第4章土木工程中的力学和结构概念.ppt

土木工程概论,第4章土木工程中的力学和结构概念,第4章土木工程中的力学与结构概念,123,、外力、内力和反力、荷载、作用和效应、结构和结构失效,土木工程概论,【教学要求】了解力学的基本概念，了解工程结构荷载、作用和效应，了解工程结构的功能要求和结构失效，了解结构工程师的任务和结构设计方法。【教学重点】荷载、作用和效应；工程结构的功能要求；结构失效。【教学难点】荷载、作用和效应。,土木工程中的力学与结构概念,土木工程概论,土木工程中的力学与结构概念,土木工程要解决的问题之一是建造抵御自然或人为作用力的空间和通道，就必然会遇到大量的力学和结构问题。本章阐述土木工程中一些最基本的力学与结构概念。结构模型大赛建筑结构计算机建模,土木工程概论,1、外力、内力和反力力：是一种物体间有方向的相互作用；这种相互作用有使物体改变原来形状或改变运动方向的效应；力是既有量值又有方向的矢量。力矩：是力对物体产生绕某一轴转动作用的物理量，其大小等于力与力臂（力的作用线到该轴的垂直距离）的乘积；力矩在土木工程中习称弯矩。平衡：力矩既可顺时针方向转动，也可按逆时针方向转动，当两个方向转动效应之和为零时，称物体处于平衡状态。,土木工程中的力学与结构概念,土木工程概论,思考：全桥弯曲下垂，说明桥身承有内力，桥身的上下承受什么力,桥身两端固定处承受反力,对任何一个土木工程的结构而言，力有外力、内力和反力之分。人体、重物的重力和木桥自重是外力,1外力、内力和反力,土木工程概论,桥身承受扭曲,倘若桥的两端曾可能被锯过又接了起来，当人拿着重物走上去，桥身必然像被剪切般地下落。现在桥身没有被锯，受力后完好无损，说明桥身还承受有剪切力。桥身承受剪切再如果将重物放在桥的一侧，全桥还将受,到扭曲。,1外力、内力和反力,土木工程概论,这些拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭曲就是桥身承受内力的结果。人和重物能静止地位于桥上，说明它的外力、反力和内力作用处于平衡状态。独木桥是最简单的例子，所有土木工程设施的结构，无论大小、重轻、厚薄（大如大桥、小如小木屋）都处于外力、内力和反力作用下的平衡状态。它承受的内力无非是下列5种以及它们的组合土木工程结构的5种内力特征：,1外力、内力和反力,土木工程概论,土木工程结构就是通过5种内力的基本作用，将施加在结构上的力传递给地球（基础下的土层），基础给予结构的则是作用在结构基础上的反力。,受剪发生剪切变形在土木工程中：,拉力以N表示；压力以N表示；弯矩以M表示；剪力以V表示；扭矩以MT表示。,1外力、内力和反力,土木工程概论,2、荷载、作用和效应直接施加在土木工程结构上的外力是由荷载引起的。如果地球没有引力，自然界没有风吹、雨雪，荷载就不会存在，土木工程也就不需要结构。土木工程结构要有能抵御自然或人为的作用力的能力，因此，了解作用在结构上的荷载有哪些，其性质如何非常重要。作用与作用效应的基本概念作用分为直接,作用：是指能使结构产生效应的各种原因的总称。,土木工程中的力学与结构概念,作用和间接作用。,土木工程概论,2.1荷载（直接作用）荷载是直接以力的形式作用于结构，如结构自重、行人或车辆的重量、风压力、土压力、水压力等。,作用效应：作用在结构上产生的内力和变形的总称。能使结构产生作用效应的原因有两种：一种是施加在结构上集中力和分布力，如结构自重，作用于楼面的人群、家具、设备，作用于桥面的车辆、人群，施加于结构物上的风压力、水压力、土压力等，它们都是直接施加于结构上（直接作用），工程界习称为“荷载”；另一种是施加于结构上的外加变形或约束变形，如地震、基础沉降、材料收缩和徐变、温度变化引起结构产生作用效应，它们都是间接作用于结构（间接作用）。,荷载是指直接作用在结构上的外加力。,2荷载、作用和效应,土木工程概论,恒载（永久荷载）指使用期间永久施加在结构上,其值不随时间变化的荷载。,作用在工程结构上的恒载类型主,要有：结构自重,、墙面、地面、屋面、桥面以及,2.1荷载(直接作用),建筑物内的固定装置等。楼板大梁,楼面,内隔断,墙体及内装饰,窗,门,土木工程概论,活载（可变荷载）：指在使用期间施加在结构上、其值可随时间变化或移动的荷载。,作用在工程结构上的活载有多种类型，如：使用活载、移动的设,备及车辆活载、风载、雪载等。,使用活载：包括楼面活载、屋面活载。,2.1荷载(直接作用),家具,家具,家具,人群,可移动设备,可移动设施,土木工程概论,桥梁上的汽车荷载T1、T2、T3、T4汽车轴重；a、a1、b1、b2、c车轴间距离,车辆活载是一种移动式荷载,车辆活载：主要是铁路或公路车辆的荷载，包括工业厂房的行车（俗称天车）。工业厂房的行车,2.1荷载(直接作用),土木工程概论,W,风载：风是由大气压力不等引起的空气运动。,由风的运动而施加在墙面或,结构上的压力称为风载。,风载有三个“不一样”：不同地区不一样（沿海、内陆）；同一地区不同时间不一样；同一房屋不同高度、不同部位不一样。,2.1荷载(直接作用),土木工程概论,风载,0.22kNm2,同处一区的18层高层建筑0.7kNm2北京郊区某5m高单层房屋迎风面,2.1荷载(直接作用),土木工程概论,2.1荷载(直接作用),土木工程概论,均匀分布荷载作用三角形分布荷载作用,集中荷载作用集中荷载的单位一般为KN，均布荷载的单位一般为KN/m或KN/m2,2.1荷载(直接作用),土木工程概论,偶然荷载在使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。如地震作用、爆炸力、台风、船只或漂流物等。,佛山九江大桥被撞,百米桥面坠入江中,美国世贸中心大厦,撞击起火倒塌,2.1荷载(直接作用),土木工程概论,震源、地震波、震中、震中距的关系,地震释放的能量以地震波的形式传到地面，引起结构振动。结构由地震引起的振动称为地震反应，振动过程中作用在结构上的惯性力就是“地震荷载”。地震震级和地震烈度是两个不同概念，震级表示一次地震释放的能量的大小，烈度表示某地区遭受地震影响的强度。地震对结构施加的影响属间接作用，应把结构承受的,“地震荷载”称为地震作用。,2.1荷载(直接作用),土木工程概论,2.2间接作用（间接荷载）除直接施加在结构上的外力（即荷载）外，还有一种因间接施加影响引起结构受力的作用。作用也使结构内部产生内力和变形。它们也以三类形式出现。约束变形作用这种作用以温差作用,为典型,约束如一根钢梁，当环境气温为00C时长度为20m，当环境气温升高至350C时，钢梁会在内力作用下伸长,2荷载、作用和效应,土木工程概论,土木工程中的构件因昼夜温差、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，就会使结构受到内力效应。建筑物的温度裂缝,2.2间接作用(间接荷载),土木工程概论,内外柱高差达几十毫米,现代高层房屋必须考虑这种温差内力效应。水泥路面在温差作用下起拱达90cm,高层建筑外墙的温度裂缝,钢结构构件在焊接时产生的作用也属温差作用,2.2间接作用(间接荷载),土木工程概论,外加变形作用这种作用以地基不均匀沉陷为典型。土木工程结构构筑在地基上，地基土受力后总会产生不均匀沉陷，过大的不均匀沉陷会引起结构产生不小的内力，甚至可使结构开裂或倒塌。比萨斜塔就是由于地基不均匀沉陷而成为世界著名建筑！,2.2间接作用(间接荷载),土木工程概论,震施加给结构的力，即地震作用。,地面运动时建筑物的相应运动,惯性作用以地震作用为典型。地震引起的地面运动会使土木工程结构在水平和竖向产生加速度反应。这种加速度反应值与土木工程设施本身质量的乘积就形成了地,北川县底框建筑,在惯性力作用下,底层彻底垮塌,2.2间接作用(间接荷载),地震作用是一种惯性力，它的大小与土木工程的质量、地震烈度和结构的动力特性相关。地震作用以水平方向为主。,土木工程概论,原因统称为“荷载”。按照国际通行做法和现行国家标准，“作用”泛指使结构产生内力、变形的所有原因，包括直接作用和间接作用；而“荷载”仅等同于施加于结构上的直接作用。,5.12大地震北川县垮塌的建筑物和道路长期以来，我们习惯上将所有引起结构产生效应的,2.2间接作用(间接荷载),但目前道路、桥梁、隧道设计的行业标准中，尚未引进“作用”代替“荷载”，仍沿用“荷载”一词表述引起结构产生效应的直接作用和间接作用。,土木工程概论,荷载和作用的分类,人为因素,地球物理因素,爆炸力引起的作用,地震荷载（作用）,地基不均匀沉降,引起的作用,温差引起的作用,风荷载,雪荷载,构配件自重,机器振动引起的作用,焊接引起的作用,结构安装引起的作用,撞击引起的作用,使用荷载,重力,气象,地质,静载,动载,2荷载、作用和效应,土木工程概论,2.3应力、应变、弹性模量土木工程结构受力后，其构件将产生内力（平衡状态）和变形（其长度、形状将发生改变）。在产生拉力、压力、剪力、弯矩和扭矩内力的同时结构构件会出现5种基本变形的形式。,拉伸,压缩,剪切扭转,弯曲,2荷载、作用和效应,土木工程概论,应力为度量结构构件所发生内力的大小，我们将作用于单位面积上的内力强度称之为应力：,pA,=,按照荷载作用的形式不同，应力又可分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力,表示正应力或法向应力，代表剪应力或切应力。应力的单位是：N/mm2，即MPa,2.3应力、应变、弹性模量,=,土木工程概论,bb,LL,=,应变土木工程结构受力后，构件将发生变形，我们将单位长度上的变形量称之为应变：,表示构件的纵向线应变，代表构件的横向线应变。对于拉杆来说，为正，为负；压杆则为负，为正。,2.3应力、应变、弹性模量,土木工程概论,成正比。,21,=,p2p1,弹性模量当力作用一物体时，物体有变形。当这个力移去后，物体又恢复原来的形状。物体所具有的这种特性，称之为弹性。材料在弹性状态，荷载与变形,其应力与应变也成正比例关系，其比例系数E称为弹性模量。,2.3应力、应变、弹性模量,=E,土木工程概论,当结构材料继续承受更大荷载时，移去荷载，有残余变形，变形不能恢复原状。称结构材料进入塑性阶段。,1,3221,P3P2P2P,2.3应力、应变、弹性模量,材料进入塑性状态，荷载与变形不成正比。弹性模量是材料抗弹性变形的一个指标，其值越大，即材料的刚度越大。,土木工程概论,结构承受荷载为0P2时，结构构件处于弹性状态；结构承受荷载为P2P3时，结构构件处于塑性状态；,P3P2P30P2,结构承受荷载超过P3，将达其极限应力时，结构构件处于破坏失效状态。不同的结构材料弹、塑性是不同的。有塑性的材料称为塑性材料，如钢材、砼等，这类材料一旦出现塑性有发生破坏的预兆；反之称为脆性材料如石材、玻璃等。,2.3应力、应变、弹性模量,土木工程概论,3.结构的构件：承受由荷载和作用在结构中产生内力的是结构的构件。结构的基本构件：1）板：有较大平面尺寸但厚度较小的平面构件，通常水平方向设置，承受垂直于板面的荷载，以受弯为主。,3结构构件,土木工程概论,3结构构件,以受弯为主,2）梁：承受垂直于其纵轴方向的荷载的线形构件，其截面尺寸小于其长向跨度，以受弯和剪力为主。,土木工程概论,3结构构件,土木工程概论,3结构构件,3）墙：受平行或垂直于墙面方向的竖向平面构件，其厚度小于墙面尺寸；前者以受压为主，后者以受弯矩或剪力为主。,土木工程概论,3结构构件,土木工程概论,3结构构件,4）柱：承受平行于其纵轴方向荷载的直线形构件，其截面尺寸小于其高度，以受压力和弯矩为主。,土木工程概论,3结构构件,土木工程概论,3结构构件,土木工程概论,3结构构件,6）杆：承受轴向力（拉力或压力）的直线形构件，截面尺寸比长度小得多，多用于组成桁架结构或网架结构。,土木工程概论,3结构构件,土木工程概论,3结构构件,土木工程概论,3结构构件,土木工程概论,3结构构件,9）拱：承受沿其纵轴平面内荷载的曲线形（或折线形）构件，其截面尺寸小于其弧长（折线总长），以受压力、弯矩、剪力为主。,土木工程概论,3结构构件,土木工程概论,3结构构件,10）壳：一种曲面形具有很好空间传力性能的构件，能以极小厚度覆盖大跨度空间，以受压力为主。索：以柔性受拉钢索组成的构件，直线或曲线形。膜：以薄膜材料（如玻璃纤维布）制成的构件，只能承受拉力。,土木工程概论,3结构构件,土木工程概论,3结构构件,土木工程概论,利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗水平荷载（如风荷载或水平地震荷载）的结构。墙体同时也可作为围护及房间分隔构件用。另外，在高层建筑中墙体结构也称为剪力墙结构。如图1.1（a）。,4建筑工程中的典型结构（按建筑物的结构体系分）,4.1墙体结构,4典型结构,采用梁、柱组成的框架作为房屋的竖向承重结构，同时承受水平荷载。其中，梁和柱整体连接，相互之间不能自由转动但可以承受弯矩时，称为刚接框架结构；如梁和柱非整体连接，其间可以自由转动但不能承受弯矩时，称为铰接框架结构。如图1.1（b）。,土木工程概论,4典型结构,4.2框架结构,利用房间四周墙体形成的封闭筒体（也可利用房屋外围由间距很密的柱与截面很高的梁，组成一个形式上像框架，实质上是一个有许多窗洞的筒体）作为主要抵抗水平荷载的结构。也可以利用框架和筒体组合成框架-筒体结构。如图1.1（d）。,4.3筒体结构,土木工程概论,4典型结构,利用整层高的桁架横向跨越房屋两外柱之间的空间，并利用桁架交替在各楼层平面上错列的方法增加整个房屋的刚度，也使居住单元的布置更加灵活，这种结构体系称为错列桁架结构，如图1.1（c）。,4.4错列桁架结构,土木工程概论,4典型结构,以在一个平面内受力的由曲线（或折线）形构件组成的拱所形成的结构，来承受整个房屋的竖向荷载和水平荷载的结构，如图1.1（e）。,4.5拱结构,土木工程概论,4典型结构,由曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构。它能以较薄的板面形成承载能力高、刚度大的承重结构，并能覆盖大跨度的空间而无需中间设柱，如图1.1（g）。,4.6空间薄壳结构,土木工程概论,4典型结构,由多块平板组合而成的空间结构，是一种既能承重又可围护，用料较省、刚度较大的薄壁结构，如图1.1（i）。,4.7空间折板结构,土木工程概论,4典型结构,由多根杆件按照一定的网格形式，通过节点连接而成的空间结构，具有空间受力、重量轻、刚度大、可跨越较大跨度、抗震性能好等优点，如图1.1（f）。,4.8网架结构,土木工程概论,4典型结构,楼面荷载通过吊索或吊杆传递到支承柱上去，再由柱传递到基础的结构，如图1.1（h）。这种结构形式类似悬索结构的桥梁。,4.9钢索结构,土木工程概论,4典型结构,进入5、结构与地基的关系,图1.1房屋主体结构的各种形式示意,(a)墙体结构；(b)框架结构；(c)错列桁架结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壳结构；(h)钢索结构；(i)空间折板结构,土木工程概论,4典型结构,图1.1房屋主体结构的各种形式示意,(a)墙体结构；(b)框架结构；(c)错列桁架结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壳结构；(h)钢索结构；(i)空间折板结构,土木工程概论,图1.1房屋主体结构的各种形式示意,(a)墙体结构；(b)框架结构；(c)错列桁架结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壳结构；(h)钢索结构；(i)空间折板结构,土木工程概论,图1.1房屋主体结构的各种形式示意,(a)墙体结构；(b)框架结构；(c)错列桁架结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壳结构；(h)钢索结构；(i)空间折板结构,土木工程概论,图1.1房屋主体结构的各种形式示意,(a)墙体结构；(b)框架结构；(c)错列桁架结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壳结构；(h)钢索结构；(i)空间折板结构,土木工程概论,图1.1房屋主体结构的各种形式示意,(a)墙体结构；(b)框架结构；(c)错列桁架结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壳结构；(h)钢索结构；(i)空间折板结构,土木工程概论,图1.1房屋主体结构的各种形式示意,(a)墙体结构；(b)框架结构；(c)错列桁架结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壳结构；(h)钢索结构；(i)空间折板结构,土木工程概论,图1.1房屋主体结构的各种形式示意,(a)墙体结构；(b)框架结构；(c)错列桁架结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壳结构；(h)钢索结构；(i)空间折板结构,土木工程概论,图1.1房屋主体结构的各种形式示意,(a)墙体结构；(b)框架结构；(c)错列桁架结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壳结构；(h)钢索结构；(i)空间折板结构,土木工程概论,5结构与地基的关系5.1地基：受结构传来荷载影响的土层或岩层称为地基。地基内通常不是均一的土，而是若干层各类土。常见的土可分为6类：岩石:颗粒间牢固联结的、整体的或有裂隙的岩体碎石土：多数粒径大于2mm的土，按粗细又分为块（漂）石、卵（碎）石、圆（角）石砂土：多数粒径大于0.075mm小于2mm的土，按粗细又分砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂粉土：颗粒粒径更细，黏性介于黏性土和上述非黏性土之间的土黏性土：粒径比粉土更细，具有明显黏性的土人工填土：回填土、垃圾、工业废料各类土的承载力大体为0.1-0.4N/mm2,土木工程概论,5.2基础：是结构和地基的连接件，又是结构的一部分，也称下部结构。根据搁置深度不同可分为：,基础都是由厚板、深梁、粗柱、厚墙作为基本构件组成的,土木工程概论,独立基础,条形基础,筏形基础,箱形基础,1-基础梁2-底板3-顶板4-外壁5-内壁,(a)刚性扩展基础,(b桩基础,(c)钢管基础,(d)沉井基础,(e)沉箱基础,5.3地基土1）地基土：是由矿物颗粒、水、空气三部分组成的，即土的三相。2）结构沉陷的原因：结构搁置在地基上，土体颗粒间的空气和水被挤出，颗粒间距离变小，称为地基压缩，同时结构发生沉陷。3）地基承载力：指在保证地基稳定的条件下，地基压缩变形控制在房屋容许范围内时，地基单位面积上所能承受的最大荷载，单位：kN/m2或kPa4）土层的基本物理力学性能：土的天然松散密度、天然含水率、以及反映土松密程度和压缩性能的指标孔隙比、密实度、塑性性能等。,土木工程概论,土木工程概论,6、结构和结构失效6.1结构的定义和要求结构的定义：土木工程设施中的结构是一个在空间和通道中用各种基本构件组合建成的有功能特征的机体，为土木工程设施的持久使用和美观需求服务，对生命财产提供安全保障。它是一个由构件组合成的整体，是一个有功能特征的机体，是一个有丰富应用价值的载体，是一个被建造,的实体。,土木工程中的力学与结构概念,体育场结构的三维模型,土木工程概论,土木工程结构的要求在应用上，要充分满足空间和通道的多项使用要求；在安全上，要完全符合承载、变形、稳定的持久需要；在造型上，要能够与环境、规划和建筑艺术融为一体；在技术上，要力争体现科学、技术和工程的新发展；在建造上，要合理用材、节约能源，与施工实际紧密结合。为安全可靠的目的，在结构设计中必须做到：结构承受荷载后的内力（N、M、V、MT）结构的承载力；结构承受荷载后的变形（挠度、侧移、沉陷）变形的允许值。,结构和结构失效,共45张第53张,土木工程概论,6.2结构的功能要求能承受正常施工和使用时可能出现的各种作用力（如拉力、压力、剪力、弯矩、扭矩等）；在正常使用时具有良好的工作性能（如不发生过大的侧向位移，不发生过大的不均匀沉陷，不使人感到晃动等）；在正常维护下具有足够的耐久性能（如有抵抗酸类、盐类等物质的侵蚀能力）；在偶然事件发生时能保持必需的稳定性（如有很好的抗地震的能力）。和是安全性，是适用性，是持久性。“安全、适用、持久”三者缺一不可，但安全第一。,结构和结构失效,土木工程概论,6.3结构的失效结构设计应遵循的原则：SR-S为荷载施加在结构的作用效应；-R为结构的抗力。当结构或从属于它的构件不能满足上述基本功能要求，称为结构失效。,结构和结构失效,土木工程概论,结构失效的常见表现形式破坏-结构或构件截面抵抗能力不足以承受作用效应的现象，如拉断、压碎、弯折等。失稳-结构或构件因长细比过大而在不大的作用力下突然发生作用力平面外的极大变形的现象，如柱子压屈、梁在平面外扭曲等。发生影响正常使用的变形-梁板的过大挠度或过宽裂缝，柱、墙的过大侧移，结构有过大倾斜或过大的沉陷等。倾覆-结构或结构的一部分失去平衡而倾倒或移动的现象。结构材料丧失耐久性-钢材锈蚀、砼受腐蚀、砌体遭冻融、木构件被虫蛀蚀等化学、物理、生物现象。,结构的失效,土木工程概论,A柱抗拉能力不足被拉断,B柱长细比过大被压屈,上部结构抗侧移能力不足被拉裂某高层建筑,结构的失效,上部结构抗剪能力不足被剪断,土木工程概论,7、土木工程结构的设计方法7.1结构工程师的任务土木工程设计的分工,规划师负责工程的选址、开发强度和空间环境。建筑师负责工程的布局、造型，满足各项功能性使用要求。,土木工程中的力学与结构概念,结构工程师负责工程的承载、变形、稳定的安全性需求。设备工程师负责工程的给排水、供热通风和电气等配套设施。,土木工程概论,结构工程师要解决的问题确定结构承受的荷载，并合理选用结构材料；正确选用结构体系和结构型式；解决好结构承载力、变形、稳定、抗倾覆等技术问题；解决好结构的连接构造和施工方法问题。结构工程师须具备的基本素质接受过良好的土木工程学科和相关学科的教育，并训练有素；对其它学科具备一定的知识；不断地掌握土木工程有关最新技术并进行知识更新；很好的交际技能，包括口头、撰写、绘图和数字化技能。,结构工程师的任务,土木工程概论,7.2结构设计的方法极限状态设计方法工程结构设计经历了容许应力法、破损阶段法、极限状态法和概率极限状态法四个阶段。我国目前的建筑和公路的结构设计方法都采用概率极限状态设计法。它以结构的失效概率或可靠指标来度量结构的可靠度，用分项系数的设计表达式进行设计。结构的极限状态分为承载力极限状态和正常使用极限状态两类，整个结构或结构的某一部分达到结构的极限状态就不能满足安全、适用或耐久性要求。,土木工程结构的设计方法,土木工程概论,土木工程的分阶段设计,业主提出,使用要求,初步设计构思,明确各项功能要求形成总体设计方案处理各设计工种的技术问题进行各设计工种的细部设计绘制施工图，完成总体设计交付施工，参与工程监理竣工验收，交付使用,结构设计的方法,初步设计阶段施工图阶段施工阶段,土木工程概论,建筑工程