结构力学 绪论

1、1第一章 绪 论1-1 结构力学的研究对象和学科内容1-2 结构计算简图1-3 杆件结构的分类1-4 荷载的分类1-5 学习方法2一、结构力学的研究对象一、结构力学的研究对象 结构力学的研究对象结构力学的研究对象理论力学的研究对象：理论力学的研究对象： 理想化体系刚体的机械运动规律。包括：理想化体系刚体的机械运动规律。包括：静力学、运动学、动力学。静力学、运动学、动力学。材料力学的研究对象：材料力学的研究对象： 研究单个杆件的强度、刚度、稳定性、研究单个杆件的强度、刚度、稳定性、动力反应的计算，研究的是单个杆件的变形。动力反应的计算，研究的是单个杆件的变形。 结构结构（建筑结构）（建筑结构）结

2、构力学的研究对象：结构力学研究的是由细长杆件组成的平面杆结构力学的研究对象：结构力学研究的是由细长杆件组成的平面杆系结构系结构的强度、刚度、稳定性、动力反应的计算的强度、刚度、稳定性、动力反应的计算，研究的是由若干单，研究的是由若干单干组成的变形体系。干组成的变形体系。故结构力学是以结构为研究对象故结构力学是以结构为研究对象由建筑材料按合理方式组成并能承受一定荷载作用的物体或物体系称做结构。由建筑材料按合理方式组成并能承受一定荷载作用的物体或物体系称做结构。换言之，建筑物中承受、传递荷载而起骨架作用的部分称为工程结构，简称为换言之，建筑物中承受、传递荷载而起骨架作用的部分称为工程结构，简称为结

3、构。结构。Ex：梁、柱、基础、屋架或由杆件单元组成的物体系。：梁、柱、基础、屋架或由杆件单元组成的物体系。1-1 结构力学的研究对象和学科内容31-1 结构力学的研究对象和学科内容 建筑物或构筑物中承受、传递荷载而起骨架作用的部分称为结构。如：房屋中的梁柱体系、桥梁、水坝等等都是工程结构的例子。 如：房屋结构、 桥梁结构、 水工结构、 特种结构。4房屋结构广西大学图书馆广西大学图书馆广西大学综合实验大楼广西大学综合实验大楼南南宁宁国国际际会会展展中中心心5房屋结构6桥梁结构南宁邕（南宁邕（yong）宁大桥）宁大桥南宁邕江三岸大桥南宁邕江三岸大桥重庆长江大桥重庆长江大桥虎门大桥虎门大桥7斜拉结构

4、斜拉结构上海南浦大桥上海南浦大桥桥梁结构8悬索结构悬索结构-伦敦塔楼伦敦塔楼桥梁结构9水工大坝结构10特种结构冷却塔冷却塔薄壳结构薄壳结构会展中心会展中心薄膜结构薄膜结构11特种结构东东方方明明珠珠电电视视塔塔空间框架结构空间框架结构金字塔金字塔砌体结构砌体结构12万里长城13天安门城楼14位于北京市西城区西长安街由法国建筑师保罗安德鲁主持设计、屋面呈半椭圆形 国家大剧院15国家大剧院夜景16三峡大坝17印度泰姬陵18意大利比萨斜塔19凯旋门20埃菲尔铁塔21吉隆坡石油双塔22 桥梁23河北赵州桥河北赵州桥原名安济桥建于隋炀帝大业年间原名安济桥建于隋炀帝大业年间(595-605(595-605

5、年年),),至今已有至今已有14001400年的历史（工匠李春）年的历史（工匠李春） 24青马大桥建于建于1998的大型悬索吊桥的大型悬索吊桥,横跨香港青衣岛及马湾岛横跨香港青衣岛及马湾岛,全长全长2200米。米。 25旧金山大桥建于建于19371937年的年的悬索桥悬索桥 主跨长主跨长12801280米米26杭州湾杭州湾跨海大桥（跨海大桥（Hangzhou Bay BridgeHangzhou Bay Bridge）是一座横跨）是一座横跨中国中国杭州杭州湾海域湾海域的的跨海大桥跨海大桥，它北起浙江嘉兴海盐郑家埭，南至宁波，它北起浙江嘉兴海盐郑家埭，南至宁波慈溪慈溪水路湾，全长水路湾，全长36

6、36公里，是世界上最长的跨海大桥，大桥已于公里，是世界上最长的跨海大桥，大桥已于20082008年年5 5月月1 1日晚日晚1111时时5858分正式通车。分正式通车。 27杭州弯大桥南航道桥杭州弯大桥南航道桥A A型独塔斜拉桥型独塔斜拉桥28钢结构梁、柱钢结构梁、柱29清华大礼堂30结构的分类结构的分类杆系结构：杆系结构：由杆件组成的结构（横截面尺寸比长度小很多）。由杆件组成的结构（横截面尺寸比长度小很多）。 如：梁、拱如：梁、拱、桁架、刚架。、桁架、刚架。板壳结构板壳结构 形状是平面或曲面的结构（厚度远小于长度和宽度）。如：楼形状是平面或曲面的结构（厚度远小于长度和宽度）。如：楼板、地下连

7、续墙、壳体屋盖。板、地下连续墙、壳体屋盖。实体结构实体结构长、宽、高三个方向尺寸相当。如：长、宽、高三个方向尺寸相当。如： 重力挡水坝、挡土墙、重力挡水坝、挡土墙、砖石混凝土筑成的堤坝。砖石混凝土筑成的堤坝。（a a）由几何观点分类）由几何观点分类（b b）由空间观点分类）由空间观点分类平面结构：组成结构的所有杆件的轴线及荷载作用线共面。平面结构：组成结构的所有杆件的轴线及荷载作用线共面。空间结构：不满足上述条件的结构。空间结构：不满足上述条件的结构。F1-1 结构力学的研究对象和学科内容31杆件结构杆件结构刚架大跨度厂房刚架大跨度厂房 32杆件结构桁架南京长江大桥薄壳结构薄壳结构-悉尼歌剧院

8、悉尼歌剧院 33 板壳结构厚度远小于其长度和宽度的结构。悉尼歌剧院（Australia）34三峡工程三峡工程实体结构实体结构35基本任务：研究结构的组成规律及合理形式，以及结构在荷载、温变、支移研究结构的组成规律及合理形式，以及结构在荷载、温变、支移等多种因素作用下的内力、变形、稳定性和动力反映的计算原理和计算方法。等多种因素作用下的内力、变形、稳定性和动力反映的计算原理和计算方法。具体包括：具体包括：研究结构的组成规律及合理形式，以及结构计算简图的选择。研究结构的组成规律及合理形式，以及结构计算简图的选择。研究结构在多种因素作用下的内力和变形的计算方法，以便进行强度、刚度研究结构在多种因素作

9、用下的内力和变形的计算方法，以便进行强度、刚度 校核。校核。讨论结构的稳定性以及结构在动力载荷作用下的动力反映问题。讨论结构的稳定性以及结构在动力载荷作用下的动力反映问题。 三、结构力学的研究内容结构力学的研究内容将实际结构简化为计算简图。将实际结构简化为计算简图。研究各种计算简图的计算方法。具体包括：研究各种计算简图的计算方法。具体包括：强度计算：保证结构中各杆能正常工作不发生断裂破坏。强度计算：保证结构中各杆能正常工作不发生断裂破坏。刚度计算：保证各杆的变形不超过许可变形。刚度计算：保证各杆的变形不超过许可变形。稳定性计算：保证承压构件不丧失稳定性。稳定性计算：保证承压构件不丧失稳定性。将

10、结构的计算结果运用于实际结构的设计和施工。将结构的计算结果运用于实际结构的设计和施工。二、结构力学的基本任务二、结构力学的基本任务1-1 结构力学的研究对象和学科内容36四、结构力学的研究方法和相关假设四、结构力学的研究方法和相关假设 1-1 结构力学的研究对象和学科内容对结构简图进行理论分析、实验研究和数值计算时应考虑三个方面要求：对结构简图进行理论分析、实验研究和数值计算时应考虑三个方面要求：力系的平衡条件及运动条件。力系的平衡条件及运动条件。变形的几何连续条件。（几何连续性条件和位移边界条件）变形的几何连续条件。（几何连续性条件和位移边界条件）应力与变形间的物理关系。（本构方程）应力与变

11、形间的物理关系。（本构方程）假设条件：假设条件：均匀连续性假设。均匀连续性假设。各向同性假设。各向同性假设。小变形结构假设。小变形结构假设。材料服从材料服从HookleHookle定律。定律。五、学习方法（培养四种能力）五、学习方法（培养四种能力）分析能力。分析能力。 计算能力。计算能力。 自学能力。自学能力。 表达能力。表达能力。选择结构计算简图的能选择结构计算简图的能力力力系平衡分析和变形几力系平衡分析和变形几何分析的能力何分析的能力选择计算方法的能力选择计算方法的能力对各种结构进行计算或确定对各种结构进行计算或确定计算步骤的能力计算步骤的能力; ;对计算体系进行定量校核或对计算体系进行定

12、量校核或定性判断的能力定性判断的能力; ;初步具有使用结构计算程序初步具有使用结构计算程序的能力。的能力。复习已学的知识复习已学的知识即精即精读教材；读教材；摄取新的知识摄取新的知识即阅读即阅读参考书参考书; ;理解、分析、概括、整理、理解、分析、概括、整理、运用所学知识。运用所学知识。作业条理清楚，步作业条理清楚，步骤整齐，计算书骤整齐，计算书写整洁。写整洁。37一、结构的计算简图一、结构的计算简图 用来近似代替实际建筑结构进行力学分析和计算的简化模型。用来近似代替实际建筑结构进行力学分析和计算的简化模型。选择计算简图的原则：选择计算简图的原则：从实际出发，如实反映实际结构的受力及变形情况。

13、从实际出发，如实反映实际结构的受力及变形情况。抓主要特点，略次要因素，便于分析和计算。抓主要特点，略次要因素，便于分析和计算。与计算工具相适应。与计算工具相适应。二、结构的简化二、结构的简化结构体系的简化结构体系的简化实际结构一般为空间结构，常受到各个方向的载荷，但在一定条件实际结构一般为空间结构，常受到各个方向的载荷，但在一定条件下有些空间结构可以简化为若干个平面结构分别计算。但有些空间下有些空间结构可以简化为若干个平面结构分别计算。但有些空间结构具有明显的空间特点，不宜简化成平面结构。结构具有明显的空间特点，不宜简化成平面结构。1-2 1-2 结构计算简图结构计算简图38F注意：注意：有些

14、结构具有明显的空有些结构具有明显的空间特征而不宜简化成平间特征而不宜简化成平面结构。面结构。EIEI(代 屋 架 杆 ）39杆件的简化杆件的简化1-2 1-2 结构计算简图结构计算简图（a a）铰结点：铰结点连接的各杆间可发生相对转动（产生相对角位移），但无相）铰结点：铰结点连接的各杆间可发生相对转动（产生相对角位移），但无相对线位移。铰处可产生约束反力，但不能产生弯矩。对线位移。铰处可产生约束反力，但不能产生弯矩。（b b）刚结点：刚结点连接的各杆在连接处，既不能相对移动也不能相对转动，刚）刚结点：刚结点连接的各杆在连接处，既不能相对移动也不能相对转动，刚结点处既可以产生力又可以产生弯矩。特

15、点：变形后刚结点处各杆保持原夹角不变结点处既可以产生力又可以产生弯矩。特点：变形后刚结点处各杆保持原夹角不变。（c c）组合结点：由刚结点和铰结点共同组合而成的结点。组合结点：由刚结点和铰结点共同组合而成的结点。由于杆件的截面尺寸通常比杆件长度小得多，因此在计算简图中，用轴线由于杆件的截面尺寸通常比杆件长度小得多，因此在计算简图中，用轴线代替实际杆件。代替实际杆件。注意：注意：当截面尺寸增大时（如超过长度的当截面尺寸增大时（如超过长度的1 14 4）, ,杆件用其轴线表示的简杆件用其轴线表示的简 化，将引起较大的误差。化，将引起较大的误差。结点的简化结点的简化（杆与杆之间的连接点）（杆与杆之间

16、的连接点） 40铰结点铰结点1-2 1-2 结构计算简图结构计算简图刚结点刚结点41(c) (c) 组合结点：组合结点：组合梁（加劲梁）组合梁（加劲梁）计算简图计算简图1-2 1-2 结构计算简图结构计算简图组合结点组合结点421-2 1-2 结构计算简图结构计算简图支座的简化支座的简化1. 1. 固定支座固定支座模型工程实例把结构与基础联结起来的装置称为把结构与基础联结起来的装置称为支座支座。支座是反映结构边界处，位移和反力支座是反映结构边界处，位移和反力特点的约束。特点的约束。 细石混凝土43简图：xAFyAFAMAA1-2 1-2 结构计算简图结构计算简图2. 固定铰支座AxAFyAFx

17、AFyAFA简图：1) 杆端截面A无线位移，可以自由转动； 2) 杆端截面A产生沿x、y方向的反力。44FxFyFxFy或沥 青 麻 刀屋架柱焊缝预埋钢板固定铰支座固定铰支座1-2 1-2 结构计算简图结构计算简图453. 辊轴支座（滑动铰支座）杆端A可产生水平方向的线位移； 2) 杆端A产生的支座反力沿链杆方向作用。AyAFA1-2 1-2 结构计算简图结构计算简图4. 滑动支座（定向支座）AyAFAMAyAFAMA模型1）杆端A无转角，不能产生沿链杆方向的线位移，可以产生垂直于链杆方向的线位移； 2）杆端A存在反力矩以及沿链杆方向的反力。46 材料性质的简化材料性质的简化 荷载的简化荷载的

18、简化实际结构所受荷载一般为体荷载和面荷载，但在平面杆件结实际结构所受荷载一般为体荷载和面荷载，但在平面杆件结构的计算中常将其简化为作用在杆件纵轴线上的线荷载构的计算中常将其简化为作用在杆件纵轴线上的线荷载（分布荷载）、集中荷载和力偶等。（分布荷载）、集中荷载和力偶等。在结构计算中，对组成各构件的材料一般都假设为连续的、在结构计算中，对组成各构件的材料一般都假设为连续的、均匀的、各向同性的、完全弹性或弹塑性的。均匀的、各向同性的、完全弹性或弹塑性的。1-2 1-2 结构计算简图结构计算简图47例：厂房结构的简化例：厂房结构的简化原结构原结构平面简化平面简化屋顶计算简图屋顶计算简图计算简图计算简图

19、48Ex 12Ex 12：水电站高压水管，支承于一系列支托上简化此结构。：水电站高压水管，支承于一系列支托上简化此结构。 （1）整体结构的简化）整体结构的简化 1-2 1-2 结构计算简图结构计算简图（a a）水管简化成一根连续梁。）水管简化成一根连续梁。（b b）支托简化为滑动铰支座，固定台视为固定支座。）支托简化为滑动铰支座，固定台视为固定支座。（c c）荷载（水管自重和管内水重）可简化为线性均布载荷。）荷载（水管自重和管内水重）可简化为线性均布载荷。（2）水管横断面简化水管横断面简化（a a）计算圆环环向应力时，由于水管较长且每一截面所受水压力相同，故可取）计算圆环环向应力时，由于水管较

20、长且每一截面所受水压力相同，故可取单位宽度圆环计算。单位宽度圆环计算。（b b）水管突然放空形成真空时，由于外压，存在失稳的可能，故需验证圆环在水管突然放空形成真空时，由于外压，存在失稳的可能，故需验证圆环在均匀外压作用下的稳定性。均匀外压作用下的稳定性。q491. . 梁梁1）单跨梁超静定梁 静定梁2）多跨梁静定多跨梁连续梁 梁的轴线通常为直线，梁的轴线通常为直线，在竖向荷载作用下，截面存在弯矩、剪力和轴力三在竖向荷载作用下，截面存在弯矩、剪力和轴力三种内力分量，变形以弯曲变形为主。种内力分量，变形以弯曲变形为主。1-3 1-3 杆件结构的分类杆件结构的分类一、平面杆件结构的分类（按组成特点

21、分类）一、平面杆件结构的分类（按组成特点分类）502. 2. 刚架刚架静定刚架超静定刚架由梁和柱通过刚结点连接而成的结构。杆件内存在弯矩、剪力和轴力三种由梁和柱通过刚结点连接而成的结构。杆件内存在弯矩、剪力和轴力三种内力。内力。变形以弯曲变形为主。变形以弯曲变形为主。1-3 1-3 杆件结构的分类杆件结构的分类3. . 拱拱轴线为曲线，在竖向荷载作用下可以产生水平推力的结构。拱的各截面存在弯矩、剪力、轴力三种内力，变形以弯曲变形和压缩变形为主。 （见图)；51拉杆拱拉杆无铰拱三铰拱HFHFPFVFVF1-3 1-3 杆件结构的分类杆件结构的分类524. 4. 桁架桁架静定桁架超静定桁架1-3

22、1-3 杆件结构的分类杆件结构的分类由轴力直杆通过铰结点连接而成的结构。由轴力直杆通过铰结点连接而成的结构。特点：特点：由直杆组成。由直杆组成。杆与杆之间以理想铰连接。杆与杆之间以理想铰连接。与基础通过固定铰支与基础通过固定铰支座和滑动铰支座相连接。座和滑动铰支座相连接。荷载为集中力作用于铰结点上。荷载为集中力作用于铰结点上。理想桁架。理想桁架。53由梁式杆和桁杆共同组合而成的结构，其中含有组合结点。梁式杆为由梁式杆和桁杆共同组合而成的结构，其中含有组合结点。梁式杆为受弯杆件，桁杆为轴力杆件。受弯杆件，桁杆为轴力杆件。组合结构1-3 1-3 杆件结构的分类杆件结构的分类5.5.组合结构组合结构

23、二、平面杆件结构按计算方法分类二、平面杆件结构按计算方法分类1.静定结构：静定结构：结构在任意载荷作用下其全部反力和内力仅由静力学平结构在任意载荷作用下其全部反力和内力仅由静力学平衡方程可唯一确定。衡方程可唯一确定。2.超静定结构：超静定结构：结构的全部反力和内力仅由静力学平衡方程不能唯一结构的全部反力和内力仅由静力学平衡方程不能唯一确定，还需借助于变形协调条件和物理关系共同组建变形连续或位确定，还需借助于变形协调条件和物理关系共同组建变形连续或位移边界方程与移边界方程与平衡方程联立，方可全部求解平衡方程联立，方可全部求解。54活载活载：建筑物在施工和使用期间可能存在的大小、位置会发生变化的荷

24、载。建筑物在施工和使用期间可能存在的大小、位置会发生变化的荷载。如：楼面活荷载，雪荷载。如：楼面活荷载，雪荷载。对结构的作用效应是不确定的。对结构的作用效应是不确定的。一、荷载的概念一、荷载的概念二、荷载的分类二、荷载的分类2.2.按按荷载荷载作用时间的长短分类作用时间的长短分类恒载（固定荷载）恒载（固定荷载）：长期作用在结构上不变长期作用在结构上不变的的荷载（如：结构构件的荷载（如：结构构件的 自重、土压力等）。自重、土压力等）。对结构的作用效应是确定的。对结构的作用效应是确定的。荷载：主动作用于结构的外力。荷载：主动作用于结构的外力。 例如，结构的自重、水压力、土压力、风载例如，结构的自重、水压力、土压力、风载等。此外等。此外温度变化、基础沉陷、材料胀缩等因素也会使结构产生内力及变形，温度变化、基础沉陷、材料胀缩等因素也会使结构产生内力及变形，广义上讲这些因素亦可称为荷载。广义上讲这些因素亦可称为荷载。广义荷载。广义荷载。注：荷载的确定是结构设计中的一个重要环节。注：荷载的确定是结构设计中的一个重要环节。1-4 1-4 荷载的分类荷载的分类1.1.按按荷载荷载分布情况分布情况集中