桿件的簡(jiǎn)化結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化支座的簡(jiǎn)化荷載的簡(jiǎn)化課件

第一章緒論1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象和任務(wù)1.2桿件結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖1.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類1.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類第一章緒論1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象和任務(wù)1第一章緒論本章介紹結(jié)構(gòu)的概念及其分類，結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象和任務(wù)，結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的概念，平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化與分類，荷載的簡(jiǎn)化與分類。第一章緒論本章介紹結(jié)構(gòu)的概念及其分類，結(jié)構(gòu)21.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)1.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象1.1.2結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)1.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象31.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象1、結(jié)構(gòu)的概念土木工程中的各類建筑物在使用過(guò)程中都要受到荷載的作用，在建筑物中承受和傳遞荷載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)可以是一根梁或一根柱。但往往一個(gè)結(jié)構(gòu)是由多個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)所組成，這些簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)又稱為構(gòu)件。1.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象1、結(jié)構(gòu)的概念41.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象 圖1.1所示為由屋架、柱子、吊車梁、屋面板及基礎(chǔ)等組成了工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)。圖1.2所示為橋梁圖1.1圖1.21.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象 圖1.1所示為由屋架、51.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象

圖1.2所示為橋梁，圖1.3所示為蓄水池和圖1.4所示為擋土墻等，都是結(jié)構(gòu)的典型例子。

圖1.3圖1.41.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象 圖1.2所示為橋梁，圖1.361.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類 工程中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)按其幾何特征可分為以下三類：(1)

桿件結(jié)構(gòu) 由桿件組成的結(jié)構(gòu)稱為桿件結(jié)構(gòu)。桿件的幾何特征是它的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其橫截面的寬度和高度。圖1.5所示鋼筋混凝土屋架就是一個(gè)桿件結(jié)構(gòu)。圖1.51.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類圖1.571.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類

(2)板殼結(jié)構(gòu) 由薄板或薄殼組成的結(jié)構(gòu)稱為板殼結(jié)構(gòu)。薄板和薄殼的幾何特征是它們的長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)大于其厚度。當(dāng)構(gòu)件為平面狀時(shí)稱為薄板；當(dāng)構(gòu)件具有曲面狀時(shí)稱為薄殼。板殼結(jié)構(gòu)也稱為薄壁結(jié)構(gòu)。圖1.3所示蓄水池就是由平板和柱殼組成的板殼結(jié)構(gòu)；圖1.6(a)、(b)所示屋頂分別是三角形折板結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)筒殼結(jié)構(gòu)。

圖1.61.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類圖1.681.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類(3)

實(shí)體結(jié)構(gòu) 如果結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高三個(gè)尺度為同一量級(jí)，則稱為實(shí)體結(jié)構(gòu)。例如擋土墻(圖1.4)、堤壩和塊形基礎(chǔ)等都是實(shí)體結(jié)構(gòu)。 除了上面三類結(jié)構(gòu)外，在工程中還會(huì)遇到懸索結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)等其他類型的結(jié)構(gòu)。 在土木工程中，桿件結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。按照空間特征，桿件結(jié)構(gòu)又可分為平面桿件結(jié)構(gòu)和空間桿件結(jié)構(gòu)兩類。凡組成結(jié)構(gòu)的所有桿件的軸線都位于同一平面內(nèi)，并且荷載也作用于該平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)，稱為平面桿件結(jié)構(gòu)。否則稱為空間桿件結(jié)構(gòu)。實(shí)際結(jié)構(gòu)多屬于空間的，但在計(jì)算時(shí)，根據(jù)其實(shí)際受力特點(diǎn)，有許多可簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)來(lái)處理(例如，圖1.1中的廠房結(jié)構(gòu))。 結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要研究對(duì)象是桿件結(jié)構(gòu)。本書(shū)只限于研究平面桿件結(jié)構(gòu)。1.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類91.1.2結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)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)能維持其原有的幾何形狀。 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)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算。1.1.2結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)包括以下兩個(gè)101.2桿件結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖

1.2.1結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化1.2桿件結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖1.2.1結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖111.2.1結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖 工程中結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造比較復(fù)雜，其受力及變形情況也比較復(fù)雜，完全按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行分析往往是困難的。因此在進(jìn)行力學(xué)計(jì)算前，必須先將實(shí)際結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)化，分清結(jié)構(gòu)受力、變形的主次，抓住主要因素，忽略一些次要因素，將實(shí)際結(jié)構(gòu)抽象為既能反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力和變形特點(diǎn)又便于計(jì)算的理想模型，稱為結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖。 本書(shū)后面所稱的結(jié)構(gòu)都是指其計(jì)算簡(jiǎn)圖1.2.1結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖 工程中結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造比較復(fù)雜，其121.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化1.桿件的簡(jiǎn)化2.結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化3.支座的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化1.桿件的簡(jiǎn)化131.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化1.桿件的簡(jiǎn)化 桿件用其軸線表示。直桿簡(jiǎn)化為直線；曲桿簡(jiǎn)化為曲線。1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化1.桿件的簡(jiǎn)化141.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化2.結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化

結(jié)構(gòu)中各桿件間的相互聯(lián)接處稱為結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)可簡(jiǎn)化為以下兩種基本類型：(1)鉸結(jié)點(diǎn) 鉸結(jié)點(diǎn)的特征是所聯(lián)各桿都可以繞結(jié)點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，即在結(jié)點(diǎn)處各桿之間的夾角可以改變。例如，在圖1.7(a)所示木結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)構(gòu)造中，是用鋼板和螺栓將各桿端聯(lián)結(jié)起來(lái)的，各桿之間不能有相對(duì)移動(dòng)，但允許有微小的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，故可作為鉸結(jié)點(diǎn)處理，其簡(jiǎn)圖如圖1.7(b)所示。圖1.71.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化2.結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化圖1.7151.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化2.結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化(2)剛結(jié)點(diǎn) 剛結(jié)點(diǎn)的特征是所聯(lián)各桿不能繞結(jié)點(diǎn)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即各桿之間的夾角在變形前后保持不變。例如圖1.8(a)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖，其簡(jiǎn)圖如圖1.8(b)所示。

當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)具有以上兩種結(jié)點(diǎn)的特征時(shí)，稱為組合結(jié)點(diǎn)，即在結(jié)點(diǎn)處有些桿件為鉸接，同時(shí)也有些桿件為剛性聯(lián)接[圖1.9(a)、(b)]。圖1.8圖1.91.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化2.結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化圖1.8圖1.161.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化3.支座的簡(jiǎn)化 把結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)或支承部分聯(lián)接起來(lái)的裝置稱為支座。平面結(jié)構(gòu)的支座根據(jù)其支承情況的不同可簡(jiǎn)化為活動(dòng)鉸支座、固定鉸支座、固定端支座[圖1.10(a)、(b)、(c)]和定向支座[圖1.11(a)]。前三種支座在理論力學(xué)中已介紹過(guò)，此處不再贅述。圖1.101.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化3.支座的簡(jiǎn)化圖1.10171.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化3.支座的簡(jiǎn)化

定向支座能限制桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直于支承面方向的移動(dòng)，但允許桿件沿平行于支承面的方向移動(dòng)。其支座反力為垂直于支承面的反力FN和反力偶矩M[圖1.11(b)]。當(dāng)支承面與桿軸線垂直時(shí)，定向支座的反力為水平方向[圖1.11(c)]。圖1.111.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化3.支座的簡(jiǎn)化圖1.11181.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化 作用于結(jié)構(gòu)上的荷載通常簡(jiǎn)化為集中荷載和分布荷載。 下面舉例說(shuō)明結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化過(guò)程和如何選取其計(jì)算簡(jiǎn)圖。 【例1.1】試選取圖1.12(a)所示單層工業(yè)廠房的計(jì)算簡(jiǎn)圖。 【解】1)

結(jié)構(gòu)體系的簡(jiǎn)化。該單層工業(yè)廠房是由許多橫向平面單元[圖1.12(b)]，通過(guò)屋面板和吊車梁等縱向構(gòu)件聯(lián)系起來(lái)的空間結(jié)構(gòu)。由于各個(gè)橫向平面單元相同，且作用于結(jié)構(gòu)上的荷載一般又是沿廠房縱向均勻分布的，因此作用于結(jié)構(gòu)上的荷載可通過(guò)縱向構(gòu)件分配到各個(gè)橫向平面單元上。這樣就可不考慮結(jié)構(gòu)整體的空間作用，把一個(gè)空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為若干個(gè)彼此獨(dú)立的平面結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析、計(jì)算。1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化191.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化 2)

構(gòu)件的簡(jiǎn)化。立柱因上下截面不同，可用粗細(xì)不同的兩段軸線表示。屋架因其平面內(nèi)剛度很大，可簡(jiǎn)化為一剛度為無(wú)限大的直桿。 3)

結(jié)點(diǎn)與支座的簡(jiǎn)化。屋架與柱頂通常采用螺栓聯(lián)結(jié)或焊接，可視為鉸結(jié)點(diǎn)。立柱下端與基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)牢固，嵌入較深，可簡(jiǎn)化為固定端支座。 4)

荷載的簡(jiǎn)化。由吊車梁傳到柱子上的壓力，因吊車梁與牛腿接觸面積較小，可用集中力F1、F2表示；屋面上的風(fēng)荷載簡(jiǎn)化為作用于柱頂?shù)囊凰郊辛3；而柱子所受水平風(fēng)力，可按平面單元負(fù)荷寬度簡(jiǎn)化為均布線荷載q。 經(jīng)過(guò)上述簡(jiǎn)化，即可得到廠房橫向平面單元的計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖1.12(c)所示。1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化201.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化

圖1.121.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化圖1.12211.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化

【例1.2】圖1.13(a)為一水利工程鋼筋混凝土渡槽，試選取其計(jì)算簡(jiǎn)圖。 【解】在進(jìn)行縱向計(jì)算時(shí)，可把槽身視為支承在支架上的簡(jiǎn)支梁，所受的荷載為均布的水重和自重，梁的截面為U形，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1.13(b)所示。在進(jìn)行橫向計(jì)算時(shí)，則用兩個(gè)垂直于縱向軸線的平面從槽身中截出單位長(zhǎng)度的一段，計(jì)算簡(jiǎn)圖為U形剛架，如圖1.13(c)所示。所受荷載為水壓力，底部的水壓力為均勻分布，兩側(cè)則為三角形分布。由于每段槽身都是整個(gè)槽身的一部分，所以每段槽身上的豎向荷載靠整個(gè)槽身截面上的豎向剪力來(lái)支承，也就是靠該段渡槽的兩側(cè)截面內(nèi)的豎向剪力來(lái)支承，圖1.13(c)中的支座實(shí)際上代表兩側(cè)壁板的豎向剪力所起的支承作用。1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化221.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化圖1.131.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化圖1.13231.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化

選取較合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖，不僅需要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還需要有較完備的力學(xué)知識(shí)，才能分析主、次要因素的相互關(guān)系，對(duì)于一些新型結(jié)構(gòu)往往還需要借助模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)才能確定出較合理的計(jì)算簡(jiǎn)圖。對(duì)于工程中一些常用的結(jié)構(gòu)型式，其計(jì)算簡(jiǎn)圖經(jīng)實(shí)踐證明都比較合理，因此可以直接采用。1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化241.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類 平面桿件結(jié)構(gòu)按其受力特征可分為以下幾種類型：(1)梁 梁是一種以彎曲變形為主的構(gòu)件，其軸線通常為直線。梁可以是單跨的或多跨的(圖1.14)。

圖1.141.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類 平面桿件結(jié)構(gòu)按其受力特征可分為以251.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(2)剛架 剛架是由直桿組成，其結(jié)點(diǎn)全部或部分為剛結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)(圖1.15)。剛架各桿主要承受彎矩，也承受剪力和軸力。圖1.151.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(2)剛架圖1.15261.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(3)拱 拱的軸線多為曲線，其特點(diǎn)是在豎向荷載作用下能產(chǎn)生水平支座反力(圖1.16)。這種水平支座反力可減少拱橫截面上的彎矩。圖1.161.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(3)拱圖1.16271.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(4)桁架 桁架是由直桿組成，其所有結(jié)點(diǎn)都為鉸結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)(圖1.17)。在平面荷載作用下各桿主要產(chǎn)生軸力。圖1.171.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(4)桁架圖1.17281.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(5)組合結(jié)構(gòu) 組合結(jié)構(gòu)是由桁架和梁或剛架組合在一起而形成的結(jié)構(gòu)(圖1.18)。其特點(diǎn)是一部分桿件只承受軸力，而另一部分桿件則同時(shí)承受彎矩、剪力和軸力。圖1.181.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(5)組合結(jié)構(gòu)圖1.18291.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類 主動(dòng)作用于結(jié)構(gòu)上的外力稱為荷載。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算之前，首先要確定結(jié)構(gòu)所受的荷載。如果將荷載估計(jì)過(guò)大，則設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)會(huì)過(guò)于笨重，并造成浪費(fèi)；反之，若將荷載估計(jì)過(guò)低，則設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將不能保證安全。因此，荷載的確定在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是非常重要的工作。 荷載按其不同特征可進(jìn)行如下分類：1.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類 主動(dòng)作用于結(jié)構(gòu)上的外力稱為荷載301.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類1.按荷載作用時(shí)間的久暫分類 1)恒載。恒載是指永久作用于結(jié)構(gòu)上的荷載。如結(jié)構(gòu)的自重以及固定在結(jié)構(gòu)上的永久性設(shè)備的重力等。 2)活載。活載是指施工或使用期間臨時(shí)作用于結(jié)構(gòu)上的荷載。如列車荷載、吊車荷載、人群的重力、風(fēng)載、雪載等。1.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類1.按荷載作用時(shí)間的久暫分類311.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類2.按荷載作用的性質(zhì)分類 1)靜力荷載。靜力荷載是指其大小、方向和作用位置不隨時(shí)間變化或變化非常緩慢的荷載。在這樣的荷載加載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)不引起明顯的加速度，因此可以略去慣性力的影響。靜力荷載又稱靜荷載。 2)動(dòng)力荷載。動(dòng)力荷載是指其大小、方向可隨時(shí)間迅速變化的荷載。這樣的荷載在加載過(guò)程中將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的運(yùn)動(dòng)，因此需要考慮加速度和慣性力的影響。動(dòng)力荷載又稱動(dòng)荷載。 恒載和一些位置不變且加載速度比較緩慢的荷載可視為靜力荷載。沖擊荷載、突加荷載以及機(jī)器運(yùn)動(dòng)引起的荷載、地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)對(duì)建筑物引起的動(dòng)力作用等都屬于動(dòng)力荷載的范圍。1.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類2.按荷載作用的性質(zhì)分類321.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類3.按荷載的分布范圍分類 1)集中荷載。集中荷載是指其分布面積遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)尺寸的荷載。因此在分析、計(jì)算時(shí)可認(rèn)為集中荷載是作用在結(jié)構(gòu)的某一個(gè)點(diǎn)上。如汽車的輪壓，可視為作用于橋梁上的集中荷載。 2)分布荷載。分布荷載是指連續(xù)分布在結(jié)構(gòu)上的荷載。當(dāng)分布荷載在結(jié)構(gòu)上均勻分布時(shí)，稱為均布荷載；分布不均勻的，稱為非均布荷載。如等截面梁的自重可視為均布荷載，而水對(duì)水池側(cè)壁的壓力則視為非均布荷載。1.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類3.按荷載的分布范圍分類331.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類4.非荷外界因素

結(jié)構(gòu)除了承受上述荷載作用外，還可能受到其他外界因素的影響，如溫度的改變、支座的移動(dòng)、材料的收縮等，這些非荷外界因素有可能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或內(nèi)力。因此，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、計(jì)算時(shí)，必須考慮這些因素對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。1.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類4.非荷外界因素34思考題1.1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)？1.2結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)是什么？1.3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？1.4平面桿件結(jié)構(gòu)從哪幾個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)化？1.5從受力和變形方面考慮，剛結(jié)點(diǎn)和鉸結(jié)點(diǎn)各具有什么特點(diǎn)？1.6支座有幾種形式？分別存在何種約束反力？1.7平面桿件結(jié)構(gòu)可分為哪幾種類型？1.8結(jié)構(gòu)上的荷載分為哪幾類？怎樣理解非荷外界因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響？思考題1.1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35第一章緒論1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象和任務(wù)1.2桿件結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖1.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類1.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類第一章緒論1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象和任務(wù)36第一章緒論本章介紹結(jié)構(gòu)的概念及其分類，結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象和任務(wù)，結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的概念，平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化與分類，荷載的簡(jiǎn)化與分類。第一章緒論本章介紹結(jié)構(gòu)的概念及其分類，結(jié)構(gòu)371.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)1.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象1.1.2結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)1.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象381.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象1、結(jié)構(gòu)的概念土木工程中的各類建筑物在使用過(guò)程中都要受到荷載的作用，在建筑物中承受和傳遞荷載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)可以是一根梁或一根柱。但往往一個(gè)結(jié)構(gòu)是由多個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)所組成，這些簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)又稱為構(gòu)件。1.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象1、結(jié)構(gòu)的概念391.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象 圖1.1所示為由屋架、柱子、吊車梁、屋面板及基礎(chǔ)等組成了工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)。圖1.2所示為橋梁圖1.1圖1.21.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象 圖1.1所示為由屋架、401.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象

圖1.2所示為橋梁，圖1.3所示為蓄水池和圖1.4所示為擋土墻等，都是結(jié)構(gòu)的典型例子。

圖1.3圖1.41.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象 圖1.2所示為橋梁，圖1.3411.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類 工程中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)按其幾何特征可分為以下三類：(1)

桿件結(jié)構(gòu) 由桿件組成的結(jié)構(gòu)稱為桿件結(jié)構(gòu)。桿件的幾何特征是它的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其橫截面的寬度和高度。圖1.5所示鋼筋混凝土屋架就是一個(gè)桿件結(jié)構(gòu)。圖1.51.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類圖1.5421.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類

(2)板殼結(jié)構(gòu) 由薄板或薄殼組成的結(jié)構(gòu)稱為板殼結(jié)構(gòu)。薄板和薄殼的幾何特征是它們的長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)大于其厚度。當(dāng)構(gòu)件為平面狀時(shí)稱為薄板；當(dāng)構(gòu)件具有曲面狀時(shí)稱為薄殼。板殼結(jié)構(gòu)也稱為薄壁結(jié)構(gòu)。圖1.3所示蓄水池就是由平板和柱殼組成的板殼結(jié)構(gòu)；圖1.6(a)、(b)所示屋頂分別是三角形折板結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)筒殼結(jié)構(gòu)。

圖1.61.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類圖1.6431.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類(3)

實(shí)體結(jié)構(gòu) 如果結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高三個(gè)尺度為同一量級(jí)，則稱為實(shí)體結(jié)構(gòu)。例如擋土墻(圖1.4)、堤壩和塊形基礎(chǔ)等都是實(shí)體結(jié)構(gòu)。 除了上面三類結(jié)構(gòu)外，在工程中還會(huì)遇到懸索結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)等其他類型的結(jié)構(gòu)。 在土木工程中，桿件結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。按照空間特征，桿件結(jié)構(gòu)又可分為平面桿件結(jié)構(gòu)和空間桿件結(jié)構(gòu)兩類。凡組成結(jié)構(gòu)的所有桿件的軸線都位于同一平面內(nèi)，并且荷載也作用于該平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)，稱為平面桿件結(jié)構(gòu)。否則稱為空間桿件結(jié)構(gòu)。實(shí)際結(jié)構(gòu)多屬于空間的，但在計(jì)算時(shí)，根據(jù)其實(shí)際受力特點(diǎn)，有許多可簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)來(lái)處理(例如，圖1.1中的廠房結(jié)構(gòu))。 結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要研究對(duì)象是桿件結(jié)構(gòu)。本書(shū)只限于研究平面桿件結(jié)構(gòu)。1.1.1結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象2、結(jié)構(gòu)的分類441.1.2結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)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)能維持其原有的幾何形狀。 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)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算。1.1.2結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本任務(wù)包括以下兩個(gè)451.2桿件結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖

1.2.1結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化1.2桿件結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖1.2.1結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖461.2.1結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖 工程中結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造比較復(fù)雜，其受力及變形情況也比較復(fù)雜，完全按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行分析往往是困難的。因此在進(jìn)行力學(xué)計(jì)算前，必須先將實(shí)際結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)化，分清結(jié)構(gòu)受力、變形的主次，抓住主要因素，忽略一些次要因素，將實(shí)際結(jié)構(gòu)抽象為既能反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力和變形特點(diǎn)又便于計(jì)算的理想模型，稱為結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖。 本書(shū)后面所稱的結(jié)構(gòu)都是指其計(jì)算簡(jiǎn)圖1.2.1結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖 工程中結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造比較復(fù)雜，其471.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化1.桿件的簡(jiǎn)化2.結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化3.支座的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化1.桿件的簡(jiǎn)化481.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化1.桿件的簡(jiǎn)化 桿件用其軸線表示。直桿簡(jiǎn)化為直線；曲桿簡(jiǎn)化為曲線。1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化1.桿件的簡(jiǎn)化491.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化2.結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化

結(jié)構(gòu)中各桿件間的相互聯(lián)接處稱為結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)可簡(jiǎn)化為以下兩種基本類型：(1)鉸結(jié)點(diǎn) 鉸結(jié)點(diǎn)的特征是所聯(lián)各桿都可以繞結(jié)點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，即在結(jié)點(diǎn)處各桿之間的夾角可以改變。例如，在圖1.7(a)所示木結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)構(gòu)造中，是用鋼板和螺栓將各桿端聯(lián)結(jié)起來(lái)的，各桿之間不能有相對(duì)移動(dòng)，但允許有微小的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，故可作為鉸結(jié)點(diǎn)處理，其簡(jiǎn)圖如圖1.7(b)所示。圖1.71.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化2.結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化圖1.7501.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化2.結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化(2)剛結(jié)點(diǎn) 剛結(jié)點(diǎn)的特征是所聯(lián)各桿不能繞結(jié)點(diǎn)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即各桿之間的夾角在變形前后保持不變。例如圖1.8(a)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖，其簡(jiǎn)圖如圖1.8(b)所示。

當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)具有以上兩種結(jié)點(diǎn)的特征時(shí)，稱為組合結(jié)點(diǎn)，即在結(jié)點(diǎn)處有些桿件為鉸接，同時(shí)也有些桿件為剛性聯(lián)接[圖1.9(a)、(b)]。圖1.8圖1.91.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化2.結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化圖1.8圖1.511.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化3.支座的簡(jiǎn)化 把結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)或支承部分聯(lián)接起來(lái)的裝置稱為支座。平面結(jié)構(gòu)的支座根據(jù)其支承情況的不同可簡(jiǎn)化為活動(dòng)鉸支座、固定鉸支座、固定端支座[圖1.10(a)、(b)、(c)]和定向支座[圖1.11(a)]。前三種支座在理論力學(xué)中已介紹過(guò)，此處不再贅述。圖1.101.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化3.支座的簡(jiǎn)化圖1.10521.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化3.支座的簡(jiǎn)化

定向支座能限制桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直于支承面方向的移動(dòng)，但允許桿件沿平行于支承面的方向移動(dòng)。其支座反力為垂直于支承面的反力FN和反力偶矩M[圖1.11(b)]。當(dāng)支承面與桿軸線垂直時(shí)，定向支座的反力為水平方向[圖1.11(c)]。圖1.111.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化3.支座的簡(jiǎn)化圖1.11531.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化 作用于結(jié)構(gòu)上的荷載通常簡(jiǎn)化為集中荷載和分布荷載。 下面舉例說(shuō)明結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化過(guò)程和如何選取其計(jì)算簡(jiǎn)圖。 【例1.1】試選取圖1.12(a)所示單層工業(yè)廠房的計(jì)算簡(jiǎn)圖。 【解】1)

結(jié)構(gòu)體系的簡(jiǎn)化。該單層工業(yè)廠房是由許多橫向平面單元[圖1.12(b)]，通過(guò)屋面板和吊車梁等縱向構(gòu)件聯(lián)系起來(lái)的空間結(jié)構(gòu)。由于各個(gè)橫向平面單元相同，且作用于結(jié)構(gòu)上的荷載一般又是沿廠房縱向均勻分布的，因此作用于結(jié)構(gòu)上的荷載可通過(guò)縱向構(gòu)件分配到各個(gè)橫向平面單元上。這樣就可不考慮結(jié)構(gòu)整體的空間作用，把一個(gè)空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為若干個(gè)彼此獨(dú)立的平面結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析、計(jì)算。1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化541.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化 2)

構(gòu)件的簡(jiǎn)化。立柱因上下截面不同，可用粗細(xì)不同的兩段軸線表示。屋架因其平面內(nèi)剛度很大，可簡(jiǎn)化為一剛度為無(wú)限大的直桿。 3)

結(jié)點(diǎn)與支座的簡(jiǎn)化。屋架與柱頂通常采用螺栓聯(lián)結(jié)或焊接，可視為鉸結(jié)點(diǎn)。立柱下端與基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)牢固，嵌入較深，可簡(jiǎn)化為固定端支座。 4)

荷載的簡(jiǎn)化。由吊車梁傳到柱子上的壓力，因吊車梁與牛腿接觸面積較小，可用集中力F1、F2表示；屋面上的風(fēng)荷載簡(jiǎn)化為作用于柱頂?shù)囊凰郊辛3；而柱子所受水平風(fēng)力，可按平面單元負(fù)荷寬度簡(jiǎn)化為均布線荷載q。 經(jīng)過(guò)上述簡(jiǎn)化，即可得到廠房橫向平面單元的計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖1.12(c)所示。1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化551.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化

圖1.121.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化圖1.12561.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化

【例1.2】圖1.13(a)為一水利工程鋼筋混凝土渡槽，試選取其計(jì)算簡(jiǎn)圖。 【解】在進(jìn)行縱向計(jì)算時(shí)，可把槽身視為支承在支架上的簡(jiǎn)支梁，所受的荷載為均布的水重和自重，梁的截面為U形，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1.13(b)所示。在進(jìn)行橫向計(jì)算時(shí)，則用兩個(gè)垂直于縱向軸線的平面從槽身中截出單位長(zhǎng)度的一段，計(jì)算簡(jiǎn)圖為U形剛架，如圖1.13(c)所示。所受荷載為水壓力，底部的水壓力為均勻分布，兩側(cè)則為三角形分布。由于每段槽身都是整個(gè)槽身的一部分，所以每段槽身上的豎向荷載靠整個(gè)槽身截面上的豎向剪力來(lái)支承，也就是靠該段渡槽的兩側(cè)截面內(nèi)的豎向剪力來(lái)支承，圖1.13(c)中的支座實(shí)際上代表兩側(cè)壁板的豎向剪力所起的支承作用。1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化571.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化圖1.131.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化圖1.13581.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化

選取較合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖，不僅需要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還需要有較完備的力學(xué)知識(shí)，才能分析主、次要因素的相互關(guān)系，對(duì)于一些新型結(jié)構(gòu)往往還需要借助模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)才能確定出較合理的計(jì)算簡(jiǎn)圖。對(duì)于工程中一些常用的結(jié)構(gòu)型式，其計(jì)算簡(jiǎn)圖經(jīng)實(shí)踐證明都比較合理，因此可以直接采用。1.2.2平面桿件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化4.荷載的簡(jiǎn)化591.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類 平面桿件結(jié)構(gòu)按其受力特征可分為以下幾種類型：(1)梁 梁是一種以彎曲變形為主的構(gòu)件，其軸線通常為直線。梁可以是單跨的或多跨的(圖1.14)。

圖1.141.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類 平面桿件結(jié)構(gòu)按其受力特征可分為以601.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(2)剛架 剛架是由直桿組成，其結(jié)點(diǎn)全部或部分為剛結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)(圖1.15)。剛架各桿主要承受彎矩，也承受剪力和軸力。圖1.151.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(2)剛架圖1.15611.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(3)拱 拱的軸線多為曲線，其特點(diǎn)是在豎向荷載作用下能產(chǎn)生水平支座反力(圖1.16)。這種水平支座反力可減少拱橫截面上的彎矩。圖1.161.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(3)拱圖1.16621.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(4)桁架 桁架是由直桿組成，其所有結(jié)點(diǎn)都為鉸結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)(圖1.17)。在平面荷載作用下各桿主要產(chǎn)生軸力。圖1.171.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(4)桁架圖1.17631.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(5)組合結(jié)構(gòu) 組合結(jié)構(gòu)是由桁架和梁或剛架組合在一起而形成的結(jié)構(gòu)(圖1.18)。其特點(diǎn)是一部分桿件只承受軸力，而另一部分桿件則同時(shí)承受彎矩、剪力和軸力。圖1.181.3平面桿件結(jié)構(gòu)的分類(5)組合結(jié)構(gòu)圖1.18641.4結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類 主動(dòng)作用于結(jié)構(gòu)上的外力稱為荷載。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算之前，首先要確定結(jié)構(gòu)所受的荷載。如果將荷載估計(jì)過(guò)大，則設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)會(huì)過(guò)于笨重，并造成浪費(fèi)；反之，若將荷載估計(jì)過(guò)低，則設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將不能保證安全。因此，