建筑力学教案范文

建筑力学教案范文 建筑力学重点内容教案（四）静定结构和超静定结构建筑物中支承荷载、传递荷载并起骨架作用的部分叫做结构，例如在房屋建筑中由梁、板、柱、基础等构件组成的体系。 前面，我们介绍了单个杆件的强度、刚度和稳定性问题。 本章将要介绍结构的几何组成规则、结构受力分析的基本知识、不同结构形式受力特点等问题。 第一节结构计算简图实际结构很复杂，完全根据实际结构进行计算很困难，有时甚至不可能。 工程中常将实际结构进行简化，略去不重要的细节，抓住基本特点，用一个简化的图形来代替实际结构。 这种图形叫做结构计算简图。 也就是说，结构计算简图是在结构计算中用来代替实际结构的力学模型。 结构计算简图应当满足以下的基本要求1基本上反映结构的实际工作性能；2计算简便。 从实际结构到结构计算简图的简化，主要包括支座的简化、节点的简化、构件的简化和荷载的简化。 一、支座的简化一根两端支承在墙上的钢筋混凝土梁，受到均布荷载g的作用(图101。 )，对这样一个最简单的结构，如果要严格按实际情况去计算，是很困难的。 因为梁两端所受到的反力沿墙宽的分布情况十分复杂，反力无法确定，内力更无法计算。 为了选择一个比较符合实际的计算简图，先要分析梁的变形情况因为梁支承在砖墙上，其两端均不可能产生垂直向下的移动，但在梁弯曲变形时，两端能够产生转动；整个梁不可能在水平方向移动，但在温度变化时，梁端能够产生热胀冷缩。 考虑到以上的变形特点，可将梁的支座作如下处理通常在一端墙宽的中点设置固定铰支座，在另一端墙宽的中点设置可动铰支座，用梁的轴线代替梁，就得到了图1016的计算简图。 这个计算简图反映了梁的两端不可能产生垂直向下移动但可转动的特点；左端的固定铰支座限制了梁在水平方向的整体移动；右端的可动铰支座允许梁在水平方向的温度变形。 这样的简化既反映了梁的实际工作性能及变形特点，又便于计算。 这就是所谓的简支梁。 假设某住宅楼的外廊，采用由一端嵌固在墙身内的钢筋混凝土梁支承空心板的结构方案(图1020)。 由于梁端伸入墙身，并有足够的锚固长度，所以梁的左端不可能发生任何方向的移动和转动。 于是把这种支座简化为固定支座，其计算简图如图1026所示，计算跨度可取梁的悬挑长加纵墙宽度的一半。 预制钢筋混凝土柱插入杯形基础的做法通常有以下两种当杯口四周用细石混凝土填实、地基较好且基础较大时，可简化为固定支座(图103a)；在杯口四周填入沥青麻丝，柱端可发生微小转动，则可简化为铰支座(图10一36)。 当地基较软、基础较小时，图口的做法也可简化为铰支座。 支座通常可简化为可动铰支座、固定铰支座、固定支座三种形式。 二、节点的简化结构中两个或两个以上的构件的连接处叫做节点。 实际结构中构件的连接方式很多，在计算简图中一般可简化为铰节点和刚节点两种方式。 1铰节点铰节点连接的各杆可绕铰节点做相对转动。 这种理想的铰在建筑结构中很难遇到。 但象图1040中木屋架的端节点，在外力作用下，两杆间可发生微小的相对转动，工程中将它简化为铰节点(图1046)。 2刚节点刚节点连接的各杆不能绕节点自由转动，在钢筋混凝土结构中刚节点容易实现。 图105a是某钢筋混凝土框架顶层的构造，图中的梁和柱的混凝土为整体浇注，梁和柱的钢筋为互相搭接。 梁和柱在节点处不可能发生相对移动和转动，因此，可把它简化为刚节点(图1056)。 三、构件的简化构件的截面尺寸通常比长度小得多。 在计算简图中构件用其轴线表示，构件之间的连接用节点表示，构件长度用节点间的距离表示。 四、荷载的简化在工程实际中，荷载的作用方式是多种多样的。 在计算简图上通常可将荷载作用在杆轴上，并简化为集中荷载和分布荷载两种作用方式。 关于荷载的分类及简化已在第一章中述及。 这里不再重复。 在结构设计中，选定了结构计算简图后，在按简图计算的同时，还必须采取相应韵措施，以保证实际结构的受力和变形特点与计算简图相符。 因此，在按图施工时，必须严格实现图纸中规定的各项要求。 施工中如疏忽或随意修改图纸；就会使实际结构与计算简图不符，这将导致结构的实际受力情况与计算不符，就可能会出现大的事故。 检查与回顾1.结构计算简图应满足哪些基本要求？2.结构计算简图的简化主要包括哪些内容？新授课第二节平面结构的几何组成分析 一、几何组成分析的概念建筑结构通常是由若干杆件组成的，但并不是用一些杆件就可随意地组成建筑结构。 例如图106a中的铰接四边形，可不费多少力就把它变成平行四边形(图。 一6b)，但这种铰接四边形不能承受任何荷载的作用，当然不能作为建筑结构使用。 如果在铰接四边形中加上一根斜杆(图107)，那么在外力作用下其几何形状就不会改变了。 图106图1107从几何组成的观点看，由杆件组成的体系可分为两类1几何不变体系在荷载作用下，不考虑材料的应变时，体系的形状和位置是不能改变的2几何可变体系在荷载作用下，不考虑材料的应变时，体系的形状和位置是可以改变的(图106a)。 对结构的几何组成进行分析，以判定体系是几何不变体系还是几何可变体系，叫做几何组成分析。 显然，建筑结构必须是几何不变体系。 在体系的几何分析中，把几何不变的部分叫做刚片。 一根柱可视为一个刚片；任一肯定的几何不变体系可视为一个刚片；整个地球也可视为一个刚片。 二、几何不变体系的组成规则 (一)铰接三角形规则实践证明，铰接三角形是几何不变体系。 如果将图108口铰接三角形A船中的铰A拆开AB杆则可绕曰点转动，AB杆上4点的轨迹是弧线；4C杆则可绕C点转动，AC杆上的A点的轨迹是弧线。 这两个弧线只有一个交点，所以A点的位置是唯一的，三角形ABC的位置是不可改变的。 这个几何不变体系的基本规则叫做铰接三角形规则。 如果在铰接三角形中再增加一根链杆仰(图1086)，体系ABCD仍然是几何不变的，从维持体系几何不变的角度看，AD杆是多余的，因而把它叫做多余约束。 所以ABCD体系是有多余约束的几何不变体系，而铰接三角形ABC是没有多余约束的几何不变体系。 铰接三角形规则的几种表达方式1二元体规则在铰接三角形中，将一根杆视为刚片，则铰接三角形就变成一个刚片上用两根不共线的链杆在一端铰接成一个节点，这种结构叫做二元体结构(图109)。 于是铰接三角形规则可表达为二元体规则一个点与一个刚片用两根不共线的链杆相连，可组成几何不变体系。 且无多余约束。 2两刚片规则若将铰接三角形中的杆AB和杆日C均视为刚片，杆AC视为两刚片间的约束(图1010)，于是铰接三角形规则可表达为两刚片规则两刚片间用一个铰和一根不通过此铰的链杆相连，可组成几何不变体系，且无多余约束。 图10一ll a表示两刚片用两根不平行的链杆相连，两链杆的延长线相交于A点，两刚片可绕图10一10图1011A点做微小的相对转动。 这种连接方式相当于在A点有一个铰把两刚片相连。 当然，实际上在A点没有铰，所以把A点叫做“虚铰”。 为了阻止两刚片间的相对转动，只需增加一根链杆(图1011b)。 因此，两刚片规则还可以这样表达两刚片间用三根不全平行也不全相交于一点的三根链杆相连，可组成几何不变体系，且无多余约束。 3三刚片规则若将铰接三角形中的三根杆均视为刚片(图1012)，则有三刚片规则三刚片用不在同一直线上的三个铰两两相连，可组成几何不变体系。 且无多余约束。 总结作业P23810- 1、10-2检查与回顾铰结三角形的表达形式新授课 三、超静定结构的概念简支梁通过铰A和链杆B与地球相连(图1013a)，是几何不变体系，且无多余约束。 这种没有多余约束的几何不变体系叫做静定结构。 静定结构的反力和内力可通过静力平衡方程求得。 如果在简支梁中增加一个链杆(图1013b)，它仍然是几何不变体系，但有一个多余约束。 有多余约束的几何不变体系叫做超静定结构。 超静定结构的支座反力和内力不能由静力平衡方程式全部求得。 例如图1013b中的梁，在荷载和支座反力的作用下，构成一个平面一般力系，可列出三个独立的平衡方程，而的支座反力有四个，三个方程只能解算三个量，所以不能求出全部的反力，因而内力也无法确定。 超静定结构的内力计算，除了运用静力平衡条件外，还要利用变形条件，这里不予介绍。 四、几何组成分析的实例几何不变体系的组成规则，是进行几何组成分析的依据。 对体系重复使用这些规则，就可判定体系是否是几何不变体系及有无多余约束等问题。 运用规则对体系分析时，可先在体系中找到一个简单的几何不变部分，如刚片或铰接三角形，然后按规则逐步组装扩大，最后遍及全体系；也可在复杂的体系中，逐步排除那些不影响几何不变的部分，例如逐步排除二元体，使分析对象得到简化，以便于判别其几何组成。 例101试对图1014中的体系做几何组成分析。 解铰接三角形是几何不变体系(图中的阴影部分)，在此基础上不断增加二元体，最后可遍及整个桁架。 将整个桁架视为一个刚片，地球视为另一个刚片，依据两刚片规则，它们之间用铰A与不通过铰A的支座链杆B相连，组成了没有多余约束的几何不变体系。 结论体系是几何不变的，且无多余约束。 C例10一2试分析图10一15中体系的几何组成。 解整个体系可分为左右两个部分左边的AC可视为刚片，在刚片上增加二元体ADF；右边的CB可视为刚片，在刚片上增加二元体GEB。 左、右两部分均可视为刚片，它们之间用铰C和链杆DE相连(两刚片规则)，形成一个大刚片。 这个大刚片与地球用铰A和链杆B相连，构成一个没有多余约束的几何不变体系。 现在从另一角度进行分析左边的AD、AC、DF可视为三刚片，它们通过不在同一直线上的三个铰A、D、F相连，组成了一个几何不变体系；右边的CB、BE、GE可视为三刚片，它们通过不在同一直线上的三个铰G、E、B、相连，也组成了一个几何不变体系。 左、右两部分用铰C和链杆册相连，组成了一个没有多余约束的几何不变体系，然后再与地球相连。 结论体系是几何不变的，且无多余约束。 例103试分析图1016中体系的几何组成。 解图1016中的杆AB可视为刚片工，杆BC可视为刚片II，地球为刚片III。 三刚片通过铰A、B、C两两相连，但这三个铰在同一直线上，不符合三刚片规则。 现在分析在这种情况下会出现的问题。 B点是杆AB及BC的公共点。 对AB杆而言，B点可沿以AB为半径的圆弧线运动；对嬲杆而言，B点可沿以BC为半径的圆弧线运动。 由于A、曰、C三点共线，两个圆弧在B点有公切线。 所以，在图示的瞬时，B点可沿公切线做微小的运动，即体系在这一瞬时是几何可变的。 但是，B点经过微小的位移后，A、B、C三点就不再共线，B点的位移不能再继续增大。 这种本来是几何可变的体系，经过微小的位移后又成为几何不变的体系，叫做瞬变体系。 瞬变体系不能作为结构使用，任何接近于瞬变体系的构造，在实际建筑结构中也不允许出现。 图1017中，A、B、C三铰虽不共线，但在e角很小时，链杆的轴力将很大；当日角趋近于零时，体系趋近瞬变状态，链杆的轴力将趋于无穷大。 结论体系是瞬变体系，不能作为结构使用。 例10-4试对图中的体系作几何组成分析。 解曲杆AC、CB和直杆通过不在同一直线上的三个铰A、B、C两两相连，组成了几何不变体系且没有多余约束。 体系的两端通过铰A、B与基础相连，显然多了一个约束。 分析曲