结构力学第一章绪论

1、第1章 绪 论 1-1 1-1 结构力学的学科内容和教学要求结构力学的学科内容和教学要求 1-2 1-2 结构的计算简图及简化要点结构的计算简图及简化要点 1-3 1-3 荷载的类型荷载的类型 1-4 1-4 结构形式结构形式1 1）研究对象）研究对象 结构力学结构力学就是研究结构在荷载作用下，其内力就是研究结构在荷载作用下，其内力和变形的计算问题。和变形的计算问题。结构结构就是构造物中起着承重作用的骨架，它由就是构造物中起着承重作用的骨架，它由承重构件组成。承重构件组成。 土木工程及水利工程中常见的结构有：土木工程及水利工程中常见的结构有：刚架、刚架、桁架、拱、水坝、墩式码头等桁架、拱、水坝

2、、墩式码头等，根据几何形状可以，根据几何形状可以把它们分成三大类：把它们分成三大类：杆系结构 板壳结构 实体结构 结构分类：结构分类：按承重骨架：砖混结构、框架结构、桁架按承重骨架：砖混结构、框架结构、桁架 结构、钢结构结构、钢结构 国家体育场的国家体育场的“鸟巢鸟巢”是由一系列辐射式门式钢桁架围绕碗状是由一系列辐射式门式钢桁架围绕碗状坐席区旋转而成，结构科学简洁，设计新颖独特，为国际上极富特坐席区旋转而成，结构科学简洁，设计新颖独特，为国际上极富特色色 的巨型建筑。它为的巨型建筑。它为20082008年奥运会树立了一座独特的历史性的标年奥运会树立了一座独特的历史性的标志志 性建筑。图为国家体

3、育场性建筑。图为国家体育场“鸟巢鸟巢”夜景图。夜景图。 国家体育场的外观国家体育场的外观即为建筑的结构，立面即为建筑的结构，立面与结构达到了完美的统与结构达到了完美的统一。结构的组件相互支一。结构的组件相互支撑，形成了网络状的构撑，形成了网络状的构架，它就象树枝编织的架，它就象树枝编织的鸟巢。鸟巢。鸟巢俯视图鸟巢俯视图 与与“鸟巢鸟巢”相映衬的是相映衬的是“水立方水立方”国家游泳中心。国家游泳中心。因其外观酷似一个充满了水泡的蓝色方盒子而被称为因其外观酷似一个充满了水泡的蓝色方盒子而被称为“水立水立方方”.国家游泳中心是一座新颖别致的奥林匹克建筑，它将以冰国家游泳中心是一座新颖别致的奥林匹克建

4、筑，它将以冰晶状的亮丽身姿，装点景观如画的奥林匹克公园。晶状的亮丽身姿，装点景观如画的奥林匹克公园。水水 立立 方方 1 1块约块约1 1平方米的三角形平方米的三角形“气泡气泡”( (膜结构气枕膜结构气枕) )终于成功安终于成功安装在了水立方的钢结构上。此次安装成功的气枕没有电脑效果装在了水立方的钢结构上。此次安装成功的气枕没有电脑效果图上那么饱满。是为了施工方便，安装上去的气枕全是未充气图上那么饱满。是为了施工方便，安装上去的气枕全是未充气的。安装完一定区域后，将通过事先安装在钢架上的充气管线的。安装完一定区域后，将通过事先安装在钢架上的充气管线对气枕充气。整个充气过程由电脑智能监控，电脑将

5、根据当时对气枕充气。整个充气过程由电脑智能监控，电脑将根据当时的气压、光照等条件使气泡保持最佳状态的气压、光照等条件使气泡保持最佳状态 像这样的像这样的“气泡气泡”，整个水立方共需要，整个水立方共需要30003000多个，表面覆多个，表面覆盖面积达到盖面积达到1010万平方米，堪称世界之最。它们大小不一，形状万平方米，堪称世界之最。它们大小不一，形状各异，最大一个约各异，最大一个约9 9平方米，最小的一个不足平方米，最小的一个不足1 1平方米。平方米。水立方和鸟巢交相辉映、流光溢彩水立方和鸟巢交相辉映、流光溢彩 19681968年建造了双层双线铁路、公路两用桥，正桥长年建造了双层双线铁路、公路

6、两用桥，正桥长15771577米，米，铁路桥全长铁路桥全长67726772米，宽米，宽19.519.5米；工路桥全长米；工路桥全长45894589，宽，宽19.519.5米；公米；公路引桥路引桥30123012米，两端接地部分建有米，两端接地部分建有2222孔的丰富民族特色的双曲拱孔的丰富民族特色的双曲拱桥。大桥建成后，天堑变通途。过去一列火车在此过江只能靠轮桥。大桥建成后，天堑变通途。过去一列火车在此过江只能靠轮渡，要花渡，要花2 2个小时。现在个小时。现在3 3分钟就可以通过。分钟就可以通过。19841984年，南京市有关年，南京市有关部门将南京长江大桥定为金陵四十景之一，称为部门将南京长

7、江大桥定为金陵四十景之一，称为“天堑飞虹天堑飞虹”天堑飞虹天堑飞虹台湾101大楼，101层，508米高，地下5层，是目前世界最高大楼之一。其钢材和水泥重量逾70万吨，占地15081平方米。防强风及台风方面：防强风及台风方面：101设置了设置了“调频质量阻尼器（调频质量阻尼器（tuned mass damper）”，是在，是在88-92楼层挂置一个重达楼层挂置一个重达680吨的巨大钢球，利用吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃幅。摆动来减缓建筑物的晃幅。 弹簧 质量块受控结构阻尼器防震措施方面：防震措施方面：*101采用新式的采用新式的“巨型结构（巨型结构（megastructure）”；*在

8、大楼之四个外侧分别各有二根巨柱，共八根；在大楼之四个外侧分别各有二根巨柱，共八根；*每根柱截面约每根柱截面约32.4米，自地下米，自地下5楼贯通至地上楼贯通至地上90楼；楼；*柱内灌入高强度混凝土，外以钢板包覆柱内灌入高强度混凝土，外以钢板包覆-组合结构组合结构芝加哥市110层的西尔斯大厦 钢结构杨浦大桥是黄浦江上的第二座大桥，于杨浦大桥是黄浦江上的第二座大桥，于1993年年10月竣工通车，月竣工通车，她与南浦大桥遥相呼应，是内环线高架连接浦东与浦西的过江她与南浦大桥遥相呼应，是内环线高架连接浦东与浦西的过江枢纽，总长为枢纽，总长为7654米，跨径为米，跨径为602米，主桥长米，主桥长1172

9、米、宽米、宽30.35米，共设米，共设6车道。杨浦大桥为双塔双索叠合梁斜拉桥车道。杨浦大桥为双塔双索叠合梁斜拉桥. 杆系结构杆系结构由若杆根杆件组成，杆件的几何特由若杆根杆件组成，杆件的几何特 征是：其长度远远大于杆件截面的宽度和高度。征是：其长度远远大于杆件截面的宽度和高度。 板壳结构板壳结构其厚度远远小于长度和宽度两各尺其厚度远远小于长度和宽度两各尺 寸的结构。寸的结构。 实体结构实体结构是指三个尺寸大约为同量级的结构是指三个尺寸大约为同量级的结构 结构力学的研究对象是：结构力学的研究对象是：杆系结构杆系结构 位于长安街上、人民大会堂位于长安街上、人民大会堂旁边的旁边的“蛋蛋” -国家大剧

10、国家大剧院院 外观内视三峡大坝薄膜充气结构：只能承受拉力的面片材料。薄膜和加压的气体介质共同承受荷载。特点：重量轻，跨度大建筑说明：建筑说明： 膜结构是一种富有生命力的轻型张力结构，自膜结构是一种富有生命力的轻型张力结构，自8080年代以来在年代以来在发达国家获得极大发展。某体育场看台挑棚的设计中采用了全发达国家获得极大发展。某体育场看台挑棚的设计中采用了全张拉式的膜结构方案。整个挑棚由连成一体的张拉式的膜结构方案。整个挑棚由连成一体的3434个伞形单元组个伞形单元组成，每个单元由中央桅杆撑起，外缘固定在看台梁的后端，内成，每个单元由中央桅杆撑起，外缘固定在看台梁的后端，内缘则张紧在巨大的内环

11、上。缘则张紧在巨大的内环上。气吹起来的结构气吹起来的结构- 赫尔佐格和德梅隆在赫尔佐格和德梅隆在德国慕尼黑设计建造德国慕尼黑设计建造的体育馆的体育馆日本最初用于多功能全天日本最初用于多功能全天候的体育场，约候的体育场，约30,000平平方米超大椭圆形屋顶，采方米超大椭圆形屋顶，采用悬索加强的充气膜结构用悬索加强的充气膜结构。其双向各配置。其双向各配置14根共根共28根钢索，在其上张拉着涂根钢索，在其上张拉着涂有特富龙的玻璃纤维布有特富龙的玻璃纤维布 气体 2 2）主要研究内容）主要研究内容 结构由荷载、支座移动、温度变化、制造误差结构由荷载、支座移动、温度变化、制造误差 引起的内力计算引起的内

12、力计算称为强度计算；称为强度计算； 结构由荷载、支座移动、温度变化、制造误差结构由荷载、支座移动、温度变化、制造误差 引起的变形及位移计算引起的变形及位移计算称为刚度计算；称为刚度计算； 结构的稳定计算；结构的稳定计算； 结构的组成规律及计算简图的选择。结构的组成规律及计算简图的选择。 3 3）结构力学与其它课程的关系）结构力学与其它课程的关系 理论力学和材料力学是结构力学的先修课程，理论力学和材料力学是结构力学的先修课程，专业课程（钢筋混凝土、钢结构、桥梁结构等）是专业课程（钢筋混凝土、钢结构、桥梁结构等）是结构力学的后续课程。结构力学的后续课程。 在工程设计中对结构进行力学分析时，需要一在

13、工程设计中对结构进行力学分析时，需要一个图形，这个图形与实际结构完全一样，实际上是个图形，这个图形与实际结构完全一样，实际上是做不到的，因此必须对实际结构进行抽象和简化，做不到的，因此必须对实际结构进行抽象和简化，得到一个计算时所用的计算简图。抽象和简化必须得到一个计算时所用的计算简图。抽象和简化必须遵循以下原则：遵循以下原则： 1）正确反映结构的实际受力情况，使计算结果与）正确反映结构的实际受力情况，使计算结果与 实际情况比较吻合；实际情况比较吻合； 2）略去次要因数，便于分析和计算。）略去次要因数，便于分析和计算。1 1）杆件的简化）杆件的简化 杆件可以用轴线来表示：杆件可以用轴线来表示：

14、 原因是：细长杆件可以近似采用平面假定，因此截原因是：细长杆件可以近似采用平面假定，因此截面上的应力可以由截面上的内力来确定，而内力只面上的应力可以由截面上的内力来确定，而内力只与杆件的长度有关，与截面的宽度和高度无关。与杆件的长度有关，与截面的宽度和高度无关。 杆件杆件轴线轴线 2 2）结点的简化）结点的简化 杆件与杆件的连接点称为：结点杆件与杆件的连接点称为：结点 结点的简化分两类：铰结点和刚结点结点的简化分两类：铰结点和刚结点 铰结点铰结点 几何特征：各杆可以绕结点自由转动。几何特征：各杆可以绕结点自由转动。 受力状况：不会引起杆端弯矩。受力状况：不会引起杆端弯矩。 表示方法：表示方法：

15、 例如：图示木屋架的结点例如：图示木屋架的结点 刚结点刚结点 几何特征：各杆不能绕结点作相对转动。几何特征：各杆不能绕结点作相对转动。 受力状况：由于结点能阻止杆件之间发生相对转受力状况：由于结点能阻止杆件之间发生相对转 角，因此杆端有弯矩、剪力角，因此杆端有弯矩、剪力 和轴力。和轴力。 表示方法：表示方法： 例如：图示现浇钢筋混凝土框架的结点例如：图示现浇钢筋混凝土框架的结点 对平面结构一般可以简化成以下三种形式：对平面结构一般可以简化成以下三种形式： 可动铰支座可动铰支座只能约束竖向运动的支座称为：可动铰支座只能约束竖向运动的支座称为：可动铰支座 表示方法：表示方法： 例如：把梁放在柱顶上

16、，不作任何处理，其支座就例如：把梁放在柱顶上，不作任何处理，其支座就 可简化成可动铰支座。可简化成可动铰支座。 固定铰支座固定铰支座 能约束竖向和水平运动的支座称为：固定铰支座能约束竖向和水平运动的支座称为：固定铰支座 表示方法：表示方法：例如：把屋架放在柱顶上，并与柱顶的预埋件连例如：把屋架放在柱顶上，并与柱顶的预埋件连 接，这样的支座可简化成固定铰支座。接，这样的支座可简化成固定铰支座。 固定支座固定支座 能约束竖向、水平和转动的支座称为：固定支座能约束竖向、水平和转动的支座称为：固定支座 表示方法：表示方法：例如：柱子与基础完全现浇在一起，而且柱子的例如：柱子与基础完全现浇在一起，而且柱

17、子的 钢筋插入基础一定距离，那么柱子的支座钢筋插入基础一定距离，那么柱子的支座 就可简化成固定支座。就可简化成固定支座。4 4）结构简化）结构简化 1 1）按分布分）按分布分 面荷载面荷载 如：如：风荷载、雪荷载、雨荷载、人群风荷载、雪荷载、雨荷载、人群 荷载、水压力等荷载、水压力等 体荷载体荷载 如：如：结构自重，温度荷载等结构自重，温度荷载等 集中荷载集中荷载 如：如：集中力、集中力矩等集中力、集中力矩等 2 2）按作用在结构上的时间分）按作用在结构上的时间分 恒荷载恒荷载 如：如：结构自重和设备重量等结构自重和设备重量等 活荷载活荷载 如：如：人群荷载、雪荷载、雨荷载等人群荷载、雪荷载、雨荷载等 移动荷载移动荷载 如：如：吊