建筑力学第一章绪论

1、Chapter Chapter 1 1 IntrductionIntrduction（1）引言（2）基本概念（3）计算简图（4）杆件的基本变形第一节第一节 引言引言 （）建筑力学的研究对象-建筑结构（）建筑力学的基本假设（3）建筑力学的任务和方法建筑结构建筑结构: :由建筑材料筑成，能承受由建筑材料筑成，能承受荷载而起荷载而起骨架骨架作用的构筑物称为作用的构筑物称为工程结构。工程结构。 如：梁柱结构、桥梁、涵洞、如：梁柱结构、桥梁、涵洞、水坝、挡土墙水坝、挡土墙。构件：构件：结构的组成部分，梁、柱、结构的组成部分，梁、柱、板板结构的作用：结构的作用：承担荷载（广义的）承担荷载（广义的）结构结构

2、建筑物中承受荷载并起骨架作用的部分。建筑物中承受荷载并起骨架作用的部分。构件构件组成结构的单个部件。组成结构的单个部件。外荷外荷载载吊车吊车荷载荷载风压风压单层工业厂房荷载作用图单层工业厂房荷载作用图构件应有一定的承载能力构件应有一定的承载能力多层与高层建筑结构单层大跨度屋盖结构结构形式上海金茂大厦，(钢结构，88层，高420m，是我国目前最高的建筑)201米 韩国世界杯室内足球场 3 水 泥3.1 硅酸盐水泥砖混结构砖混结构砌体结构的抗震试验剪力墙结构剪力墙结构框架框架-剪力墙结构剪力墙结构筒中筒结构筒中筒结构单层大跨度单层大跨度张弦结构玻璃结璃开合结构膜结构悬索结构网架结构薄壳结构空间结构

3、体系拱结构桁架结构薄腹梁结构门式刚架结构平面结构体系单层大跨度建筑 长春国富门式刚架厂房长春国富门式刚架厂房 图1 装配式结构实例待装配的一榀平面桁架 拱桥拱桥（无铰拱）（无铰拱）飞机库 加油站加油站 8181米有柱展厅，屋盖采用双向空间钢桁架结构。桁架下弦标高为10.55米，桁架高度H=4.0米，钢桁架沿纵向间距为27米，沿横向间距为9米，均支承在钢筋砼柱柱顶厦门国际会展中心厦门国际会展中心 受力特点：索是中心受拉构件，既无弯矩也无剪力。水平反力为H，方向是向外的国家奥林匹克体育中心国家奥林匹克体育中心 悬索桥悬索桥（悬索）（悬索）结构的几何分类结构的几何分类: :(1)(1)杆件结构杆件结

4、构(structure of bar system)lblb、h h(2)(2)板壳结构板壳结构(plate and shell structure)blbl、h h(3)(3)实体结构实体结构(massive structure)l l、 b b 、h h同级同级挡土墙基础(c) 块体结构平面杆系结构平面杆系结构构件构件平面杆系结构平面杆系结构杆件的截面尺杆件的截面尺寸远小长度寸远小长度特点特点板壳板壳块体块体杆杆结构结构分类分类 建筑力学的研究对象建筑力学的研究对象刚体刚体 在外力作用下，不产生变形的固体在外力作用下，不产生变形的固体。刚体和变形固体刚体和变形固体变形固体变形固体 在外力作

5、用下，会产生变形的固体在外力作用下，会产生变形的固体。绝对的固体是不存在的绝对的固体是不存在的在在受力平衡分析受力平衡分析中，材料的变形非常微小，为简化计算，中，材料的变形非常微小，为简化计算，可不考虑它们受力后的微小变形，而视为刚体可不考虑它们受力后的微小变形，而视为刚体第二、三章第二、三章变形固体在外力作用下会产生两种性质的变形：变形固体在外力作用下会产生两种性质的变形：弹性变形弹性变形当外力消除时，变形随着消失的变形；当外力消除时，变形随着消失的变形；塑性变形塑性变形当外力消除后，不能消失的变形。当外力消除后，不能消失的变形。当塑性变形很小，忽略不计，认为只有弹性变形，这种只当塑性变形很

6、小，忽略不计，认为只有弹性变形，这种只有弹性变形的变形固体称为有弹性变形的变形固体称为完全弹性体（钢筋）完全弹性体（钢筋）。 完全弹性体和小变形完全弹性体和小变形完全弹性体完全弹性体是不存在的是不存在的小变形：小变形：变形变形构件尺寸构件尺寸3 3变形固体的基本假设变形固体的基本假设1 1均匀连续假设均匀连续假设假设变形固体在其整个体积内用同种介质假设变形固体在其整个体积内用同种介质毫无空隙的充满了物体。毫无空隙的充满了物体。2 2各向同性各向同性( (IsotropyIsotropy ) )假设假设假设变形固体沿各个方向的力学性能均相假设变形固体沿各个方向的力学性能均相同。同。3 3小变形假

7、设小变形假设在实际工程中，构件在荷载作用下，构件在荷载作用下，其变形与构件的原尺寸相比通常很小，其变形与构件的原尺寸相比通常很小，可以忽略不计，称这一类变形为可以忽略不计，称这一类变形为小变形小变形。 建筑力学的对象建筑力学的对象是均匀连续的、各向是均匀连续的、各向同性的、弹性变形的固体，且限于小同性的、弹性变形的固体，且限于小变形范围的杆件和杆件组成的杆系结变形范围的杆件和杆件组成的杆系结构。构。杆系结构杆系结构是由杆件组成的结构是由杆件组成的结构1 1 建筑力学的任务建筑力学的任务平衡平衡( (EquilibriumEquilibrium ) ) 是结构相对于地球是结构相对于地球保持静止状

8、保持静止状态态或匀速直线平移。或匀速直线平移。 强度强度( (StrengthStrength ) )是结构抵抗破坏的能力是结构抵抗破坏的能力 刚度刚度( (StiffnessStiffness ) )是结构抵抗变形的能力是结构抵抗变形的能力 稳定性稳定性( (StabilityStability ) )是结构保持原有平衡形态的能力是结构保持原有平衡形态的能力 建筑力学的任务：建筑力学的任务：是通过研究结构的强度、刚是通过研究结构的强度、刚度、稳定性；材料的力学性能；结构的几何组度、稳定性；材料的力学性能；结构的几何组成规则，在保证结构既安全可靠又经济节约的成规则，在保证结构既安全可靠又经济节

9、约的前提下，为构件选择合适的材料、确定合理的前提下，为构件选择合适的材料、确定合理的截面形状和尺寸提供计算理论及计算方法。截面形状和尺寸提供计算理论及计算方法。学 科研究对象研究任务理论力学质点、刚体提供力学计算原理（平衡方程，虚功原理）提供力学计算原理（平衡方程，虚功原理）材料力学单根杆件变形体的强度、刚度和稳定性结构力学结构力学杆件结构杆件结构弹性力学板壳、实体结构变形体的强度、刚度变形体的强度、刚度和稳定性和稳定性变形体的强度、刚度变形体的强度、刚度和稳定性和稳定性变形体的强度、刚度变形体的强度、刚度和稳定性和稳定性变形体的强度、刚度变形体的强度、刚度和稳定性和稳定性变形体的强度、刚度变

10、形体的强度、刚度和稳定性和稳定性变形体的强度、刚度变形体的强度、刚度和稳定性和稳定性各力学课程的比较：一、结构力学的研究对象是杆系结构由此可见：建筑力学是研究杆件结构的强度、刚度 和稳定性的一门学科。强度、稳定性强度、稳定性保证结构的安全，并符合经济的要求。保证结构的安全，并符合经济的要求。刚度刚度控制结构变形不超过允许值，满足使用要求。控制结构变形不超过允许值，满足使用要求。2 2 力学的课程体系力学的课程体系构件构件设计构件时，必须做到设计构件时，必须做到: : 有足够的抵抗破坏的能力，使构有足够的抵抗破坏的能力，使构件在载荷作用下能安全工作。件在载荷作用下能安全工作。 有足够的抵抗变形的

11、能力，使构有足够的抵抗变形的能力，使构件在载荷作用下产生的变形在工程允件在载荷作用下产生的变形在工程允许范围内。许范围内。（2 2）足够的刚度：）足够的刚度：(1)(1)足够的强度：足够的强度：强度：构件抵抗破强度：构件抵抗破坏的能力坏的能力刚度：构件抵抗刚度：构件抵抗变形的能力变形的能力（3 3）足够的稳定性：）足够的稳定性： 构件在载荷作用下能保持原有构件在载荷作用下能保持原有形状下的平衡形状下的平衡 。稳定性：构件保稳定性：构件保持原有形状下平持原有形状下平衡的能力衡的能力3 3 建筑力学的分析方法建筑力学的分析方法建筑力学是一门力学的分支课程，在学习建筑力学是一门力学的分支课程，在学习

12、是要注重对基本概念的理解，同时要学习是要注重对基本概念的理解，同时要学习力学的基本研究方法，提高分析问题和解力学的基本研究方法，提高分析问题和解决问题的能力。决问题的能力。 重视力学分析和工程实际相联系；重视重视力学分析和工程实际相联系；重视分析能力、计算能力、自学能力、表达分析能力、计算能力、自学能力、表达能力、创新能力的培养。能力、创新能力的培养。第二节第二节 基本概念基本概念 （）荷载（）约束和约束反力（）内力（4）位移荷载：主动作用在结构上的外力。自重、风广义荷载：外力、温度改变、支座沉降、制造误差、材料的收缩、地震作用、风荷载作用（效应）：结构受力或变形 (温度变化、支座沉降、制造误

13、差、材料收缩以及松弛、徐变等)荷载大小的确定： 建筑结构荷载规范GB50009-20014、根据荷载作用时间的久暂划分1、根据荷载对结构产生的动力效应划分静力荷载(static load)动力荷载(dynamic load)3、根据荷载分布情况划分集中荷载分布荷载2、根据荷载接触方式划分直接荷载间接荷载根据荷载作用时间的久暂划分恒载（永久荷载）Permanent load活载（可变荷载)Variable load按作用位置变化情况可动荷载移动荷载能作用于结构上的任意位置的荷载，如风、雪载一系列互相平行、间距保持不变，但能在结构上移动的荷载，如列车荷载永久作用在结构上的不变荷载，如自重荷载的简化

14、表示形式（1）集中力（2）分布力 （3）集中力偶 （4）分布力偶 l力偶力偶(couple)： , 不共线不共线力偶系力偶系(couple system)： 作用于刚体上的作用于刚体上的 一组力偶。一组力偶。AFBFF1F2,F FFF2 2 约束与约束反力约束与约束反力 自由体：自由体：在空间中运动，位移不受限制的物体，如飞机、在空间中运动，位移不受限制的物体，如飞机、火箭等；火箭等； 非自由体非自由体：在空间中运动，位移受到限制的物体。如梁、：在空间中运动，位移受到限制的物体。如梁、柱等。柱等。 约束约束 对非自由体的某些位移起限制作用的周围物体称为约对非自由体的某些位移起限制作用的周围物

15、体称为约束体，简称约束。束体，简称约束。 约束反力约束反力： 阻碍物体运动的力称为约束反力，简称反力。阻碍物体运动的力称为约束反力，简称反力。 约束反力的特点：约束反力的特点： 约束反力的方向总是与约束所能阻碍的物体的运动约束反力的方向总是与约束所能阻碍的物体的运动或运动趋势的方向或运动趋势的方向相反相反，它的作用点就在约束与被约束，它的作用点就在约束与被约束的物体的接触点，大小可以通过计算求得。的物体的接触点，大小可以通过计算求得。物体受到的力一般可以分为两类：物体受到的力一般可以分为两类： 主动力主动力是使物体运动或使物体有运动趋势的力。是使物体运动或使物体有运动趋势的力。 如重力、水压力

16、、土压力、风压力等。如重力、水压力、土压力、风压力等。 在工程中通常称主动力为在工程中通常称主动力为荷载荷载。 被动力被动力是约束对于物体的是约束对于物体的约束反力约束反力。 柔软柔软的的绳索、链条、皮带绳索、链条、皮带等用于阻碍物体的运动时，都等用于阻碍物体的运动时，都称为柔体约束。称为柔体约束。 主要作用主要作用：只限制物体沿着柔体约束中心线离开柔体约：只限制物体沿着柔体约束中心线离开柔体约束的运动，而不能限制物体其他方向的运动。束的运动，而不能限制物体其他方向的运动。 约束反力方向：约束反力方向：通过接触点，沿着柔体约束中心线且为通过接触点，沿着柔体约束中心线且为拉力拉力，用，用FT T

17、 表示。表示。 FT W W O O 物体与其它物体接触，当接触面光滑，摩擦力很小可物体与其它物体接触，当接触面光滑，摩擦力很小可以忽略不计时，就是光滑接触面约束以忽略不计时，就是光滑接触面约束 主要作用主要作用：只限制物体：只限制物体垂直接触面垂直接触面指向约束的运动，指向约束的运动，而不能限制物体沿着接触面而不能限制物体沿着接触面公切线公切线离开约束的运动。离开约束的运动。 约束反力方向约束反力方向：通过接触点，沿着接触点的公法线方：通过接触点，沿着接触点的公法线方向指向被向指向被 约束物体约束物体, ,用用FN表示。表示。W AFNAo约束与约束反力 W Ao 圆柱铰链简称铰链，是由一个

18、圆柱形圆柱铰链简称铰链，是由一个圆柱形销钉销钉插入两个物体的圆孔中构成，插入两个物体的圆孔中构成，并且认为销钉和圆孔的表面都是光滑的并且认为销钉和圆孔的表面都是光滑的. 主要作用主要作用：销钉只能限制物体在垂直于销钉轴线平面内任意方向的：销钉只能限制物体在垂直于销钉轴线平面内任意方向的相对相对移动移动，而不能限制物体绕销钉的，而不能限制物体绕销钉的转动转动 . 约束反力方向：约束反力方向：沿接触面某点公法线过铰链的中心，但约束反力方向不沿接触面某点公法线过铰链的中心，但约束反力方向不能确定。为计算方便，铰链约束的约束反力常用过铰链中心两个大小未知能确定。为计算方便，铰链约束的约束反力常用过铰链

19、中心两个大小未知的正交分力的正交分力FCx、FCy来表示。来表示。 两端两端以以铰链铰链与其它物体连接与其它物体连接中间不受力中间不受力且且不计自重不计自重的的刚性直杆刚性直杆称链杆称链杆. .FNCFNBB A C B C 主要作用主要作用：只限制物体沿着链杆中心线的运动或离开：只限制物体沿着链杆中心线的运动或离开链杆的运动，而不能限制其他方向的运动。链杆的运动，而不能限制其他方向的运动。 约束反力方向：约束反力方向：沿着链杆中心线，指向未定，或为拉沿着链杆中心线，指向未定，或为拉力，或为压力，用力，或为压力，用FN表示。表示。 工程中将结构或构件支承在基础或另一静止构件上工程中将结构或构件

20、支承在基础或另一静止构件上的装置称为的装置称为支座支座。 支座就是约束。支座对它所支承的构件的约束反力，支座就是约束。支座对它所支承的构件的约束反力，也称也称支座反力支座反力。 支座特点支座特点：允许结构绕：允许结构绕A A转动，但不能移动。转动，但不能移动。 约束反力约束反力：通过铰：通过铰A A的中心，但指向和大小均未知。的中心，但指向和大小均未知。 用用圆柱铰链圆柱铰链把结构或构件与支座底板连接，并将底板把结构或构件与支座底板连接，并将底板固定在支承物上构成的支座称为固定在支承物上构成的支座称为固定铰支座固定铰支座。在固定铰支座下面加几个在固定铰支座下面加几个辊轴辊轴支承于平面上，就构成

21、可支承于平面上，就构成可动铰支座。动铰支座。 支座特点：支座特点：限制了杆件的竖向位移，但允许结构绕铰作限制了杆件的竖向位移，但允许结构绕铰作相对转动，并可沿支座平面方向移动。相对转动，并可沿支座平面方向移动。 约束反力：约束反力：作用点确定，即通过铰中心并与支承平面相作用点确定，即通过铰中心并与支承平面相垂直。垂直。把构件和支承物完全连接为一把构件和支承物完全连接为一整体整体，构件在固定端既不，构件在固定端既不能沿任意方向移动，也不能转动的支座称为固定端支座。能沿任意方向移动，也不能转动的支座称为固定端支座。 支座特点支座特点：既限制构件的移动，又限制构件的转动。所：既限制构件的移动，又限制

22、构件的转动。所以，限制了杆件的竖向位移，但允许结构绕铰作相对转动，以，限制了杆件的竖向位移，但允许结构绕铰作相对转动，并可沿支座平面方向移动。并可沿支座平面方向移动。 约束反力约束反力：包括水平力、竖向力和一个阻止转动的力偶。：包括水平力、竖向力和一个阻止转动的力偶。计算简图选择的原则：1、尽可能符合实际计算简图应能反映实际结构的主要受力和变形性能-2、尽可能简单计算简图要便于计算实际结实际结构构计算计算简图简图1、结构体系的简化2、杆件的简化3、结点的简化4、支座的简化5、材料性质的简化6、荷载的简化空间结构空间结构平面结构平面结构用其轴线表示，杆件之间的连接区用结点表示，杆长用结点间的距离

23、表示，荷载的作用点也转移到轴线上结点：杆件与杆件之间的相互连接处示例(3)组合结点示例可以传递力，也传递力矩被联结的杆件在联接处既不能相对移动，也不可绕中心相对转动(2)刚结点示例可以传递力，但不可以传递力矩被联结的杆件在联接处不能相对移动，但可绕结点中心相对转动(1)铰结点备注受力特征变形特征结点类型根据结点的构造和受力状态分为：变形特征：被联结的杆件在联接处不能相对移动，但可绕结点中心相对转动受力特征:可以传递力，但不可以传递力矩(1)铰结点刚结点变形特征：被联结的杆件在联接处既不能相对移动，也不可绕中心相对转动受力特征：可以传递力，也传递力矩组合结点部分刚结、部分铰结的结点组合结点结构与

24、基础的连接装置活动铰支座（滚轴支座）固定铰支座固定支座定向支座弹性支座支座的定义支座的定义支座的分类支座的分类Y滚轴支座用于大型钢桥用于中、小型结构活动铰支座（滚轴支座）辊轴支座摇轴支座约束作用：上部结构能沿支承面方向移动，且能绕铰心转动，但不能垂直于支承面移动支座反力（reactions at support ）：垂直于支承面方向沥青麻刀填充R（大小方向未知）XY铰支座与滚动较之作比较与滚动较之作比较固定铰支座约束作用：上部结构在支承处不能发生任何移动，但能绕铰心转动支座反力：通过铰心，方向和大小都是未知的，通常用两个确定方向的未知分反力来表示 固定支座约束作用：上部结构在支承处不能发生任何移动和转动支座反力：方向、大小和作用点都是未知的，通常水平和竖向分力及反力矩表示FAxFAy细石混凝土填充XYM固定端支座支座反力：限制移动方向上的反力了限制转动方向上的反力矩来表示FAy约束作用：上部结构在支承处不能发生转动和垂直于支承面方向的移动，但可沿支承面方向滑动弹性支座定向支座活动铰支座（滚轴支座）固定铰支座固定支座定向支座弹性支座连续的、均匀的、各向同性的、完全弹性的理想弹塑性材料常简化成集中荷载及线分布荷载。l例例1结构的计算简图举例例例2例例3细石混凝土填充 FP2 FP1 lFP2 FP1 横梁横梁ABAB和竖杆和竖杆CDCD由钢筋混由钢筋混凝土做成，