河北工程大學 結構力學 第一章 緒論

1、1結構力學河北工程大學土木工程學院結構力學教研組周書敬 郭延華2目錄結構力學(I)第一章 緒論第二章 平面體系的幾何構造分析第三章 靜定結構的受力分析第四章 影響線第五章 靜定結構的位移計算第六章 力法第七章 位移法第八章 漸近法3結構力學(II)第十 章 矩陣位移法第十三章 結構的動力計算第十五章 結構的塑性分析與極限荷載目錄結構力學教程(I)、(II)龍馭球 包世華 主編龍馭球 包世華 匡文起 袁駟 編著高等教育出版社4第一章 緒 論1-1 結構力學的內容和學習方法1-2 結構計算簡圖51-1 結構力學的內容和學習方法一、結構 建筑物或構筑物中承受、傳遞荷載而起骨架作用的部分稱為結構。 如

2、：房屋中的梁柱體系、橋梁、水壩等等都是工程結構的例子。 結構的作用結構的作用：起承受：起承受和傳遞荷載的作用。和傳遞荷載的作用。 6萬里長城中國萬里長城是世界上修建時間最長，工程量最大的冷兵器戰(zhàn)爭時代的國家軍事性防御工程，凝聚著我們祖先的血汗和智慧，是中華民族的象征和驕傲。秦始皇為了修筑長城動用了30萬人，創(chuàng)造了人類建筑史上的奇跡。 在建筑材料和建筑結構 上以“就地取材、因材施用”的原則，創(chuàng)造了許多種結構方法。有夯土、塊石片石、磚石混合等結構；在沙漠中還利用了紅柳枝條、蘆葦與砂粒層層鋪筑的結構。有“山險墻、劈山墻、關城、烽火臺”延續(xù)建筑達2000年。 7天安門城樓天安門城樓大殿為重檐歇山式屋頂

3、，天安門城樓為木結構建筑，大殿飛檐下令人眼花繚亂而又排列有序的斗拱和梁枋。斗拱為我國傳統(tǒng)木構架體系中獨有，是斗形木弓形橫木組成的具有翹、昂、拱特點的木制構件。梁枋又分額枋、檐枋，斗拱下面是額枋，上面彩畫和金龍圖案，柱子之間的構件叫檐枋，會有金龍和璽圖案。天安門城樓大殿內有60根直徑為92厘米的紅漆木柱，承受著屋頂建筑大部分重力。 8國家大劇院 9國家大劇院內部 10國家大劇院內部 11國家大劇院內部 12 國家大劇院中心建筑為獨特的殼體造型，高46.68米，地下最深32.50米,周長達600余米，周圍是面積達3.55萬平方米的人工湖水面。 1、6750噸鋼梁架起中國第一大穹頂：殼體結構由一根根

4、弧形鋼梁所組成，是目前我國跨度最大的殼體鋼結構建筑。如此巨大的鋼架結構中間沒有一根柱子支撐，重達6750噸的鋼結構完全可以依靠自身的力學結構體系來保證安全穩(wěn)定。它對殼體的整體穩(wěn)定性、整體剛度和抗震、抗風荷載、抗雪荷載及拼接、安裝等都有很高的技術要求。 2、超深基礎施工：地下最深達到32.5米，是目前北京地區(qū)公共建筑最深的地下工程。 3、鈦金屬的安裝：殼體表面鈦板面積達3萬平方米，由18398塊鈦金屬板組成。由于是橢圓體、雙曲面，所以每塊鈦板的形狀，角度、弧度各不相同，加之鈦金屬板的厚度只有0.44毫米，因此對加工、制作、安裝技術要求很高。 4、石材全部國產(chǎn)：共使用了20多種天然石材。13三峽大

5、壩2006年5月，全長2309米的三峽大壩全線建成，全線澆筑達到設計高程海拔185米，是世界上規(guī)模最大的混凝土重力壩。壩頂總長3035米，壩頂高程185米 14印度泰姬陵陵墓主殿四角都有圓柱形高塔一座，特別的地方是每座塔均向外傾斜12度，若遇上地震只會向四方倒下，而不會影響主殿。 印度泰姬陵 是世界七大建筑奇跡之一 15意大利比薩斜塔公元1174年動工，1350年完工，是8層圓柱形建筑。塔高545米，塔身墻壁底厚約 4米，頂部厚2米多，從下而上，外圍8重拱形券門，由底層15根圓柱，中間6層各31根圓柱，頂層12根圓柱，建成213個拱形券門而成。 塔由于造基不慎，到第3層出現(xiàn)傾斜，被迫停建達一個

6、世紀，后來繼續(xù)施工。建成時，塔頂中心偏離垂直中心線21米。600多年以來，塔身繼續(xù)而緩慢地傾斜，所以稱為“斜塔”。 16巴黎凱旋門凱旋門建成于1836年。它只有一個拱洞，上為桶形穹窿，高50米，寬45米。 17埃菲爾鐵塔18吉隆坡石油雙塔19 橋梁20趙州橋21青馬大橋22舊金山大橋結構力與美的欣賞picture.ppt23二、結構分類（從幾何角度分類）1. 桿系結構鋼結構梁、柱由桿件長度l遠大于橫截面尺寸b、h的細長桿組成的結構。24埃菲爾鐵塔252. 板殼結構(薄壁結構薄壁結構)悉尼歌劇院厚度遠小于其長度和寬度的結構。26清華大禮堂273. 實體結構(塊體結構塊體結構)長、寬、高三個尺寸相

7、近的結構。三、結構力學研究的任務、對象和內容1、結構力學 結構力學研究由細長桿件組成的平面桿系結構，如：梁、桁架、剛架、拱及組合結構等。 (1) 結構力學是固體力學的一個分支； (2) 結構力學是以結構(建筑)為研究對象的。 力學：固體力學、流體力學、空氣動力學等。28 固體力學：理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學、巖體力學、斷裂力學 。2、結構力學的任務(1) 研究結構的組成規(guī)律和合理形式，合理選擇計算簡圖。 組成規(guī)律：保證結構各部分之間不發(fā)生相對運動，使結構能承受荷載，并且能夠維持平衡。 合理形式：有效利用材料，使其性能得以充分發(fā)揮。29 (2) 研究在靜荷載作用下，結構的內

8、力和變形的計算原理和方法； (3) 研究在動荷載作用下，結構的動力反應 (動內力、動位移)的計算原理和方法； (4) 研究在靜荷載作用下，結構的穩(wěn)定性的計算原理和方法； (5) 研究在靜荷載作用下，結構的極限承載力的計算原理和方法；304. 研究內容 (1) 平面桿件體系的幾何構造分析； 幾何構造分析主要是討論幾何不變體系的組成規(guī)律，因為只有幾何不變體系才能作為結構來使用。 (2) 承載能力的計算(結構選定后) ； 內力分析：FN(軸力)、FQ(剪力)、M(彎矩)；3、研究對象 研究由細長桿件組成的平面桿系結構: 梁、桁架、剛架、拱及組合結構等。31 強度計算在于保證結構物使用中的安全性，并符

9、合經(jīng)濟要求。 變形計算：在彈性范圍內。 剛度計算在于保證結構物不會產(chǎn)生過大的變形從而影響使用。 (3) 動力反應：動荷載作用下的動內力和動位移(電機轉動、地震等)。 動力分析是研究結構的動力特性以及在動荷載作用下的動力反應-結構受到的地震力、結構的位移、速度、加速度及動內力等。32 (4) 穩(wěn)定分析、塑性分析：結構變形進入塑性階段以后的問題； 穩(wěn)定性驗算在于保證結構不會產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。 極限荷載的求解是為了充分發(fā)揮結構的承載能力，由討論結構的彈性計算轉變?yōu)樗苄杂嬎恪?(5) 桿系結構的矩陣位移分析：適合電算的方法。335、結構力學與其它學科的關系 結構力學是理論力學、材料力學的后續(xù)課程、屬于專業(yè)

10、(技術)基礎課。在后續(xù)課程中，結構力學除與彈性力學性質相近外，又為鋼筋混凝土結構、鋼木結構、水工結構等專業(yè)課提供力學基礎。 各學科的任務：理論力學討論物體機械運動的基本規(guī)律；材料力學(結構力學、彈性力學)是研究單根桿件(桿系結構、實體結構和板殼結構)的強度、剛度和穩(wěn)定性的計算原理和計算方法。34四、學習方法和注意事項 首先，要充分認識到結構力學課程對本專業(yè)的重要性。1、學習方法 (1) 一定注意分析方法和解題思路，從具體問題的算法中學習分析問題的一般方法。 如：從“已知未知”；“整體局部整體”的方法。 (2) 認真聽課、做好筆記，提高聽課效果。35 (3) 多練，必須獨立、高質量的完成作業(yè)。2

11、、注意事項 (1) 切忌不看書、不復習、照例題埋頭作習題； (2) 切忌貪多求快、不求甚解； (3) 切忌照答案湊數(shù)、不會自己校核； (4) 切忌不改正錯題、不接受教訓。 結構力學是一門古老的科學，其理論的經(jīng)典部分幾乎已經(jīng)達到盡善盡美的程度，但它又是不斷發(fā)展的科學，含義如下：36 (1) 新結構層出不窮要求從理論和實踐上加以解決； (2) 計算機的發(fā)展使結構力學獲得了新生，提高了精度和適度； (3) 各力學學科間互相滲透擴展了計算原理和計算方法； (4) 關于“優(yōu)化設計”問題電算產(chǎn)生以前提出的有可能解決的問題正逐步得到解決。371-2 結構計算簡圖一、支座和支座反力1. 固定支座AB模型工程實

12、例把結構與基礎聯(lián)結起來的裝置稱為支座。 38簡圖：特點：（1) 桿端截面A不產(chǎn)生線位移和角位移；（2) 桿端截面A有反力矩以及沿x、y方向的反力。xAFyAFAMAA392. 固定鉸支座特點：(1) 桿端截面A無線位移，可以自由轉動；(2) 桿端截面A產(chǎn)生沿x、y方向的反力。模型AxAFyAFxAFyAFA403. 輥軸支座（活動鉸支座）特點：（1) 桿端A產(chǎn)生垂直于鏈桿方向的線位移；（2) 桿端A產(chǎn)生的支座反力沿鏈桿方向作用。AyAFA414. 滑動支座（定向支座）特點： （1）桿端A無轉角，不能產(chǎn)生沿鏈桿方向的線位移，可以產(chǎn)生垂直于鏈桿方向的線位移； （2）桿端A存在反力矩以及沿鏈桿方向的

13、反力。模型AyAFAMAyAFAMA425、伸縮彈性支座yF特點： （1）只有豎向支座反力Fy； （2）豎向可有一定的彈性變形，可轉動和水平移動。6、 旋轉彈性支座MxFyFyFxFMxFyFM43特點： （1）有支反力矩M、水平支反力Fx和豎向支反力Fy ； （2）不允許豎向位移和水平位移，可有一定轉角彈性變形。44二、幾種桿系結構1. 梁1）單跨梁超靜定梁1（一端固定一端簡支梁） 靜定梁（簡支梁）超靜定梁2（兩端固定梁） 超靜定梁3（一端固定一端滑動梁） 452）多跨梁靜定多跨梁連續(xù)梁（超靜定）梁的特點： 梁的軸線通常為直線，在豎向荷載作用下，截面存在彎矩、剪力和軸力。462. 剛架靜定剛

14、架超靜定剛架剛架的特點： （1）剛架通常由梁和柱等直桿組成，桿件與桿件連結的結點多為剛結點； （2）荷載作用下桿件截面存在彎矩、剪力和軸力。473. 拱拉桿拱拉桿無鉸拱三鉸拱HFHFPFVFVF拱的特點： （1) 拱的軸線為曲線，在豎向荷載作用下支座有水平推力FH （見圖)； （2) 拱軸截面的軸力較大，彎距和剪力較小。484. 桁架和組合結構靜定桁架超靜定桁架特點： 桁架由直桿組成，所有結點都是鉸結點，荷載作用于結點上，各桿只受軸力；49 特點：組合結構則是由梁式桿和鏈桿組成，其中梁式桿以受彎為主，內力不僅有軸力，還有彎矩和剪力。 按空間觀點分為平面結構和空間結構。 平面結構：各桿的軸線和外

15、力作用線都在同一平面內； 空間結構：各桿的軸線不在同一平面內。組合結構50三、 荷載 按計算特性分為靜定結構和超靜定結構。 靜定結構：桿件的內力(包括反力)可由平衡條件唯一確定； 超靜定結構：桿件的內力(包括反力)由平衡條件還不能唯一確定，而必須同時考慮變形條件才能唯一確定。 荷載：主動作用于結構的外力(自重、水壓力和土壓力)。51 廣義荷載：還包括溫度變化、基礎沉陷、材料收縮等。 荷載的確定是結構設計中極為重要的工作。 荷載如果估計過大，則設計的結構會過于笨重，造成浪費；荷載如果估計過低，則設計的結構將不夠安全。 荷載可以根據(jù)不同特征進行分類： 1、按荷載作用時間長短可分為： 恒載：永久作用在結構上的荷載。如自重等。52 活載：荷載有時作用在結構上，有時又不作用在結構上。如：樓面活荷載，雪荷載。 2、按荷載作用位置可分為： 固定荷載：作用位置不變的荷載，如自重等。 移動荷載：作用在結構上的荷載位置是移動的，如吊車荷載、橋梁上的汽車和火車荷載。3、按荷載作用的性質可分為： 靜荷載：荷載的大小、方向、位置不隨時間變化或變化很緩慢的荷載。恒載都是靜荷載。53 動荷載：荷載的大小、方向隨時間迅速變化，使結構產(chǎn)生顯著振動，結構的質量承受的加速度及慣性力不能忽略?；秃吮ǖ臎_擊波荷載、地震荷載和風荷載等都是動力荷載。 注意：車輛荷載、風載和地震荷載通常在設計中簡化為靜力荷載，但在