結構力學基礎知識

演講人：日期：結構力學基礎知識目錄CONTENTS結構力學概述結構力學的組成規(guī)則結構在各種效應作用下的響應結構內(nèi)力與位移計算結構動力響應分析結構力學分析方法介紹01結構力學概述定義結構力學是固體力學的一個分支，主要研究工程結構受力和傳力的規(guī)律，以及如何進行結構優(yōu)化的學科。特點結構力學注重理論與實踐相結合，具有較強的應用性和實踐性；同時，它涉及的知識面廣泛，包括力學、數(shù)學、材料科學等多個領域。定義與特點結構在動力荷載作用下的響應研究結構在地震、風等動力荷載作用下的動力響應，包括自振周期、振型等，以及如何通過結構設計減小動力響應。結構的組成規(guī)則研究結構的組成元素以及它們的連接方式和相互作用關系。結構在外力作用下的響應研究結構在外力作用下的內(nèi)力、位移等響應，以及如何通過合理設計使結構具有更好的承載能力。結構力學的研究對象結構力學是土木工程和機械類專業(yè)學生必修的學科，為工程設計提供了重要的理論基礎和分析方法。工程設計的基礎通過結構力學的研究，可以提出更加合理的結構方案，實現(xiàn)結構的優(yōu)化和輕量化設計。結構優(yōu)化的指導結構力學的研究有助于提高工程結構的安全性和可靠性，預防結構在承受外力或動力荷載時發(fā)生破壞或失穩(wěn)。安全性的保障結構力學的重要性02結構力學的組成規(guī)則結構的分類與特點按幾何特征分類桿系結構、板殼結構、實體結構等。按材料分類鋼結構、鋼筋混凝土結構、砌體結構、木結構等。按受力特點分類靜定結構與超靜定結構。結構特點結構由桿件組成，具有承載能力強、穩(wěn)定性好、便于施工等特點。構件組成結構的單個受力單元，如桿、梁、柱等。結構的組成要素01連接將構件連接在一起，形成整體結構的部分，如焊縫、螺栓連接、鉸接等。02節(jié)點連接構件的關鍵點，如桿件的交點、支座等。03邊界條件結構在外部環(huán)境中的約束條件，如固定端、鉸接端等。04穩(wěn)定性影響因素可靠性提高措施結構在受力后能夠保持原有形狀和平衡狀態(tài)的能力。包括整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。結構穩(wěn)定性與可靠性受材料性能、結構設計、施工質量、使用環(huán)境等多種因素影響。結構在規(guī)定條件下，能夠承受規(guī)定的荷載并保持其性能的能力。包括安全性、適用性和耐久性。通過合理的結構設計、選用高強度材料、加強施工質量等措施可以提高結構的穩(wěn)定性與可靠性。結構的穩(wěn)定性與可靠性03結構在各種效應作用下的響應外力作用下的響應彎曲變形結構在受到外力作用時，會產(chǎn)生彎曲變形，其變形程度取決于結構的剛度、外力的大小和作用點位置。剪切變形結構在受到外力作用時，會發(fā)生剪切變形，其變形程度取決于結構的剪切剛度和外力的大小。扭轉變形結構在受到外力作用時，會發(fā)生扭轉變形，其變形程度取決于結構的扭轉剛度和外力的大小。拉壓變形結構在受到外力作用時，會發(fā)生拉壓變形，其變形程度取決于結構的軸向剛度和外力的大小。01020304由于溫度變化引起的變形受到約束時，會在結構中產(chǎn)生溫度應力。溫度效應對結構的影響溫度應力結構表面受到熱輻射時，會發(fā)生熱量傳遞，導致結構溫度升高，從而產(chǎn)生熱應力和變形。熱輻射結構內(nèi)部溫度分布不均時，會發(fā)生熱傳導，導致溫度分布發(fā)生變化，從而產(chǎn)生熱應力。熱傳導結構在溫度變化時，由于熱脹冷縮的作用，會產(chǎn)生變形。溫度變化引起的變形施工誤差及支座變形等效應分析施工誤差01在施工過程中，由于各種因素的影響，如測量誤差、材料性能差異等，會導致結構產(chǎn)生施工誤差，從而影響結構的受力性能和穩(wěn)定性。支座變形02結構支座在長期使用過程中，由于受力不均勻、材料老化等因素，會發(fā)生變形，從而對結構產(chǎn)生附加的內(nèi)力和變形。初始缺陷03結構在制造、安裝過程中可能會存在初始缺陷，如幾何形狀偏差、材料缺陷等，這些缺陷會在使用過程中逐漸擴展，對結構的承載能力和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。耐久性不足04結構在長期承受荷載和環(huán)境作用后，會出現(xiàn)材料老化、疲勞等問題，導致結構的耐久性下降，需要提前進行維修和加固。04結構內(nèi)力與位移計算剪力指作用在構件上的橫向力，其大小等于該截面一側所有外力的橫向投影之和，方向與截面平行。扭矩指使構件產(chǎn)生扭轉變形的力矩，其大小等于力乘以力臂，方向垂直于構件截面。彎矩指使構件產(chǎn)生彎曲變形的力矩，其大小等于力乘以力臂，方向垂直于構件軸線平面。軸力指沿構件軸線方向的力，通過截面形心，其大小等于該截面一側所有外力的軸向投影之和。內(nèi)力計算（軸力、剪力、彎矩、扭矩）線位移指構件上某點在某一方向上的移動距離，包括彈性位移和剛體位移。角位移指構件在某一截面處發(fā)生的轉動角度，包括彎曲變形引起的轉動和剛體轉動。位移計算（線位移、角位移）關系內(nèi)力與位移之間存在一定的關系，可以通過力學方程進行求解。內(nèi)力引起位移，位移又會影響內(nèi)力的分布。影響因素內(nèi)力與位移的關系及影響因素結構的剛度、荷載大小和作用方式、支座的約束條件等都會影響內(nèi)力與位移的關系。例如，增加結構的剛度可以減小位移，但可能導致內(nèi)力增大。010205結構動力響應分析周期性荷載荷載隨時間呈現(xiàn)周期性變化，如地震、機械振動等。動力荷載類型及特點01沖擊荷載荷載在短時間內(nèi)突然施加，如爆炸、撞擊等。02隨機荷載荷載大小和方向隨時間隨機變化，如風荷載、交通荷載等。03荷載變化快動力荷載變化較快，往往需要在極短時間內(nèi)進行響應分析。04自振周期結構在無阻尼自由振動時，完成一次完整振動所需的時間。振型結構在特定自振周期內(nèi)的變形形態(tài)，表現(xiàn)為結構的整體或局部振動。振型疊加法通過求解結構的各階振型，疊加得到結構的總體振動形態(tài)。有限元法數(shù)值方法，可用于復雜結構的自振周期和振型計算。自振周期與振型計算動力響應的求解方法時域分析法在時域內(nèi)直接求解動力響應，適用于簡單結構或短期荷載。頻域分析法將動力響應問題轉化為頻域問題，適用于線性系統(tǒng)和周期荷載。數(shù)值積分法通過數(shù)值方法求解動力方程，如Newmark-beta法、Wilson-theta法等。有限元法可用于復雜結構和復雜荷載情況的動力響應分析，通過離散化結構，求解結構的動力響應。06結構力學分析方法介紹01能量法定義能量法(energymethod)又稱能量原理，是對互等原理、卡式原理、虛功原理、單位載荷法及摩爾積分法等眾多與功和能量相關方法的統(tǒng)稱。能量法原理及應用02能量法的基本原理通過求解結構系統(tǒng)總勢能（應變能和外力勢能之和）的極值，來獲得結構位移、應力等未知量。03能量法的應用常用來解決彈性結構的靜力問題，如計算位移、應力、應變能等，還可用于求解動力問題和穩(wěn)定性問題。力法原理及應用力法定義力法是結構力學中對超靜定結構求解的一種方法，通過選取多余未知力（如多余約束力或多余反力）并建立力法方程進行求解。力法的基本原理基于虛功原理和變形協(xié)調條件，通過求解多余未知力的平衡方程，從而確定結構的全部未知反力和內(nèi)力。力法的應用適用于求解靜定和超靜定結構的內(nèi)力、位移和應力分布等問題，尤其適用于桿系結構的求解。位移法的基本原理通過選取結點位移作為基本未知量，利用位移與應變、應力之間的關系，建立位移法方程并求解。位移法的應用適用于求解桿系結構、板殼結構等連續(xù)體的位移、應力和應變問題，特別適用于處理邊界條件復雜的問題。位移法定義位移法是以廣義位移（線位移和角位移）為未知量，求解固體力學問題的一種方法。位移法原理及應用矩陣位移法定義矩陣位移法是在結構力學的計算中，通過采用對結點位移作為基本未知量，進而通過矩陣的形式對各基本參數(shù)進行組織、編排，求出未知量的方