建筑力學(xué)課件第十四章

1、第十四章 工程結(jié)構(gòu)的概念及類型第一節(jié) 工程結(jié)構(gòu)的概念第二節(jié) 工程結(jié)構(gòu)的功能第三節(jié) 工程結(jié)構(gòu)的類型第四節(jié) 工程結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖第五節(jié) 工程結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及假定習(xí)題14.1 工程結(jié)構(gòu)的概念土木工程中，根據(jù)人們的生活習(xí)慣，將住宅、廠房、城鎮(zhèn)范圍內(nèi)的公共建筑稱為建筑物，而把城鎮(zhèn)范圍以外具有防御自然災(zāi)害、抵抗外敵入侵等作用的各類建筑物，如截水壩、炮臺(tái)等，一般稱為構(gòu)筑物。建筑物和構(gòu)筑物統(tǒng)稱為建筑，它們?cè)谑褂眠^(guò)程中都要受到荷載的作用，其中承受和傳遞荷載，抵御溫度變化、支座移動(dòng)等而起骨架作用的部分或體系稱為結(jié)構(gòu)。最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可以是一道梁或一根柱，常見(jiàn)的一個(gè)結(jié)構(gòu)往往是由多個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)所組成，這些組成結(jié)構(gòu)的基本單元被

2、稱為構(gòu)件。如圖14-1所示為由梁、柱、填充墻等組成的框架結(jié)構(gòu)房屋平面布置圖，再如蓄水池、擋土墻和屋架等，都是結(jié)構(gòu)的典型例子，如圖14-2所示。返回14.2 工程結(jié)構(gòu)的功能建筑一方面要滿足人類社會(huì)不斷增長(zhǎng)的物質(zhì)文化生活的功能要求，另一方面又要滿足人們精神文明的要求。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總方針“適用、經(jīng)濟(jì)、在可能的條件下注意美觀”全面指出了建筑作為一個(gè)物質(zhì)產(chǎn)品在功能、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和美觀方面的統(tǒng)一。14.2.1 工程結(jié)構(gòu)的功能要求建筑結(jié)構(gòu)必須適用，是工程結(jié)構(gòu)的第一要素。工廠、學(xué)校、住宅、科研、文化、體育建筑各有不同的功能要求。根據(jù)不同的功能要求，組織不同的建筑空間，選用不同的建筑材料和結(jié)構(gòu)形式，以及不同的施

3、工技術(shù)。但建筑功能并不是構(gòu)成建筑的唯一要素，建筑物不能僅僅滿足于功能要求而不顧建筑的物質(zhì)技術(shù)條件和建筑形象的要求。下一頁(yè)返回14.2 工程結(jié)構(gòu)的功能14.2.2 建筑材料和建筑結(jié)構(gòu)的物質(zhì)技術(shù)條件建筑材料是構(gòu)成建筑的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同材料構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)，并形成不同的建筑體型。各種新材料和新技術(shù)的出現(xiàn)，不但充實(shí)了建筑物的使用功能，而且促進(jìn)建筑向新的功能方向發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)是建筑物的骨架，離開(kāi)骨架就形不成建筑物。所以建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)等物質(zhì)技術(shù)條件也是構(gòu)成建筑的重要因素。14.2.3 建筑物的形象建筑物的形象包括建筑物的體型，各部位的主從、對(duì)比、韻律、比例、尺度、色調(diào)、質(zhì)感等符合美的要求。而且還

4、要考慮建筑的局部與整體的關(guān)系；內(nèi)部空間與外部空間的關(guān)系；建筑個(gè)體與周圍環(huán)境的關(guān)系（即個(gè)體與群體的關(guān)系）；形式與內(nèi)容的關(guān)系；民族傳統(tǒng)與推陳出新的關(guān)系，等等。總之，對(duì)建筑形象的要求是多樣統(tǒng)一的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回14.2 工程結(jié)構(gòu)的功能上述三個(gè)方面是辯證統(tǒng)一、不可分割的，但又有主次之分。功能是主導(dǎo)，對(duì)結(jié)構(gòu)技術(shù)和建筑形象起著決定性的作用。但不能忽視它要受到結(jié)構(gòu)、技術(shù)等方面的制約。如澳大利亞的悉尼歌劇院，其屋頂結(jié)構(gòu)方案為九個(gè)懸臂薄殼組成，如同天際歸帆，既輕巧又別致。但在繪制施工圖時(shí)發(fā)現(xiàn)原方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能將懸臂薄殼改為預(yù)制帶肋的拱，拱的懸臂長(zhǎng)度在縮小。由于反復(fù)修改設(shè)計(jì)，使工期延續(xù)了17年時(shí)間，到1973

5、年才竣工。工程造價(jià)為原預(yù)算的10倍。由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)選型是建筑設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。建筑結(jié)構(gòu)方案是綜合性、技術(shù)性很強(qiáng)的工作，其影響因素很多。沒(méi)有建筑結(jié)構(gòu)就沒(méi)有建筑，沒(méi)有好的結(jié)構(gòu)方案構(gòu)思，就不可能有好的建筑設(shè)計(jì)。沒(méi)有好的結(jié)構(gòu)選型，也不可能出現(xiàn)合理、美觀的建筑形象。至于建筑是否經(jīng)濟(jì)，更在很大程度上看結(jié)構(gòu)方案及其他建筑技術(shù)條件的選用是否恰當(dāng)。在古代建筑設(shè)計(jì)中，由于結(jié)構(gòu)和材料都比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)選型也比較簡(jiǎn)單，許多優(yōu)秀的建筑設(shè)計(jì)可較容易地由建筑師同時(shí)解決建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)方案和施工技術(shù)。但在現(xiàn)代建筑中，建筑結(jié)構(gòu)和建筑材料日益復(fù)雜，結(jié)構(gòu)方案的構(gòu)思需要較深厚的技術(shù) 上一頁(yè)下一頁(yè)返回14.2 工程結(jié)構(gòu)的

6、功能，一個(gè)較大型的建筑設(shè)計(jì)必須由建筑師、結(jié)構(gòu)工程師和其他技術(shù)人員通力合作、共同工作才能取得較好的效果。一個(gè)建筑師必須具備結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)選型的基本知識(shí)及其他科學(xué)技術(shù)知識(shí)，才能在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮各種問(wèn)題并和各類技術(shù)人員有共同語(yǔ)言。那種建筑師畫(huà)方案、結(jié)構(gòu)工程師配計(jì)算的舊的工作方式，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)工作的需要。結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)選型首先要考慮建筑功能這個(gè)因素。任何建筑都有對(duì)空間環(huán)境的要求，它決定著建筑的尺度、規(guī)模和相互關(guān)系。不但要把建筑物的主要功能要求分析清楚，一些相應(yīng)的特殊功能要求，如防火、防振、防爆、抗震等也應(yīng)統(tǒng)一考慮進(jìn)去。建筑材料是形成結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)。不同的材料構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)，而又

7、形成各自的建筑造型。隨著工業(yè)的發(fā)展，建筑材料也在不斷發(fā)展。舊的材料有的在改進(jìn)產(chǎn)品性能，有的逐漸被拋棄；新的建筑材料將不斷出現(xiàn)并被陸續(xù)地應(yīng)用到建筑上。新的建筑材料將產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)形式和新的施工技術(shù)，從而促進(jìn)建筑造型的巨大變革。施工技術(shù)水平的高低影響著結(jié)構(gòu)選型，各種新的施工技術(shù)不斷出現(xiàn)，促使結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變革，所以在構(gòu)思結(jié)構(gòu)方案時(shí)必須先考慮材料、施工技術(shù)條件。同時(shí)在一定的條件下，新的結(jié)構(gòu)方案在施工部門(mén)的支持下，也往往會(huì)反過(guò)來(lái)促進(jìn)施工技術(shù)生產(chǎn)水平的提高。上一頁(yè)下一頁(yè)返回14.2 工程結(jié)構(gòu)的功能隨著新的結(jié)構(gòu)與新的材料不斷應(yīng)用與實(shí)踐，人們逐漸更深入地認(rèn)識(shí)了客觀物質(zhì)世界的內(nèi)存矛盾和規(guī)律，并將其上升為理論認(rèn)識(shí)，

8、從而發(fā)展了結(jié)構(gòu)理論，提高了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。電子計(jì)算機(jī)可以解決復(fù)雜的平面和空間結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力計(jì)算。過(guò)去由于計(jì)算手段跟不上，只能憑經(jīng)驗(yàn)訂出一兩個(gè)可行的結(jié)構(gòu)方案做簡(jiǎn)單的分析比較。電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，就可以做多種結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)形式的比較，使結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)選型的質(zhì)量得到有力的保證。結(jié)構(gòu)方案是否經(jīng)濟(jì)，其衡量的指標(biāo)是結(jié)構(gòu)方案在滿足建筑功能與造型要求的條件下做到既安全堅(jiān)固，又節(jié)約材料，同時(shí)又能便于施工，縮短施工周期，減少能源消耗，提高生產(chǎn)效率和降低維修費(fèi)用。結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)與否是一個(gè)綜合的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，也是國(guó)家對(duì)基本建設(shè)要求的多、快、好、省的統(tǒng)一。制訂結(jié)構(gòu)方案除了要考慮以上幾個(gè)方面的主要影響因素外，還要考慮地

9、震、臺(tái)風(fēng)、地質(zhì)、防火、防爆、能源等因素的影響。上一頁(yè)返回14.3 工程結(jié)構(gòu)的類型結(jié)構(gòu)的類型很多，可以從不同的觀點(diǎn)來(lái)分類。按照幾何特征，結(jié)構(gòu)可分為桿件結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)。桿件的幾何特征是其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)尺度（即截面的高度和寬度），由桿件組成的結(jié)構(gòu)便稱為桿件結(jié)構(gòu)或桿系結(jié)構(gòu)。薄壁結(jié)構(gòu)是指其厚度遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)尺度（即長(zhǎng)度和寬度）的結(jié)構(gòu)，如板（如圖14-3所示）和殼（如圖14-4所示）。實(shí)體結(jié)構(gòu)則三個(gè)方向的尺度相近，例如水壩（如圖14-5所示）、地基、鋼球等。前已指出，結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的對(duì)象主要是桿件結(jié)構(gòu)。桿件結(jié)構(gòu)按其受力特性不同又可分為以下幾種。（1）梁 梁是一種受彎桿件，其軸線通常為直線。梁有

10、單跨的和多跨的（如圖14-6所示）。（2）拱 拱的軸線為曲線且在豎向荷載作用下會(huì)產(chǎn)生水平反力（如圖14-7所示），這使得拱內(nèi)彎矩比跨度、荷載相同的梁的彎矩要小。下一頁(yè)返回14.3 工程結(jié)構(gòu)的類型（3）剛架 剛架由直桿組成并具有剛節(jié)點(diǎn)（如圖14-8所示）。（4）桁架 桁架也由直桿組成，但所有節(jié)點(diǎn)均為鉸接點(diǎn)（如圖14-9所示），當(dāng)只受到作用于節(jié)點(diǎn)的集中荷載時(shí)，各桿只產(chǎn)生軸力。（5）組合結(jié)構(gòu) 組合結(jié)構(gòu)是指由桁架和梁或桁架與剛架組合在一起的結(jié)構(gòu)，其中有些桿件只承受軸力，另一些桿件則同時(shí)還承受彎矩和剪力（如圖14-10所示）。按照桿軸線和外力的空間位置，結(jié)構(gòu)可分為平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。如果結(jié)構(gòu)的各桿軸線及

11、外力（包括荷載和反力）均在同一平面內(nèi)，則稱為平面結(jié)構(gòu)，否則便是空間結(jié)構(gòu)。實(shí)際上工程中的結(jié)構(gòu)都是空間結(jié)構(gòu)，不過(guò)在很多情況下可以簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)或近似分解為幾個(gè)平面結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算。當(dāng)然，不是所有情況都能這樣處理，有些必須作為空間結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算，如圖14-11所示塔架。上一頁(yè)下一頁(yè)返回14.3 工程結(jié)構(gòu)的類型按照內(nèi)力是否靜定，結(jié)構(gòu)可分為靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)。這一分類在理論上具有重要意義。若在任意荷載作用下，結(jié)構(gòu)的全部反力和內(nèi)力都可以由靜力平衡條件確定，這樣的結(jié)構(gòu)便稱為靜定結(jié)構(gòu)；若只靠平衡條件還不能確定全部反力和內(nèi)力，還必須考慮變形條件才能確定，這樣的結(jié)構(gòu)便稱為超靜定結(jié)構(gòu)。工程結(jié)構(gòu)按其幾何特征可分為三類，即實(shí)體

12、結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)和桿件結(jié)構(gòu)。如圖14-2所示蓄水池為板殼結(jié)構(gòu)，擋土墻為實(shí)體結(jié)構(gòu)，而屋架為桿件結(jié)構(gòu)。上一頁(yè)返回14.4 工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖實(shí)際結(jié)構(gòu)總是比較復(fù)雜的，要完全按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況進(jìn)行力學(xué)分析，將是很煩很難的，也是不必要的。因此，在計(jì)算之前，往往對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)化，表現(xiàn)其主要特點(diǎn)，略去次要因素，用一個(gè)簡(jiǎn)化圖形來(lái)代替實(shí)體結(jié)構(gòu)。這種圖形就稱為結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖。簡(jiǎn)化工作通常包括三個(gè)方面，荷載的簡(jiǎn)化；桿件的簡(jiǎn)化；支座和節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化。例如一道梁兩端擱在墻上，上面放一重物如圖14-12（a）所示。簡(jiǎn)化時(shí)，梁本身用其軸線來(lái)代表。至于兩端的反力，其分布規(guī)律是難以知道的，現(xiàn)假定為均勻分布，并以其作用于墻寬中點(diǎn)的合

13、力來(lái)代替。考慮到支撐面有摩擦，梁不能左右移動(dòng)，但受熱膨脹時(shí)仍可伸長(zhǎng)，考慮可將其一端視為固定鉸支座而另一端視為活動(dòng)鉸支座。這樣便得到圖示的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖14-12（b）所示。又如圖14-13所示鋼筋混凝土屋架，如果我們只反映桁梁主要承受軸力這一特點(diǎn)，則計(jì)算時(shí)可采用圖示的計(jì)算簡(jiǎn)圖，各桿之間的聯(lián)結(jié)均假定為鉸接。這雖然與實(shí)際情況不符，但可使計(jì)算大為簡(jiǎn)化，而計(jì)算結(jié)果的誤差在工程上通常是容許的。如果將各桿聯(lián)結(jié)處均視為剛結(jié)，則可得到較精確的簡(jiǎn)圖，但這樣計(jì)算就很復(fù)雜。下一頁(yè)返回14.4 工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖一般來(lái)說(shuō)，選取計(jì)算簡(jiǎn)圖應(yīng)遵循的原則是：盡可能反映實(shí)際情況，使計(jì)算結(jié)果精確可靠；略去次要因素，以便簡(jiǎn)化計(jì)算。有

14、時(shí)，在初步設(shè)計(jì)中采用計(jì)算較簡(jiǎn)單但精確度不高的圖形，而在最后設(shè)計(jì)中改用計(jì)算較繁但精確度較高的圖形。電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為采用較精確的計(jì)算簡(jiǎn)圖提供了更多的可能性。應(yīng)該指出，確定一個(gè)結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖，特別是對(duì)于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不是一件容易的事情。它需要有一定的專業(yè)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)構(gòu)各部分的構(gòu)造，相互作用和受力情況有正確的判斷能力。有時(shí)還需借助于模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)才能確定合理的計(jì)算簡(jiǎn)圖。上一頁(yè)返回14.5 工程結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及假定工程結(jié)構(gòu)分析的基本內(nèi)容包括以下兩個(gè)方面。（1）研究結(jié)構(gòu)的幾何組成規(guī)律和合理形式，以確保在預(yù)定荷載作用下，結(jié)構(gòu)能維持其原有的形狀。（2）研究結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計(jì)算，以便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行

15、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算。工程結(jié)構(gòu)分析的基本假定中，除了荷載的簡(jiǎn)化、桿件的簡(jiǎn)化和支座和節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化等內(nèi)容外，還包括小變形假定和內(nèi)力正負(fù)號(hào)的規(guī)定。所謂小變形假定，是假定物體受力以后，整個(gè)物體所有各處的位移都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物體原來(lái)的尺寸，因而物體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)都很小。這樣，在建立物體變形以后的各種計(jì)算公式時(shí)，可以用變形以前的尺寸來(lái)代替變形以后的尺寸，而不致引起顯著的誤差。而對(duì)于大變形情況，如梁的縱橫彎曲問(wèn)題，橫向荷載引起的彎曲變形將使軸向荷載產(chǎn)生彎曲效應(yīng)。在建筑力學(xué)中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的正負(fù)號(hào)通常規(guī)定如下。下一頁(yè)返回14.5 工程結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及假定（1）剪力，數(shù)值等于截面任一邊所有外力在與梁軸線垂直方向投影的代數(shù)和。剪力以使截面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)。（2）彎矩，數(shù)值等于截面任一邊所有外力對(duì)該截面形心之矩的代數(shù)和。彎矩以使梁下側(cè)受拉為正，上側(cè)受拉為負(fù)。（3）軸力，數(shù)值等于截面任一邊所有外力在梁軸線方向投影的代數(shù)和。軸力以使截面受拉為正，受壓為負(fù)。上一頁(yè)返回習(xí)題14-1 何為結(jié)構(gòu)？結(jié)構(gòu)可分為哪幾類？結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象是哪類結(jié)構(gòu)？14-2 結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)是什么？14-3 為什么要選取結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖？選取計(jì)算簡(jiǎn)圖應(yīng)遵循什么原則？14-4 平面桿件結(jié)構(gòu)從哪幾個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)化？14-5 從受力和變形方面考慮，剛節(jié)點(diǎn)和鉸結(jié)點(diǎn)各具有什么特點(diǎn)？14