工程力学-第一讲

1、工程力学,主讲人：李荣涛 博士,大连大学建筑工程学院,2,推荐教材,理论力学(第7版) 哈工大主编 高等教育出版社,材料力学(第4版) 孙训芳主编 高等教育出版社,材料力学(第4版) 刘鸿文主编 高等教育出版社,3,第一章 工程力学基本概念,第一节 工程力学的主要任务,第二节 主动力与约束力、外力与内力的概念,第三节 荷载的分类,第四节 平面结构的支座与反力,第五节 杆系结构的分类,4,第一节 工程力学的主要任务,一、几个基本术语,1、构件: 组成建筑物的单个 组成部分，如梁、柱等；,2、结构: 由若干构件组成的体系，如房屋结构；,5,3、力: 物体间的相互作用；单位： N（牛）或 kN（千牛

2、）,4、力的三要素: 大小、方向、作用点；,6、荷载（载荷）: 直接施加在结构或构件上的各种力；,5、力系: 作用在物体上的一组力（一群力）；,比如：建筑物的屋面受到的力 屋面的自重 风、雨、雪的压力 施工荷载 梁、柱对屋面的支承力等,7、平衡:物体相对于地面保持静止或作匀速直线运动的状态 ；,6,二、构件的三项基本要求,1、强度：构件在外荷载作用下具有足够的抵抗破坏的能力,7,2、刚度：构件在外荷载作用下具有足够的抵抗变形的能力,3、稳定性：构件在外荷载作用下具有足够的保持原有平衡状态的能力,8,工程力学的主要任务是研究建筑结构及构件在荷载或其他因素（支座位移、温度变化等）作用下的工作状况，

3、可归纳为如下两个方面的研究内容：,三、工程力学的主要任务,1、力系的简化和平衡； 2、材料、构件和结构的强度、刚度和稳定性。,9,第二节 主动力与约束力、外力与内力的概念,主动力： 结构的自重、活荷载、风荷载、雪荷载、积灰荷载等,反力（约束力、约束反力）： 梁、柱对屋面的支承力,10,内力,F,外力： 外部物体对构件的作用力 ，包括荷载和反力。,内力： 在外力作用下，构件内部两相邻部分间的相互作用力。,外力,外力,11,第三节 荷载的分类,一、按荷载随时间的变化分类,1、永久荷载（恒载）： 在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化可以忽略不计。如：结构自重、土压力、预应力等。,2、可变荷载（

4、活载）： 在结构使用期间，其值随时间变化。如：屋面与楼面的活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、积灰荷载等。,3、偶然荷载： 在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大，且持续时间很短。如：爆炸力、撞击力、地震、台风等。,12,二、按荷载引起结构的反应分类,1、静力荷载（静力作用）： 不使结构或构件产生加速度或所产生的加速度可以忽略不计。如结构的自重、一般的活荷载等。,2、动力荷载（动力作用）： 使结构或构件产生不可忽略的加速度。如地震力、动力机械产生的振动荷载、高空坠物产生的冲击等。,13,三、按荷载作用面大小分类,1、均布面荷载： 建筑物楼面或墙面上分布的荷载(N/m2)。如：铺设的木地板、

5、地砖、花岗石、大理石面层等重量引起的荷载。均布面荷载Q的计算，可用材料的重度r乘以面层材料的厚度d，即可得出增加的均布面荷载值，Q=rd。,2、线荷载： 建筑物原有的楼面或屋面上的各种面荷载传到梁上或条形基础上时，可简化为单位长度上的均布荷载，称为线荷载q（N/m）。,3、集中荷载： 在建筑物原有的楼面或屋面上放置或悬挂较重物品（如洗衣机、冰箱、空调机、吊灯等）时，其作用面积很小，可简化为作用于某一点的集中荷载。,14,四、按荷载作用方向分类,1、垂直荷载： 如结构的自重、雪荷载等。,2、水平荷载： 如风荷载、水平地震作用等。,需要注意： 以上是从四种不同角度将荷载分为四类，但它们不是孤立无关

6、的，例如结构的自重，它既是永久荷载（恒载），又是均布荷载，也是静力荷载。,15,建筑结构荷载规范（GB 50009-2001）,16,例如1：计算构件的自重可根据尺寸和材料的容重进行计算。截面为200mm500mm的钢筋混凝土梁，长度为6m，查建筑结构荷载规范附录A可知，钢筋混凝土的容重为24-25kN/m3，通常取24kN/m3，则梁的自重为 240.20.56=14.4 kN。大致相当于1440kg。 例如2：住宅、办公楼、教室、幼儿园、医院病房等民用建筑的楼面活荷载标准值，规范规定为2 kN/m2；而食堂、餐厅、一般的资料档案室为2.5 kN/m2；商店、展厅、车站为3.5 kN/m2。

7、,建筑结构荷载规范（GB 50009-2001）,17,第四节 平面结构的支座与反力,支座：结构与基础或地面连接的装置（构造形式）。,18,活动铰支座,固定铰支座,19,一、活动铰支座（滚轴支座）,支座特点： 既允许结构绕铰A转动，又允许结构通过滚轴沿支座垫板水平方向移动，但是限制A点沿支承面的法线方向移动。,反力特点： 当结构受到荷载作用时，只有垂直于支承面的法向反力FN。,反力,20,二、固定铰支座,支座特点： 与活动铰支座不同之处，主要是最下部没有滚轴，因而支座不会有水平移动，只允许结构绕A铰转动。,反力特点： 当结构受到荷载作用时，支座在A点有水平反力FAx和竖向反力FAy 。,反力,

8、21,三、固定支座,支座特点： 结构的一端完全固定在另一个物体上，如墙面、地面等。此时支座限制了结构的水平、竖向移动和转动。,反力特点： 当结构受到荷载作用时，为了分析方便，其反力可简化为水平反力FAx、竖向反力FAy 和反力矩MA。,支座简图,22,第五节 杆系结构的分类,杆系结构：由若干杆件所组成的结构。,按照空间观点，杆系结构可分为平面杆系结构和空间杆系结构。,平面杆系结构根据其组成特征和受力特点可分为如下几种类型：,一、梁,以弯曲变形为主的杆件。,23,2、根据其支座的形式可分为简支梁、悬臂梁和外伸梁。,简支梁,悬臂梁,外伸梁,跨：梁在两支座间的部分；其长度则称为梁的跨长。,1、根据其

9、跨数可分为单跨梁和多跨梁。,单跨梁简图,多跨梁简图,24,二、拱,拱是曲线形的，并且在竖向荷载作用下支座将产生水平和竖向反力的杆件结构。,简图,25,三、刚架,刚架是由直杆组成，各杆主要受弯曲变形，结点大多数是刚性结点，也可以有部分铰结点。,26,四、桁（hng）架,桁架是由直杆组成，杆端用铰链相连接，荷载作用在节点上，各杆只产生轴力。,五、组合结构,这种结构中，一部分是桁架杆件只承受轴力，另一部分是梁或刚架杆件，即受弯杆件，由两者组合而成的结构。,27,1.掌握力与荷载的概念、荷载的分类。 2.理解工程力学的主要任务、约束及约束反力的概念、平面结构的支座与反力、杆系结构的分类。,本章教学要求

10、：,28,第二章 平面力系的平衡条件与内力计算,第一节 结构的计算简图和结构的受力分析,第二节 平面力系的平衡条件及应用,第三节 静定平面桁架的内力计算,第四节 单跨静定梁的内力计算,第五节 静定平面刚架的内力计算,第六节 物体的重心,29,第一节 结构的计算简图和结构的受力分析,一、结构的计算简图,在实际工程中的建筑物，其结构、构造以及作用的荷载，往往是比较复杂的。结构设计时，若完全严格地按照结构的实际情况进行力学分析，会使问题非常复杂甚至是不可能的，也是不必要的。因此，在对实际结构进行力学分析时，有必要采用简化的图形来代替实际的结构，这种简化了的图形称为结构的计算简图。,30,1、杆件的简

11、化,由于杆件的截面尺寸通常比杆件的长度小得多，在计算简图中，杆件用其轴线来表示。如梁、柱等用直线，曲杆、拱等用曲线。,梁简图,拱简图,2、支座的简化,常见支座的简图前面章节中已做过介绍。,活动铰支座,固定铰支座,固定支座,刚架简图,31,3、结点（节点）的简化,在杆件结构中，几根杆件相互联结处称为结点（或节点）。根据结构的受力特点和结点的构造情况，在计算中常将其简化为以下两种类型：,（1） 铰结点,铰结点的特点是它所联结的各杆件都可以绕结点自由转动。,木屋架的铰结点简图,木屋架的结点构造图,32,（2） 刚结点,刚结点的特点是当结构发生变形时，结点处各杆端之间夹角保持不变。,刚结点简图,钢筋混

12、凝土结构的某一结点构造图,4、荷载的简化,关于荷载的简化已在第一章第三节 荷载的分类中讨论过，实际结构构件受到的荷载，一般是作用在构件内各处的体荷载（如自重），以及作用在某一面积上的面荷载（如风荷载）。在计算简图中可把它们简化到作用在构件轴线上的线荷载，集中荷载和力偶。,33,二、结构的受力分析,工程力学的主要研究任务之一是研究结构的受力平衡问题。为此，首先要确定研究对象，然后分析考查它的受力情况，包括受了几个力、每个力的作用位置和作用方向，这个分析过程称为受力分析。最后，将结构的全部所受外力（主动力和约束力）用一幅简图表示出来，称为画受力图。,34,恰当地选取研究对象，正确地画出受力图，是分

13、析、解决工程力学问题的基础。 画受力图的具体步骤如下：,根据题意选取构件。将该构件从结构中假想地分离保留下来，其余部分假想地抛弃掉，画出其简图（称为取分离体）； 2.画作用于研究对象上的主动力，例如自重、各种荷载等； 3.画反力。根据之前介绍的各种支座类型画出其相应反力。,35,例题 1 外伸梁如图所示，A处为固定铰支座，B处为活动铰支座，搁在光滑的水平面上。在梁AD段上施加以垂直于梁的均匀分布的荷载，单位长度上承受的力为q(N/m)。在梁C处施加一集中力F。若梁自重不计，试画出此梁的受力图。,解： (1)取梁为研究对象，除去支座约束，并画出其简图。,(2)画主动力。有C处集中力F和均匀分布的荷载q。,(3)画反力。因A处为固定铰支座，其反力为水平XA和竖向YA。B处为活动铰支座，反力YB垂直支承面