第一章建筑力學(xué)緒論

建筑(jiànzhù)力學(xué)主講(zhǔjiǎng)教師：段軍2014年2月共二十九頁(yè)第1章緒論(xùlùn)

建筑力學(xué)是研究建筑物或者構(gòu)筑物（稱為結(jié)構(gòu)）及其組成部分（稱為結(jié)構(gòu)構(gòu)件(gòujiàn)）力學(xué)性能的一門學(xué)科，是重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。掌握基本的力學(xué)知識(shí)和計(jì)算方法可為建筑工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑施工等提供基本保障，也為進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)課程打下必要的基礎(chǔ)。共二十九頁(yè)

建筑物和構(gòu)筑物是人類生存和勞動(dòng)所必需的空間。隨著技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)力的發(fā)展，人類建造了木屋、土屋和石屋，直至發(fā)展到今天的現(xiàn)代建筑。

現(xiàn)代建筑的發(fā)展不僅僅能夠滿足人類生活和生產(chǎn)的基本目的，也是一個(gè)國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)和文化(wénhuà)發(fā)展的標(biāo)志。現(xiàn)代建筑的發(fā)展依賴于建筑力學(xué)和建筑材料科學(xué)的發(fā)展。1.1建筑力學(xué)的研究對(duì)象(duìxiàng)和任務(wù)共二十九頁(yè)

從古代的趙州橋，采用石材，運(yùn)用(yùnyòng)了“拱”的力學(xué)原理趙州橋共二十九頁(yè)到現(xiàn)代(xiàndài)的各式建筑：鳥(niǎo)巢共二十九頁(yè)紐約世貿(mào)中心共二十九頁(yè)上海世界(shìjiè)環(huán)球金融中心共二十九頁(yè)小蠻腰共二十九頁(yè)海上(hǎishànɡ)鉆井平臺(tái)東方明珠共二十九頁(yè)斜橋

這些都是采用鋼材和混凝土材料(cáiliào)，發(fā)展和應(yīng)用了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析原理和方法，無(wú)一不體現(xiàn)了科技的進(jìn)步和發(fā)展。共二十九頁(yè)荷載：

建筑物或構(gòu)筑物各部分的自重、人和設(shè)備的重力、風(fēng)力等等，這些直接主動(dòng)作用在建筑物上的外力在工程上統(tǒng)稱為荷載。建筑結(jié)構(gòu)、構(gòu)件：在建筑物或構(gòu)筑物中起骨架作用的物體稱為建筑結(jié)構(gòu)，組成建筑結(jié)構(gòu)的基本(jīběn)部件有桿件、梁、板、柱子等，統(tǒng)稱為構(gòu)件，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)起著承受力和傳遞力的作用。承載能力：

構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性統(tǒng)稱為構(gòu)件的承載能力。共二十九頁(yè)

建筑物或構(gòu)筑物按照其幾何特征可以分成桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)等幾種類型(lèixíng)。

1、桿系結(jié)構(gòu)是由若干桿件通過(guò)一定的方式連接起來(lái)組成的結(jié)構(gòu)，桿件是在長(zhǎng)度方向上遠(yuǎn)大于其橫截面尺寸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，又分為曲桿和直桿，如圖1-1所示。共二十九頁(yè)工程上常用的桿系結(jié)構(gòu)(jiégòu)有框架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。如圖1-2所示。

圖1-2(a)廣東(guǎngdōng)科技中心網(wǎng)架（b）施工中的框架結(jié)構(gòu)（c）某廠房屋架---桁架共二十九頁(yè)

2、板和殼體都是厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)寬方向尺寸、寬而薄的構(gòu)件。平面(píngmiàn)形狀的構(gòu)件稱為板，曲面形狀的構(gòu)件稱為殼。如圖1-3（a）、（b）所示。共二十九頁(yè)

由板和殼體組成的結(jié)構(gòu)稱為板殼結(jié)構(gòu)，一般(yībān)鋼筋混凝土建筑物的樓面結(jié)構(gòu)為平板結(jié)構(gòu)，如圖1-4所示；一些特殊形體的建筑屋面如悉尼歌劇院的屋面、廠房的馬鞍形屋面等都是殼體結(jié)構(gòu)，如圖1-5所示。

圖1-4某倉(cāng)庫(kù)(cāngkù)平面樓蓋

圖1-5悉尼歌劇院共二十九頁(yè)3、實(shí)體(shítǐ)結(jié)構(gòu)是在長(zhǎng)、寬和高三個(gè)方向都有一定相對(duì)接近的比例尺寸的結(jié)構(gòu)。

實(shí)體結(jié)構(gòu)在工程上用作堤壩、擋土墻、建筑物或構(gòu)筑物的獨(dú)立式、條帶式基礎(chǔ)和片伐式基礎(chǔ)等，如圖1-6所示。

圖1-6三峽大壩共二十九頁(yè)

所有的建筑物或構(gòu)筑物都可能由石材、鋼材、混凝土或者木材等固體建筑材料做成，每種材料具有不同的力學(xué)性能和承受荷載的能力。由這些材料建成的結(jié)構(gòu)荷載作用下，或多或少都會(huì)產(chǎn)生變形。如果材料承受荷載的能力不夠，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形過(guò)大可能導(dǎo)致破壞，將不安全。

因此，必須保證在設(shè)計(jì)荷載作用下，在建筑物使用期限內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于能夠正常使用的安全狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證結(jié)構(gòu)安全的重要措施(cuòshī)，力學(xué)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。共二十九頁(yè)

結(jié)構(gòu)物是否能夠安全建成并且正常工作，取決于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)的幾何組成是否合理，以及結(jié)構(gòu)承受荷載的情況。

在建筑物的設(shè)計(jì)和施工階段，都需要對(duì)擬建的建筑物和構(gòu)筑物進(jìn)行(jìnxíng)力學(xué)分析。

建筑力學(xué)課程針對(duì)彈性桿狀構(gòu)件和桿系結(jié)構(gòu)，分析用作結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料在荷載或其他影響因素（如溫度變化、基礎(chǔ)沉降等等）作用下的力學(xué)性能、建筑物或構(gòu)筑物的幾何組成、以及在荷載作用下結(jié)構(gòu)的承載能力和變形狀態(tài)。主要內(nèi)容包括以下五個(gè)方面：

共二十九頁(yè)常見(jiàn)工程結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算簡(jiǎn)圖，常見(jiàn)荷載類型、約束類型及受力分析、力系合成（簡(jiǎn)化）與平衡的理論和方法。桿系結(jié)構(gòu)的幾何組成規(guī)律分析，合理(hélǐ)的結(jié)構(gòu)幾何組成是保證所設(shè)計(jì)的桿件體系成為能夠承受荷載的結(jié)構(gòu)體系的必要條件結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度問(wèn)題。

強(qiáng)度是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)承受荷載和抵抗破壞的能力，與構(gòu)件所用材料的力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)件的截面幾何形狀和尺寸，以及所承受荷載的類型和大小有關(guān)。共二十九頁(yè)因此，在討論強(qiáng)度問(wèn)題時(shí)，需要討論材料的力學(xué)性質(zhì)、截面的幾何性質(zhì)，構(gòu)件的內(nèi)力和應(yīng)力等與強(qiáng)度有關(guān)(yǒuguān)的問(wèn)題，以便在設(shè)計(jì)荷載確定后，設(shè)計(jì)構(gòu)件的幾何形狀和尺寸。剛度問(wèn)題。剛度是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抵抗變形的能力。

因此，需要討論構(gòu)件的變形和應(yīng)變，結(jié)構(gòu)的位移等與剛度有關(guān)的問(wèn)題，以便設(shè)計(jì)時(shí)控制變形和位移。穩(wěn)定性問(wèn)題。

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穩(wěn)定性是指構(gòu)件在荷載作用下應(yīng)該能夠保持原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

某些細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在荷載作用下可能不能保持原有形狀下的平衡，即喪失穩(wěn)定性，產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，因此，有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。建筑力學(xué)的任務(wù):

通過(guò)研究結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，材料的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)的幾何組成規(guī)則(guīzé)，在保證結(jié)構(gòu)既安全可靠又經(jīng)濟(jì)節(jié)約的前提下，為構(gòu)件選擇合適的材料、確定合理的截面形狀和尺寸，提供計(jì)算理論及計(jì)算方法，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供力學(xué)分析依據(jù)。共二十九頁(yè)1.2建筑力學(xué)的兩種分析模型及基本(jīběn)假設(shè)抽象化方法：

根據(jù)所研究的不同問(wèn)題，抓住主要的、起決定作用的因素，忽略次要的、偶然的因素，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行(jìnxíng)科學(xué)的抽象化，根據(jù)分析側(cè)重點(diǎn)的不同，建立力學(xué)分析模型的方法。剛體：指在運(yùn)動(dòng)中和受力作用后，形狀和大小都不發(fā)生改變，而且內(nèi)部各點(diǎn)之間的距離保持不變的物體。共二十九頁(yè)注意：

在研究某些問(wèn)題由于構(gòu)件的變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，可以忽略不計(jì)，為將問(wèn)題簡(jiǎn)化，將其視為剛體。因此，剛體是從實(shí)際物體抽象得來(lái)的一種理想化的力學(xué)模型，自然界中并不存在。變形體：指在運(yùn)動(dòng)中和受力作用后，形狀和大小都發(fā)生改變的物體。

即當(dāng)物體的微小變形在所研究的問(wèn)題中轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)為主要因素時(shí)，就不能再把此物體看做剛體，而必須視為變形體共二十九頁(yè)力學(xué)分析中的基本假設(shè)：

一些力學(xué)問(wèn)題中，在研究構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性時(shí)，常根據(jù)與問(wèn)題有關(guān)的一些主要(zhǔyào)因素，省略一些關(guān)系不大的次要因素，對(duì)材料作一定的假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化力學(xué)模型。主要假設(shè)如下：均勻連續(xù)性假設(shè)變形固體由同種性質(zhì)的材料構(gòu)成，在其整個(gè)體積內(nèi)部毫無(wú)空隙地、連續(xù)地充滿(chōngmǎn)了同種性質(zhì)的材料。各向同性

假設(shè)認(rèn)為變形固體沿各個(gè)方向的力學(xué)性能均相同。共二十九頁(yè)如果材料在各個(gè)方向具有相同力學(xué)性能，則稱為各向同性(ɡèxiànɡtónɡxìnɡ)材料，如鋼材、玻璃等。如果材料在不同方向上具有不同的力學(xué)性能，則稱為各向異性材料，如木材、一些種類的復(fù)合材料等。小變形指實(shí)際工程中的構(gòu)件在荷載作用下，其變形與構(gòu)件的原尺寸相比通常很小，可以忽略不計(jì)，稱這一類變形為小變形。線彈性假設(shè)作用于變形固體上的外力與變形固體的彈性變形始終成正比例關(guān)系。（是針對(duì)結(jié)構(gòu)變形而言的）共二十九頁(yè)在荷載作用下，一般工程材料制成的構(gòu)件都要產(chǎn)生變形。如果荷載不超過(guò)一定的范圍，在荷載卸去后，構(gòu)件能夠恢復(fù)到原來(lái)的形狀；如果荷載過(guò)大，則在卸載后，構(gòu)件只能部分復(fù)原，而要?dú)埩粢徊糠植荒芟У淖冃巍?/p>

卸載后能夠完全消失的那一部分變形稱為彈性變形；而殘留下來(lái)(xiàlái)不能消失的那部分變形則稱為塑性變形。

建筑力學(xué)研究均質(zhì)連續(xù)、各向同性的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的線彈性、小變形的力學(xué)模型。共二十九頁(yè)1.3建筑(jiànzhù)力學(xué)的課程特點(diǎn)及要求

課程(kèchéng)特點(diǎn)理論推導(dǎo)概念性強(qiáng)；計(jì)算分析技巧性高；結(jié)合工程實(shí)際緊密；實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)并進(jìn)共二十九頁(yè)

課程(kèchéng)基本要求掌握平面結(jié)構(gòu)體系的平衡條件及分析方法和平面結(jié)構(gòu)的幾何組成規(guī)律，建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在各種條件下的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題；掌握平面靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力(nèilì)分析和位移計(jì)算，平面超靜定結(jié)構(gòu)體系在各種條件下的受力分析方法和相應(yīng)的近似分析方法；實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。共二十九頁(yè)內(nèi)容(