结构力学第一章

1、123456准备工作准备工作确定结构确定结构方案方案明确结构布置明确结构布置选择结构计算选择结构计算简图简图结构分析和设结构分析和设计计算计计算结构设计说明结构设计说明结构设计计算书结构设计计算书结构设计图纸结构设计图纸建筑结构设计步骤结构力学荷荷载载计计算算结结构构内内力力分分析析荷荷载载效效应应组组合合构构件件截截面面设设计计构构造造要要求求71.1.性质性质 结构力学是土木工程专业的一门重要的结构力学是土木工程专业的一门重要的专业基础课专业基础课，在整个，在整个土木工程专业知识理论体系中起着承前启后的核心作用。土木工程专业知识理论体系中起着承前启后的核心作用。几何组成分析几何组成分析静定

2、结构内力计算静定结构内力计算静定结构位移计算静定结构位移计算超静定结构内力计算超静定结构内力计算基本方法基本方法工程使用工程使用力矩分配法（手算）力矩分配法（手算）2.2.内容内容矩阵位移法矩阵位移法（电算）（电算）（力法、位移法）（力法、位移法）8大学课程体系大学课程体系理论基础课：理论基础课：高数、线代、大学物理等等高数、线代、大学物理等等专业基础课：专业基础课：工程力学、结构力学、工程材料工程力学、结构力学、工程材料专业课：专业课：混凝土结构设计、钢结构设计、桥梁混凝土结构设计、钢结构设计、桥梁工程工程93.3.课程特点课程特点a.a.内容连贯，章节衔接紧密。内容连贯，章节衔接紧密。b.

3、b.逻辑性强，计算方法技巧性要求高。逻辑性强，计算方法技巧性要求高。c.c.计算量大，对微分方程、线性代数等数学课程的依赖性大。计算量大，对微分方程、线性代数等数学课程的依赖性大。d.d.承前启后，对后续课程学习至关重要。承前启后，对后续课程学习至关重要。 4.4.学习目标学习目标能力培养能力培养a.a.分析能力分析能力b.b.计算能力计算能力c.c.自学能力自学能力d.d.表达能力表达能力10a.a.由于内容连贯性强，切勿欠账，每学完一章后，应由于内容连贯性强，切勿欠账，每学完一章后，应及时复习，切实掌握。及时复习，切实掌握。b.b.加强对基本概念、结构内力分析思路的理解与掌握，加强对基本概

4、念、结构内力分析思路的理解与掌握，熟记部分基本结构的内力分布规律。熟记部分基本结构的内力分布规律。c.c. 认真预习，及时复习巩固知识，主动答疑，按时认真预习，及时复习巩固知识，主动答疑，按时独立完成作业。独立完成作业。5 5. .学习方法学习方法认真听认真听 勤练习勤练习 多动手多动手11基本内容基本内容 1.结构力学的研究对象和任务； 2.结构计算简图的选取原则、要求及其主要简化内容； 3.平面杆系结构的分类。重点重点 结构力学研究的对象和任务；杆件结构的计算简图结构力学研究的对象和任务；杆件结构的计算简图。难点难点 结构计算简图的选取结构计算简图的选取。121.1 1.1 结构力学的研究

5、对象和任务结构力学的研究对象和任务 1 1） 结构及其分类结构及其分类 建筑物或构筑物中承担荷载、传递荷载并起骨架作用的建筑物或构筑物中承担荷载、传递荷载并起骨架作用的部分，都可称为结构。部分，都可称为结构。 上海金茂大厦上海金茂大厦(右右)和国际金融中心和国际金融中心(左左) 南京长江大桥南京长江大桥 13长江三峡大坝长江三峡大坝 国家大剧院国家大剧院 14北京奥运会主北京奥运会主体育馆体育馆(鸟巢鸟巢) 上海世博会上海世博会中国国家馆中国国家馆 15结构按其几何特征通常分为以下三类：结构按其几何特征通常分为以下三类： (1) 杆件结构杆件结构 杆件结构是由杆件或若干杆件相互连接组成。杆件结

6、构是由杆件或若干杆件相互连接组成。 lbh 其长度其长度l比截面宽度比截面宽度b和厚度和厚度h大得多（大得多（杆件的截杆件的截面尺寸面尺寸长度尺寸长度尺寸）。）。16结构按其几何特征通常分为以下三类：结构按其几何特征通常分为以下三类： (2)板壳结构板壳结构 薄壁结构又称为板壳结构。板壳构件的厚度薄壁结构又称为板壳结构。板壳构件的厚度h要比长、宽两个尺度小得多。要比长、宽两个尺度小得多。 lbhh(a)(b)平板平板 壳体壳体 17(3) 实体结构实体结构 实体结构是由长、宽、厚三个尺度大致相当的实体结构是由长、宽、厚三个尺度大致相当的块体组成的结构。块体组成的结构。 挡土墙挡土墙 结构按其几

7、何特征通常分为以下三类：结构按其几何特征通常分为以下三类： 18模型：客观存在的一种理想化近似。模型：客观存在的一种理想化近似。研究平面几何时，研究平面几何时，点点线线面面牛顿力学：研究物体的运动，把物体等效于质点，牛顿力学：研究物体的运动，把物体等效于质点，也质点力学。也质点力学。理论力学：研究刚体的运动，刚体也是一种近似。理论力学：研究刚体的运动，刚体也是一种近似。材料力学材料力学物理方面：可变形的固体物理方面：可变形的固体几何方面：等截面的直杆几何方面：等截面的直杆杆件力学杆件力学2） 结构力学的研究对象和任务结构力学的研究对象和任务192） 结构力学的研究对象和任务结构力学的研究对象和

8、任务 结构力学的研究对象是杆系结构，即主要研究杆结构力学的研究对象是杆系结构，即主要研究杆系结构在荷载作用下，其内力和变形的计算问题。系结构在荷载作用下，其内力和变形的计算问题。 具体任务包括以下三个方面：具体任务包括以下三个方面：研究结构的组成规律、合理形式以及结构计算简图的选择研究结构的组成规律、合理形式以及结构计算简图的选择。研究结构的内力和变形的计算方法，以便进行结构强度和研究结构的内力和变形的计算方法，以便进行结构强度和刚度的验算。刚度的验算。研究结构的稳定性以及在动力荷载作用下的反应。研究结构的稳定性以及在动力荷载作用下的反应。20 进行强度、稳定性计算的目的，在于保证结构满足安全

9、进行强度、稳定性计算的目的，在于保证结构满足安全和经济的要求。计算刚度的目的，在于保证结构不至于发生和经济的要求。计算刚度的目的，在于保证结构不至于发生过大的变形，以至于影响正常使用。研究组成规律的目的，过大的变形，以至于影响正常使用。研究组成规律的目的，在于保证结构各部分之间不至于发生相对的刚体运动，而能在于保证结构各部分之间不至于发生相对的刚体运动，而能承受荷载维持平衡。探讨结构的合理形式，是为了有效的利承受荷载维持平衡。探讨结构的合理形式，是为了有效的利用材料，使其性能得到充分发挥。用材料，使其性能得到充分发挥。211.2 杆件结构的计算简图杆件结构的计算简图 1）计算简图及其选择原则）

10、计算简图及其选择原则 a.计算简图计算简图将实际结构作适当的简化，抓住主要矛盾，将实际结构作适当的简化，抓住主要矛盾，忽略次要因素，得到一种能够基本反映实际结构的受力状态，忽略次要因素，得到一种能够基本反映实际结构的受力状态，并代替原结构的并代替原结构的“简化图形简化图形”。能反映结构的实际受力特点及变形性能。能反映结构的实际受力特点及变形性能。保留主要因素，略去次要因素，便于分析计算。保留主要因素，略去次要因素，便于分析计算。b.选取结构计算简图原则选取结构计算简图原则： 实际工作中，计算简图的确定要经过实验、实测和理实际工作中，计算简图的确定要经过实验、实测和理论分析，并要经过多次实践的检

11、验。论分析，并要经过多次实践的检验。22c.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： 结构的重要性结构的重要性 ： 重要结构重要结构精；精；静力计算静力计算精；精；次要结构次要结构粗；粗；设计阶段：设计阶段：初步设计初步设计粗；粗；技术设计技术设计精；精；计算问题的性质：计算问题的性质：计算工具：计算工具： 先进先进精；简陋精；简陋粗。粗。动力计算动力计算粗；粗；232）计算简图的简化要点）计算简图的简化要点 应从以下几方面进行简化应从以下几方面进行简化 (1) 结构体系的简化结构体系的简化 杆件结构有平面结构和空间结构两杆件结构有平面结构和空间结构两大类，实际工程结构大部分都

12、是空间结构，在大多数情况大类，实际工程结构大部分都是空间结构，在大多数情况下，常可忽略一些次要的空间约束而将其分解为平面结构，下，常可忽略一些次要的空间约束而将其分解为平面结构，使计算得到简化。本书主要讨论平面杆件结构的计算问题。使计算得到简化。本书主要讨论平面杆件结构的计算问题。24(2) 杆件的简化杆件的简化不论是直杆或曲杆均可用其轴线（截面不论是直杆或曲杆均可用其轴线（截面形心的连线）表示。形心的连线）表示。 25(3) 结点的简化结点的简化 刚结点：刚结点的特点是汇交于结点的各杆端之间不能刚结点：刚结点的特点是汇交于结点的各杆端之间不能发生相对转动，各杆间可相互传递力和力矩。发生相对转

13、动，各杆间可相互传递力和力矩。 刚结点刚结点26铰结点：铰结点： 铰结点的特点是汇交于结点的各杆端可以绕结点自由转铰结点的特点是汇交于结点的各杆端可以绕结点自由转动，各杆间可相互传递力，但不能传递力矩。动，各杆间可相互传递力，但不能传递力矩。 (a)(b)组合结点：组合结点： 123A 在同一结点上，某些杆件相互刚在同一结点上，某些杆件相互刚结，而另一些杆件相互铰结，则称为结，而另一些杆件相互铰结，则称为组合结点。组合结点。 27(4) 支座的简化支座的简化活动铰支座活动铰支座它允许结构绕铰它允许结构绕铰A转动和沿支承平面方向移转动和沿支承平面方向移动，但动，但A点不能沿垂直于支承面的方向移动

14、。点不能沿垂直于支承面的方向移动。 FAyAA(a)(b)固定铰支座固定铰支座简称为铰支座，它允许结构绕铰简称为铰支座，它允许结构绕铰A转动，转动，但但A点不能沿水平或竖向移动。点不能沿水平或竖向移动。 (a)A(b)FAyAAxF(c)FAxFAyA28固定支座固定支座这种支座不允许结构在支承处发生任何方向的这种支座不允许结构在支承处发生任何方向的移动和转动。移动和转动。 AFAxFAyAM(a)(b)定向支座定向支座定向支座又称滑动支座，结构在支承处不能定向支座又称滑动支座，结构在支承处不能转动，不能沿垂直于支承面的方向移动，但可沿支承面方向转动，不能沿垂直于支承面的方向移动，但可沿支承面

15、方向滑动。滑动。 (a)(c)MAxFAAAyFMAA(b)29 弹性支座弹性支座如果在结构计算中，需要考虑支座本身的变形如果在结构计算中，需要考虑支座本身的变形时，则这种支座称为弹性支座。弹性支座又分为抗移动弹性支时，则这种支座称为弹性支座。弹性支座又分为抗移动弹性支座和抗转动弹性支座。座和抗转动弹性支座。 AMAyFFAxAyFAA(a)(b)kk(5) 材料性质的简化材料性质的简化(6) 荷载的简化荷载的简化荷载简化为作用在杆件轴线上的力，祥见以下讨论。荷载简化为作用在杆件轴线上的力，祥见以下讨论。 为了简化计算，通常假设材料为连续的、均匀的、各向同性为了简化计算，通常假设材料为连续的、

16、均匀的、各向同性的、完全弹性或弹塑性的。的、完全弹性或弹塑性的。 303）荷载的分类）荷载的分类(1) 按照荷载作用时间的长短分：按照荷载作用时间的长短分：恒载恒载： 永久作用在结构上的不变荷载，如结构自重、固定设永久作用在结构上的不变荷载，如结构自重、固定设备、土压力等。备、土压力等。活载活载 ：暂时作用在结构上的可变荷载，如临时设备、人群、：暂时作用在结构上的可变荷载，如临时设备、人群、风力、水压力、移动的汽车和吊车等。风力、水压力、移动的汽车和吊车等。(2) 按照荷载的分布情况分：按照荷载的分布情况分：集中荷载集中荷载 ：当荷载的分布面积远小于结构的尺寸时，则可认：当荷载的分布面积远小于

17、结构的尺寸时，则可认为此荷载是作用在结构的一个点上，称为集中荷载。集中荷载为此荷载是作用在结构的一个点上，称为集中荷载。集中荷载有集中力和集中力偶两种。有集中力和集中力偶两种。分布荷载分布荷载 当荷载的分布面积较大时，即是分布荷载。分布荷当荷载的分布面积较大时，即是分布荷载。分布荷载又可分为均匀分布荷载、线性分布（如三角形或梯形分布）载又可分为均匀分布荷载、线性分布（如三角形或梯形分布）荷载等。荷载等。31(3) 按照荷载作用的性质分：按照荷载作用的性质分：静力荷载静力荷载： 其大小、方向和位置不随时间而变化或变化极为其大小、方向和位置不随时间而变化或变化极为缓慢，不会使结构产生显著的振动，因

18、而可略去惯性力的影响。缓慢，不会使结构产生显著的振动，因而可略去惯性力的影响。恒载以及只考虑位置改变而不考虑动力效应的移动荷载都是静恒载以及只考虑位置改变而不考虑动力效应的移动荷载都是静力荷载。力荷载。动力荷载动力荷载 ：随时间迅速变化的荷载，使结构产生显著的振动，：随时间迅速变化的荷载，使结构产生显著的振动，因而惯性力的影响不能忽略。如往复周期荷载（机械运转时产因而惯性力的影响不能忽略。如往复周期荷载（机械运转时产生的荷载）、冲击荷载（爆炸冲击波）和瞬时荷载（地震、风生的荷载）、冲击荷载（爆炸冲击波）和瞬时荷载（地震、风震）等。震）等。 除荷载外，还有其他一些因素也可以使结构产生内力除荷载外

19、，还有其他一些因素也可以使结构产生内力和位移，例如温度变化、支座沉陷、制造误差、材料胀缩和位移，例如温度变化、支座沉陷、制造误差、材料胀缩等。从广义上来说，可将这些因素视为广义荷载。等。从广义上来说，可将这些因素视为广义荷载。 324）结构计算简图举例）结构计算简图举例例例1.1 图示为一根两端图示为一根两端搁在墙上的梁，其上搁在墙上的梁，其上放一重物，现确定梁放一重物，现确定梁的计算简图。的计算简图。 b/2b/2bbl0gPF(a)(b)lb/2b/2bbl0gPF(a)(b)l331.3 平面杆件结构的分类平面杆件结构的分类 结构的分类，实际上是指结构计算简图的分类结构的分类，实际上是指

20、结构计算简图的分类。 1）按受力和变形特性分）按受力和变形特性分（1）梁梁 梁是一种受弯构件，其轴线通常为直线。梁有单跨的梁是一种受弯构件，其轴线通常为直线。梁有单跨的和多跨的。其内力一般有弯矩和剪力，以弯矩为主。和多跨的。其内力一般有弯矩和剪力，以弯矩为主。 34简支梁悬臂梁多跨静定梁超静定梁曲梁35（2）刚架）刚架 刚架由梁和柱组成，结点多为刚结点。其内力一刚架由梁和柱组成，结点多为刚结点。其内力一般有弯矩、剪力和轴力，以弯矩为主。般有弯矩、剪力和轴力，以弯矩为主。 (c)(a)(b)36（3）拱）拱 拱的轴线为曲线，且在竖向荷载作用下会产生水拱的轴线为曲线，且在竖向荷载作用下会产生水平反

21、力（推力）。这使得拱内弯矩和剪力比同跨度、平反力（推力）。这使得拱内弯矩和剪力比同跨度、同荷载的梁的要小。其内力以压力为主。同荷载的梁的要小。其内力以压力为主。 (b)(a)(c)37（4）桁架）桁架 桁架由直杆组成，所有结点都为理想铰结点。桁架由直杆组成，所有结点都为理想铰结点。当仅受结点集中荷载作用时，其内力只有轴力（拉当仅受结点集中荷载作用时，其内力只有轴力（拉力和压力）。力和压力）。 38（5）组合结构）组合结构 组合结构是由只承受轴力的桁杆和主要承受组合结构是由只承受轴力的桁杆和主要承受弯矩的梁杆（梁或刚架杆件）组成的结构，其中弯矩的梁杆（梁或刚架杆件）组成的结构，其中含有组合结点含有组合结点 。392）按计算特性分