《建筑力学》课件

建筑力学欢迎来到建筑力学课程！本课程将探索建筑结构如何抵抗各种力的作用，并保持稳定性和安全性。建筑力学是连接理论与实践的桥梁，它为我们理解从古老寺庙到现代摩天大楼的结构原理提供了基础。建筑力学发展简史古代起源建筑力学可追溯到古埃及和古罗马时期，当时工匠通过经验积累了初步的结构知识，如拱形结构的使用。文艺复兴时期达芬奇和伽利略等人开始系统研究结构力学，伽利略被认为是现代结构力学之父。现代发展建筑力学的研究对象建筑结构包括框架、墙体、楼板等承重构件的受力分析与设计。桥梁结构研究桥梁的荷载传递、应力分布及稳定性问题。塔型结构分析高耸结构的稳定性和风荷载响应。地下结构基本物理概念力的定义力是物体间的相互作用，可引起物体运动状态的改变或形变。在建筑中，主要研究重力、风力、地震力等作用。作用与反作用牛顿第三定律：作用力与反作用力大小相等、方向相反、作用在同一直线上。这是理解结构内力传递的基础。位移与变形力的分类及单位按作用方式分类集中力：作用在一点上的力分布力：沿线或面均匀分布的力体力：如重力，分布于整个体积在实际工程中，常将分布力简化为等效集中力进行计算，这种简化需考虑力的大小和作用位置。按性质分类静力：缓慢作用的力，如自重动力：快速变化的力，如地震力冲击力：瞬时作用的力力的合成与分解力的矢量性质力是矢量，具有大小和方向，可通过向量加法进行合成。平面汇交力系作用线相交的力系，可用三角形法则或平行四边形法则求合力。力的分解将一个力分解为沿指定方向的分力，常用于斜向力的分析。计算方法静力平衡与条件平衡的基本概念静力平衡指结构在外力作用下保持静止不动的状态。力平衡条件所有作用力的合力为零，即∑F=0。力矩平衡条件刚体的概念理想刚体无论受到多大的外力，形状和尺寸都不会发生变化的物体。这是力学分析中的理想假设，实际不存在。实际结构在外力作用下会产生变形，但变形通常较小，因此在许多情况下可简化为刚体分析。刚体简化分析结构的几何构型结构几何构型是指结构的空间形态和组成关系，它直接影响结构的受力性能和稳定性。工程师通过绘制结构简图来表达构件间的连接关系和支承条件，这是分析的第一步。典型受力结构类型拉压杆件主要承受轴向拉力或压力的细长构件，如桁架中的杆件。拉杆受力性能好，可充分利用材料强度；压杆则需要考虑稳定性问题。弯曲梁主要承受垂直于轴线的荷载，产生弯曲变形的构件。梁的上下缘分别承受压力和拉力，中部承受剪力，是建筑中最常见的受力构件之一。复杂结构材料的基本力学性能强度抵抗破坏的能力，是材料最基本的力学性能刚度抵抗变形的能力，影响结构的使用性能延性应力与应变基础正应力垂直于截面的应力，包括拉应力和压应力，单位为Pa（帕斯卡）。正应力是判断材料是否达到强度极限的重要指标。剪应力平行于截面的应力，使材料产生错切变形。在梁的腹板和连接节点处尤为重要，需特别关注。应变与变形胡克定律及适用范围应变应力(MPa)胡克定律是描述材料在弹性范围内应力与应变成正比关系的基本定律，表达式为σ=E·ε，其中E为弹性模量，单位为Pa。这一定律只适用于线性弹性范围，即材料卸载后能完全恢复原状的区域。弹性模量E是材料的固有特性，反映了材料的刚度。值越大，表示在相同应力下变形越小，材料越刚硬。钢材的E值约为210GPa，混凝土约为30GPa，木材约为10GPa。材料极限状态弹性极限材料仍能保持弹性变形的最大应力状态，超过此值将出现永久变形。屈服极限材料开始产生明显塑性变形的应力值，钢材设计中的重要参考指标。强度极限材料能承受的最大应力，超过此值将导致破坏。不同材料的破坏形式各异，如钢材拉断、混凝土压碎。材料力学实验方法试件制备按标准尺寸和形状制作材料试样。加载测试在万能试验机上进行拉伸、压缩或弯曲试验。数据采集记录荷载和变形数据，绘制应力-应变曲线。结果分析确定材料的弹性模量、屈服强度等参数。杆件轴向受力分析N轴向内力沿杆件轴线方向的内力，正值表示拉力，负值表示压力σ=N/A轴向应力轴向内力除以截面面积，均匀分布于截面ε=σ/E轴向应变在胡克定律范围内，应变与应力成正比ΔL=εL轴向变形应变乘以原长度，得到杆件的伸长或缩短量截面力与内力图截面力的定义截面力是指通过构件某一截面时，为保持平衡而在截面上产生的内力。主要包括轴力(N)、剪力(V)和弯矩(M)三种。在工程分析中，通常采用截面法确定构件内力，即将构件假想切开，通过平衡条件求解截面力。内力图的绘制内力图是表示构件各截面内力分布的图形，包括轴力图、剪力图和弯矩图。绘制内力图的步骤为：确定各支座反力选取特征截面建立内力函数绘制内力图静定结构的基本类型静定梁支座反力等于约束数，如简支梁、悬臂梁等。静定梁的特点是内力可直接通过平衡方程求解，不需考虑变形协调条件。静定桁架满足m=2j-3的平面桁架(m为杆件数，j为节点数)。静定桁架中各杆的轴力可通过节点平衡条件直接求解。静定框架约束数等于独立方程数的框架结构。静定框架的内力分析可采用截面法或整体平衡法进行。静定梁的受力分析简支梁两端简支约束，提供垂直支反力但无力矩约束。简支梁是最基本的静定结构，内力计算相对简单，应用广泛。典型的内力特点是跨中弯矩最大，支座处弯矩为零。悬臂梁一端固定，另一端自由的梁。固定端提供垂直反力和力矩约束。悬臂梁的特点是自由端内力为零，固定端内力最大，常用于阳台、挑檐等结构。简单连续梁跨越多个支座的梁，支座数比必要数多，属于超静定结构。连续梁能更均匀地分配内力，减小最大跨中弯矩，提高材料利用率，但计算较复杂。力矩与力矩平衡方程力矩定义力对点的力矩等于力的大小乘以力到点的垂直距离，即M=F·d力矩合成力系对点的总力矩等于各力对该点力矩的代数和力矩平衡结构平衡时，对任意点的力矩代数和必须为零，即∑M=0实际应用力矩平衡是求解支座反力和内力的基本方程剪切力与弯矩的关系微分关系物理意义应用示例dM/dx=V弯矩对长度的导数等于剪力剪力为零处，弯矩达到极值dV/dx=q剪力对长度的导数等于分布荷载强度均布荷载下，剪力图为斜线d²M/dx²=q弯矩对长度的二阶导数等于分布荷载强度均布荷载下，弯矩图为抛物线剪力与弯矩的微分关系是分析梁内力的基础。通过微分方程，我们可以从已知的荷载分布推导出剪力分布，再从剪力分布推导出弯矩分布。这种关系也可以图解说明：荷载图中，集中力在剪力图上表现为跃变，均布荷载表现为斜线；而在弯矩图中，集中力产生斜线，均布荷载产生抛物线。了解这些规律，可以快速绘制和校核内力图。桁架结构解析节点法节点法是分析静定桁架的基本方法，其步骤为：确定支座反力从只有两个未知杆力的节点开始分析利用节点平衡条件求解杆力依次分析其他节点节点法适用于杆件较少的桁架，计算过程清晰直观。截面法截面法适用于求解特定杆件的内力，步骤如下：确定支座反力选择适当的截面，使其通过需分析的杆件截面两侧任选一部分作为自由体列写平衡方程求解未知杆力截面法特别适合于分析大型桁架中的关键杆件。框架结构基础平面框架由梁和柱通过刚接节点连接形成的平面结构体系。平面框架主要承受垂直荷载和水平荷载，如重力、风荷载等。框架结构具有良好的空间刚度和抗侧移能力。空间框架由梁、柱在三维空间中连接形成的结构体系。空间框架能够抵抗各个方向的荷载，具有更高的整体性和稳定性。现代高层建筑多采用空间框架结构体系。节点与杆件框架中的节点通常为刚接，能够传递弯矩；杆件既承受轴力，也承受弯矩和剪力。这使得框架的内力分析比桁架更为复杂，通常需要考虑变形协调条件。梁的弯曲变形M/EI曲率弯矩与抗弯刚度的比值，反映变形的剧烈程度σ=M·y/I正应力弯曲时，截面上的正应力与距中性轴距离成正比σmax=M/W最大正应力W为截面模量，不同截面形状的W值不同τ=V·S/(I·b)剪应力剪应力分布遵循抛物线规律，中性轴处最大梁挠度计算梁的挠度是指在荷载作用下梁轴线的垂直位移。过大的挠度会影响结构的使用功能和美观，因此设计规范对各类结构都有挠度限值要求，通常为跨度的1/250至1/400。计算梁挠度的方法主要有直接积分法、叠加法和能量法。对于简单工况，可使用现成的挠度公式，如简支梁均布荷载时最大挠度f=5qL⁴/(384EI)。对于复杂工况，则需要通过微分方程或数值方法求解。单元力法与位移法基础单元力法（力法）以超静定结构中的多余约束为未知量，建立变形协调方程。2位移法以节点位移为未知量，建立平衡方程组。有限元法将结构离散为有限个单元，通过节点平衡和变形协调求解。超静定结构及其求解超静定结构判别约束数大于独立方程数的差值即为超静定度。力法基本思路释放多余约束，引入未知力，建立变形协调方程。位移法基本思路固定所有节点，引入未知位移，建立平衡方程。计算机辅助分析利用专业软件如ANSYS、MIDAS等进行复杂结构分析。结构稳定性简介稳定与失稳结构稳定是指结构在扰动作用下能够回到原平衡位置的能力。当外力超过某一临界值时，结构将失去稳定性，这种现象称为失稳。欧拉压杆失稳细长压杆在轴向力达到临界值时会发生弯曲失稳。欧拉临界荷载Pcr=π²EI/L²，其中L为计算长度，与支承条件有关。稳定性分析方法主要包括特征值法、能量法和动力法。特征值法求解临界荷载；能量法基于能量稳定原理；动力法通过振动特性判断稳定性。局部屈曲与整体失稳局部屈曲发生在结构的局部区域，如薄壁构件的翼缘或腹板。局部屈曲不一定导致结构整体失效，但会降低结构的承载能力和刚度。增加加劲肋或调整截面形状可以有效防止局部屈曲。整体失稳影响结构的整体稳定性，如高层建筑的侧向失稳或大跨度屋盖的整体坍塌。整体失稳通常是灾难性的，可能导致结构完全破坏。增强结构的整体刚度和设置必要的支撑系统是防止整体失稳的关键措施。预防措施稳定性设计需考虑多种因素，包括几何非线性、材料非线性和初始缺陷。现代结构设计普遍采用安全系数法，确保结构承载能力远高于临界状态，并通过构造措施增强稳定性。地震荷载与风荷载基本知识地震荷载地震荷载是由地震引起的结构附加惯性力，其特点是：作用时间短，强度变化大多方向作用，主要考虑水平分量与结构自重和质量分布有关计算基于设计地震加速度反应谱风荷载风荷载是由风对结构表面的压力引起的，其特点是：随高度增加而增大与结构形状和表面粗糙度有关存在脉动效应和涡激共振计算基于基本风压和风荷载体型系数建筑地震防灾设计建筑地震防灾设计是保障建筑在地震作用下安全的关键措施。设计原则包括"小震不坏、中震可修、大震不倒"的三级设防思想，以及"强柱弱梁、强节点弱构件"的抗震构造理念。常用的抗震结构形式包括框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构等。设计中需控制结构的自振周期、刚度比、质量比等参数，并设置适当的隔震或消能装置，提高结构的抗震性能。建筑结构的受力流线受力流线是描述荷载在结构中传递路径的可视化方法，通过流线可以直观地表现出内力分布和传递规律。理想的结构设计应使受力流线平滑连续，避免突变和集中。合理的受力流线设计能够提高结构的受力效率，减少材料用量，降低工程造价。在建筑结构设计中，应根据荷载性质和传递路径，合理选择结构形式和布置构件，使受力流线分布均匀，达到结构与形式的统一。常见结构体系分析对比框架-剪力墙体系框架提供良好的空间和灵活性，剪力墙提供侧向刚度。该体系结合了两者优点，适用于中高层建筑，具有良好的抗侧力能力和空间灵活性。框架承担主要竖向荷载，剪力墙抵抗水平荷载，形成合理分工。桁架结构由直杆构件通过铰接节点连接形成的结构体系，主要承受轴力。桁架结构重量轻、刚度大、跨度大，适用于屋盖、桥梁等大跨度结构。主要依靠杆件的拉压作用传递荷载，空间利用率高。网架结构网架是由杆件组成的空间网格结构，具有二维或三维空间受力特性。优点是整体性好、自重轻、刚度大，适合大型公共建筑的屋顶。荷载可沿多方向传递，具有冗余路径，安全性高。高层建筑结构力学现状典型高层结构受力机理现代高层建筑主要采用核心筒、筒中筒、巨型框架等结构体系，通过增强结构整体性和刚度来抵抗侧向荷载。结构受力分析重点是风荷载和地震作用下的侧向变形控制和舒适度保障。高效受力结构新发展参数化设计和拓扑优化技术使结构形态更加符合受力规律。阻尼器、调谐质量阻尼器等减震装置广泛应用。新型复合材料和高性能材料提高了结构的强度-重量比。计算分析技术进步高性能计算和人工智能技术推动了高层建筑的精细化分析。全生命周期性能预测和实时监测系统提升了高层建筑的安全性和可靠性。钢结构与混凝土结构异同钢结构混凝土结构预应力技术简介预应力原理预先施加压应力，抵消外荷载产生的拉应力，提高构件承载力1张拉过程通过千斤顶等设备对预应力筋施加拉力，产生预应力锚固系统利用锚具固定预应力筋，保持预应力效果应用优势减小构件截面，增大跨度，控制裂缝和变形4楼板与楼盖结构按受力方式分类单向板、双向板和无梁楼盖按材料分类混凝土楼板、钢楼板、组合楼板按施工方式分类现浇板、预制板、后张预应力板建筑基础结构力学地基基础类型独立基础：用于荷载较小的柱下条形基础：用于墙体和排列柱下筏板基础：整个建筑底部的大型平板桩基础：通过桩将荷载传至深层地基基础类型选择取决于上部结构荷载、地基条件和经济因素。基础受力分析基础结构需要承受上部结构传来的荷载，并将其均匀地传递到地基。受力分析主要包括：地基承载力验算沉降计算与控制基础结构内力分析抗浮稳定性验算地基基础的设计需考虑短期与长期性能，包括即时沉降和长期沉降。桁架与悬索结构桁架结构设计思路桁架设计的核心是实现力的轴向传递，避免弯曲。合理的节点设计和杆件布置能够使桁架在最小重量下获得最大刚度，是轻型大跨度结构的首选方案。悬索结构原理悬索结构利用索的拉力传递荷载，索受拉时具有极高的强度/重量比。常见于桥梁和大型屋盖，如悬索桥和张拉膜结构。索的形态遵循链线方程，能自动适应荷载分布。张拉膜结构张拉膜结构结合了索和膜的特点，形成轻质高效的空间结构。通过预张拉增强整体刚度，实现大跨度、自由曲面的建筑形态，广泛应用于体育场馆、展览中心等公共建筑。空间结构受力特点网壳结构曲面形态的空间桁架，如穹顶、球面网壳等。通过双层或单层杆件组成曲面体系，兼具强度和刚度，适合覆盖大型无柱空间。其受力特点是空间协同工作，荷载通过多路径传递。折板结构由平板沿一定角度折叠形成空间结构，构造简单，刚度高。折板通过面内剪力和弯矩传递荷载，折叠边起到加劲作用，能够跨越较大空间。常用于工业厂房和公共建筑屋顶。薄壳结构利用曲面形状提供刚度的薄壁结构，如圆柱壳、双曲抛物面壳等。主要通过膜力(面内拉压力)传递荷载，厚度远小于跨度，材料利用率极高。鸟巢、国家大剧院等标志性建筑都采用了薄壳结构理念。古建筑结构力学分析木构架受力特点中国古代木结构多采用榫卯连接，构成柔性结构体系。其特点是节点半刚性，具有一定变形能力，能够适应地基不均匀沉降和抵抗地震作用。屋顶重量大，使整体结构具有良好的稳定性。斗拱力学机制斗拱是中国传统木结构的核心构件，通过多层叠加的方式传递屋面荷载。斗拱不仅是装饰构件，更是重要的结构连接和过渡构件，能够分散集中荷载，增加结构阻尼，提高抗震性能。石拱桥结构中国古代石拱桥利用拱的压力线原理，将桥面荷载转化为拱圈的纯压应力。精湛的砌筑技艺和合理的拱形设计使这些古桥历经千年仍然坚固耐用，展现了古人对结构力学的深刻理解。新型建筑材料及发展超高性能混凝土抗压强度超过150MPa，具有优异的韧性和耐久性。通过优化颗粒级配和掺加纤维增强，大幅减小构件尺寸，适用于超高层建筑、大跨度结构和极端环境工程。纤维增强复合材料碳纤维、玻璃纤维等增强材料与树脂基体复合，形成轻质高强材料。强度高、重量轻、耐腐蚀，适用于结构加固和特殊环境。复合材料的各向异性特性可设计成特定方向的高强度。绿色建筑材料秸秆板、再生混凝土等环保材料兼具良好力学性能和环保特性。这类材料通常采用废弃物再利用或可再生资源，具有低碳环保、节能减排的特点，是建筑业可持续发展的重要方向。极端条件下的结构安全极端工况识别超强台风、大地震和爆炸等非常规荷载工况预防设计策略增加结构冗余度、韧性设计和性能化设计方法早期预警系统结构健康监测和灾害预警技术的综合应用灾后恢复能力自修复材料和快速修复技术的发展与应用结构设计中的安全系数1.2~1.4恒荷载分项系数考虑恒荷载的不确定性和变异性1.4~1.6活荷载分项系数反映人群、设备等可变荷载的随机性1.05~1.2材料强度分项系数考虑材料强度的离散性和衰减1.1~1.3重要性系数反映结构的使用功能和重要程度建筑力学建模与仿真物理建模物理建模是通过相似理论，按一定比例制作结构模型，在实验室条件下模拟真实结构的受力行为。常见的物理模型有：几何相似模型：研究变形和位移力学相似模型：研究应力分布动力相似模型：研究振动特性物理建模直观可靠，但成本高、周期长，现已逐渐被数值模拟替代。有限元分析有限元分析是当前最主要的结构数值模拟方法，其基本步骤包括：几何建模：建立结构的几何模型单元划分：将结构离散为有限个单元材料定义：指定各部分的材料属性边界条件：设置支承和约束条件荷载施加：定义各类作用荷载求解与后处理：计算并分析结果建筑力学与BIM技术结合力学参数集成BIM模型可包含构件材料、截面、荷载等力学参数，实现设计信息的一体化管理，避免因数据转换造成的信息丢失和错误。无缝协同设计建筑、结构、设备等各专业在统一平台协同设计，结构力学分析结果可即时反馈给建筑设计，促进结构与功能的优化整合。提升分析效率BIM与分析软件的双向链接，实现模型和计算的自动转换，大幅提高结构设计和分析效率，支持多方案快速比较和优化。全生命周期管理从设计、施工到运维的全过程力学性能监控和评估，实现基于BIM的结构健康监测和管理，提升结构安全性。结构监测与健康诊断传感器布置在结构关键位置安装应变、位移、加速度等传感器，形