哈工大结构力学绪论

1、绪绪 论论HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 结构力学结构力学绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院2 / 40什么是结构力学什么是结构力学 ?The meaning of Structural Mechanics 顾名思义，结构力学是研究顾名思义，结构力学是研究“结构结构”的的“力学力学”。 力学力学研究结构合理形式及在研究结构合理形式及在外界条件作用下反应规外界条件作用下反应规律性的学科。律性的学科。结构结构用某种材料按一定方式用某种材料按一定方式组成旨在承受和传递荷组成旨在承受和传递荷载的体系。载的体系。绪绪 论论20

2、21年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院3 / 40由古 至今远古人的穴居陋室远古人的穴居陋室 现代太空站现代太空站 人类为了生存和发展人类为了生存和发展建造了大量各式各样建造了大量各式各样的构筑物的构筑物绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院4 / 40商业大厦内景商业大厦内景 公路大桥雄姿公路大桥雄姿 静止的结构静止的结构绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院5 / 40直升机直升机 洲际客机洲际客机 天上飞的结构天上飞的结构绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大

3、哈工大 土木工程学院土木工程学院6 / 40军车集锦军车集锦机车集锦机车集锦陆地跑的结构陆地跑的结构绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院7 / 40航空母舰航空母舰巡洋舰巡洋舰水上游的结构水上游的结构绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院8 / 40娱乐设施的结构娱乐设施的结构旋转车旋转车 过山车过山车 绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院9 / 40 结构无所不在结构无所不在绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院1

4、0 / 40物体的存在并不是为了受力，而是为了发挥某种物体的存在并不是为了受力，而是为了发挥某种功能功能（Function）。）。 飞机要在蓝天翱翔飞机要在蓝天翱翔 汽车要在大地奔驰汽车要在大地奔驰 轮船要在海洋游弋轮船要在海洋游弋为了发挥它的功能，它们必须经受外力和内力，为了发挥它的功能，它们必须经受外力和内力，因此它们又必须是因此它们又必须是结构结构。 结构由于受力过大而无法继续发挥功能时，就称为结构由于受力过大而无法继续发挥功能时，就称为失效失效(Faliure)，如果结构在预期的工作条件下，正，如果结构在预期的工作条件下，正常使用，它就是具备常使用，它就是具备安全性安全性( (Safe

5、ty)的结构。的结构。 为了防止结构失效，保证其为了防止结构失效，保证其安全性就要研究结构力学！安全性就要研究结构力学！ 绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院11 / 40结构的受力特性和承载能力结构的受力特性和承载能力与结构的几何特征密切相关与结构的几何特征密切相关杆系结构杆系结构(structure of bar system) ： 构件的横截面尺寸构件的横截面尺寸长度尺寸；长度尺寸；板壳结构板壳结构(plate and shell structure) ： 构件的厚度构件的厚度表面尺寸表面尺寸 ；实体结构实体结构(massive struct

6、ure) ： 结构的长、宽、厚三个尺寸相仿。结构的长、宽、厚三个尺寸相仿。 绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院12 / 40控制控制通过控制理论和控制技术，智能化地抵通过控制理论和控制技术，智能化地抵御外界作用下的结构反应。御外界作用下的结构反应。分析分析结构在外因作用下的反应。通过分析使结构在外因作用下的反应。通过分析使设计的结构既经济合理，又安全可靠。设计的结构既经济合理，又安全可靠。识别识别通过系统的反馈信息，确定体系内在实通过系统的反馈信息，确定体系内在实质（系统识别）或外界作用（荷载识质（系统识别）或外界作用（荷载识别）。别）。绪绪 论

7、论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院13 / 40基本任务基本任务1. 1. 研究结构的研究结构的组成规律组成规律和和合理形式合理形式以及以及计算简图计算简图的合理选择；的合理选择；组成规律：组成规律：保证结构各部分之间不能发生相对保证结构各部分之间不能发生相对运动，以承担预定的荷载；运动，以承担预定的荷载；合理形式合理形式：为了充分发挥结构的性能，更有效：为了充分发挥结构的性能，更有效地利用材料，以达到安全、经济的地利用材料，以达到安全、经济的目的；目的；计算简图：计算简图：将实际结构变成理论模型将实际结构变成理论模型（Structural ideali

8、zation) ，便于研究和讨论。，便于研究和讨论。 绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院14 / 402. 2. 讨论结构内力和变形的计算原理和计算方法讨论结构内力和变形的计算原理和计算方法内力计算内力计算是为了保证结构强度和稳定性，使结是为了保证结构强度和稳定性，使结构安全经济；构安全经济；变形计算变形计算是为了保证结构不发生过大位移，满是为了保证结构不发生过大位移，满足使用要求足使用要求3. 3. 讨论结构的稳定性及在动荷载作用下的结构反讨论结构的稳定性及在动荷载作用下的结构反应规律，利用控制理论寻找恰当的控制方法。应规律，利用控制理论寻找恰

9、当的控制方法。研究结构在外界因素研究结构在外界因素(如荷载、温度变化及支座如荷载、温度变化及支座移动移动)的影响下，结构的反力、内力和位移的计的影响下，结构的反力、内力和位移的计算原理和方法。为结构设计提供理论依据。算原理和方法。为结构设计提供理论依据。 绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院15 / 40研究手段研究手段1. 1. 理论分析理论分析2. 2. 实验研究实验研究3. 3. 数值计算数值计算首先把实际结构简化为计算首先把实际结构简化为计算简图，再对计算简图进行理简图，再对计算简图进行理论分析。论分析。结构力学分析要综合考虑三个方面的条件

10、：结构力学分析要综合考虑三个方面的条件：1.1.力系的平衡条件和运动条件；力系的平衡条件和运动条件；2.2.变形的几何连续条件；变形的几何连续条件；3.3.应力应力- -应变间的物理条件。应变间的物理条件。将三个条件根据不同的具体情况结合起来就可以得将三个条件根据不同的具体情况结合起来就可以得到不同的计算方法。到不同的计算方法。绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院16 / 40本课与其它课程的关系本课与其它课程的关系高等数学高等数学 作为分析计算的工具作为分析计算的工具理论力学理论力学 着重讨论物体的机械运动着重讨论物体的机械运动材料力学材料力学

11、以构件作为对象，讨论应力以构件作为对象，讨论应力-应变关系应变关系弹性力学弹性力学 以块体和板壳结构为研究对象，讨论以块体和板壳结构为研究对象，讨论弹性材料更广泛的本构关系弹性材料更广泛的本构关系结构力学结构力学 重点研究杆系结构，它为钢混结构、重点研究杆系结构，它为钢混结构、钢木结构，水工结构和桥梁结构等专钢木结构，水工结构和桥梁结构等专业课提供力学基础和设计依据。业课提供力学基础和设计依据。绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院17 / 40基本要求：基本要求：(1).注意与理论力学和材料力学的联系注意与理论力学和材料力学的联系(2).注意理论联

12、系实际注意理论联系实际(3).注意分析方法和计算能力的培养注意分析方法和计算能力的培养(4).注意多练，认真做好作业，不盲目注意多练，认真做好作业，不盲目(5).注意自学能力的培养注意自学能力的培养绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院18 / 40计算工程实际问题的过程计算工程实际问题的过程: 力学模型的合理性直接决定计算结果的正确性，力学模型的合理性直接决定计算结果的正确性，因此因此模型的概念模型的概念和和建立力学模型的思想建立力学模型的思想是学习的一是学习的一个重点。计算简图的选用需要较深厚的力学概念，个重点。计算简图的选用需要较深厚的力学概念

13、，并与工程实践相结合，以及实践的检验。后面我们并与工程实践相结合，以及实践的检验。后面我们需要通过物体间的接触与联接方式的简化来体会建需要通过物体间的接触与联接方式的简化来体会建模思想和建模过程。模思想和建模过程。实际对象实际对象 力学模型力学模型 数学模型数学模型 计算计算 绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院19 / 40计算简图计算简图(computing model of structure ) 为了结构计算，需要对实际结构进行一些为了结构计算，需要对实际结构进行一些简化和假设，略去某些次要因素，保留其简化和假设，略去某些次要因素，保留其主

14、要受力特征和变形特点，以简化图形代主要受力特征和变形特点，以简化图形代替实际结构，该图形称为替实际结构，该图形称为计算简图计算简图。选取结构的计算简图必要性、重要性：选取结构的计算简图必要性、重要性： 实际结构错综复杂，面面俱到困难重重。实际结构错综复杂，面面俱到困难重重。 适当简化合理选型，存本去末关键一环。适当简化合理选型，存本去末关键一环。绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院20 / 40能反映结构的实际受力特点，保证计算精度和可靠性。能反映结构的实际受力特点，保证计算精度和可靠性。忽略次要因素，使计算切实可行。忽略次要因素，使计算切实可行。

15、 选取结构的计算简图的原则：选取结构的计算简图的原则：计算简图要它能反映工程结构物的如下特征：计算简图要它能反映工程结构物的如下特征： 1 1受力特性（受力特性（荷载的大小、方向、作用位置荷载的大小、方向、作用位置） 2 2几何特性（几何特性（构件的轴线、形状、长度构件的轴线、形状、长度） 3 3支承特性（支承特性（支座的约束反力性质、杆件连接形式支座的约束反力性质、杆件连接形式）绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院21 / 40影响计算简图选取的主要因素影响计算简图选取的主要因素： 结构性质结构性质 ： 次要结构次要结构粗；重要结构粗；重要结构精

16、；精； 设计阶段设计阶段： 初步设计初步设计粗；技术设计粗；技术设计精；精； 计算性质计算性质： 动力计算动力计算粗；静力计算粗；静力计算精；精； 计算工具计算工具： 简陋简陋粗；粗； 先进先进精。精。绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院22 / 40结构简化：一般结构实际上都是空间结构，各部相连一般结构实际上都是空间结构，各部相连成为一空间整体，以承受各方向可能出现的荷载。在成为一空间整体，以承受各方向可能出现的荷载。在多数情况下，常忽略一些次要的空间约束，而将实际多数情况下，常忽略一些次要的空间约束，而将实际结构分解为平面结构。结构分解为平面结

17、构。 结构简化的几个主要方面结构简化的几个主要方面绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院23 / 40单层工业厂房单层工业厂房取一榀计算，并化为平面体系。取一榀计算，并化为平面体系。绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院24 / 40杆件(Bar)简化：由杆的特征，截面应力可根据截面由杆的特征，截面应力可根据截面内力确定，而内力只沿杆长方向变化，因此杆的简图可用轴内力确定，而内力只沿杆长方向变化，因此杆的简图可用轴线代替。杆件连接点用结点表示；杆长用结点间的距离表示；线代替。杆件连接点用结点表示；杆长用结点

18、间的距离表示；荷载作用点移到轴线上。荷载作用点移到轴线上。 FP2FP1绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院25 / 40连接(Joints)简化：杆件间的连接区按约束程度简化成杆件间的连接区按约束程度简化成理想模型理想模型l铰铰 结结 点点 被连接的杆件在连接处不能移动但可转被连接的杆件在连接处不能移动但可转动。即可以传递力，但不能传递力矩动。即可以传递力，但不能传递力矩(桁架结构示意桁架结构示意) 铰结点铰结点(Hinge Joints) 绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院26 / 40l组合结点

19、组合结点 被连接的杆件在连接处不能产生相对移被连接的杆件在连接处不能产生相对移动但部分杆可产生相对转动。动但部分杆可产生相对转动。l刚刚 结结 点点 被连接的杆件在连接区不能相对移动亦不被连接的杆件在连接区不能相对移动亦不可相对转动。因此通过刚结点可以传递可相对转动。因此通过刚结点可以传递力，也可以传递力矩。力，也可以传递力矩。 刚结点刚结点(Rigid joints) 绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院27 / 40支座(Supports)简化:结构与基础相联结的部分称支座，结构与基础相联结的部分称支座，结构所受荷载通过支座传递到基础和地基。结

20、构所受荷载通过支座传递到基础和地基。(Fy绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院28 / 40()FyFx绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院29 / 40FyM绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院30 / 40()细石混凝土填充细石混凝土填充FyMFx绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院31 / 40实际工程中，支承部实际工程中，支承部分有一定的弹性。在分有一定的弹性。在外荷载作用下支座产外荷载作用下支座产生变形

21、，从而影响结生变形，从而影响结构的内力和变形，其构的内力和变形，其反力与结构支承端相反力与结构支承端相应的位移成正比应的位移成正比 绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院32 / 40荷载(Loads)简化: 荷载简化为作用在杆件轴线上。荷载简化为作用在杆件轴线上。作用面积不大：按集中荷载考虑；作用面积不大：按集中荷载考虑；作用面积较大：按分布荷载考虑；作用面积较大：按分布荷载考虑；相联作用给予的反作用力：力偶荷载；相联作用给予的反作用力：力偶荷载；最后化成三大作用：最后化成三大作用：线荷载线荷载、集中荷载集中荷载及及力偶荷载力偶荷载 材料(Mate

22、rials)简化:将结构材料视为连续、均匀、各向同性、线弹性将结构材料视为连续、均匀、各向同性、线弹性或理想弹塑性、小变形。或理想弹塑性、小变形。绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院33 / 40实际是对计算简图进行分类，按结构的实际是对计算简图进行分类，按结构的受力特性受力特性和和连接特征连接特征划分。划分。受弯构件。承受横向荷载受弯构件。承受横向荷载qFP绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院34 / 40轴线为曲线，力学轴线为曲线，力学特征是在竖向荷载特征是在竖向荷载作用下支座产生水作用下支座产生水

23、平推力平推力绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院35 / 40由若干两端为理想由若干两端为理想铰的直杆连接而成铰的直杆连接而成体系。体系。绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院36 / 40由梁柱组成，具有由梁柱组成，具有刚结点，主要受弯刚结点，主要受弯绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院37 / 40兼有刚架和桁架的兼有刚架和桁架的组合体组合体绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院38 / 40能使结构产生内力或变

24、形的因素，统称能使结构产生内力或变形的因素，统称荷载荷载(loads)进行结构计算前，确定荷载大小很关键：若估计进行结构计算前，确定荷载大小很关键：若估计过大，消耗材料，增加造价；若估计过小，无法过大，消耗材料，增加造价；若估计过小，无法保证结构的安全。要做到既经济又安全，同时满保证结构的安全。要做到既经济又安全，同时满足刚度、强度和稳定性的要求。足刚度、强度和稳定性的要求。狭义荷载狭义荷载：主动作用在结构上的外力。自重、风、：主动作用在结构上的外力。自重、风、地震地震广义荷载广义荷载：外力、温度改变、支座沉降、制造误：外力、温度改变、支座沉降、制造误差、材料的收缩及松驰等差、材料的收缩及松驰

25、等绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院39 / 40恒载恒载（Dead loading）：长期作用于结构的不变荷长期作用于结构的不变荷载，包括载，包括: :结构的自重和土压力；结构的自重和土压力；活载活载（Living loading）：建筑物施工和使用期间可能建筑物施工和使用期间可能存在的荷载，包括：风载、雪载、吊车荷载、存在的荷载，包括：风载、雪载、吊车荷载、屋面荷载屋面荷载固定荷载固定荷载（Fixed load） 位置上固定分布，或作用位置上固定分布，或作用位置不变的荷载位置不变的荷载, ,包括包括: :结构自重、固定设结构自重、固定设备等备等可动荷载可动荷载（Moving load） 位置上一定范围内可以位置上一定范围内可以任意分布，或作用位置可以移动的荷载，任意分布，或作用位置可以移动的荷载，包括：人群荷载、吊车荷载等包括：人群荷载、吊车荷载等绪绪 论论2021年12月13日12时56分哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院40 / 40静力荷载静力荷载（Static loading） 略去惯性力的影响，略去惯性力的影响，大小方向作用点不随时间变化或变化极为大小方向作用点不随时间变化或变化极为缓慢，无加速度。缓慢，无加速度。动力荷载动力荷载（Dynamic lo