《力学和结构概念》PPT课件.ppt

第三章 土木工程中的力学和结构概念,一、荷载的分类,结构上的荷载，按其随时间的变异性不同，可分为下列,三类：,1.恒荷载（永久荷载）,2.活荷载（可变荷载）,3.偶然荷载,（一）风荷载,1.风的形成与危害,（1）风是由于大气层的温度差、气压差等大气现象导致,的空气流动现象，建筑物会对风形成阻挡，因此风会对于建,筑物形成反作用。,（2）风是极其复杂的气流现象，是随机性的动荷载，巨,大的风力作用会致使建筑物水平侧移、振动甚至垮塌。,（3）在风的作用下，建筑物可能发生以下破坏：,1）主体结构变形导致内墙裂缝；,2）长时间的风振效应使结构受到往复应力作用而发生,局部疲劳破坏；,3）外装饰，受风力作用而脱落；,4）轻屋面，受风的作用会向上浮起甚至破坏。,2.风荷载的基本理论,气体的流动速度与压力成反比，迎风面受到压力作用，,其他面由于风的流动而受到吸力，图 6-3 所示，风荷载对建,筑物的作用：,（1）迎风面风力为压力，侧风面随着与风载夹角的变化，,风力逐渐有压力转变为吸力；,（2）矩形、圆形、三角形等不同平面形状的建筑物，各,个侧面所受的风力作用差异很大；,（3）建筑物表面粗糙会加大风力的作用。,(a) 气流对单层房屋的作用,(b) 气流对高层房屋的作用,图 6-3 风荷载对建筑物的作用,（二）地震作用,地震强度通常用震级和烈度来反应。,震级是表示一次地震本身强弱程度和大小的尺度，以一次,地震释放能量的多少来确定，一次地震只有一个震级。,地震烈度是地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受到,一次地震影响的强弱程度，一次同样大小的地震，若震源深,度、距震中的距离和土质条件等因素的不同，则对地面和建,筑物的破坏也不相同，一般说来，距震中愈近，地震影响愈,大，地震烈度愈高；离震中愈远，地震烈度就愈低。,图 6-4 震源、震中、震中距、地震波关系示意图,1976 年 7 月 28 日，在河北唐山发生了 7.8 级强烈地震，,震中区烈度 11 度，唐山市区地震烈度为 10 度，天津市区为 8,9 度；2008 年 5 月 12 日，在四川汶川发生了 8.0 级的强烈地,震，震中区烈度为 11 度，毗邻的青川县为 10 度，陕西宁强,县为 9 度。唐山大地震死亡人数达 24 万，造成直接经济损失,达 100 亿，全市几乎全部毁灭；汶川大地震死亡人数近 7 万，,造成直接经济损失 8451 亿。,地震引起的地面运动会使建筑物在水平方向、竖直方向,产生加速度，这种加速度的反应值与房屋本身质量的乘积，,就形成地震对房屋的作用力，即地震作用。地震对房屋的破,坏作用主要由水平方向的最大加速度反应引起，故地震作用,多以水平方向作用在建筑物上为主。,（三）由温差和地基不均匀沉降引起的内力,房屋因昼夜温差和季节性温差，每时每刻都在改变着形,状和尺寸，当这种改变受到约束时，就会使房屋结构受到内,力效应，这也是一种“内在的”作用。,如图-5，图-6，图-7 所示。,图-5 钢梁因温差引起的内力效应,图-6 钢框架因温,差引起的内力效应,图-7 钢框架因地基不均匀沉降引起的内力效应,地基不均匀沉降引起建筑物的裂缝是多种多样的，有些,裂缝尚随时间长期变化，裂缝宽度有几厘米至数十厘米。一,般情况下，地基受到上部结构的作用，引起地基的沉降变形,呈凹形，这种沉降使建筑物形成中部沉降大，端部沉降小的,弯曲，结构中下部出现正八字形裂缝；地基的局部不均匀沉,降也会引起这样的裂缝。当地基中部有回填砂、石，或中部,的地基坚硬而端部软弱时，或由于上部结构荷载相差悬殊时，,建筑物端部沉降大于中部时，会形成斜裂缝。,按结构的反应特点，荷载可分为静力荷载和动力荷载：,1.静力荷载,静力荷载是指逐渐增加的，不致使结构产生显著的冲击,或振动，因而可忽略惯性力影响的荷载。静力荷载的大方向,和作用点都不随时间而变化，如结构自重、一般的楼、屋面,活荷载等。,2.动力荷载,动力荷载是一种随时间迅速变化的荷载，它将使结构受,到显著的冲击和振动，因而不能忽视加速度的影响，如地震,作用、大型设备的振动、冲击波的压力均为动力荷载。,在进行结构的力学计算时，要把建筑物上的荷载进行简,化，简化后的荷载一般分为：,1.集中荷载,如图 6-1 所示。,(a),(b),图 6-1 集中荷载示意图,2.分布荷载,图 6-2a,b 为均匀分布的荷载，图 6-2c 为非均匀分布的荷,载。,(a) 均布线荷载,(b) 均布面荷载,(c) 非均布荷载,图 6-2 分布荷载示意图,一、内力,物体因受外力而变形，其内部各部分之间相对位置发生,改变而引起的相互作用就是内力。当物体不受外力作用时，,内部各质点之间存在着相互作用力，此也为内力，但在工程,力学中所指的内力是指与外力和变形有关的内力，即随着外,力的作用而产生，随着外力的增加而增大，当外力撤去后，,其内力也将随之消失。,第二节 反力和内力,所以，结构（构件）中的内力是与其变形同时产生的，,内力作用的趋势则是力图使受力构件恢复原状，内力对变形,起抵抗和阻止作用。在计算构件任一截面上的内力时，因内,力为作用力和反作用力，图 6-15 所示，对整体而言不出现，,为此必须采用截面法，将内力暴露才能计算。,典型的受弯构件梁为例，分析其截面上的内力。,1.轴向拉伸（或压缩）杆件的内力,轴向拉（压）杆件是指在一对方向相反、作用线与杆件,重合的外力作用下，将发生长度的改变（伸长或缩短）的杆,件。设一等直杆在两端轴向拉力 F 的作用下处于平衡，求杆,件截面 m-m 上的内力，图 6-17a 所示。,为此假想一平面沿横截面 m-m 将杆件截分为、两部,分，任取一部分（如部分），弃去另一部分（如部分）,并将弃去部分对留下部分的作用以截开面上的内力来代替。,对于留下部分来说，截开面 m-m 上的内力 F N 就成为外力。,由于整个杆件处于平衡状态，杆件的任一部分均应保持平衡，,故其留下部分也应保持平衡。于是，杆件截面 m-m 上的内,力必定是与其左端外力 F 共线的轴向力 F N ，图 6-17b 所示,由平衡方程,得, Fx,= 0,， FN F = 0 FN = F,式中 F N 为杆件任一横截面 m-m 上的内力，其作用线也与,杆的轴线重合，即垂直于横截面并通过形心，这种内力称为,轴力，用 F N 表示。,若取部分为留下部分，则由作用与反作用原理可知，,部分在截开面上的轴力与前述部分上的轴力数值相等而,指向相反，图 6-17c 所示。,由以上分析可知，轴向拉伸（或压缩）杆件的内力仅有,一个，即轴力 F N 。,2.梁截面上的内力,等截面直杆在其包含杆轴线的纵向平面内，承受垂直于,杆轴线的横向外力作用，杆的轴线在变形后成为曲线，这种,变形称为弯曲，凡是以弯曲为主要变形的杆件，通称为梁。,如图 6-19a 为所示受集中力 F 作用的简支梁，求其任一截面,m-m 上的内力。,图 6-19 集中荷载作用的简支梁,二、反力,当物体沿着约束所能阻止的运动方向上有运动或有运动,趋势时，对它形成约束的物体必有能阻止其运动的力作用于,它，这种力称为该物体所受到的约束反力，即反力，约束反,力的方向恒与约束所能阻止的运动方向相反，工程中常见的,有柔体约束、光滑接触面约束、光滑圆柱形铰链约束、铰链,支座约束等。,1.柔体约束,柔体约束只能限制物体沿柔体伸长的方向运动，而不能,限制其他方向的运动，如图 6-9 所示。,F T,C,F A F B,F T2,FT2,A,B,A,B,O1,O2,O1,O2,G,G,F T1,FT1,(a),(b),(c),(d),图 6-9 柔体约束,2.光滑接触面约束,当两物体接触面之间的摩擦很小，可以忽略不计时，则,构成光滑接触面约束。如图 6-10 所示。,公,法 线,切面,公法线,A,C,公法线,公法线,B,F N,F NA,A F NB,B,C F NC,3.光滑圆柱形铰链约束,在两个物体上分别穿直径相同的圆孔，再将一直径略小于,孔径的圆柱体（称为销钉）插入该两物体的孔中就形成圆柱,形铰链。光滑圆柱形铰链约束的约束反力一般可将其分解为,互相垂直的两个分力 Fx 、 Fy ，图 6-11 所示。,1,2,F y,销钉,F x,(a),(b),(c),(d),4.铰链支座约束,任何建筑结构（构件），都必须安置在一定的支承物上，,才能承受荷载的作用，达到稳固使用的目的。在工程上常常,通过支座将构件支承在基础或另一静止的构件上，这样支座,对构件就构成约束，工程中常见的支座约束有固定铰支座、,可动铰支座、固定支座三种。,（1）固定铰支座,建筑结构中通常把不能产生移动，只可能产生微小转动的,支座视为固定铰支座。其约束反力可以用相互垂直的两个分,力表示，图 6-12 所示。,杆,(a),销钉 支座,A,(b),F x,F y,(c),（2）可动铰支座,若在固定铰支座的下面与支承物之间放入可沿支承面滚,动的滚轴就构成了可动铰支座，其约束反力见图 6-13 所示。,(b) F N,(c),(e),(a),(d),（3）固定支座,固定支座不允许结构发生任何方向的移动和转动，在实际,结构中，凡嵌入墙身的杆件，若嵌入部分有足够的长度，以,致使杆端不能有任何移动和转动时，该端就可视为固定支座，,固定支座的约束反力可以用水平和竖向的反力Fx 和Fy 及反力,偶M来表示，如图 6-14 所示。,M F x F y,第三节 结构的定义和对结构的要求,一、结构的定义,为了使建筑物、构筑物在各种自然的与人为的作用下，,保持其自身正常的工作状态，必须有相应的受力、传力体系，,这个体系就是结构，图 6-20 所示。,建筑结构是构成建筑物并为使用功能提供空间环境的支,承体，承担着各种荷载；同时又是影响建筑构造、建筑经济,和建筑整体造型的基本因素。具体讲，在土木工程中，承受,荷载的建筑物和构筑物或其中的某些承重构件，都可称为结,构。如常见建筑物的梁、柱、板；桥梁的桥墩、桥跨；水坝、,堤岸等就是结构，而人们在日常活动中看不到的基础、地基,也属于结构。有了结构，建筑物与构筑物就可以抵抗自然界,与人为的各种作用，因此结构必须是安全的。,(a) 工业厂房,(b) 桥梁,图 6-20,结构示意图,结构在其使用期限内，要承受各种永久荷载和可变荷载，,有些结构可能还要承受偶然荷载。除此之外，结构在其使用,期限内，还将受到温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降等影,响。在地震区，结构还可能承受地震作用。结构在上述各种,因素的作用下，应具有足够的承载能力，不发生整体或局部,的破坏或失稳。结构还应具有足够的刚度，不产生过大的挠,度或侧移。,二、结构的组成,1.形成跨度的构件与结构,建筑物内部要形成必要的使用空间，跨度是必不可少的尺,度要求。常见的跨度构件是梁。板是梁水平侧向尺度的变异,性构件，其原理、作用与梁基本相同，图 6-21 中的梁、板即,为形成跨度的构件。,图 6-21 结构的组成,2.垂直传力的构件与结构,跨度构件的两端形成对于其他构件向下的压力作用，需,要有其他构件承担并传递至地面，这就是垂直传力构件或结,构。常见的垂直传力构件或结构是柱，如图 6-21 中的柱子即,为垂直传力构件。墙是柱水平侧向尺度的变异性构件，其原,理、作用与柱基本相同，但是具有较大侧向刚度。对于一些,特殊结构，不能够简单的将其分解成为跨度构件与垂直构件，,可能是由整体结构形成的，如拱。,3.抵抗侧向力的构件与结构,建筑物内部要有相应的构件或结构，来抵抗侧向力或者,作用。常见的抵抗侧向力的构件是墙。楼板的侧向刚度也较,大，但只能够将建筑物在板所在的平面内形成刚性联接体。,除了墙以外，柱与柱之间可以利用支撑来形成抵抗侧向变形,的结构。,4.承担和传递上部荷载的构件与结构,基础是建筑物的组成部分，承受着建筑物的上部荷载，,并将这些荷载传给地基，图 6-21 中的基础。基础要承担垂直,力、水平侧向力、弯矩等复杂的作用。基础必须向地面以下,埋置一定的深度，以确保建筑物的整体稳定性。,地基是基础以下的持力土层或岩层。地基必须有足够的,强度、刚度与稳定性。,三、结构的基本要求,房屋结构要根据房屋的用途、建筑材料、施工技术条件、,地质、地形、自然气候条件、造型要求及技术经济指标等选,定合理的结构方案。既要满足结构的强度、刚度、稳定性、,耐久性和经济性的要求，又要考虑建筑艺术的要求，尽量使,结构造型优美，与建筑融为一体。对结构的基本要求包括平,衡、强度、刚度、稳定性、耐久性等方面。,1.平衡,平衡的基本要求就是保证建筑物及其任一组成构件不致,发生运动。这里指的运动不包括支座产生的微小位移，也就,是说，有些运动是不可避免的和必要的，但又是可以被建筑,物所允许的，这种允许的微小运动仍使建筑结构处于平衡的,状态。,2.强度,强度是指结构或构件在荷载作用下，抵抗破坏的能力。,强度的基本要求就是保证结构及其任一组成构件在荷载作用,下保持完好状态，也就是说结构体系能够把房屋在施工和使,用期间所承受的各种荷载，通过相应的结构构件传递到地基,上，并保证建筑物在正常工作情况下的安全性。结构构件因,强度不足造成破坏的实例如图 6-22 所示。,(a) 柱子强度不足造成的破坏,(b) 梁强度不足造成的破坏,图 6-22 结构因强度不足产生的破坏,3.刚度,刚度是结构或构件在外力作用下抵抗变形的能力。刚度,的要求就是使结构及其任一组成构件在荷载作用下不致产生,过大的变形而影响使用，其变形值应控制在规范所允许的范,围内，图 6-23 为结构变形的示意图。刚度是衡量结构承受温,度变化、地基不均匀沉陷和动力荷载时柔韧性的一个标志。,图 6-23 结构变形的示意图,房屋建筑对结构允许变形的规定是根据使用要求，按照,规范规定确定的。如楼板的挠度限值是根据装饰与美观的要,求确定，吊车梁的挠度限值是根据吊车行走坡度的要求确定,的，高层建筑抗震缝限值是根据结构在遭受地震作用时，为,避免结构振动碰撞而规定的。,4.稳定性,结构受到外力作用，在力的传递过程中，除要求满足强,度和刚度要求外，结构的整体与局部尚需满足稳定性的要求。,结构的稳定性，分基础与结构本身两个方面。在基础方面，,要防止地基不均匀沉降而引起的倾斜倒塌或在地基在水平力,作用下的滑移。在结构方面有整体稳定性和局部稳定性的问,题，结构施工中，要防止结构尚未形成整体时的失稳，如单,层厂房排架柱施工和升板结构提升阶段的群柱失稳等。局部,稳定是指结构本身的局部或结构中的杆件在受力时产生的屈,曲现象，如压杆的失稳、梁受压翼缘的失稳、薄壁结构腹板,的失稳等，特别在钢结构中要注意失稳现象，如图 6-24 所示。,(a) 钢柱失稳,(b) 钢梁失稳,5.耐久性,结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的使用期限,内要有足够的耐久性。结构的耐久性问题已引起世界各国的,高度重视，结构的耐久性可从两个方面即环境条件的腐蚀和,受力状态对结构耐久性的影响考虑。解决环境条件的影响问,题，目前采取的措施是选用耐环境腐蚀的材料、加大保护层、,选用合理的形状和连接构件等。,第四节 结构的极限状态和结构失效,一、结构的极限状态,结构能够满足功能要求而且能够良好的工作，称为结构的,可靠或有效，反之则称结构不可靠或失效。区分结构可靠与,失效状态的标志是极限状态。,整个结构或结构的一部分超过某一特定状态时，如达到极,限能力、失稳、变形过大、裂缝过宽等，就不能满足设计规,定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。根,据功能要求，结构极限状态可分为承载能力极限状态和正常,使用极限状态。,1.承载能力极限状态,承载能力极限状态是指结构或构件达到最大承载力、疲劳,破坏或不适于继续承载的变形时的状态。对于所有结构构件，,均应进行承载力极限状态的计算，在必要时尚应进行构件的,疲劳强度或结构的倾覆和滑移验算。,2.正常使用极限状态,正常使用极限状态是指结构或构件达到正常使用或耐久,性的某项规定限值时的状态。对于在使用上或外观上需要控,制变形值的结构构件，应进行变形的验算；对于在使用上要,求不出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力的验算；对于允,许出现裂缝的构件，应进行裂缝宽度的验算；同时应进行相,应的耐久性设计，以保证结构的正常使用和耐久性的要求。,二、结构的失效,因各种荷载使房屋结构构件承受的拉力、压力、弯矩和扭,矩等，及结构构件因承受着各种作用力而产生的拉伸、压缩、,弯曲、剪切和扭转变形等统称为结构的作用效应，用 S 表示。,结构抗力即结构构件抵抗其内力和变形的能力，是指由材,料、截面及其连接方式所构成的抗拉能力、抗压能力、抗弯,能力和抗扭能力，以及结构所能经受的变形、位移或沉陷量，,用 R 表示。,结构构件的工作状态可以用作用效应 S 和结构抗力 R 的,关系式来描述：,当 SR，结构处于可靠状态；,S=R，结构处于极限状态；,SR，结构处于实效状态。,结构能够完成预定功能的（SR）的概率即为“可靠概,率” ps ，不能完成预定功能（SR）的概率为“失效概率” p f 。,即,ps + p f = 1.0,（6-4）,在结构设计中，荷载、材料强度指标都是随机变量，它,们的概率分布函数可以用不同的曲线来反映，其中正态分布,占很重要的地位，由荷载等外部因素所产生的荷载效应 S 和,材料强度及截面几何特征相关的结构抗力 R 也可认为是正态,分布的随机变量。由于荷载效应可表示成各个截面的内力，,而结构抗力可表示成结构内部所承受的内力值，所以两者的,统计关系可列于同一坐标内，如图 6-25 所示。,图 6-25 S 与 R 概率分布曲线,图 6-26 Z 的概率分布曲线,从图 6-25 可以看出，结构抗力 R 值在大多数情况下出,现大于荷载效应 S 值的情况，但在两条曲线重叠面积范围内，,仍有可能出现结构抗力 R 低于荷载效 S 应的情况。例如图 6-25,中 A 点出现的抗力 RA ，就将低于以它右侧的 S 概率分布曲线,所出现的各个 S 值，此时结构是失效的。由此可知，图中重,叠面积的大小，反映了失效概率的高低，面积愈小，失效概,率愈低。,从以上分析可知，由于结构抗力 R 和荷载效应 S 是正,态分布的随机变量，所以 Z = R S 亦是一个正态分布的随机变,量。Z 值的概率分布曲线如图 6-26 所示，从该图可以看出，,所有 Z = R S p 0 的事件（失效事件），其出现的概率就等于原,0,2,点以左曲线下