哈工大結(jié)構(gòu)力學(xué)緒論

土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)科組HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY

結(jié)構(gòu)力學(xué)STRUCTURALMECHANICS*哈工大土木工程學(xué)院2/40什么是結(jié)構(gòu)力學(xué)

?Themeaningof"StructuralMechanics"

顧名思義，結(jié)構(gòu)力學(xué)是研究“結(jié)構(gòu)”的“力學(xué)”。力學(xué)研究結(jié)構(gòu)合理形式及在外界條件作用下反應(yīng)規(guī)律性的學(xué)科。結(jié)構(gòu)用某種材料按一定方式組成旨在承受和傳遞荷載的體系。Introduction*哈工大土木工程學(xué)院3/40由古至今遠(yuǎn)古人的穴居陋室

現(xiàn)代太空站

人類為了生存和發(fā)展建造了大量各式各樣的構(gòu)筑物*哈工大土木工程學(xué)院4/40人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域都有形形色色的結(jié)構(gòu)商業(yè)大廈內(nèi)景

公路大橋雄姿

靜止的結(jié)構(gòu)*哈工大土木工程學(xué)院5/40直升機(jī)洲際客機(jī)

天上飛的結(jié)構(gòu)*哈工大土木工程學(xué)院6/40軍車集錦機(jī)車集錦陸地跑的結(jié)構(gòu)*哈工大土木工程學(xué)院7/40航空母艦巡洋艦水上游的結(jié)構(gòu)*哈工大土木工程學(xué)院8/40娛樂(lè)設(shè)施的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)車

過(guò)山車

*哈工大土木工程學(xué)院9/40

結(jié)構(gòu)無(wú)所不在*哈工大土木工程學(xué)院10/40物體的存在并不是為了受力，而是為了發(fā)揮某種功能（Function）。飛機(jī)要在藍(lán)天翱翔汽車要在大地奔馳輪船要在海洋游弋為了發(fā)揮它的功能，它們必須經(jīng)受外力和內(nèi)力，因此它們又必須是結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)由于受力過(guò)大而無(wú)法繼續(xù)發(fā)揮功能時(shí)，就稱為失效(Faliure)，如果結(jié)構(gòu)在預(yù)期的工作條件下，正常使用，它就是具備安全性(Safety)的結(jié)構(gòu)。為了防止結(jié)構(gòu)失效，保證其安全性就要研究結(jié)構(gòu)力學(xué)！

*哈工大土木工程學(xué)院11/40結(jié)構(gòu)的受力特性和承載能力與結(jié)構(gòu)的幾何特征密切相關(guān)§0-1結(jié)構(gòu)的分類桿系結(jié)構(gòu)(structureofbarsystem)

：構(gòu)件的橫截面尺寸<<長(zhǎng)度尺寸；板殼結(jié)構(gòu)(plateandshellstructure)

：構(gòu)件的厚度<<表面尺寸；實(shí)體結(jié)構(gòu)(massivestructure)

：結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、厚三個(gè)尺寸相仿。

*哈工大土木工程學(xué)院12/40§0-2結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)控制——通過(guò)控制理論和控制技術(shù)，智能化地抵御外界作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。分析——結(jié)構(gòu)在外因作用下的反應(yīng)。通過(guò)分析使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟(jì)合理，又安全可靠。識(shí)別——通過(guò)系統(tǒng)的反饋信息，確定體系內(nèi)在實(shí)質(zhì)（系統(tǒng)識(shí)別）或外界作用（荷載識(shí)別）。*哈工大土木工程學(xué)院13/40基本任務(wù)1.研究結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律和合理形式以及計(jì)算簡(jiǎn)圖的合理選擇；組成規(guī)律：保證結(jié)構(gòu)各部分之間不能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以承擔(dān)預(yù)定的荷載；合理形式：為了充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的性能，更有效地利用材料，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的；計(jì)算簡(jiǎn)圖：將實(shí)際結(jié)構(gòu)變成理論模型（Structuralidealization)

，便于研究和討論。*哈工大土木工程學(xué)院14/402.討論結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的計(jì)算原理和計(jì)算方法內(nèi)力計(jì)算是為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)；變形計(jì)算是為了保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生過(guò)大位移，滿足使用要求3.討論結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及在動(dòng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)規(guī)律，利用控制理論尋找恰當(dāng)?shù)目刂品椒āＱ芯拷Y(jié)構(gòu)在外界因素(如荷載、溫度變化及支座移動(dòng))的影響下，結(jié)構(gòu)的反力、內(nèi)力和位移的計(jì)算原理和方法。為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。*哈工大土木工程學(xué)院15/40研究手段1.理論分析2.實(shí)驗(yàn)研究3.數(shù)值計(jì)算首先把實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為計(jì)算簡(jiǎn)圖，再對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行理論分析。結(jié)構(gòu)力學(xué)分析要綜合考慮三個(gè)方面的條件：1.力系的平衡條件和運(yùn)動(dòng)條件；2.變形的幾何連續(xù)條件；3.應(yīng)力-應(yīng)變間的物理?xiàng)l件。將三個(gè)條件根據(jù)不同的具體情況結(jié)合起來(lái)就可以得到不同的計(jì)算方法。*哈工大土木工程學(xué)院16/40本課與其它課程的關(guān)系高等數(shù)學(xué)

作為分析計(jì)算的工具理論力學(xué)

著重討論物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)材料力學(xué)

以構(gòu)件作為對(duì)象，討論應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系彈性力學(xué)以塊體和板殼結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，討論彈性材料更廣泛的本構(gòu)關(guān)系結(jié)構(gòu)力學(xué)

重點(diǎn)研究桿系結(jié)構(gòu)，它為鋼混結(jié)構(gòu)、鋼木結(jié)構(gòu)，水工結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等專業(yè)課提供力學(xué)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)依據(jù)。*哈工大土木工程學(xué)院17/40基本要求：(1).注意與理論力學(xué)和材料力學(xué)的聯(lián)系(2).注意理論聯(lián)系實(shí)際(3).注意分析方法和計(jì)算能力的培養(yǎng)(4).注意多練，認(rèn)真做好作業(yè)，不盲目(5).注意自學(xué)能力的培養(yǎng)*哈工大土木工程學(xué)院18/40§0-3計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算工程實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程:

力學(xué)模型的合理性直接決定計(jì)算結(jié)果的正確性，因此模型的概念和建立力學(xué)模型的思想是學(xué)習(xí)的一個(gè)重點(diǎn)。計(jì)算簡(jiǎn)圖的選用需要較深厚的力學(xué)概念，并與工程實(shí)踐相結(jié)合，以及實(shí)踐的檢驗(yàn)。后面我們需要通過(guò)物體間的接觸與聯(lián)接方式的簡(jiǎn)化來(lái)體會(huì)建模思想和建模過(guò)程。實(shí)際對(duì)象力學(xué)模型數(shù)學(xué)模型計(jì)算

*哈工大土木工程學(xué)院19/40計(jì)算簡(jiǎn)圖(computingmodelofstructure)

為了結(jié)構(gòu)計(jì)算，需要對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化和假設(shè)，略去某些次要因素，保留其主要受力特征和變形特點(diǎn)，以簡(jiǎn)化圖形代替實(shí)際結(jié)構(gòu)，該圖形稱為計(jì)算簡(jiǎn)圖。選取結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖必要性、重要性：

實(shí)際結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，面面俱到困難重重。適當(dāng)簡(jiǎn)化合理選型，存本去末關(guān)鍵一環(huán)。*哈工大土木工程學(xué)院20/40能反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特點(diǎn)，保證計(jì)算精度和可靠性。忽略次要因素，使計(jì)算切實(shí)可行。

選取結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖的原則：計(jì)算簡(jiǎn)圖要它能反映工程結(jié)構(gòu)物的如下特征：

1．受力特性（荷載的大小、方向、作用位置）

2．幾何特性（構(gòu)件的軸線、形狀、長(zhǎng)度）

3．支承特性（支座的約束反力性質(zhì)、桿件連接形式）*哈工大土木工程學(xué)院21/40影響計(jì)算簡(jiǎn)圖選取的主要因素：

結(jié)構(gòu)性質(zhì)：次要結(jié)構(gòu)——粗；重要結(jié)構(gòu)——精；

設(shè)計(jì)階段：初步設(shè)計(jì)——粗；技術(shù)設(shè)計(jì)——精；

計(jì)算性質(zhì)：動(dòng)力計(jì)算——粗；靜力計(jì)算——精；

計(jì)算工具：簡(jiǎn)陋——粗；先進(jìn)——精。*哈工大土木工程學(xué)院22/40結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化：一般結(jié)構(gòu)實(shí)際上都是空間結(jié)構(gòu)，各部相連成為一空間整體，以承受各方向可能出現(xiàn)的荷載。在多數(shù)情況下，常忽略一些次要的空間約束，而將實(shí)際結(jié)構(gòu)分解為平面結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的幾個(gè)主要方面*哈工大土木工程學(xué)院23/40單層工業(yè)廠房取一榀計(jì)算，并化為平面體系?！?哈工大土木工程學(xué)院24/40桿件(Bar)簡(jiǎn)化：由桿的特征，截面應(yīng)力可根據(jù)截面內(nèi)力確定，而內(nèi)力只沿桿長(zhǎng)方向變化，因此桿的簡(jiǎn)圖可用軸線代替。桿件連接點(diǎn)用結(jié)點(diǎn)表示；桿長(zhǎng)用結(jié)點(diǎn)間的距離表示；荷載作用點(diǎn)移到軸線上。

FP2FP1↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓*哈工大土木工程學(xué)院25/40連接(Joints)簡(jiǎn)化：桿件間的連接區(qū)按約束程度簡(jiǎn)化成理想模型l鉸結(jié)點(diǎn)—被連接的桿件在連接處不能移動(dòng)但可轉(zhuǎn)動(dòng)。即可以傳遞力，但不能傳遞力矩(桁架結(jié)構(gòu)示意)鉸結(jié)點(diǎn)(HingeJoints)

*哈工大土木工程學(xué)院26/40l組合結(jié)點(diǎn)—被連接的桿件在連接處不能產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)但部分桿可產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。l剛結(jié)點(diǎn)—被連接的桿件在連接區(qū)不能相對(duì)移動(dòng)亦不可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此通過(guò)剛結(jié)點(diǎn)可以傳遞力，也可以傳遞力矩。

剛結(jié)點(diǎn)(Rigidjoints)

*哈工大土木工程學(xué)院27/40支座(Supports)簡(jiǎn)化:結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)相聯(lián)結(jié)的部分稱支座，結(jié)構(gòu)所受荷載通過(guò)支座傳遞到基礎(chǔ)和地基?？蓜?dòng)鉸支座(Rollersupport)Fy*哈工大土木工程學(xué)院28/40固定鉸支座(hingesupport)

FyFx*哈工大土木工程學(xué)院29/40滑動(dòng)支座(定向支座)(guidesupport)FyM*哈工大土木工程學(xué)院30/40固定端支座(fixedsupport)細(xì)石混凝土填充FyMFx*哈工大土木工程學(xué)院31/40實(shí)際工程中，支承部分有一定的彈性。在外荷載作用下支座產(chǎn)生變形，從而影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，其反力與結(jié)構(gòu)支承端相應(yīng)的位移成正比彈性支座(elasticsupport)*哈工大土木工程學(xué)院32/40

荷載(Loads)簡(jiǎn)化:荷載簡(jiǎn)化為作用在桿件軸線上。作用面積不大：按集中荷載考慮；作用面積較大：按分布荷載考慮；相聯(lián)作用給予的反作用力：力偶荷載；最后化成三大作用：線荷載、集中荷載及力偶荷載

材料(Materials)簡(jiǎn)化:

將結(jié)構(gòu)材料視為連續(xù)、均勻、各向同性、線彈性或理想彈塑性、小變形。*哈工大土木工程學(xué)院33/40

1.梁(beam)實(shí)際是對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行分類，按結(jié)構(gòu)的受力特性和連接特征劃分。受彎構(gòu)件。承受橫向荷載§0-4桿系結(jié)構(gòu)的類型qFP*哈工大土木工程學(xué)院34/40

2.拱(arch)軸線為曲線，力學(xué)特征是在豎向荷載作用下支座產(chǎn)生水平推力*哈工大土木工程學(xué)院35/40由若干兩端為理想鉸的直桿連接而成體系。3.桁架(truss)*哈工大土木工程學(xué)院36/404.剛架(rigidframe)由梁柱組成，具有剛結(jié)點(diǎn)，主要受彎*哈工大土木工程學(xué)院37/40

5.組合結(jié)構(gòu)(compositestructure)兼有剛架和桁架的組合體*哈工大土木工程學(xué)院38/40能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的因素，統(tǒng)稱荷載(loads)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算前，確定荷載大小很關(guān)鍵：若估計(jì)過(guò)大，消耗材料，增加造價(jià)；若估計(jì)過(guò)小，無(wú)法保證結(jié)構(gòu)的安全。要做到既經(jīng)濟(jì)又安全，同時(shí)滿足剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。§0-4荷載分類狹義荷載：主動(dòng)作用在結(jié)構(gòu)上的外力。自重、風(fēng)、地震廣義荷載：外力、溫度改變、支座沉降、制造誤差、材料的收縮及松馳等*哈工大土木工程學(xué)院39/40恒載（Deadloading）：長(zhǎng)期作用于結(jié)構(gòu)的不變荷載，包括:結(jié)構(gòu)的自重和土壓力；按作用時(shí)間久暫分為活載（Livingloading）：建筑物施工和使用期間可能存在的荷載，包括：風(fēng)載、雪載、吊車荷載、屋面荷載按空間位置的變異分為固定荷載（Fixedload）

位置上固定分布，或作用位置不變的荷載,包括:結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備等可動(dòng)荷載（Movingload）

位置上一定范圍內(nèi)可以任意分布，或作用位置可以移動(dòng)的荷載，包括：人群荷載、吊車荷載等*哈工大土木工程學(xué)院40/40按作用性質(zhì)分為靜力荷載（Staticloading）

略去慣性力的影響，大小方向作用點(diǎn)不隨時(shí)間變化或變化極為緩慢，無(wú)加速度。動(dòng)力荷載（Dynamicloading）

使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不容忽視的加速度，沖擊、振動(dòng)。按荷載規(guī)范分為荷載規(guī)范

總結(jié)了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和科研成果，供設(shè)計(jì)時(shí)用。End主要荷載：指結(jié)構(gòu)在正常使用條件下經(jīng)常作用著的荷載，如結(jié)構(gòu)自重、車輛荷載；附加荷載：指不經(jīng)常作用的荷載，如風(fēng)壓力、溫度變化等*哈工大土木工程學(xué)院41/40橋梁在列車荷載作用下不至于破壞和產(chǎn)生過(guò)大的變形。*哈工大土木工程學(xué)院42/40水壩在