結構力學-1-1課件

結構力學2012年2月20日同濟大學建筑工程系

幾點注意事項1、結構力學是技術基礎課，課堂討論、提問大家都應積極參與。2、幾乎每次課后都有作業(yè)，必須按時完成，基本上一周交一次作業(yè)。同學們應在系統(tǒng)學習教材的基礎上盡可能作較多習題，才能熟練掌握本課程的知識。3、部分自學內容，考試也要考。

如何學好結構力學課？1、上課認真聽講，盡可能課內消化，課外勤看書，勤思考，勤討論，勤練習。2、重新回顧、復習并掌握理論力學、材料力學等相關基礎知識。3、認真、獨立、按時完成、上交課后作業(yè)。下面我們轉入正題，首先簡單介紹一些背景資料。加里萊·伽利略（Galileo·Galilei1564—1642年）是意大利偉大的物理學家、力學家、天文學家。他推翻了當時最權威的亞里斯多德的學說，1582年，他先后發(fā)明了“擺錘擺動等時性定律、落體定律、慣性定律”。伽利略的成就被公認為——近代科學的起源。在數(shù)學上，牛頓創(chuàng)立了微積分學，制定了二項式定理，發(fā)展了關于方程式的大部分理論，引進了字母標志。在數(shù)學物理學方面，他推導出可借以預測月亮在諸星體中的未來方位的數(shù)表——這對航海來說，是最有價值的一個成就。他創(chuàng)立了流體動力學，其中包括波動傳播理論，他還對流體靜力學作了許多改進。在光學上，他在了解光束、光的折射及色彩現(xiàn)象方面作出了重要貢獻。

牛頓（1642-1727年、英國）使力學成為一門較完整與系統(tǒng)的學科。建筑是在力學基礎上發(fā)展起來的，古人根據(jù)經(jīng)驗設想來構造結構，直到18世紀有了系統(tǒng)力學分析后，以受力狀態(tài)為依據(jù)的結構設計才逐漸代替經(jīng)驗設想。

建筑歷史1、歷代建筑的演變穴居巢居棚居房屋（人類生活逐步穩(wěn)定和發(fā)明工具）2、建筑三要素公元前32-22年間，古羅馬奧古斯都時代的維特魯威在《建筑十書》中提出“堅固、實用、美觀”的原則。2、科學時代—由專業(yè)班子分工合作主持工程1811年巴黎麥倉園頂工程第一次建筑和結構專業(yè)分開設計。1889年巴黎國際博覽會建成機械館與埃菲爾鐵塔第一次完全按力學結構理論設計出來的建筑物，標志著人類在建筑史上進入科學時代。20世紀中，一些高科技及其在各工業(yè)領域的應用與力學指導密不可分。環(huán)球金融中心的多個“第一”■屋頂高度世界第一：492米，超過了目前屋頂高度世界第一的臺北101大樓（480米）。■人可達到高度世界第一：474米，大樓100層的觀光天閣是世界上人能到達的最高觀景平臺?！鍪澜缱罡咧胁蛷d：416米，設在93層的中餐廳，將成為全球最高中餐廳。■世界最高游泳池：366米，設在85層的游泳池，將奪得“世界最高游泳池”稱號?！鍪澜缱罡呔频辏涸O在大樓79至93層的柏悅酒店，將成為世界最高酒店?！鋈細廨斔椭?3層416米的高度，生活用水最高處在434米的97層觀光天橋上，而消防用水則通過4節(jié)系統(tǒng)送至樓頂，均創(chuàng)下了新高。被譽為“江蘇省第一高樓”的南京綠地廣場紫峰大廈2010年9月28日竣工。該大廈位于南京中心鼓樓廣場西北角，總高88層，主體高度最高達381米、天線頂高450米，因其高度超過420米的上海金茂大廈，而成為中國第二高樓。2008年11月29日，總高度達632米的“上海中心”開工建設。

“迪拜塔”高818米，160層，共使用33萬立方米的水泥、3.14萬噸的鋼材和14.2萬平方米的玻璃，2010年1月4日揭幕。人類建筑師總想將摩天大樓越蓋越高，美國有527米高的芝加哥西爾斯大廈，加拿大有553米高的多倫多CN電視塔，阿聯(lián)酋迪拜市正在建造一座高達807米的世界最高樓。然而這些摩天大樓和日本大成建筑公司藍圖中的“X-Seed4000”摩天巨塔相比，卻全都是“小巫見大巫”。

西爾斯大廈

442m

金茂大廈421m吉隆坡的雙子塔452m臺北市的101大樓508m

芝加哥“螺旋之尖”摩天大樓的建設方案獲得了政府批準，“螺旋之尖”摩天大樓全高610米，建成后將是全美最高的大樓，它也將是世界各大城市里高樓建筑的一個典范。上海港國際客運中心上海港國際客運中心（一滴水）2008年8月5日投入使用澳門橋斜拉橋拱橋40人死亡；

14人受傷；

直接經(jīng)濟損失631萬元。1999年1月4日，我國重慶市綦江縣彩虹橋發(fā)生垮塌，造成：垮塌前的彩虹橋垮塌后的彩虹橋簡單力學問題－大部隊過橋時不能齊步走高等力學問題－

沖擊載荷的概念：

人跑步時腳上的力量有多大？

損傷累積與結構壽命

與跑步的次數(shù)有關人跑步時腳上的力量有多大？腳上的力量假設人體重量為750N3000N3500N4500N6000N12500N高等力學問題－

損傷累積與結構壽命與跑步的次數(shù)有關力學研究方法

理論分析方法－20世紀初，探索新設計、新結構。

實驗方法－具體設計的實驗驗證飛機靜載試驗戰(zhàn)斗機的仿真振動模態(tài)分析飛鳥與空中客車機翼相撞鋼結構接頭振動試驗振動試驗

高層建筑結構振動中的仿真試驗

風洞試驗

風洞試驗結構力學結構力學基礎結構力學專題幾何組成分析靜定結構受力分析結構位移計算超靜定結構受力分析計算結構力學影響線梁剛架拱桁架組合結構力法位移法力矩分配法結構矩陣分析結構動力計算結構穩(wěn)定計算**結構極限荷載**實驗

第一章緒論

1～1結構力學的研究對象和基本任務1.工程結構的概念指建筑物、構筑物和其它工程對象中支承和傳遞荷載而起骨架作用的部分。2.工程結構的受力特性和承載能力與結構的幾何特征有著密切的聯(lián)系。3.結構分類：按照幾何特征分：（a）桿系結構——由若干個桿件相互聯(lián)接組成的結構。幾何特征：其橫截面上兩個方向的尺寸遠小于長度。典型形式：梁、剛架、拱和珩架。（b）板殼結構——也稱薄壁結構。幾何特征：其厚度遠小于其余兩個方向上的尺度。典型形式：房屋建筑中的樓板、殼體屋蓋及飛機和輪船的外殼等。（c）實體結構——也稱三維連續(xù)體結構。幾何特征：結構的長、寬、高三個方向的尺寸大小相仿。典型形式：重力式擋土墻、水工建筑中的重力壩等。臺北101大樓--“最高建筑物”(508米)

國家石油公司雙塔大樓（452米）

（桿系結構、框架結構、鋼筋混凝土結構等）（殼體結構、鋼筋混凝土結構、空間結構等）高層建筑

高聳結構大跨結構（桿系結構、空間網(wǎng)架結構、薄殼結構、鋼結構等）橋梁結構（桿系結構、懸索結構、鋼筋混凝土結構等）水利建筑核電建筑（實體、壩體結構、鋼筋混凝土結構）（實體結構、鋼筋混凝土結構）

結構力學的學科性質、研究目的和基本任務學科性質：

研究結構的合理形式以及結構在受力狀態(tài)下內力、變形、動力反應和穩(wěn)定性等方面的規(guī)律性的學科；是結構工程類專業(yè)的一門重要的技術基礎課。研究目的：

使結構滿足安全性、適用性和經(jīng)濟方面的要求?；救蝿眨?/p>

（1）根據(jù)功能和使用等方面的不同要求和結構的組成規(guī)律，研究結構的合理形式。（2）研究結構內力、變形、動力反應和穩(wěn)定性計算的理論和方法。（3）研究由結構受力結果確定外界作用信息，或是根據(jù)外界作用信息，確定結構的有關信息，或是對結構的受力反應進行控制的理論和方法。一、結構計算簡圖1.概念：在計算中把實際結構中的一些次要因素加以忽略，但又反映出實際結構主要受力特征的經(jīng)過簡化的結構圖形。2.計算簡圖的選擇原則：（1）存本去末原則：保留主要因素，略去次要因素，使計算簡圖能反應出施加架構的主要受力特征。（2）計算簡便原則：根據(jù)需要和可能，并從實際出發(fā)，力求使計算簡圖便于計算。（3）據(jù)不同的要求與具體情況，對同一實際結構可選擇不同的計算簡圖。研究動向：由傳統(tǒng)結構力學向概念結構力學和計算結構力學兩個方向縱深發(fā)展。

1～2結構的計算簡圖

3.在選擇計算簡圖時，對實際結構的情況進行多方面的簡化如下：（1）結構體系的簡化

a.平面桿系結構b.空間桿系結構（2）桿件的簡化桿件用桿件的軸線表示，桿長用軸線交點間距離表示。（3）結點的簡化桿件相互連接處稱為結點。按結點的計算簡圖可分為以下兩種類型：

a.鉸結點（特征：所聯(lián)結各桿可以繞鉸轉動，可用一理想光滑鉸表示。實例：木屋架的下弦中間節(jié)點。）

b.剛結點（特征：所聯(lián)結桿件之間不能在節(jié)點處產生相對轉動，即剛節(jié)點處各桿件之間的夾角在變形前后保持不變。實例：混凝土多層剛架邊柱與橫梁結點構造圖。）4.支座的簡化結構與基礎相連接的部分稱為支座。結構通過支座將荷載傳給基礎和地基。支座多結構的反作用力稱為支座反力。平面結構的支座形式有以下五種：（1）活動鉸支座a.機動特征：結構可繞鉸做自由轉動，并允許沿支承面有微量的移動，但限制鉸沿垂直于支承面方向的移動。b.實例：橋梁結構中的輥軸支座及搖軸支座的等。c.計算簡圖：用一根豎向支座鏈桿的計算簡圖代表。（2）固定鉸支座a.機動特征：結構仍可繞鉸轉動，但沿水平和豎向的位移受到限制。b.實例：鋼筋混凝土結構中柱子和基礎連接處交叉布筋時。c.計算簡圖：用交于一點的兩個支座鏈桿表示。

（3）固定支座a.機動特征:結構與支座聯(lián)結處，既不能發(fā)生轉動，也不能發(fā)生水平和豎直的移動。b.實例:插入杯型基礎較深的混凝土柱的杯口面處。c.計算簡圖:如圖所示（4)滑動支座（亦稱定向支座）a.機動特征:能限制結構的轉動和沿一個方向上的移動，但允許結構在另一方向上有滑動的自由。b.實例：c.計算簡圖：

注意：上述四種支座均假設支座本身不變形，計算簡圖中桿件也被認為其本身是不能變形的剛性鏈桿，此類支座稱為剛性支座。（5）彈性支座

需要考慮支座本身變形的支座，稱為彈性支座。固定鉸支座固定鉸支座反力限制X、Y向位移固定鉸支座反力固定鉸支座限制X、Y、Z向位移可動鉸支座可動鉸支座反力限制X向位移限制Y向位移固定支座固定支座反力限制X、Y向位移及轉動固定支座反力固定支座限制三方向位移及轉動定向支座定向支座反力限制X位移及轉動限制Y位移及轉動a.抗移彈性支座——在承受（拉力或壓力）荷載的同時，其本身將產生一定的（拉伸或壓縮）彈性變形的支座。例如，橋梁結構。

b.抗轉彈性支座——具有一定抵抗轉動能力的彈性支座，例如，考慮地基不均勻沉降時，煙囪的基礎。5.荷載的簡化

a.樓面荷載簡化為豎向均布荷載；

b.側向風荷載一般沿建筑物高度方向分段簡化為水平均布荷載。

1～3結構和荷載的分類一、結構的分類

A.結構分類實際上指結構計算簡圖的分類。桿系結構通?？煞譃槿缦挛宸N類型：1.梁特點：梁是一種受彎構件；軸線一般為直線；在豎向荷載作用下支座不產生水平反力；可以單跨，也可以多跨。2.拱特點：拱的軸線一般為曲線，在豎向荷載作用下支座產生水平反力，可減小拱截面上的彎矩。3.剛架特點：通常由直桿組成，桿件聯(lián)結結點為剛結點，有時也稱為框架。4.珩架特點：由直桿組成，各桿聯(lián)結處的結點均為鉸結點，當珩架承受結點荷載時，各桿只產生軸力。5.組合結構特點：由珩架桿件和梁或珩架桿件和剛架等組合而成的構，除珩架桿件只受軸力外，其余受彎桿件能夠同時承受軸力、剪力和彎矩。平面桁架空間桁架直桿鉸結體系、只受結點荷載作用桿件與荷載均在同一平面內桿件與荷載不在同一平面內不等高三鉸拱等高兩鉸拱豎向荷載下，將產生水平推力連續(xù)梁（直線）曲梁（曲線）荷載作用下，主要承彎的結構多跨靜定梁（直線）剛架直桿剛結、主要承彎組合結構部分桁架桿，部分梁式桿的結構梁式桿桁架桿排架的特殊組合結構一種工業(yè)廠房用柱柱柱屋架屋架幾何

上述五種結構類型是桿系結構最基本的結構類型，此外還有懸索結構等類型。B.按空間特點分：

a.平面（桿系）結構：結構各桿件的軸線與作用荷載均位于同一平面。

b.空間（桿系）結構：不符合a條件的結構。二、荷載的分類

荷載——主動作用于結構上的外力。例如，結構的自重，吊車荷載，車輛荷載，水壓力，風荷載等。

1.按照荷載作用時間的長短劃分

a.恒載——永久作用在結構上的不變的荷載。如結構自重及永久固定在結構上的設備重量等。特點：在結構使用階段，荷載的大小、位置和方向均不改變。

b.活載——臨時作用在結構上的可變荷載。如人群、風、雪、吊車、列車等。在具體計算時，常把恒載及有些活載

（如人群、風雪荷載）在結構上的作用位置是固定的，這類荷載稱之為固定荷載；有些活載（如吊車、汽車和列車荷載）在結構上的作用位置是移動的，這類荷載稱為移動荷載。2.按照荷載作用的性質分類a.靜力荷載——大小、位置和方向并不隨時間而變化，荷載加載過程比較緩慢，一般由零逐漸增加到最終值。如結構自重和其他恒載等。b.動力荷載——隨時間迅速變化的荷載