建筑力学1

建筑力学第1章绪论1.1建筑力学的研究对象和任务建筑物和构筑物是人类生存和劳动所必需的空间，从古至今，人类经历了群居树上，到居住山洞、茅草屋的历史。随着技术进步和生产力的发展，建造了木屋、土屋和石屋，直至发展到今天的现代建筑。现代建筑的发展不仅仅能够满足人类生活和生产的基本目的，也是一个国家政治、经济和文化发展的标志。现代建筑的发展依赖于建筑力学和建筑材料科学的发展，从古代的赵州桥，采用石材，应用了拱的力学原理，到现代的北京“鸟巢”、目前世界第一高楼“台北101”等，采用钢材和混凝土材料，发展和应用了大型复杂结构的力学分析原理和方法，无一不体现了科技的进步和发展。建筑力学是研究建筑物或者构筑物（称为结构）及其组成部分（称为结构构件）力学性能的一门学科。在建筑物或构筑物中起骨架作用的物体称为建筑结构，组成建筑结构的基本部件有杆件、梁、板、柱子等，统称为构件，构件和结构起着承受力和传递力的作用。建筑物或构筑物按照其几何特征可以分成杆系结构、板壳结构和实体结构等几种类型。杆系结构是由若干杆件通过一定的方式连接起来组成的结构，杆件是在长度方向上远大于其横截面尺寸的结构构件，又分为曲杆和直杆，如图1-1所示。直杆图1-1l横截面b轴线曲杆横截面轴线h工程上常用的杆系结构有框架结构、桁架结构和网架结构。如图1-2所示。图1-2(a)广东科技中心网架（b）施工中的框架结构（c）某厂房屋架---桁架板和壳体都是厚度方向尺寸远小于长宽方向尺寸、宽而薄的构件。平面形状的构件称为板，曲面形状的构件称为壳，如图1-3（a）、（b）所示。tbaabc图1-3（）平板a（）壳体（）实体bc由板和壳体组成的结构称为板壳结构，一般钢筋混凝土建筑物的楼面结构为平板结构，一些特殊形体的建筑屋面如悉尼歌剧院的屋面、厂房的马鞍形屋面等都是壳体结构，如图1-4（a）、（b）所示。（a）某仓库平面楼盖（b）悉尼歌剧院图1-4块体结构是在长、宽和高三个方向都有一定相对接近的比例尺寸的结构，如图1-3（c）所示，这类结构在工程上用作堤坝、挡土墙、建筑物或构筑物的独立式、条带式基础和片伐式基础等，如图1-4（c）所示。abc（）实体c图1-3图1-4（c）三峡大坝所有的建筑物或构筑物都可能由石材、钢材、混凝土或者木材等固体建筑材料做成，每种材料具有不同的力学性能和承受荷载的能力。由这些材料建成的结构在外力（工程上将作用在结构或者构件上的外力称为荷载）作用下，或多或少都会产生变形。如果材料承受荷载的能力不够，结构或构件变形过大可能导致破坏，将不安全。因此，必须保证在设计荷载作用下，在建筑物使用期限内，结构处于能够正常使用的安全状态。结构设计是保证结构安全的重要措施，力学分析是结构设计的理论基础。结构物是否能够安全建成并且正常工作，取决于结构构件的力学性能、结构的几何组成是否合理，以及结构承受荷载的情况。在建筑物的设计和施工阶段，都需要对拟建的建筑物和构筑物进行力学分析。对于不同的构件和结构体系进行力学分析，所需要的力学知识的侧重面不同，深度和广度也不同。例如对于杆系结构的力学分析，采用建筑力学所涵盖的理论力学、材料力学和结构力学知识就可以进行分析，而对于板壳结构和块体结构，就还需要用到弹性力学或板壳理论进行力学分析。如果结构或构件在过大的荷载作用下产生塑性变形（即有不可恢复的残留变形），则需要采用塑性力学进行分析。建筑力学课程针对弹性杆状构件和杆系结构，分析用作结构构件的材料在荷载或其他影响因素（如温度变化、基础沉降等等）作用下的力学性能、建筑物或构筑物的几何组成、以及在荷载作用下结构的承载能力和变形状态。主要内容包括以下五个方面。1）常见工程结构体系的计算简图，常见荷载类型、约束类型及受力分析、力系合成（简化）与平衡的理论和方法。2）杆系结构的几何组成规律分析，合理的结构几何组成是保证所设计的杆件体系成为能够承受荷载的结构体系的必要条件。3）结构和构件的强度问题。强度是指结构构件或结构承受荷载和抵抗破坏的能力，与构件所用材料的力学性质、构件的截面几何形状和尺寸，以及所承受荷载的类型和大小有关。在讨论强度问题时，需要讨论材料的力学性质、截面的几何性质，构件的内力和应力等与强度有关的问题，以便在设计荷载确定后，设计构件的几何形状和尺寸。4）刚度问题刚度是指结构或构件抵抗变形的能力。满足强度条件可以保证结构在设计荷载作用下不致破坏，但如果结构或构件的变形过大，超过结构设计规范所规定的范围，就有可能会影响正常使用，因此，需要讨论构件的变形和应变，结构的位移等与刚度有关的问题，以便设计时控制变形和位移。5）稳定性问题稳定性问题是指构件在荷载作用下应该能够保持原有的稳定平衡状态。某些细长构件或结构在荷载作用下可能不能保持原有形状下的平衡，即丧失稳定性，产生失稳破坏，因此，有必要进行结构的稳定性分析。建筑力学的任务:通过研究结构的强度、刚度、稳定性；材料的力学性能；结构的几何组成规则，在保证结构既安全可靠又经济节约的前提下，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，为结构设计提供力学分析依据。1.2建筑力学的两种分析模型及基本假设1.2.1两种分析模型实际工程中采用各种不同的材料，建成形式多样的建筑结构物。这些结构物所承受的荷载和受到的其他影响因素都不尽相同，因此，对于实际工程结构若不加简化进行力学分析是相当复杂，甚至是不可能的。在力学分析中，首先需要对实际结构采用抽象化的方法，即根据所研究的不同问题，抓住主要的、起决定作用的因素，忽略次要的、偶然的因素，对实际结构进行科学的抽象化，根据分析侧重点的不同，建立力学分析模型。力学分析中，视所考虑的因素，主要有两种分析模型：刚体和变形体模型。刚体是指在运动中和受力作用后，形状和大小都不发生改变，而且内部各点之间的距离保持不变的物体。刚体是从实际物体抽象得来的一种理想化的力学模型，自然界中并不存在。实际上，任何物体在力的作用下都将发生变形，变形是物体的一个重要性质。如果物体的变形尺寸与其原始尺寸相比很小，在所研究的力学问题中，忽略这种变形后不会引起显著的误差时，就可以把这个物体抽象化为刚体，从而使所研究的问题得到简化。在进行力系的简化和平衡分析时，就可以先把结构或构件看成是刚体。当物体的微小变形在所研究的问题中转化为主要因素时，就不能再把此物体看做刚体，而必须视为变形体。例如需要分析结构或构件的内力和变形、强度、刚度和稳定性的问题时，变形成为主要因素，是所需要研究的基本性质之一，就必须把所分析的结构看成是可变形的固体，简称为变形体。1.2.2力学分析中的基本假设对实际工程中采用的材料进行完全真实的力学分析也是相当困难的，同样需要进行简化。为应用现有的数学演绎方法，在建筑力学分析中，对分析的材料常采用均匀连续性、各向同性假设、小变形假设和线弹性假设。均匀连续性假设：假设变形固体由同种性质的材料构成，在其整个体积内部毫无空隙地、连续地充满了同种性质的材料。采用了均匀连续性假设后，就可以在构件中截取任何微小部分进行分析，继而将结果应用于整体。同时，在分析中可以采用连续函数的数学演绎方法。各向同性假设：认为变形固体沿各个方向的力学性能均相同。在各个方向具有相同力学性能的材料称为各向同性材料，如果材料在不同方向上具有不同的力学性能，则称为各向异性材料。常用的工程材料中从微观上看都是各向异性的，但是像钢材、玻璃等材料从宏观上表现出各向同性性质，木材和一些种类的复合材料都是各向异性的材料。严格来说，混凝土也是各向异性的材料，但是，在结构分析中，对于浇筑很好的混凝土，为了计算简化而看成是各向同性材料。小变形假设：指实际工程中的构件在荷载作用下，其变形与构件的原尺寸相比通常很小，可以忽略不计，称这一类变形为小变形。采用小变形假设，分析变形固体的平衡问题时，就可以按照变形前的原始尺寸计算。不考虑变形，计算结果误差很小，可以忽略，但计算工作则大为简化。线弹性假设：是针对结构变形而言的。在荷载作用下，一般工程材料制成的构件都要产生变形。如果荷载不超过一定的范围，在荷载卸去后，构件能够恢复到原来的形状；如果荷载过大，则在卸载后，构件只能部分复原，而要残留一部分不能消失的变形。卸载后能够完全消失的那一部分变形称为弹性变形，而残留下来不能消失的那部分变形则称为塑性变形。线弹性假设是假设作用于变形固体上的外力与变形固体的弹性变形始终成正比例关系。由于许多结构构件在正常工作的条件下，其材料都处于线弹性变形状态，所以建筑力学研究的大部分问题都可以采用该假设。建筑力学研究均质连续、各向同性的结构和结构构件的线弹性、小变形的力学模型。1.3建筑力学的课程特点及其在建筑工程中的应用建筑力学是一门力学课程的分支，也是土木工程类专业的一门重要的专业基础课。学习建筑力学，掌握力学分析原理和计算方法，不仅可为后续的专业课程如钢筋混凝土结构、钢结构和建筑施工等课程提供力学基础知识，而且可为从事工程技术工作，解决一些常见工程中的力学问题，如简单构件的强度、刚度计算，施工中的一些力学问题等打下一定的基础。建筑力学课程的特点：理论推导概念性强、计算分析技巧性高、结合工程实际紧密，实践教学与理论教学并进。本课程的基本要求：掌握平面结构体系的平衡条件及分析方法和平面结构的几何组成规律，建筑结构和构件在各种条件下的强度、刚度、稳定性等方面的问题，掌握平面静定结构的内力分析和位移计算，平面超静定结构体系在各种条件下的受力分析方法和相应的近似分析方法。建筑力学实验课程：建筑力学课程实验是实践训练环节，通过实验课程，深化理论基础知识，培养独立分析问题和解决问题的能力。建筑力学在工程中应用：建筑力学知识在工程中应用广泛，从建筑物的设计到施工，以及在使用期间的维修加固等都需要用到建筑力学知识。从建筑物的设计开始，就需要应用建筑力学知识分析建筑物的受力、构件的强度、刚度和稳定性等等问题。在建筑施工中，脚手架的强度、刚度和稳定性问题是保障工人安全和施工正常进行的关键。建筑物在遭遇特大灾害后，如火灾或地震等，需要进行安全性评估鉴定，可用结构需要进行加固。例如，中国汶川5.12地震和日本3.11地震都造成大量建筑破坏，需要对破坏的建筑进行评估，破坏不太严重的需要加固，这些，都需要用到建筑力学的知识。建筑力学是土建类专业技术人员必备的专业基础知识。