《建筑力学》试讲.ppt

建筑力学 第一章绪论 一 引言 建筑力学是一门技术基础课程 它为土木工程的结构设计及施工现场受力问题的解决提供基本的力学知识和计算方法 石拱桥 斗拱结构 廊桥 金门大桥 美国加利福尼亚州旧金山地标之一 横跨金门海峡 拥有美丽悬索结构 是世界上最漂亮的桥之一 钢塔耸立在大桥南北两侧 高342米 钢塔之间的大桥跨度达1280米 为世界所建大桥中罕见的单孔长跨距大吊桥之一 从海面到桥中心部的高度约60米 宽27 4米 长2000多米 一 建筑力学的任务 建筑结构是在建筑物或构筑物中起骨架作用 承受和传递荷载 的主要物体 组成建筑结构的基本部件称为构件 力学是研究物体机械运动规律的学科 建筑力学主要研究建筑物或构筑物中的结构或构件 结构 建筑物中承受荷载并起骨架作用的部分 构件 组成结构的单个部件 1 杆件及杆系结构 杆它的几何特征是细而长 即L h L b 杆又可分为直杆和曲杆 构件的分类 薄壁结构它的几何特征是宽而薄即a t b t 平面形状的称为板 曲面形状称为壳 2 薄壁结构 实体结构它的几何特征是三个方向的尺寸都是同量级的 3 实体结构 建筑力学研究的内容 几何不变是结构按一定的几何规律组合在一起 且在荷载作用下其几何形状不发生改变 强度是结构抵抗破坏的能力 刚度是结构抵抗变形的能力 稳定性是结构保持原有平衡形态的能力 建筑力学学习的意义 1 在施工中理解结构设计图纸的意图与要求 保证工程质量 避免发生工程事故 2 合理 经济的完成施工中的一些力学问题 3 保证工程改进措施的实施 建筑力学的任务 是通过研究结构的强度 刚度 稳定性 材料的力学性能 结构的几何组成规则 在保证结构既安全可靠又经济节约的前提下 为构件选择合适的材料 确定合理的截面形状和尺寸提供计算理论及计算方法 变形固体 是在外力作用下 会产生变形的固体 变形固体在外力作用下会产生两种性质的变形 弹性变形 当外力消除时 变形随着消失的变形 塑性变形 当外力消除后 不能消失的变形 二 变形固体的基本假设 2 均匀连续假设假设变形固体在其整个体积内用同种介质毫无空隙的充满了物体 3 各向同性假设假设变形固体沿各个方向的力学性能均相同 4 小变形假设在实际工程中 构件在荷载作用下 其变形与构件的原尺寸相比通常很小 可以忽略不计 称这一类变形为小变形 1 完全弹性假设当塑性变形很小 忽略不计 认为只有弹性变形 这种只有弹性变形的变形固体称为完全弹性体 轴向拉压 内力为轴力 如拉 撑 活塞杆 钢缆 柱 扭转 内力为扭矩 如各种传动轴等 轴 弯曲 内力为剪力弯矩 如桥梁 房梁 地板等 梁 剪切 内力为剪力 如销 铆钉 螺栓 键等 连接件 剪切 三 杆件基本变形 第二章建筑力学基础知识 力的概念 力是物体之间相互的机械作用 这种作用使物体的机械运动状态发生变化或使物体发生变形 前者称为力的运动效应 或外效应 后者称为力的变形效应 或内效应 静力学中主要讨论力的外效应 应当指出 既然力是物体之间相互的机械作用 力就不能脱离物体而单独存在 在分析物体受力时 必须搞清哪个是施力体 哪个是受力体 实践证明 力对物体的作用效应取决于以下三个要素 1 力的大小 指物体间相互作用的强弱程度 国际单位制 SI 中 力的单位为牛 顿 N 或千牛 顿 KN 2 力的方向 通常包含力的方位和指向两个含义 例如重力的方向是 铅垂向下 铅垂 是指力的方位 向下 是说力的指向 3 力的作用点 力的作用点是指力在物体上作用的位置 一般说来 力的作用位置并不在一个点上 而是分布在物体的某一部分面积或体积上 例如 蒸汽压力作用于整个容器壁 这就形成了面积分布力 重力作用于物体的每一点 又形成了体积分布力 但是在很多情况下 可以把分布在物体上某一部分的面积或体积上的力简化为作用在一个点上 例如 手推车时 力是分布在与手相接触的面积上 但当接触面积很小时 可把它看作集中作用于一点 又如重力分布在物体的整个体积上 在研究物体的外效应时 也可将它看作集中作用于物体的重心 这种集中作用于一点的力 称为集中力 这个点称为力的作用点 力的三要素表明力是一矢量 它可用一有向线段来表示 如图1 1所示 线段的长度按一定比例尺表示力的大小 线段的方位角和箭头的指向表示力的方向 线段的起点或终点表示力的作用点 通过力的作用点 沿力的方向画出的直线 称为力的作用线 本书中用黑斜体字母表示矢量 如力表示力矢量 而用普通字母表示这个矢量的大小 力是一矢量 用数学上的矢量记号来表示 如图 F 24 一 二力平衡公理 作用于刚体上的两个力平衡的充分与必要条件是这两个力大小相等 方向相反 作用线在一条直线上 二力杆 静力学基本公理 在两力作用下处于平衡的刚体称为二力体 如果刚体是一个杆件 则称为二力杆 25 推论 力在刚体上的可传性 作用于刚体上某点的力 可沿其作用线移动到刚体内任意一点 而不改变该力对刚体的作用效应 二 加减平衡力系公理 在作用于刚体上的已知力系上 加上或减去任意一个平衡力系 不会改变原力系对刚体的作用效应 26 作用于物体上同一点的两个力可合成为作用于同一点的一个合力 合力的大小与方向由原两力为邻边而作出的平行四边形的对角线来确定 F1 F2 R 矢量表达式 R F1 F2 即 合力为原两力的矢量和 三 力的平行四边形法则 推论 力的三角形法则 27 四 三力平衡汇交定理一刚体受不平行的三力作用而平衡时 此三力的作用线必共面且汇交于一点 此定理说明了不平行的三个力平衡的必要条件 当两个力的作用线相交时 可用来确定第三个力作用线的方位 28 五 作用力和反作用力定律 两个物体间的相互作用的一对力 总是大小相等 方向相反 作用线相同 并分别而且同时作用于这两个物体上 对物体由力的平衡有 作用力与反作用力定理 则有物对地的压力 作用力反作用力与平衡力的区别 大小相等 方向相反 作用在同一直线上 两个不同物体 同一物体 同种性质的力 不一定是同种性质的力 同时产生 同时消失 同时变化 一个力变化时另一个力不一定变化 不能抵消 不能合成 抵消 合力为零 共同点 不同点 受力物体 力的性质 同时性 作用效果 第二节工程中常见的约束与约束反力 一 约束与约束反力的概念 在空间中运动 位移不受限制的物体称为自由体 对非自由体的某些位移起限制作用的周围物体称为约束体 简称约束 约束是阻碍物体运动的物体 这种阻碍作用就是力的作用 阻碍物体运动的力称为约束反力 简称反力 所以 约束反力的方向必与该约束所能阻碍物体运动的方向相反 由此可以确定约束反力的方向或作用线的位置 物体受力一般可以分为两类 一类是使物体运动或使物体有运动趋势的力 称为主动力 如重力 水压力 土压力 风压力等 在工程中通常称主动力为荷载 另一类是约束对于物体的约束反力 也称被动力 一般主动力是已知的 而约束反力是未知的 W FT W FN FT 试指出下面物体的受力图中的主动力和约束反力 二 几种常见的约束及其反力 1 柔体约束柔软的绳索 链条 皮带等用于阻碍物体的运动时 都称为柔体约束 柔体约束对物体的约束反力是通过接触点 沿柔体中心线且背离物体的拉力 常用FT表示 前页受力图中的FT即为柔体约束 柔索只能受拉力 又称张力 柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体 胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向 为拉力 2 光滑接触面约束物体与其它物体接触 当接触面光滑 摩擦力很小可以忽略不计时 就是光滑接触面约束 光滑接触面约束对物体的约束反力 是作用于接触点处 沿接触面的公法线 并指向被约束物体 常用FN表示 前页受力图中的FN即为光滑接触面约束 2 光滑接触面约束 3 圆柱铰链约束 圆柱铰链简称铰链 是由一个圆柱形销钉插入两个物体的圆孔中构成 并且认为销钉和圆孔的表面都是光滑的 圆柱铰链的约束反力可用一个大小与方向均未知的力表示 也可用两个相互垂直的未知分力来表示 如图所示 圆柱铰链的约束反力是垂直于销钉轴线并通过销钉中心 而方向不定 两端用铰链与物体分别连接且中间不受其它力的直杆称为链杆约束 链杆又称二力杆 二力杆的约束反力必沿着二力杆两端铰链的连线 但指向不定 4 链杆约束 链杆约束 约束类型与实例 4 链杆约束 C 受力图正确吗 二力杆约束 C 约束和约束反力 二力杆约束 C B D A A B 双铰链刚杆约束 三 支座及支座反力 工程中将结构或构件支承在基础或另一静止构件上的装置称为支座 支座也是约束 支座对它所支承的构件的约束反力也称支座反力 建筑工程中常见的三种支座 固定铰支座 铰链支座 可动铰支座和固定端支座 1 固定铰支座 铰链支座 用圆柱铰链把结构或构件与支座底板连接 并将底板固定在支承物上构成的支座称为固定铰支座 约束力 与圆柱铰链相同 2 可动铰支座 在固定铰支座下面加几个辊轴支承于平面上 就构成可动铰支座 约束力 构件受到光滑面的约束力 3 固定端支座 把构件和支承物完全连接为一整体 构件在固定端既不能沿任意方向移动 也不能转动的支座称为固定端支座 1 既能阻止杆端在该平面内的任何移动 也能阻止杆端转动 其约束力必为一个方向未定的力和一个力偶 2 平面固定支座的约束力表示 其中力的指向及力偶的转向都是假设的 第三节物体的受力分析和受力图 在进行力学计算时 首先要分析物体受了哪几个力 每个力的作用位置和方向如何 哪些是已知力哪些是未知力 这个分析过程称为物体的受力分析 为了更清晰地表示物体的受力情况 需把研究的物体从周围物体上脱离出来 单独画出它的简图 被脱离出来的研究对象称为脱离体 物体的受力分析是建筑力学的基础 基本概念 静力学公理 常见约束 物体的受力分析 画物体的受力图也是学习建筑力学的关键 一 单个物体的受力图 画单个物体的受力图 首先要明确研究对象 并把该物体从周围环境中脱离出来 再把已知主动力画在简图上 最后根据实际情况 分别在解除约束处画上相应的约束反力