建筑力学与结构(第2版)机械工业出版社ppt课件

.,建筑力学与结构,.,2,11建筑力学的任务12刚体、变形固体及基本假设13杆件及其变形的基本假设14荷载的形式,第一章建筑力学概述,.,3,1-1建筑力学的任务,建筑力学是一门技术基础课程，它为土木工程等的结构设计以及解决施工现场中许多受力问题提供基本的力学知识和计算方法，为进一步学习相关的专业课程打下必要的基础。建筑物中支承荷载而起骨架作用的部分称为结构，结构中的每一个基本部分称为构件。工程上把作用于建筑物上的力称为荷载。建筑力学便是提供这些建筑结构受力分析和理论计算依据的一门学科。本教材将研究这些理论的最基本部分，讨论用途广泛的受力分析问题。,.,4,结构或构件抵抗破坏的能力通常称为强度；抵抗变形的能力称为刚度；保持其原有平衡形式的能力称为稳定性。总之，受一定荷载作用的构件，要求其能正常工作，一般须满足以下三方面：足够的强度、必要的刚度和足够的稳定性。工程上要求结构或构件有足够的承载能力，就是指上述强度、刚度、稳定性三方面性能的综合。建筑力学的任务是研究各种建筑结构或构件在荷载作用下的平衡条件以及承载能力。,.,5,1-2刚体、变形固体及基本假设,一、刚体与变形固体的概念,刚体：在力的作用下，其内部任意两点之间的距离始终保持不变(刚度无限大)。变形固体：固体材料在力的作用下会产生变形，称为变形固体。任何物体在力的作用下，都将引起大小和形状的改变，即发生变形。但是，这些微小的变形，对研究物体的平衡问题影响甚少，因而可将物体看成是刚体。然而当讨论物体受到力的作用后会不会破坏时，变形就是一个主要的因素，这时就不能再把物体看作刚体，而应看作变形固体。但须指出，以刚体为对象得出的力系的平衡条件，一般也可以推广应用于变形很小的变形固体的平衡情况。,.,6,2.结构及构件的微小变形假设,1.变形固体的连续、均匀、各向同性假设,二、变形固体的基本假设,假设所研究的变形固体是密实、无空隙的，各部分都有相同的物理特性，而且在不同的方向上这些物理特性亦相同，这样的变形固体，通常称为连续、均匀、各向同性变形固体。根据以上假设所得的理论，用于各向异性材料时，只能得到近似的结果，不过还是能够满足工程上所要求的精度。,假设结构及构件的变形都是微小的，限于变形与构件原尺寸相比极为微小的范围，一般称为小变形范围。由于变形很微小，在考虑变形后结构的平衡时，可以忽略这些变形值，按变形前结构及构件的原始尺寸来进行计算，并且荷载的作用位置也不改变。这样，使计算大为简化，又不致于引起显著的误差。,建筑力学,.,7,建筑力学主要研究对象是杆件，杆件的形状和尺寸可以由杆件的横截面和轴线两个主要几何因素来描述。横截面是指与杆长方向垂直的截面，而轴线是各横截面形心的连线。横截面与杆件轴线是互相垂直的。,1-3杆件及其变形的基本形式,一、杆件,.,8,二、杆件变形的基本形式,轴向拉伸或压缩,当一直杆在两端承受轴向的拉力或压力时，其发生的变形是沿杆轴线方向上的伸长或缩短，称此变形为轴向拉伸或压缩（如图a、b）。,建筑力学,.,9,当杆件在两相邻的横截面处有一对垂直于杆轴，但方向相反的横向力作用时，其发生的变形为该两截面沿横向力方向发生相对的错动，此变形称为剪切变形，简称剪切（如图c）。,2.剪切,3.扭转,当杆件在两端承受一对作用面垂直于杆轴的外力偶作用时，杆件任意两横截面间将发生绕轴线的相对转动，此变形称为扭转变形，简称扭转（如图d）。,4.弯曲,当杆件在两端承受一对外力偶，力偶的作用面与杆件的横截面垂直时，杆件轴线由直线变为曲线，杆件的这种变形称为弯曲（如图e）。有时，当杆件在一组垂直于杆件轴线方向的横向力作用下，发生弯曲变形时，还伴有剪切变形，称为剪切弯曲（或横向弯曲）。,.,10,1-4荷载的形式,按作用方式分：集中荷载作用在一点处的力。分布荷载在体积中分布的力、在面积上分布的力、在长度上分布的力。按作用性质分：静荷载由零开始缓慢地加于杆件上的力，作用到杆件上后，力的大小与方向不再改变，加力过程中杆件无速度的变化。动荷载加力过程中杆件有明显的加速度产生。,.,11,21力与平衡的概念22静力学基本公理23力在坐标轴上的投影合力投影定理24力矩力偶的概念和力的等效平移,第二章静力学基本概念,.,12,力的单位：国际单位制：牛顿(N)千牛顿(kN),2-1力与平衡的概念,一、力的概念,1定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用可以改变物体的运动状态。,2.力的效应：运动效应(外效应)变形效应(内效应)。,3.力的三要素：大小，方向，作用点,图21,.,13,1平衡：是指物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线运动的状态。2.力系：是指作用在物体上的一群力。3.平衡力系：物体在力系作用下处于平衡，我们称这个力系为平衡力系。物体平衡时，作用在物体上的各种力系所需满足的条件，称为力系的平衡条件。力系的平衡条件是设计构件、结构和机械零件时进行静力计算的基础。,二、平衡的概念,.,14,2-2静力学基本公理,公理：是人类经过长期实践和经验而得到的结论，它被反复的实践所验证，是无须证明而为人们所公认的结论。,公理1力的平行四边形公理,作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力，合力的作用点也在该点，合力的大小和方向，由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定，如图22所示。,即：FR=F1+F2,在工程实际问题中，常把一个力F沿直角坐标轴方向分解，可得出两个互相垂直的分力Fx和Fy如图23所示。Fx和Fy的大小可由三角公式求得：,.,15,图22,建筑力学,图23,公理2二力平衡公理,作用在同一刚体上的两个力，使刚体处于平衡的必要和充分条件是：这两个力的大小相等，方向相反，且作用在同一条直线上。如图（图24）所示，即F1=F2,.,16,建筑力学,图24,.,17,说明：对刚体来说，上面的条件是充要的,对变形体来说，上面的条件只是必要条件(或多体中),二力构件：在两个力作用下处于平衡的构件。,二力杆,.,18,公理3加减平衡力系公理,在作用于刚体的已知力系中，加上或减去任意的平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。,推论1：力的可传性。作用于刚体上某点的力，可以沿其作用线移到刚体内任意一点，而不改变该力对刚体的作用效应（如图2-5所示）。,因此，对刚体来说，力作用三要素为：大小，方向，作用线,建筑力学,.,19,图25,.,20,建筑力学,图26,推论2：三力平衡汇交定理,一刚体受共面不平行的三个力作用而平衡时，则此三力的作用线必汇交于一点。如图26所示。,.,21,公理4作用力和反作用力定律,作用力和反作用力总是同时存在，两力的大小相等、方向相反、沿着同一直线，分别作用在两个相互作用的物体上。,例吊灯,建筑力学,.,22,建筑力学,2-3力在坐标轴上的投影合力投影定理,一、力在坐标轴上的投影,设在刚体上的点A作用一力F，如图27所示，在力F作用线所在平面内任取坐标系oxy,过力F的两端点A和B分别向x、y轴作垂线，则所得两垂足之间的直线段就称为力F在x、y轴上的投影，记作Fx、Fy。,通常采用力F与坐标轴x轴所夹的锐角来计算投影,若已知力F在坐标轴上的投影Fx、Fy，亦可求出该力的大小和方向角,.,23,建筑力学,图27,.,24,二、合力投影定理,合力在任一轴上的投影等于各分力在同一轴上投影的代数和，此即合力投影定理。合力投影定理建立了合力的投影与分力的投影之间的关系。如图28所示的平面力系，将各力投影到x轴上，由图可见RX=F1x+F2x+F3x+F4x，上式可推广到任意多个力的情况，即,建筑力学,Rx=F1x+F2x+Fnx=Fx,求出合力R的投影Rx及Ry后，即可求出合力R的大小及方向角,图28,.,25,2-4力矩力偶的概念和力的等效平移,一、力矩,-,+,力矩的性质：1）力矩的值与矩心位置有关，同一力对不同的矩心，其力矩不同。2）力沿其作用线任意移动时，力矩不变。3）力的作用线通过矩心时，力矩为零。4）合力对平面内任一点之矩等于各分力对同一点之矩的代数和。即m0(R)=m0(F)此即平面力系的合力矩定理。,.,26,建筑力学,说明：,是代数量。,F,d转动效应明显。,是影响转动的独立因素。,当F=0或d=0时，=0。,单位Nm，工程单位kgfm。,=2AOB=Fd,2倍形面积。,.,27,建筑力学,例已知：如图F、Q、l,求：和,解：用力对点的矩法应用合力矩定理,.,28,建筑力学,二、力偶,平面内一对等值反向且不共线的平行力称为力偶，它是一个不能再简化的基本力系。它对物体的作用效果是使物体产生单纯的转动。,力偶对物体的转动效应与组成力偶的力之大小和力偶臂的长短有关,力学上把力偶中一力的大小与力偶臂(二力作用线间垂直距离)的乘积Fd并加上适当的正负号，称为此力偶的力偶矩，用以度量力偶在其作用面内对物体的转动效应，记作m(F,F)或m,性质1：力偶既没有合力，本身又不平衡，是一个基本力学量。,如果在力偶作用面内任取一投影轴,则有:力偶在任一轴上的投影恒等于零。既然力偶在轴上的投影为零,可见力偶对于物体不会产生移动效应,只产生转动效应。力偶和力对物体作用的效应不同,说明力偶不能和一个力平衡,力偶只能与力偶平衡。,.,29,建筑力学,性质2：力偶对其所在平面内任一点的矩恒等于力偶矩，而与矩心的位置无关，因此力偶对刚体的效应用力偶矩度量。,如图2-9所示,m0(F,F)=m0(F)+m0(F)=F(x+d)一Fx=Fd,性质3：平面力偶等效定理作用在同一平面内的两个力偶，只要它的力偶矩的大小相等，转向相同，则该两个力偶彼此等效。,.,30,建筑力学,图29,图210,.,31,建筑力学,证明:如图2-10所示，设在同平面内有两个力偶(F，F)和(F3,F3)作用，它们的力偶矩相等，且力的作用线分别交于点A和B，现证明这两个力偶是等效的。将力F和F/沿其作用线移到A和B点，然后分别沿连线AB和力偶（F,F/)的两力作用线方向分解，得到四个力，这四个力与原力偶等效。由于两个力平行四边形全等，F与F/是一对平衡力可以除去。新力偶（F2,F2/)与原力偶（F,F/)等效。连接CB和DB，有,m(F,F)=-2ACB=m(F2,F2)=-2ADB即力偶（F,F/)与（F2，F2/)等效时，它们的力偶矩相等。设m（F,F/）=m（F3,F3/），因此m(F2,F2/)F2d=m（F3,F3/）=F3d，得F2=F3，F2/=F3/由于力偶（F2，F2/)与(F，F/)等效，所以力偶（F3，F3/)与(F，F/)等效,.,32,建筑力学,由上述证明可得下列两个推论：,力偶可以在其作用面内任意移动，而不影响它对刚体的作用效应。,只要保持力偶矩大小和转向不变，可以任意改变力偶中力的大小和相应力偶臂的长短，而不改变它对刚体的作用效应。,性质4：在同一个平面内的n个力偶，称为共面力偶系。共面力偶系合成的结果为一合力偶，其合力偶矩等于各分力偶矩之代数和。即M=m1+m2+mn=m,.,33,建筑力学,三、力的等效平移,定理作用于刚体上的力可平行移动到刚体内的任一点，但必须同时附加一个力偶，这个附加力偶的矩等于原来的力对新作用点的矩。这样，平移前的一个力与平移后的一个力和一个力偶对刚体的作用效果等效。,证明：图中的力F作用于刚体的点A，在同一刚体内任取一点B，并在点B加上两个等值反向的力F和F，使它们与力F平行，且F=F=-F，如图所示。显然,三个力F，F，F与原来F是等效的；而这三个力又可视为过B点的一个力F和作用在点B与力F决定平面内的一个力偶(F,F)。所以作用在点A的力F就与作用在点B的力F和力偶矩为m的力偶(F,F)等效，其力偶矩为m=F.d=mB(F)，证毕。,图221,.,34,31约束和约束反力32结构计算简图33物体的受力分析与受力图,第三章物体的受力分析及结构计算简图,.,35,建筑力学,3-1约束和约束反力,一、概念,自由体：位移不受限制，在空间可以自由运动的物体叫自由体。,非自由体：位移受限制（某些方向的运动受到限制）的物体叫非自由体。,约束：一个物体的运动受到周围物体的限制时，这些周围物体就称为该物体的约束。（这里，约束是名词，而不是动词的约束。）约束反力：约束给被约束物体的力叫约束反力。,.,36,约束反力的大小常常是未知的；约束反力的方向总是与所能限制的物体运动趋势方向相反；作用点在物体与约束相接触的那一点。,约束反力特点：,建筑力学,工程上的物体，一般同时受到主动力和约束反力的作用。对它们进行受力分析，就是要分析这两方面的力。通常主动力是已知的，约束反力是未知的，所以问题的关键在于正确地分析约束反力，一般条件下根据约束的性质只能判断约束反力的作用点位置或作用力方向。现将工程上常见的几种约束类型分述如下：,.,37,二、约束类型和确定约束反力方向的方法：,1.柔体约束由柔绳、胶带、链条等形成的约束称为柔体约束。由于柔体只能拉物体，不能压物体，所以它们的约束反力是作用在接触点，方向沿着柔体约束的中心线背离物体（拉力）。,建筑力学,.,38,约束反力作用在接触点处，方向沿公法线，指向受力物体,2.光滑接触面的约束(光滑指摩擦不计),A,建筑力学,.,39,3.光滑圆柱铰链约束,圆柱铰链,A,A,建筑力学,.,40,铰链支座,建筑力学,.,41,活动铰支座（辊轴支座）,建筑力学,.,42,建筑力学,4.固定支座,.,43,建筑力学,3-2结构计算简图,一、结构计算简图的简化原则,选取结构计算简图应遵循下列两条原则：1）正确反映结构的实际情况，使计算结果精确可靠。从实际出发，结构计算简图应能正确的反映结构的实际受力情况，使计算结果尽可能的接近实际情况。2）分清主次，略去次要因素，以便于分析和计算。,二、结构计算简图的简化方法,1、结构体系的简化方法,1）平面简化,如果空间结构在某平面内的杆系结构主要承担该平面内的荷载时，可以把空间结构分解为几个平面结构进行计算。,.,44,建筑力学,2）杆件简化,在结构的计算简图中，构件的截面以它的形心来替代，而结构的杆件总可用其纵向轴线来代替。如梁、柱等构件的纵轴线为直线，就用相应的直线表示；而曲杆、拱等构件的纵轴线为曲线，则用相应的曲线表示。,3）结点简化,在结构的计算简图中，根据结点的实际构造，通常把结点只简化成两种极端理想化的基本形式：铰结点和刚结点。,铰结点：,所铰接的各杆均可绕结点自由转动，杆件间的夹角可以改变大小，用杆件交点处的小圆圈来表示。,刚结点：,所连接的各杆之间不能绕结点有相对的转动，变形前后，结点处各杆间的夹角都保持不变。刚结点用杆件轴线的交点来表示。,.,45,建筑力学,2、支座的简化,支座通常可简化为铰支座，滚轴支座和固定支座等三种基本类型。,3、荷载的简化,实际结构所承受的荷载一般是作用于构件内的体荷载（如自重）和表面上的面荷载（如人群、设备重量、风荷载等）。但在计算简图上，均简化为作用于杆件轴线上的分布线荷载、集中荷载、集中力偶，并且认为这些荷载的大小、方向和作用位置是不随时间变化的。,例如图所示预制钢筋混凝土站台雨篷结构计算简图的选取,.,46,建筑力学,.,47,建筑力学,3-3物体的受力分析与受力图,解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体，即选择研究对象；然后根据已知条件、约束类型并结合基本概念和公理分析它的受力情况，这个过程称为物体的受力分析。,受力图的画法可以概括为以下几个步骤：1）根据题意(按指定要求或综合分析已知条件和所求)恰当地选取研究对象；再用尽可能简明的轮廓将研究对象单独画出，即取分离体。2）画出分离体所受的全部主动力。3）在分离体上原来存在约束（即与其他物体相联系、相接触）的地方，按照约束类型逐一画出全部约束反力。,.,48,例1画出下列各构件的受力图,建筑力学,应去掉约束,应去掉约束,.,49,例2画出下列各构件的受力图,建筑力学,.,50,例3试分析AB构件及拱结构整体平衡的受力情况,建筑力学,.,51,画受力图应注意的问题,除重力、电磁力外，物体之间只有通过接触才有相互机械作用力，要分清研究对象（受力体）都与周围哪些物体（施力体）相接触，接触处必有力，力的方向由约束类型而定。,2、不要多画力,要注意力是物体之间的相互机械作用。因此对于受力体所受的每一个力，都应能明确地指出它是哪一个施力体施加的。,1、不要漏画力,建筑力学,.,52,约束反力的方向必须严格地按照约束的类型来画，不能单凭直观或根据主动力的方向来简单推想。在分析两物体之间的作用力与反作用力时，要注意，作用力的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之相反，不要把箭头方向画错。,即受力图一定要画在分离体上。,建筑力学,.,53,一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同，有可能不同。当物体系统拆开来分析时，原系统的部分内力，就成为新研究对象的外力。,对于某一处的约束反力的方向一旦设定，在整体、局部或单个物体的受力图上要与之保持一致。,建筑力学,.,54,第四章平面一般力系的简化及平衡方程,41平面一般力系的简化42平面一般力系的平衡方程及其应用43物体系的平衡问题,.,55,建筑力学,力系,空间力系,平面力系,平面一般力系：各力的作用线都处于同一平面内，它们既不完全汇交于一点，相互间也不全部平行。,平面汇交力系：各力作用线全部汇交于一点。,平面平行力系：各力作用线全部平行。,空间一般力系,空间汇交力系,空间力偶系,.,56,4-1平面一般力系的简化,一、平面一般力系向一点简化,建筑力学,.,57,（移动效应）,建筑力学,.,58,大小：主矩MO方向：方向规定+简化中心：(与简化中心有关)（因主矩等于各力对简化中心取矩的代数和）,（转动效应）,建筑力学,力系的主矩一般与简化中心的位置有关。因而，对于主矩，必须指明简化中心的位置，符号M0的下标表示简化中心为O点。,.,59,简化结果：主矢，主矩MO，下面分别讨论。,二、平面一般力系的简化结果讨论,1、平面一般力系简化为一个力偶的情形,若，表明作用于简化中心O的力F1、F2、Fn相互平衡，因而相互抵消。但是，附加的力偶系并不平衡，可合成为一个合力偶，即为原力系的合力偶，力偶矩等于因为力偶对于平面内任意一点的矩都相同，因此当力系合成为一个力偶时，主矩与简化中心的位置无关。,建筑力学,.,60,建筑力学,（1）,表明附加力偶系为一平衡力系，亦可撤去，那么一个作用在简化中心O点的力与原力系等效。显然，就是这个力系的合力，合力的作用线通过简化中心O。合力矢等于力系的主矢，即（此时与简化中心有关，换个简化中心，主矩不为零）,2、平面一般力系简化为一个合力的情形,（2）,则原力系与作用线过简化中心的一个力和一个同平面的力偶等效，原力系可以继续简化为一个合力。如下图所示,.,61,建筑力学,合力的作用线应在O点哪一侧，须根据力对O点的矩的转向与的转向一致原则来确定。,.,62,合力矩定理：由于主矩而合力对O点的矩合力矩定理由于简化中心是任意选取的，故此式有普遍意义。即：平面一般力系的合力对作用面内任一点之矩等于力系中各力对于同一点之矩的代数和。,建筑力学,.,63,3、平面一般力系平衡的情形,建筑力学,若，时，这表明原力系与两个平衡力系等效，即原力系既不能使物体有移动效应，又不能使物体产生转动效应，所以物体平衡，故原力系为平衡力系。,总结平面一般力系的最后简化结果，当时，原力系要么平衡，要么是一个力偶；当时，不论主矩是否为零，原力系合成结果都是一个力。平面一般力系的最后简化结果与简化中心的位置无关，因为最后简化结果为：要么是平衡、要么是一个力偶、要么是一个力，三者必居其一。这三种结果与简化中心的位置都无关,.,64,例重力坝受力如图所示，设W1=450kN，W2=200kN，FP1=300kN，FP2=70kN，求力系的合力的大小和方向，及合力与基线OA的交点到点O的距离x.,建筑力学,.,65,建筑力学,解：,以O为坐标原点，建立坐标系Oxy，将力系向O点简化，主矢在X、Y轴上的投影为：,.,66,建筑力学,.,67,建筑力学,在哪个象限由与的正负来判定。因为为正，为负，故在第四象限内，与X轴夹角为70.830。（如图）,.,68,建筑力学,因为，所以原力系合成结果是一个合力。合力大小和方向与主矢相同，因为M0为负值，合力对O点的矩也应该为负值，故合力的作用线必在O点的右侧，如图4-4所示。合力的作用线与基线的交点到点O的距离x，可根据合力矩定理求得。即,.,69,4-2平面一般力系的平衡方程及其应用,平面一般力系平衡的必要和充分条件：力系的主矢和力系对于任一点的矩都等于零，即,建筑力学,1.平衡方程的基本形式,由此平衡条件可导出不同形式的平衡方程。,.,70,建筑力学,由此可得结论，平面一般力系平衡的解析条件是：所有各力在两个任选的坐标轴上的投影的代数和都等于零；力系中所有各力对任一点的力矩的代数和等于零。,需要指出的是，上述平衡方程是相互独立的，用来求解平面一般力系的平衡问题时，能且最多只能求解三个未知量。为了避免求解联立方程，应使所选的坐标轴尽量垂直于未知力，所选矩心尽量位于两个未知力的交点（可在研究对象之外）上。此外，列平衡方程时，既可先列投影方程，也可先列力矩方程。总之，应尽量使每一方程式中只含一个未知量，以便简化计算。,.,71,例已知：P=20kN,m=16kNm,q=20kN/m,a=0.8m求：A、B的支反力。,解：研究AB梁,解得：,建筑力学,.,72,建筑力学,例如图所示一钢筋混凝土刚架的计算简图，其左侧面受到一水平推力P=5KN的作用。刚架顶上有均布荷载，荷载集度为q=22KN/m，刚架自重不计，尺寸如图所示，试求A、B处的支座反力。,解：研究钢架由,解得：,.,73,建筑力学,2.平衡方程的二矩式,（A与B两点的连线不垂直于x轴）,3.平衡方程的三矩式,（A、B、C三点不共线）,.,74,建筑力学,应用平面一般力系的平衡方程求解平衡问题的解题步骤如下：（1）确定研究对象根据题意分析已知量和未知量，未知量要用已知量来表示，所以研究对象上一定要有已知量，选取适当的研究对象。（2）画受力图在研究对象上画出它受到的所有主动力和约束反力。约束反力根据约束类型来画。当约束反力的指向未定时，可以先假设其指向。如果计算结果为正，则表示假设指向正确；如果计算结果为负，则表示实际的指向与假设的相反。（3）列平衡方程选取适当的平衡方程形式、投影轴和矩心。尽量避免解联立方程，应用投影方程时，投影轴尽可能选取与较多的未知力的作用线垂直；应用力矩方程时，矩心往往取在两个未知力的交点。计算力矩时，要善于运用合力矩定理，以便使计算简单。（4）求解：解平衡方程，求解未知量。（5）校核,.,75,建筑力学,例如图所示拱形桁架的一端A为铰支座，另一端B为滚轴支座，其支承面与水平面成倾角300。桁架自重G=100KN,风压力的合力Q=20KN,其方向水平向左，试求A、B支座反力。,.,76,建筑力学,解得：,解：1、选桁架为研究对象，画出其受力图,2、列平衡方程选A、B两点为矩心，用二矩式,.,77,建筑力学,平面汇交力系、平面平行力系和平面力偶系，皆可看作平面一般力系的特殊力系，它们的平衡方程皆可由平面一般力系的平衡方程导出。,平面汇交力系的平衡方程,2）平面汇交力系平衡的必要与充分的几何条件是：力多边形自行封闭,1）平面汇交力系平衡的必要与充分的解析条件是：各力在两个坐标轴上投影的代数和分别等于零,利用几何法求解平面汇交力系的平衡问题时，画出自行封闭的力多边形，然后按比例尺从力多边形中直接量出未知力的大小即可。,.,78,建筑力学,例求当F力达到多大时，球离开地面？已知P、R、h,解：1）研究块,受力如图，,由力三角形：,解得：,.,79,建筑力学,2）再研究球，受力如图：,作力三角形,.,80,平面平行力系:各力的作用线在同一平面内且相互平行的力系。,2、平面平行力系的平衡方程,建筑力学,平面平行力系平衡方程的一般形式：,平面平行力系平衡方程的二矩式：,（A、B两点连线不与诸力平行）,各力在x轴上的投影恒等于零，即所以只有两个独立方程，只能求解两个独立的未知量。,.,81,建筑力学,例塔式起重机如图所示，机架重G=700KN，作用线通过塔架中心。最大起重量FW1=200KN，最大悬臂长为12m，轨道A、B的间距为4m，平衡块重FW2，到机身中心线距离为6m。试问：1、保证起重机在满载和空载都不致翻倒，求平衡块的重量FW2应为多少？2、当平衡块重FW2=180KN时，求满载时轨道A、B给起重机轮子的反力。,.,82,建筑力学,解：1）画起重机受力图，如图这些力组成平面平行力系,2、求起重机在满载和空载时都不致翻倒的平衡块重FW2的大小,当满载时，为使起重机不绕B点翻倒，这些力必须满足平衡方程MB（F）=0在临界情况下，FRA=0，限制条件FRA0,才能保证起重机不绕B点翻倒。,.,83,建筑力学,限制条件：,解得：,当空载时，此时FW1=0,为使起重机不绕A点翻倒，则必须满足平衡方程mA（F）=0,在临界情况下，FRB=0，限制条件FRB0,才能保证起重机不绕A点翻倒。,限制条件：,解得：,.,84,建筑力学,由于起重机实际工作时不允许处于极限状态，要使起重机不会翻倒，平衡块重量满足关系：,(3)、当FW2=180kN时，求满载（FW1=200kN）情况下，轨道A、B给起重机轮子的反力FRA、FRB。,解得：,.,85,建筑力学,3、平面力偶系的平衡方程,由于平面力偶系合成的结果为一合力偶，M=m，而力偶在任一轴上投影的代数和均为零。即平面一般力系的平衡方程的基本形式的两个投影方程均变成恒等式，故平面力偶系的平衡方程为：,即平面力偶系平衡的充要条件是：力偶系中各力偶矩的代数和为零。独立平衡方程数目是一个，能且只能求解出一个未知数一个未知力偶或一对未知力（力偶臂已知时）。,.,86,例梁AB的支座和受力情况如图所示。已知m=10kNm，不计梁重，试求两支座反力。,解：1）选梁AB为研究对象,画分离体受力图,建筑力学,2）列平衡方程，求解未知量,解得：,根据力偶与力偶平衡的概念，A支座反力与B支座反力组成一个力偶与m平衡。,.,87,建筑力学,4-3物体系的平衡问题,物体系统（物系）：由若干个物体通过约束所组成的系统。,物系平衡的特点：当物体系平衡时，组成该系统的每一个物体都处于平衡状态。每个单体可列3个平衡方程，整个系统可列3n个方程（设物系中有n个物体）在求解静定的物体系的平衡问题时，可以选每个物体为研究对象，列出全部平衡方程，然后求解；也可以先取整个系统为研究对象，列出平衡方程，求出部分未知量，再从系统中选取某些物体作为研究对象，列出另外的平衡方程，直至求出所有的未知量为止。,.,88,建筑力学,为了使求解过程尽可能简便，并且避免出现反复。解决物系的平衡问题时，应当首先从有已知力作用的，而未知力数目少于或等于独立平衡方程数的物体开始着手分析。把有已知力作用，未知数少于或等于独立平衡方程数的条件称为可解条件。对于符合可解条件的分离体先行求解，将求得物体系的内力，通过作用与反作用关系，转移到其他物体作为已知力，逐步扩大已知量的数目直至最终求出所有未知量。有时还可能出现这样的情况，就整个物系而言是静定的，而物系的所有分离体无一符合可解条件。此时必存在有的分离体上虽有四个未知力，但存在三个未知力汇交于同一点或互相平行的情况，取汇交点为矩心或取平行力的垂线为投影轴即可解出部分未知力和其余未知力之间的关系，再以其他分离体为研究对象，逐个把所有未知力求出。把分离体有已知力作用，虽有n3个未知力，但有（n-1）个汇交或平行的条件，称为部分可解条件。对于这类没有符合可解条件的分离体的问题，应先从符合部分可解条件的分离体着手解起。,.,89,例已知：连续梁上，P=10kN,Q=50kN,CE铅垂,不计梁重求：A,B和D点的反力（看出未知数多于三个，不能先整体求出，要拆开）,解：研究起重机,建筑力学,.,90,再研究整体,再研究梁CD,建筑力学,.,91,例如图所示为钢结构拱架。拱架由两个相同的刚架AC和BC用铰链C连接，拱脚A、B用铰链固结于地基，吊车梁支承在刚架的突出部分D、E上。设两刚架各重为FW=60KN；吊车梁重为G=20KN，其作用线通过点C；荷载重为FP=10KN；风力F=10KN，尺寸如图所示。D、E两点在FW的作用线上，求铰链A和B的约束反力。,解：1）先研究吊车梁画受力图,建筑力学,解得：,2）研究整体画受力图,.,92,建筑力学,.,93,建筑力学,解得：,3）研究右半刚架画受力图,解得：,.,94,习题课,合力矩定理,一、平面一般力系的合成结果,本章小结：,建筑力学,.,95,一矩式二矩式三矩式,二、,平面一般力系的平衡方程,建筑力学,平面平行力系的平衡方程,一矩式,二矩式,（A、B连线不平行力线）,.,96,成为恒等式,三、物系平衡,建筑力学,平面汇交力系的平衡方程,平面力偶系系的平衡方程,物系平衡时，物系中每个构件都平衡,解物系问题的方法常是：由整体局部单体,.,97,五、注意问题力偶在坐标轴上投影不存在；力偶矩M=常数，它与坐标轴与取矩点的选择无关。,建筑力学,.,98,例1已知各杆均铰接，B端插入地内，P=1000N，AE=BE=CE=DE=1m，杆重不计。求AC杆内力？B点的反力？,例题分析,解得：,建筑力学,.,99,受力如图(AC为二力杆）取E为矩心，列方程解方程求未知数,再研究CD杆,建筑力学,.,100,建筑力学,.,101,第五章平面杆件体系的几何组成分析,51平面杆件体系的几何组成分析目的52平面杆系的几个重要概念53几何不变体系的组成规则5-4几何组成分析举例5-5静定结构和超静定结构,.,102,建筑力学,5-1平面杆件体系的几何组成分析目的,一、几何不变体系和几何可变体系,几何可变体系:尽管受到很小的荷载P作用，也将引起几何形状的改变，这类体系称为几何可变体系。如图b,几何不变体系：当体系受到任意荷载作用后，若不考虑材料的应变，而结构的几何形状和位置能保持不变的，则称为几何不变体系。如图a,几何不变体系可以作为工程结构使用，几何可变体系是不能作为结构使用。对这类问题的研究，称为几何组成分析。,.,103,建筑力学,二、几何组成分析的目的,结构必须是几何不变体系。在设计结构和选取其计算简图时，首先必须判别它是否是几何不变的。这种判别工作称为体系的几何组成分析。,1）判别杆件体系是否几何不变，以决定其可否作为结构使用；2）研究几何不变体系的组成规律及杆系结构组成的合理形式；3）确定结构是否有多余联系，即判断结构是静定结构还是超静定结构，以选择分析计算方法。,.,104,建筑力学,5-2平面杆系的几个重要概念,一、刚片,在几何组成分析中，把杆件当作刚体，在平面杆件体系中把刚体称为刚片。为讨论问题方便，常将平面杆件体系中判定为几何不变的部分称为刚片。例如，每一杆件或每根梁、柱都可以看作是一个刚片，基础也常看成一个大刚片。,二、约束及约束对体系自由度的影响,体系自由度：确定体系几何位置所需的独立坐标的个数，称为该体系的自由度。自由度也可以说是一个体系运动时，可以独立改变其位置的坐标的个数。,约束：凡能减少体系自由度的装置称为约束。约束是杆件与杆件之间的连接装置，也称联系。能减少几个自由度的约束，就相当于几个约束（联系）。,.,105,建筑力学,工程中常见的约束有以下几种：,1.链杆,如图5-3a所示，用一根链杆BC将刚片、连起来，确定刚片的位置需三个坐标，继而确定链杆BC的位置又需一个坐标，刚片仍可绕C点转动，确定刚片的位置还需一个坐标量，因此，刚片、组成的体系具有5个自由度。可见一根链杆可使体系减少一个自由度，相当于一个约束。,图53,(a),(b),.,106,建筑力学,如图5-4a所示的二链杆一端直接相交，但二杆不共直线的情形称为实铰，而将其他情形中，二链杆轴线的交点称为虚铰，如图5-4b所示。,图54,2.铰,如图5-3b，刚片、间用铰C连起来。原来刚片和各有三个自由度，共计是六个自由度。确定刚片的位置需三个坐标，再确定刚片的位置又需一个坐标，因此，刚片、组成的体系具有4个自由度。这种连接两个刚片的铰称为单铰。可见一个单铰可使体系减少两个自由度，相当于两个约束，也相当于两根链杆的作用。,.,107,建筑力学,图55,3.刚性联结,当两刚片间用刚结点相互联结时，称之为刚性联结，如图5-5a所示。刚性联结可使体系减少三个自由度，相当于三个约束。刚性联结除刚结点外，还有固定支座，如图5-5b所示。,.,108,建筑力学,一、三刚片规则,53几何不变体系的组成规则,三刚片用三个不在同一直线上的铰两两相连，所组成的体系几何不变，且无多余约束。如图56,二、两刚片规则,两刚片用一个铰和一根不过铰心的链杆相连，所组成的体系几何不变，且无多余约束。,三、二元体规则,所谓二元体，是指两根链杆间用一铰相连，且两根链杆不共直线，如图5-8中的B-A-C。刚片上增加一个二元体后组成的体系为几何不变。,若将图5-8中的两根链杆当作刚片，可得图5-6a所示体系。在图5-8上去掉二元体B-A-C，所剩刚片I几何不变，与去掉二元体前的几何组成性质一样。,.,109,建筑力学,图56,若将图5-8中二元体中的链杆AB看作刚片，则是图5-7所示的两刚片联结体系。同样若继续将图5-8中二元体中的链杆AC看作刚片，则是图5-6a所示的三刚片联结体系。所以三条规则的区别仅仅在于把体系的哪些部分看作具有自由度的刚片，哪些部分看作限制刚片运动的约束。这在分析具体问题的几何组成时，应灵活运用。也可以说，三条规则的共同点是A、B、C三点连线应构成一个三角形，这种三角形是组成几何不变体系的基本部分。,图57,图58,.,110,建筑力学,54几何组成分析举例,几何组成分析的步骤：1）首先直接观察出几何不变部分，把它当刚片处理，再逐步运用规则。2）撤除二元体，使结构简化，便于分析。,.,111,建筑力学,例1分析图所示体系的几何组成性质。,解：体系中ADC部分是由基本铰接三角形AFG逐次加上二元体所组成，是一个几何不变部分，可视为刚片。同样，BEC部分也是几何不变，可作为刚片。再将地基作为刚片，固定铰支座A、B相当于两个铰，则三个刚片由三个不共线的铰A、B、C两两相连，该体系几何不变，且无多余约束。,.,112,建筑力学,55静定结构和超静定结构,几何不变体系可分为无多余约束的和具有多余约束的。,例如，图a)所示连续梁，如果将C支座链杆去掉，见图b)，剩下的支座链杆恰好满足两刚片联结的要求，所以，它有一个多余约束。,对于无多余约束的结构，它的全部反力和内力都可由静力平衡方程求得，这类结构为静定结构。,静定结构是没有多余约束的几何不变体系,而超静定结构是有多余约束的几何不变体系。,对于超静定结构，却不能只依靠静力平衡条件求得全部反力和内力。,.,113,第六章静定结构的内力计算,61内力截面法62轴向拉压杆的内力63梁的内力剪力和弯矩6-4剪力图和弯矩图6-5用叠加法作弯矩图6-6静定平面桁架内力,.,114,建筑力学,6-1内力截面法,一、内力的概念,对于所研究的物系受到其它物系给予的作用力称之为外力，而将此物系内部各物体之间的相互作用力称为内力。,当我们讨论构件的强度和刚度等问题时，一般总是以某一构件（不能再拆的结构元件）作为研究对象，因此，其它构件对此构件的作用力，就称为它所受到的外力。而内力则指的是此构件内部之间或各质点之间的相互作用力。,当构件受到外力作用时，其形状和尺寸都将发生变化。构件内力也将随之改变，这一因外力作用而引起构件内力的改变量，称为附加内力。其作用趋势是力图使构件保持其原有形状与尺寸。,.,115,建筑力学,研究构件的变形和破坏问题，离不开讨论附加内力与外力的关系以及附加内力的限度。因为我们的讨论只涉及附加内力。故以后即把附加内力简称为内力。,二、内力的求法截面法,为显示和计算内力，通常运用截面法，其一般步骤如下：1）截开在需求内力的截面处，将构件假想截成两部分。2）代替留下一部分，弃去另一部分，并用内力代替弃去部分对留下部分的作用。3）平衡根据留下部分的平衡条件求出该截面的内力。,.,116,建筑力学,6-2轴向拉压杆的内力,受力特征：杆受一对大小相等、方向相反的外力，力的作用线与杆轴线重合。如61图,变形特征：沿轴线方向伸长或缩短。,产生轴向拉伸或压缩的杆件称为轴向拉杆或压杆。,如图6-2所示的屋架，上弦杆是压杆，下弦杆是拉杆。,图62,图61,.,117,建筑力学,运用截面法确定杆件内任一截面上的内力，将沿杆轴线方向的内力合力称为轴力。,轴力拉伸为正，压缩为负,如果直杆承受多于两个的外力时，直杆的不同段上将有不同的轴力。应分段使用截面法，计算各段的轴力。,为了形象地表示轴力沿杆件轴线的变化情况，可绘出轴力随横截面变化的图线，这一图线称为轴力图。,.,118,建筑力学,例：求图示杆1-1、2-2、3-3截面上的轴力,解：1）计算轴力,.,119,建筑力学,由轴力图知,2）画轴力图,.,120,建筑力学,6-3梁的内力剪力和弯矩,一、梁承受荷载的特点,直杆的轴线由原来的直线变成曲线，这种变形称为弯曲。以弯曲变形为主的杆件通常称为梁。,受力特征：作用在直杆上的外力与杆轴线垂直,变形特征：直杆的轴线将由原来的直线弯成曲线,纵向对称面：梁的横截面的对称轴与梁的轴线所组成的平面称为纵向对称面。,.,121,建筑力学,平面弯曲：如果作用于梁上的外力（包括荷载和支座反力）都位于纵向对称面内，且垂直于轴线，梁变形后的轴线将变成为纵向对称面内的一条平面曲线，这种弯曲变形称为平面弯曲。,本节只讨论平面弯曲时横截面上的内力。,.,122,建筑力学,1)简支梁一端铰支座，另一端为滚轴支座的梁,)外伸梁梁身的一端或两端伸出支座的简支梁,)悬臂梁端为固定支座，另一端自由的梁,工程中常见的梁按支座情况分为下列三种典型形式：,.,123,建筑力学,以简支梁为例,二、梁的内力剪力和弯矩,梁内力的性质,为了计算梁的应力和变形，需首先确定其内力。分析梁内力的方法仍然是截面法。,支座反力：,求梁任一横截面1-1上的内力,取左段为研究对象由平衡条件：,.,124,建筑力学,若取右段为研究对象，11截面也同时存在内力和内力偶。,梁内力的性质：剪力限制截面错动的变形，大小等于截面一侧所有外力的和；弯矩限制了截面的转动，大小等于截面一侧所有外力对截面形心矩的代数和。,（作用与反作用关系）,梁横截面上的内力有两种：平行于横截面的内力Q和位于梁纵向对称面内的内力偶M。我们将Q称为剪力，将M称为弯矩。,.,125,建筑力学,2.剪力、弯矩的符号确定,.,126,建筑力学,例：求图示梁1-1、2-2、3-3、4-4截面上的剪力和弯矩。,解：1）求支座反力,得,由,得,由,.,127,建筑力学,2）求各截面的内力,各截面的内力均假设为正的，如图,计算结果为正说明假设的正负正确，计算结果为负说明假设的正负正好相反。,.,128,建筑力学,通过上例得出求梁内力的规律：1)梁中任一截面的剪力在数值上等于该截面一侧所有垂直于梁轴线的外力的代数和。符号确定方法是：外力使梁产生左上右下错动趋势时，外力为正，反之外力为负。即截面以左向上的外力或截面以右向下的外力产生正剪力（简称左上右下生正剪），反之为负。2)梁中任一截面的弯矩在数值上等于该截面一侧所有外力对该截面形心的力矩的代数和。符号确定方法是：力矩使梁下凸时为正，使梁上凸时为负。即向上的外力或截面以左顺时针转向的外力偶或截面以右逆时针转向的外力偶产生正的弯矩（简称左顺右逆生正弯矩），反之为负。根据上述规律，求梁的剪力和弯矩时可以不必画出各段梁的示力图，也不需要列出各段梁的平衡方程，可直接算出截面的弯矩和剪力。,.,129,例试求图所示悬臂梁1-1、2-2截面上的内力。,建筑力学,解：1）悬臂梁左端为自由端，在求内力时，若取左段为研究对象，则可省去求支座反力。,2）求1-1截面的剪力和弯矩,对1-1截面的左端梁运用上述规律：,计算结果均为负，说明该截面内力是负剪力和负弯矩。,3）求2-2截面的剪力和弯矩对2-2截面的左段梁运用上述规律：,计算结果均为负，说明该截面内力是负剪力和负弯矩。,.,130,建筑力学,6-4剪力图和弯矩图,这种内力与截面位置x的函数式分别称为剪力方程和弯矩方程，统称为内力方程。,为了清楚地表示梁上各横截面的剪力和弯矩的大小、正负以及最大值所在截面（危险截面）的位置，把剪力方程和弯矩方程用函数图象表示出来，分别称为剪力图和弯矩图。,需注意的是土建工程中习惯上把正剪力画在x轴上方，负剪力画在x轴下方；而弯矩规定画在梁受拉的一侧。,.,131,建筑力学,绘制剪力图和弯矩图的一般步骤为：1）根据梁的支承情况和梁上作用的荷载，求出支座反力。2）分段列出剪力方程和弯矩方程。根据荷载和支座反力，在集中力（包括支座反力）和集中力偶作用处，以及分布荷载的分布规律发生变化处将梁分段，以梁的左端为坐标原点，分别列出每一段的内力方程。3）根据剪力方程和弯矩方程所表示的曲线性质，确定画出这些曲线所需要的控制点，即所谓的特征点，求出这些特征点的数值（即求出若干截面的剪力和弯矩）。4）用与梁轴平行的直线为x轴，取特征点相应的剪力（或弯矩）值为竖距，根据剪力方程（或弯矩方程）所表示的曲线性质绘出剪力图（或弯矩图），并在图中标明各特征点的剪力（或弯矩）的数值。确定最大内力的数值及位置。,.,132,建筑力学,例悬臂梁受集中力作用，如图a）所示。试画出此梁的弯矩图和剪力图，并确定,和,解：1）列出剪力方程和弯矩方程,将x坐标原点取在梁左端，在距左端A为x处取一截面。,2)计算各特征点的剪力和弯矩值,因