世聞名的錢塘江大橋（我國(guó)第一座公鐵兩用橋）的羅英總工程師，在中國(guó)石橋?qū)Ｖ刑岬礁Ｖ菪?，還附有照片（圖17.1.3）。書中寫道：“在福州市內(nèi)有一座石拱橋，為粗石料未琢制整齊的方塊石干砌而成，拱石圈

56、只有20公分厚，上鋪瀝青路面約10公分厚，在福州市主要街道八一（七）大路上，車輛經(jīng)過該橋者，每日逾千，有時(shí)還通行18.6噸重車，不能不說是奇特?！保ㄍ瑫r(shí)被提到的奇跡還有，每根石梁重達(dá)200余噸的漳州虎渡橋，即江東橋）12。確實(shí)，在1970年福州閩江大橋建成之前，這里幾乎是北上“福溫線”，南下“福廈線”的唯一通道，交通量成倍增長(zhǎng)，而且老一輩對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)年代通過坦克還記憶猶新，可見該橋承載力和耐久性的驚人之處，這是一座很有鑒賞和研究?jī)r(jià)值的古橋。隨著舊城改造，如今已被封 圖17.1.3古代石拱橋福州小橋 圖17.1.4 改建中的福州小橋從被挖開的一角看，干砌的拱圈上表面粘結(jié)覆蓋著一層異常堅(jiān)硬的三合土層（見

57、圖 17.1.4），它對(duì)主拱圈的穩(wěn)定和超常的承載力功不可沒。干砌塊石表面的摩阻力對(duì)拱圈的抗剪也起一定作用。結(jié)構(gòu)力學(xué)分析薄圈石拱橋承載力是從力的平衡、變形的協(xié)調(diào)、材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系三方面來考慮，若石拱橋是三鉸拱靜定結(jié)構(gòu)，則平衡狀態(tài)是唯一的。若屬超靜定結(jié)構(gòu)，則存在無限多個(gè)平衡狀態(tài)，在長(zhǎng)年使用過程的各種外因（如支承變位、聯(lián)結(jié)松動(dòng)等）作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)總是在不斷調(diào)整，以適應(yīng)新的環(huán)境。結(jié)構(gòu)自適應(yīng)能力的限度也就是石拱結(jié)構(gòu)的極限承載能力，因此可用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的極限分析概念和方法來大致評(píng)價(jià)石拱橋的承載能力。石拱橋的破壞是由于荷載等外因使拱圈的某些截面開裂，形成三個(gè)以上的鉸而使拱成為機(jī)構(gòu)，失去平衡。在極限分析中，對(duì)石材拱圈作如下簡(jiǎn)化假定：拱圈石之間無抗拉能力（干砌）；拱圈石之間可傳遞無限大壓應(yīng)力（石料抗壓強(qiáng)度大，很少因壓碎破壞）；拱圈石之間無剪切移動(dòng)（摩擦力足夠大，實(shí)際中也少見剪切移動(dòng)）。根據(jù)上述三個(gè)假定，拱圈達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，兩拱石之間出現(xiàn)裂縫，