《廣州大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)》課件

《廣州大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程概述本課程旨在全面介紹結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論和方法,包括力與位移的基本關(guān)系、結(jié)構(gòu)的平衡與變形分析、材料的力學(xué)性質(zhì)等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí),學(xué)生能夠掌握解決實際工程問題的基本技能,為后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。課程簡介課程背景作為廣州大學(xué)土木工程專業(yè)的核心課程之一，《結(jié)構(gòu)力學(xué)》為學(xué)生奠定了扎實的力學(xué)基礎(chǔ)。知識范圍課程涵蓋靜力學(xué)、力學(xué)性質(zhì)、材料強度理論等內(nèi)容,為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。實踐培養(yǎng)通過大量案例分析和驗證實驗,培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和解決實際問題的能力。課程目標(biāo)明確學(xué)習(xí)目標(biāo)深入掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論和應(yīng)用方法,為后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)奠定堅實基礎(chǔ)。拓展知識面學(xué)習(xí)各種結(jié)構(gòu)受力分析的專業(yè)知識,了解結(jié)構(gòu)性能評估和安全設(shè)計的關(guān)鍵技能。培養(yǎng)分析能力通過大量實踐訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際工程問題的能力。教學(xué)大綱課程內(nèi)容概述本課程將全面闡述結(jié)構(gòu)力學(xué)的基礎(chǔ)理論知識,涵蓋靜力學(xué)、強度分析、位移計算等關(guān)鍵內(nèi)容。通過理論講解和案例分析,幫助學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理和方法。知識點要點靜力學(xué)基本概念內(nèi)力分析和應(yīng)力計算幾何性質(zhì)對結(jié)構(gòu)受力的影響簡單構(gòu)件的分析方法復(fù)雜構(gòu)件的應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與破壞分析位移計算理論與方法動力分析基礎(chǔ)教學(xué)目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生將能夠掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論知識,并能運用于工程實踐中的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計。力學(xué)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)1力的概念定義力的基本屬性2力的平衡分析力的平衡條件3牛頓運動定律理解運動定律的應(yīng)用4基本應(yīng)力分析掌握應(yīng)力分析的基本方法在開始本課程的學(xué)習(xí)之前,我們首先需要回顧一下力學(xué)的基礎(chǔ)知識。這包括力的概念及其屬性、力的平衡條件、牛頓運動定律,以及應(yīng)力分析的基本方法。這些基礎(chǔ)知識將為我們后續(xù)的結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。靜力學(xué)基本概念力的平衡靜力學(xué)研究物體在靜止?fàn)顟B(tài)或勻速運動狀態(tài)下的力學(xué)問題,重點關(guān)注力的平衡狀態(tài)。物體自重力物體自重是由于重力作用而產(chǎn)生的垂直向下的力,這是靜力學(xué)分析中的重要概念。支承反力支承反力是物體受到支撐時所產(chǎn)生的向上的力,是靜力學(xué)中的另一個基本概念。靜平衡的方程1力的平衡條件靜平衡要求各物體上所受的各個力的矢量和等于零。2力矩的平衡條件對任意一點的力矩的矢量和也必須等于零。3平衡方程的建立通過力和力矩平衡條件可以建立靜平衡的數(shù)學(xué)方程。4結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用靜平衡方程是進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析的基礎(chǔ)。內(nèi)力的分析力的平衡通過分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力平衡狀態(tài),可以確定內(nèi)力的大小和方向。這是內(nèi)力分析的基礎(chǔ)。應(yīng)力的確定根據(jù)內(nèi)力和截面幾何,可以計算得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布,為強度驗算提供依據(jù)。截面性質(zhì)分析結(jié)構(gòu)截面的幾何特性,如面積、慣性矩等,影響內(nèi)力分布和應(yīng)力水平。合理設(shè)計截面很重要。應(yīng)變分析內(nèi)力導(dǎo)致的應(yīng)變變形可以反過來用來分析內(nèi)力,為位移計算提供基礎(chǔ)。幾何性質(zhì)對結(jié)構(gòu)受力的影響結(jié)構(gòu)的幾何性質(zhì),如截面大小、形狀和位置,會對其受力特性產(chǎn)生重要影響。截面越大,承受的內(nèi)力就越大;截面形狀越復(fù)雜,應(yīng)力分布也越不均勻。同時,構(gòu)件的位置和長度也會改變受力狀態(tài),如挑臂、懸臂等特殊構(gòu)件的應(yīng)力分析需要特殊考慮。簡單結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力計算對于簡單的結(jié)構(gòu)件,不同的載荷類型會導(dǎo)致不同的應(yīng)力分布。通過分析和計算可以得到各種載荷下的應(yīng)力值,為結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全評估提供重要依據(jù)?；纠碚撛囼?材料性能測試通過拉伸、壓縮、彎曲等試驗,測定材料的彈性模量、強度等基本力學(xué)性能參數(shù)。2撓度試驗利用梁或柱件的撓度變形特性,驗證變形理論和計算方法的準(zhǔn)確性。3支座反力測試測定不同支座條件下結(jié)構(gòu)的反力分布,為理論分析提供實驗依據(jù)。4應(yīng)力應(yīng)變測量采用應(yīng)變計等儀器,測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),驗證應(yīng)力分析理論。集中力作用的結(jié)構(gòu)件集中力作用點分析確定集中力作用點位置對整體受力分析至關(guān)重要,影響內(nèi)力分布和最大應(yīng)力的發(fā)生位置。內(nèi)力分析方法通過繪制剪力和彎矩圖,可以準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)件內(nèi)力狀態(tài),為應(yīng)力計算奠定基礎(chǔ)。應(yīng)力計算分析計算集中荷載作用下的最大應(yīng)力,并分析應(yīng)力分布特點,為結(jié)構(gòu)驗算提供依據(jù)。分布力作用的結(jié)構(gòu)件均勻分布荷載這種荷載均勻地作用于結(jié)構(gòu)件整個表面,常見于樓板、墻體等。它會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生彎曲變形和內(nèi)應(yīng)力。線性分布荷載荷載隨位置而線性變化,如人群、車輛等作用于梁柱上。它會產(chǎn)生不同于均勻荷載的變形和應(yīng)力分布。自重和溫度變化結(jié)構(gòu)件自身的重力和溫度變化也屬于分布荷載,會引起結(jié)構(gòu)的永久變形和應(yīng)力。需要進(jìn)行細(xì)致的分析。力矩作用的結(jié)構(gòu)件梁柱承受彎矩梁柱結(jié)構(gòu)件在受到外力作用時會產(chǎn)生彎矩,導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。需要對這種力矩作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和計算。力矩計算通過分析結(jié)構(gòu)件上各作用力的大小和位置,可以計算出結(jié)構(gòu)件承受的總彎矩。這是進(jìn)一步分析應(yīng)力分布的基礎(chǔ)。截面分析針對受力矩作用的結(jié)構(gòu)件,需要進(jìn)一步分析其截面特性,包括斷面積、抗彎矩截面模量等,以便計算應(yīng)力分布?；旌鲜芰Φ慕Y(jié)構(gòu)件組合負(fù)荷分析分析同時受到多種不同類型負(fù)荷作用的結(jié)構(gòu)件，如拉壓、剪切和彎矩等復(fù)合作用。應(yīng)力疊加原理根據(jù)應(yīng)力疊加原理計算結(jié)構(gòu)件在混合受力下的總應(yīng)力分布。極限承載力驗算綜合考慮各種受力作用對結(jié)構(gòu)件承載能力的影響進(jìn)行強度驗算。應(yīng)力集中分析重點關(guān)注結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力集中區(qū)域的應(yīng)力分布特征。構(gòu)件截面受力分析1截面內(nèi)力分析確定構(gòu)件截面內(nèi)的軸力、彎矩和剪力,這是進(jìn)行應(yīng)力分析的基礎(chǔ)。2應(yīng)力分布規(guī)律根據(jù)構(gòu)件受力類型和截面形狀,確定截面內(nèi)的應(yīng)力分布情況。3應(yīng)力計算公式采用經(jīng)典力學(xué)公式計算截面內(nèi)的應(yīng)力水平,如正應(yīng)力和剪應(yīng)力。4應(yīng)力驗算將計算得到的應(yīng)力值與材料許用應(yīng)力進(jìn)行對比,判斷構(gòu)件是否安全。復(fù)雜截面構(gòu)件的應(yīng)力分析對于形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，如柱、梁、墻體等，其截面形狀也比較復(fù)雜。要準(zhǔn)確分析這些構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，需要采用更加復(fù)雜的分析方法。主要分析方法應(yīng)力分布計算應(yīng)用范圍斷面分區(qū)法利用斷面分區(qū)分別計算各部分應(yīng)力適用于截面比較簡單的構(gòu)件復(fù)合梁理論將復(fù)雜截面視為多個簡單截面的組合適用于截面為多種簡單形狀組成的構(gòu)件有限元法利用數(shù)值仿真計算復(fù)雜截面的應(yīng)力分布適用于任意截面形狀的構(gòu)件復(fù)雜受力構(gòu)件的應(yīng)力分析對于復(fù)雜受荷的構(gòu)件,如彎曲和扭轉(zhuǎn)組合作用的構(gòu)件,其應(yīng)力狀態(tài)的分析需要采用更加精確的方法。除了基本的力和力矩平衡外,還需要考慮橫截面形狀、尺寸等因素對應(yīng)力分布的影響。此外,結(jié)構(gòu)的非線性性質(zhì)也是分析中需要重點關(guān)注的問題。20%效率提升精確分析方法可提高計算效率20%以上5MPa最大應(yīng)力復(fù)雜受力下構(gòu)件最大應(yīng)力可達(dá)5MPa2%誤差控制采用微分理論可將分析誤差控制在2%以內(nèi)構(gòu)件臨界應(yīng)力檢查應(yīng)力分析對構(gòu)件進(jìn)行全面的應(yīng)力分析,確認(rèn)是否達(dá)到或超過臨界應(yīng)力水平。安全系數(shù)根據(jù)構(gòu)件的材料特性和承載能力,計算適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù),確保結(jié)構(gòu)安全。規(guī)范要求嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),確保結(jié)構(gòu)設(shè)計符合行業(yè)準(zhǔn)則和安全要求。構(gòu)件極限承載能力驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限承載能力驗算是確保結(jié)構(gòu)安全性的重要步驟。通過計算受力構(gòu)件在極限荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)和破壞模式,能夠評估其安全性和承載能力。這需要結(jié)合材料特性、截面特性、荷載作用等多方面因素進(jìn)行精密計算和分析。極限承載能力計算方法應(yīng)用范圍優(yōu)缺點極限平衡法適用于簡單梁、柱、框架等結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算簡單,但忽略了構(gòu)件的變形特性極限彈塑性法適用于復(fù)雜截面和載荷組合的構(gòu)件考慮了構(gòu)件的變形特性,但計算較為復(fù)雜構(gòu)件穩(wěn)定性分析構(gòu)件受壓穩(wěn)定性分析結(jié)構(gòu)件在受到壓力作用下的穩(wěn)定性,并預(yù)測可能出現(xiàn)的失穩(wěn)模式,為設(shè)計提供依據(jù)。幾何參數(shù)對穩(wěn)定性的影響結(jié)構(gòu)件的長細(xì)比、截面形狀等幾何參數(shù)會顯著影響其穩(wěn)定性,需要進(jìn)行詳細(xì)分析。接觸約束對穩(wěn)定性的影響構(gòu)件與支座或其他構(gòu)件的接觸約束條件也會影響穩(wěn)定性,需要考慮各種邊界條件。位移分析理論理論基礎(chǔ)位移分析理論的核心是根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和結(jié)構(gòu)受載情況計算結(jié)構(gòu)的位移,為結(jié)構(gòu)整體性能評估提供依據(jù)。分析方法常用的位移分析方法包括虛功原理、單元剛度法、單元位移法等,可用于靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的位移計算。應(yīng)用領(lǐng)域位移分析理論廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、機械等工程領(lǐng)域,為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和性能評估提供關(guān)鍵依據(jù)。發(fā)展趨勢隨著數(shù)值計算技術(shù)的進(jìn)步,位移分析理論正向仿真模擬和智能化分析方向發(fā)展,提高了分析效率和精度。結(jié)構(gòu)剛度分析剛度定義剛度指結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件抵抗變形的能力。剛度高意味著受載時變形小。剛度計算結(jié)構(gòu)剛度由材料彈性模量和幾何尺寸決定?？赏ㄟ^應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計算。結(jié)構(gòu)剛度影響結(jié)構(gòu)剛度影響變形、內(nèi)力分布和應(yīng)力分布。合理設(shè)計剛度很重要。靜定結(jié)構(gòu)位移計算1靜定結(jié)構(gòu)靜定結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。2應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系利用材料本構(gòu)方程確定構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。3位移計算根據(jù)幾何條件和力-位移關(guān)系確定結(jié)構(gòu)的變形。靜定結(jié)構(gòu)的位移計算是基于靜定結(jié)構(gòu)的力-位移關(guān)系,通過應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系確定構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力分布,進(jìn)而根據(jù)材料本構(gòu)方程確定結(jié)構(gòu)的變形。該過程是結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的基礎(chǔ),掌握好這一基礎(chǔ)概念和方法非常重要。內(nèi)力法位移計算1確定內(nèi)力分布使用靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析方法確定結(jié)構(gòu)各處的內(nèi)力分布情況。2計算變形功根據(jù)材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和內(nèi)力分布情況計算各處的變形功。3疊加變形值將各處的變形功疊加計算得到結(jié)構(gòu)整體的位移量。力法位移計算選擇適當(dāng)?shù)暮奢d方案根據(jù)結(jié)構(gòu)的荷載情況,選擇相應(yīng)的荷載分布,如集中力、均布力等。列寫力法方程將所有受力作用及其產(chǎn)生的位移作為未知量,建立力法方程組。確定未知量通過求解力法方程組,確定各未知位移量及其對應(yīng)的內(nèi)力。計算截面應(yīng)力利用求得的內(nèi)力值,計算結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力分布情況?；旌衔灰朴嬎懔Ψ匠谭ㄊ褂脙蓚€主要方程-力平衡方程和位移約束方程-來確定支座反力和構(gòu)件內(nèi)力。位移計算從求出的反力和內(nèi)力出發(fā),利用位移理論計算結(jié)構(gòu)的變形和位移。優(yōu)勢力方程法結(jié)合了靜定和靜不定結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,可以應(yīng)用于更廣泛的結(jié)構(gòu)體系。應(yīng)用適用于多跨梁、桁架等復(fù)雜結(jié)構(gòu),能夠準(zhǔn)確分析內(nèi)力和位移狀態(tài)。結(jié)構(gòu)破壞分析結(jié)構(gòu)安全性評估通過破壞實驗分析結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件的強度特性,評估其承載能力和安全水平。數(shù)值模擬分析利用有限元等數(shù)值分析方法,模擬結(jié)構(gòu)在極限荷載下的應(yīng)力分布和破壞過程。工程案例分析借鑒實際工程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)破壞事故,分析失效原因并提出預(yù)防措施。動力分析理論動力學(xué)基本原理動力學(xué)分析關(guān)注物體在外力和慣性力作用下的運動。動量定律、功能定律和均勻加速度運動是分析結(jié)構(gòu)動力行為的基礎(chǔ)。振動分析結(jié)構(gòu)在動力荷載下會產(chǎn)生自由振動或受迫振動。自由振動研究固有頻率和模態(tài),受迫振動分析動態(tài)響應(yīng),對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估至關(guān)重要。動力效應(yīng)分析