第4章_土木工程中的力學(xué)和結(jié)構(gòu)概念

1、第4章 土木工程中的 力學(xué)和結(jié)構(gòu)概念4.1、力、力矩、平衡4.2、外力、內(nèi)力和反力4.3、荷載、作用和效應(yīng)4.4、結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)失效4.5、土木工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法土木工程要解決的問題之一是建造抵御自然或人為作用力的空間和通道，就必然會遇到大量的力學(xué)和結(jié)構(gòu)問題。本章闡述土木工程中一些最基本的力學(xué)與結(jié)構(gòu)概念。結(jié)構(gòu)模型大賽建筑結(jié)構(gòu)計算機建模4.1 4.1 力、力矩和平衡力、力矩和平衡力（Force）是一種物體間有方向的作用，有大小方向?？捎檬噶勘硎尽Ｖ亓Γ何矬w重量產(chǎn)生的作用力，方向指向地球中心，作用點在該物體的中心。力矩和平衡的概念A(yù)lexander Calder提出的裝置力矩（Moment，土木中稱彎

2、矩）：力距離轉(zhuǎn)動平衡：對同一點所有力矩之和為0，即轉(zhuǎn)動效應(yīng)之和為0。移動平衡：對同一物體所有力之和為0，即處于不移動的靜止?fàn)顟B(tài)。力：是一種物體間有方向的相互作用；這種相互作用有使物體改變原來形狀或改變運動方向的效應(yīng)；力是既有量值又有方向的矢量。力矩：是力對物體產(chǎn)生繞某一軸轉(zhuǎn)動作用的物理量，其大小等于力與力臂（力的作用線到該軸的垂直距離）的乘積；力矩在土木工程中習(xí)稱彎矩。平衡：力矩既可順時針方向轉(zhuǎn)動，也可按逆時針方向轉(zhuǎn)動，當(dāng)兩個方向轉(zhuǎn)動效應(yīng)之和為零時，稱物體處于平衡狀態(tài)。思考：全橋彎曲下垂，說明橋身承有內(nèi)力，橋身的上下承受什么力橋身兩端固定處承受反力對任何一個土木工程的結(jié)構(gòu)而言，力有外力、內(nèi)力和

3、反力之分。人體、重物的重力和木橋自重是外力4.2、外力、內(nèi)力和反力橋身承受扭曲倘若橋的兩端曾可能被鋸過又接了起來，當(dāng)人拿著重物走上去，橋身必然像被剪切般地下落。現(xiàn)在橋身沒有被鋸，受力后完好無損，說明橋身還承受有剪切力。橋身承受剪切再如果將重物放在橋的一側(cè)，全橋還將受到扭曲。這些拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭曲就是橋身承受內(nèi)力的結(jié)果。人和重物能靜止地位于橋上，說明它的外力、反力和內(nèi)力作用處于平衡狀態(tài)。獨木橋是最簡單的例子，所有土木工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)，無論大小、重輕、厚?。ù笕绱髽?、小如小木屋）都處于外力、內(nèi)力和內(nèi)力作用下的平衡狀態(tài)。它承受的內(nèi)力無非是下列5種以及它們的組合土木工程結(jié)構(gòu)的5種內(nèi)力特征：土木

4、工程結(jié)構(gòu)就是通過 5種內(nèi)力的基本作用，將施加在結(jié)構(gòu)上的力傳遞給地球（基礎(chǔ)下的土層），基礎(chǔ)給予結(jié)構(gòu)的則是作用在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的反力。受剪發(fā)生剪切變形在土木工程中：拉力以N表示；壓力以N表示；彎矩以M 表示；剪力以V 表示；扭矩以MT 表示。4.3、荷載、作用和效應(yīng)直接施加在土木工程結(jié)構(gòu)上的外力是由荷載引起的。如果地球沒有引力，自然界沒有風(fēng)吹、雨雪，荷載就不會存在，土木工程也就不需要結(jié)構(gòu)。土木工程結(jié)構(gòu)要有能抵御自然或人為的作用力的能力，因此，了解作用在結(jié)構(gòu)上的荷載有那些，其性質(zhì)如何非常重要。作用與作用效應(yīng)的基本概念作用分為直接作用：是指能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)的各種原因的總稱。作用和間接作用。1 荷載（直接作

5、用）荷載是直接以力的形式作用于結(jié)構(gòu)，如結(jié)構(gòu)自重、行人或車輛的重量、風(fēng)壓力、土壓力、水壓力等。作用效應(yīng)：作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的總稱。能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用效應(yīng)的原因有兩種：一種是施加在結(jié)構(gòu)上集中力和分布力，如結(jié)構(gòu)自重，作用于樓面的人群、家具、設(shè)備，作用于橋面的車輛、人群，施加于結(jié)構(gòu)物上的風(fēng)壓力、水壓力、土壓力等，它們都是直接施加于結(jié)構(gòu)上（直接作用），工程界習(xí)稱為“荷載”；另一種是施加于結(jié)構(gòu)上的外加變形或約束變形，如地震、基礎(chǔ)沉降、材料收縮和徐變、溫度變化引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用效應(yīng)，它們都是間接作用于結(jié)構(gòu)（間接作用） 。荷載是指直接作用在結(jié)構(gòu)上的外加力。 恒載（永久荷載）指使用期間永久施加在結(jié)構(gòu)上,其

6、值不隨時間變化的荷載。作用在工程結(jié)構(gòu)上的恒載類型主要有：結(jié)構(gòu)自重、墻面、地面、屋面、橋面以及建筑物內(nèi)的固定裝置等。樓板大梁樓面內(nèi)隔斷墻體及內(nèi)裝飾窗門（2） 活載（可變荷載）：指在使用期間施加在結(jié)構(gòu)上、其值可隨時間變化或移動的荷載。作用在工程結(jié)構(gòu)上的活載有多種類型，如：使用活載、移動的設(shè)備及車輛活載、風(fēng)載、雪載等。 使用活載：包括樓面活載、屋面活載。家具家具家具人群可移動設(shè)備可移動設(shè)施橋梁上的汽車荷載T1、T2、T3、T4汽車軸重；a、a1、b1、b2、c車軸間距離車輛活載是一種移動式荷載 車輛活載：主要是鐵路或公路車輛的荷載，包括工業(yè)廠房的行車（俗稱天車）。工業(yè)廠房的行車W 風(fēng)載：風(fēng)是由大氣壓

7、力不等引起的空氣運動。由風(fēng)的運動而施加在墻面或結(jié)構(gòu)上的壓力稱為風(fēng)載。風(fēng)載有三個“不一樣”：不同地區(qū)不一樣（沿海、內(nèi)陸）；同一地區(qū)不同時間不一樣；同一房屋不同高度、不同部位不一樣。風(fēng)載0.22kN m 2同處一區(qū)的18層高層建筑0.7kN m 2北京郊區(qū)某5m高單層房屋迎風(fēng)面均勻分布荷載作用三角形分布荷載作用集中荷載作用集中荷載的單位一般為KN，均布荷載的單位一般為KN/m或KN/m2（3） 偶然荷載在使用期間不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短的荷載。如地震作用、爆炸力、臺風(fēng)、船只或漂流物等。佛山九江大橋被撞百米橋面墜入江中美國世貿(mào)中心大廈撞擊起火倒塌震源、地震波、震中、震中距的關(guān)系地

8、震釋放的能量以地震波的形式傳到地面，引起結(jié)構(gòu)振動。結(jié)構(gòu)由地震引起的振動稱為地震反應(yīng)，振動過程中作用在結(jié)構(gòu)上的慣性力就是“地震荷載”。地震震級和地震烈度是兩個不同概念，震級表示一次地震釋放的能量的大小，烈度表示某地區(qū)遭受地震影響的強度。地震對結(jié)構(gòu)施加的影響屬間接作用，應(yīng)把結(jié)構(gòu)承受的“地震荷載”稱為地震作用。2 間接作用（間接荷載）除直接施加在結(jié)構(gòu)上的外力（即荷載）外，還有一種因間接施加影響引起結(jié)構(gòu)受力的作用。作用也使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)力和變形。它們也以三類形式出現(xiàn)。 約束變形作用這種作用以溫差作用為典型約束如一根鋼梁，當(dāng)環(huán)境氣溫為00C 時長度為20m，當(dāng)環(huán)境氣溫升高至350C時，鋼梁會在內(nèi)力作用下

9、伸長土木工程中的構(gòu)件因晝夜溫差、季節(jié)性溫差，每時每刻都在改變著形狀和尺寸，當(dāng)這種改變受到約束時，就會使結(jié)構(gòu)受到內(nèi)力效應(yīng)。建筑物的溫度裂縫內(nèi)外柱高差達(dá)幾十毫米現(xiàn)代高層房屋必須考慮這種溫差內(nèi)力效應(yīng)。水泥路面在溫差作用下起拱達(dá)90cm高層建筑外墻的溫度裂縫鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在焊接時產(chǎn)生的作用也屬溫差作用 外加變形作用這種作用以地基不均勻沉陷為典型。土木工程結(jié)構(gòu)構(gòu)筑在地基上，地基土受力后總會產(chǎn)生不均勻沉陷，過大的不均勻沉陷會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不小的內(nèi)力，甚至可使結(jié)構(gòu)開裂或倒塌。比薩斜塔就是由于地基不均勻沉陷而成為世界著名建筑！震施加給結(jié)構(gòu)的力，即地震作用。地面運動時建筑物的相應(yīng)運動 慣性作用以地震作用為典型。地震引

10、起的地面運動會使土木工程結(jié)構(gòu)在水平和豎向產(chǎn)生加速度反應(yīng)。這種加速度反應(yīng)值與土木工程設(shè)施本身質(zhì)量的乘積就形成了地北川縣底框建筑在慣性力作用下底層徹底垮塌地震作用是一種慣性力，它的大小與土木工程的質(zhì)量、地震烈度和結(jié)構(gòu)的動力特性相關(guān)。地震作用以水平方向為主。原因統(tǒng)稱為“荷載”。按照國際通行做法和現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，“作用”泛指使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、變形的所有原因，包括直接作用和間接作用；而“荷載”僅等同于施加于結(jié)構(gòu)上的直接作用。5.12大地震北川縣垮塌的建筑物和道路長期以來，我們習(xí)慣上將所有引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)的但目前道路、橋梁、隧道設(shè)計的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，尚未引進(jìn)“作用”代替“荷載”，仍沿用“荷載”一詞表述引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生

11、效應(yīng)的直接作用和間接作用。荷載和作用的分類人為因素地球物理因素爆炸力引起的作用地震荷載（作用）地基不均勻沉降引起的作用溫差引起的作用風(fēng)荷載雪荷載構(gòu)配件自重機器振動引起的作用焊接引起的作用結(jié)構(gòu)安裝引起的作用撞擊引起的作用使用荷載重力氣象地質(zhì)靜載動載3 應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量土木工程結(jié)構(gòu)受力后，其構(gòu)件將產(chǎn)生內(nèi)力（平衡狀態(tài)）和變形（其長度、形狀將發(fā)生改變）。在產(chǎn)生拉力、壓力、剪力、彎矩和扭矩內(nèi)力的同時結(jié)構(gòu)構(gòu)件會出現(xiàn)5種基本變形的形式。拉伸壓縮剪切扭轉(zhuǎn)彎曲 應(yīng)力為度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件所發(fā)生內(nèi)力的大小，我們將作用于單位面積上的內(nèi)力強度稱之為應(yīng)力：pA =按照荷載作用的形式不同，應(yīng)力又可分為拉伸壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和

12、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。同截面垂直的稱為正應(yīng)力或法向應(yīng)力，同截面相切的稱為剪應(yīng)力或切應(yīng)力表示正應(yīng)力或法向應(yīng)力，代表剪應(yīng)力或切應(yīng)力。應(yīng)力的單位是：N/mm2，即MPa =bbLL, = 應(yīng)變土木工程結(jié)構(gòu)受力后，構(gòu)件將發(fā)生變形，我們將單位長度上的變形量稱之為應(yīng)變：表示構(gòu)件的縱向線應(yīng)變，代表構(gòu)件的橫向線應(yīng)變。對于拉桿來說，為正，為負(fù)；壓桿則為負(fù)，為正。成正比。 2 1=p 2p1 彈性模量當(dāng)力作用一物體時，物體有變形。當(dāng)這個力移去后，物體又恢復(fù)原來的形狀。物體所具有的這種特性，稱之為彈性。材料在彈性狀態(tài)，荷載與變形其應(yīng)力與應(yīng)變也成正比例關(guān)系，其比例系數(shù) E 稱為彈性模量。= E當(dāng)結(jié)構(gòu)材料繼續(xù)承受更大荷載時，移去荷

13、載，有殘余變形，變形不能恢復(fù)原狀。稱結(jié)構(gòu)材料進(jìn)入塑性階段。1 3 2 2 1P3 P2P2 P材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，荷載與變形不成正比。彈性模量是材料抗彈性變形的一個指標(biāo)，其值越大，即材料的剛度越大。結(jié)構(gòu)承受荷載為0P2時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性狀態(tài)；結(jié)構(gòu)承受荷載為P2P3時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于塑性狀態(tài)；P3P2 P30 P2結(jié)構(gòu)承受荷載超過P3，將達(dá)其極限應(yīng)力時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于破壞失效狀態(tài)。不同的結(jié)構(gòu)材料彈、塑性是不同的。有塑性的材料稱為塑性材料，如鋼材、砼等，這類材料一旦出現(xiàn)塑性有發(fā)生破壞的預(yù)兆；反之稱為脆性材料如石材、玻璃等。4.44.4、結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)失效4.1 結(jié)構(gòu)的定義和要求 結(jié)構(gòu)的定義：土木工程設(shè)施中

14、的結(jié)構(gòu)是一個在空間和通道中用各種基本構(gòu)件組合建成的有功能特征的機體，為土木工程設(shè)施的持久使用和美觀需求服務(wù)，對生財產(chǎn)提供安全保障。它是一個由構(gòu)件組合成的整體，是一個有功能特征的機體，是一個有豐富應(yīng)用價值的載體，是一個被建造的實體。體育場結(jié)構(gòu)的三維模型 土木工程結(jié)構(gòu)的要求 在應(yīng)用上，要充分滿足空間和通道的多項使用要求； 在安全上，要完全符合承載、變形、穩(wěn)定的持久需要； 在造型上，要能夠與環(huán)境、規(guī)劃和建筑藝術(shù)融為一體； 在技術(shù)上，要力爭體現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)和工程的新發(fā)展； 在建造上，要合理用材、節(jié)約能源，與施工實際緊密結(jié)合。 為安全可靠的目的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須做到： 結(jié)構(gòu)承受荷載后的內(nèi)力（N、M、V、M

15、T）結(jié)構(gòu)的承載力； 結(jié)構(gòu)承受荷載后的變形（撓度、側(cè)移、沉陷）變形的允許值。4.2 結(jié)構(gòu)的功能要求 能承受正常施工和使用時可能出現(xiàn)的各種作用力（如拉力、壓力、剪力、彎矩、扭矩等）； 在正常使用時具有良好的工作性能（如不發(fā)生過大的側(cè)向位移，不發(fā)生過大的不均勻沉陷，不使人感到晃動等）； 在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能（如有抵抗酸類、鹽類等物質(zhì)的侵蝕能力）； 在偶然事件發(fā)生時能保持必需的穩(wěn)定性（如有很好的抗地震的能力）。和是安全性，是適用性，是持久性。“安全、適用、持久”三者缺一不可，但安全第一。4.3 結(jié)構(gòu)的失效結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循的原則：S R- S 為荷載施加在結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)；- R 為結(jié)構(gòu)的抗力。當(dāng)

16、結(jié)構(gòu)或從屬于它的構(gòu)件不能滿足上述基本功能要求，稱為結(jié)構(gòu)失效。結(jié)構(gòu)失效的常見表現(xiàn)形式 破壞-結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面抵抗能力不足以承受作用效應(yīng)的現(xiàn)象，如拉斷、壓碎、彎折等。 失穩(wěn)-結(jié)構(gòu)或構(gòu)件因長細(xì)比過大而在不大的作用力下突然發(fā)生作用力平面外的極大變形的現(xiàn)象，如柱子壓屈、梁在平面外扭曲等。 發(fā)生影響正常使用的變形-梁板的過大撓度或過寬裂縫，柱、墻的過大側(cè)移，結(jié)構(gòu)有過大傾斜或過大的沉陷等。 傾覆-結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分失去平衡而傾倒或移動的現(xiàn)象。 結(jié)構(gòu)材料喪失耐久性-鋼材銹蝕、砼受腐蝕、砌體遭凍融、木構(gòu)件被蟲蛀蝕等化學(xué)、物理、生物現(xiàn)象。A柱抗拉能力不足被拉斷B柱長細(xì)比過大被壓屈上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)移能力不足被拉裂某高層建

17、筑上部結(jié)構(gòu)抗剪能力不足被剪斷4.54.5、土木工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法5.1 結(jié)構(gòu)工程師的任務(wù) 土木工程設(shè)計的分工規(guī)劃師負(fù)責(zé)工程的選址、開發(fā)強度和空間環(huán)境。建筑師負(fù)責(zé)工程的布局、造型，滿足各項功能性使用要求。結(jié)構(gòu)工程師負(fù)責(zé)工程的承載、變形、穩(wěn)定的安全性需求。設(shè)備工程師負(fù)責(zé)工程的給排水、供熱通風(fēng)和電氣等配套設(shè)施。 結(jié)構(gòu)工程師要解決的問題 確定結(jié)構(gòu)承受的荷載，并合理選用結(jié)構(gòu)材料； 正確選用結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)型式； 解決好結(jié)構(gòu)承載力、變形、穩(wěn)定、抗傾覆等技術(shù)問題； 解決好結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造和施工方法問題。 結(jié)構(gòu)工程師須具備的基本素質(zhì) 接受過良好的土木工程學(xué)科和相關(guān)學(xué)科的教育，并訓(xùn)練有素； 對其它學(xué)科具備一定的知識

18、； 不斷地掌握土木工程有關(guān)最新技術(shù)并進(jìn)行知識更新； 很好的交際技能，包括口頭、撰寫、繪圖和數(shù)字化技能。5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法 極限狀態(tài)設(shè)計方法工程結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)歷了容許應(yīng)力法、破損階段法、極限狀態(tài)法和概率極限狀態(tài)法四個階段。我國目前的建筑和公路的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法都采用概率極限狀態(tài)設(shè)計法。它以結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠指標(biāo)來度量結(jié)構(gòu)的可靠度，用分項系數(shù)的設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類，整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的某一部分達(dá)到結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)就不能滿足安全、適用或耐久性要求。 土木工程的分階段設(shè)計業(yè)主提出使用要求初步設(shè)計構(gòu)思明確各項功能要求形成總體設(shè)計方案處理各設(shè)計工種的技術(shù)問題進(jìn)行各設(shè)計工種的細(xì)部設(shè)計繪制施工圖，完成總體設(shè)計交付施工，參與工程監(jiān)理竣工驗收，交付使用初步設(shè)計階段施工圖階段施工階段 建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟一般分為結(jié)構(gòu)模型的建立、結(jié)構(gòu)荷載計算、構(gòu)內(nèi)力計算和構(gòu)件選擇、施工圖繪制四個階段。 結(jié)構(gòu)模型的建立建立結(jié)構(gòu)模型前需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。如框架結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)，為簡化計算，可取出其中的一榀框架將其簡化為平面框架；梁和柱的截面尺寸相對于整個框架來說較小，可簡化為桿件，梁和柱的連接節(jié)點可簡化為剛性連接。經(jīng)過如此簡