河北工程大学 结构力学 第一章 绪论

1结构力学StructuralMechanics河北工程大学土木工程学院结构力学教研组周书敬郭延华2目录结构力学(I)第一章绪论第二章平面体系的几何构造分析第三章静定结构的受力分析第四章影响线第五章静定结构的位移计算第六章力法第七章位移法第八章渐近法3结构力学(II)第十章矩阵位移法第十三章结构的动力计算第十五章结构的塑性分析与极限荷载目录结构力学教程(I)、(II)龙驭球包世华主编龙驭球包世华匡文起袁驷编著高等教育出版社4第一章绪论§1-1结构力学的内容和学习方法§1-2结构计算简图5§1-1结构力学的内容和学习方法一、结构建筑物或构筑物中承受、传递荷载而起骨架作用的部分称为结构。如：房屋中的梁柱体系、桥梁、水坝等等都是工程结构的例子。结构的作用：起承受和传递荷载的作用。6万里长城中国万里长城是世界上修建时间最长，工程量最大的冷兵器战争时代的国家军事性防御工程，凝聚着我们祖先的血汗和智慧，是中华民族的象征和骄傲。秦始皇为了修筑长城动用了30万人，创造了人类建筑史上的奇迹。在建筑材料和建筑结构上以“就地取材、因材施用”的原则，创造了许多种结构方法。有夯土、块石片石、砖石混合等结构；在沙漠中还利用了红柳枝条、芦苇与砂粒层层铺筑的结构。有“山险墙、劈山墙、关城、烽火台”延续建筑达2000年。7天安门城楼天安门城楼大殿为重檐歇山式屋顶，天安门城楼为木结构建筑，大殿飞檐下令人眼花缭乱而又排列有序的斗拱和梁枋。斗拱为我国传统木构架体系中独有，是斗形木弓形横木组成的具有翘、昂、拱特点的木制构件。梁枋又分额枋、檐枋，斗拱下面是额枋，上面彩画和金龙图案，柱子之间的构件叫檐枋，会有金龙和玺图案。天安门城楼大殿内有60根直径为92厘米的红漆木柱，承受着屋顶建筑大部分重力。8国家大剧院9国家大剧院内部10国家大剧院内部11国家大剧院内部12国家大剧院中心建筑为独特的壳体造型，高46.68米，地下最深32.50米,周长达600余米，周围是面积达3.55万平方米的人工湖水面。1、6750吨钢梁架起中国第一大穹顶：壳体结构由一根根弧形钢梁所组成，是目前我国跨度最大的壳体钢结构建筑。如此巨大的钢架结构中间没有一根柱子支撑，重达6750吨的钢结构完全可以依靠自身的力学结构体系来保证安全稳定。它对壳体的整体稳定性、整体刚度和抗震、抗风荷载、抗雪荷载及拼接、安装等都有很高的技术要求。2、超深基础施工：地下最深达到32.5米，是目前北京地区公共建筑最深的地下工程。3、钛金属的安装：壳体表面钛板面积达3万平方米，由18398块钛金属板组成。由于是椭圆体、双曲面，所以每块钛板的形状，角度、弧度各不相同，加之钛金属板的厚度只有0.44毫米，因此对加工、制作、安装技术要求很高。4、石材全部国产：共使用了20多种天然石材。13三峡大坝2006年5月，全长2309米的三峡大坝全线建成，全线浇筑达到设计高程海拔185米，是世界上规模最大的混凝土重力坝。坝顶总长3035米，坝顶高程185米14印度泰姬陵陵墓主殿四角都有圆柱形高塔一座，特别的地方是每座塔均向外倾斜12度，若遇上地震只会向四方倒下，而不会影响主殿。印度泰姬陵是世界七大建筑奇迹之一15意大利比萨斜塔公元1174年动工，1350年完工，是8层圆柱形建筑。塔高54．5米，塔身墙壁底厚约4米，顶部厚2米多，从下而上，外围8重拱形券门，由底层15根圆柱，中间6层各31根圆柱，顶层12根圆柱，建成213个拱形券门而成。塔由于造基不慎，到第3层出现倾斜，被迫停建达一个世纪，后来继续施工。建成时，塔顶中心偏离垂直中心线2．1米。600多年以来，塔身继续而缓慢地倾斜，所以称为“斜塔”。16巴黎凯旋门凯旋门建成于1836年。它只有一个拱洞，上为桶形穹窿，高50米，宽45米。17埃菲尔铁塔18吉隆坡石油双塔19桥梁20赵州桥21青马大桥22旧金山大桥结构力与美的欣赏picture.ppt23二、结构分类（从几何角度分类）1.杆系结构钢结构梁、柱——由杆件长度l远大于横截面尺寸b、h的细长杆组成的结构。24埃菲尔铁塔252.板壳结构(薄壁结构)悉尼歌剧院——厚度远小于其长度和宽度的结构。26清华大礼堂273.实体结构(块体结构)长、宽、高三个尺寸相近的结构。三、结构力学研究的任务、对象和内容1、结构力学结构力学研究由细长杆件组成的平面杆系结构，如：梁、桁架、刚架、拱及组合结构等。(1)结构力学是固体力学的一个分支；(2)结构力学是以结构(建筑)为研究对象的。力学：固体力学、流体力学、空气动力学等。28固体力学：理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、岩体力学、断裂力学……。2、结构力学的任务(1)研究结构的组成规律和合理形式，合理选择计算简图。组成规律：保证结构各部分之间不发生相对运动，使结构能承受荷载，并且能够维持平衡。合理形式：有效利用材料，使其性能得以充分发挥。29(2)研究在静荷载作用下，结构的内力和变形的计算原理和方法；(3)研究在动荷载作用下，结构的动力反应(动内力、动位移)的计算原理和方法；(4)研究在静荷载作用下，结构的稳定性的计算原理和方法；(5)研究在静荷载作用下，结构的极限承载力的计算原理和方法；304.研究内容(1)平面杆件体系的几何构造分析；几何构造分析主要是讨论几何不变体系的组成规律，因为只有几何不变体系才能作为结构来使用。(2)承载能力的计算(结构选定后)；内力分析：FN(轴力)、FQ(剪力)、M(弯矩)；3、研究对象研究由细长杆件组成的平面杆系结构:梁、桁架、刚架、拱及组合结构等。31强度计算在于保证结构物使用中的安全性，并符合经济要求。变形计算：在弹性范围内。刚度计算在于保证结构物不会产生过大的变形从而影响使用。(3)动力反应：动荷载作用下的动内力和动位移(电机转动、地震等)。动力分析是研究结构的动力特性以及在动荷载作用下的动力反应----结构受到的地震力、结构的位移、速度、加速度及动内力等。32(4)稳定分析、塑性分析：结构变形进入塑性阶段以后的问题；稳定性验算在于保证结构不会产生失稳破坏。极限荷载的求解是为了充分发挥结构的承载能力，由讨论结构的弹性计算转变为塑性计算。(5)杆系结构的矩阵位移分析：适合电算的方法。335、结构力学与其它学科的关系结构力学是理论力学、材料力学的后续课程、属于专业(技术)基础课。在后续课程中，结构力学除与弹性力学性质相近外，又为钢筋混凝土结构、钢木结构、水工结构等专业课提供力学基础。各学科的任务：理论力学→讨论物体机械运动的基本规律；材料力学(结构力学、弹性力学)是研究单根杆件(杆系结构、实体结构和板壳结构)的强度、刚度和稳定性的计算原理和计算方法。34四、学习方法和注意事项首先，要充分认识到结构力学课程对本专业的重要性。1、学习方法(1)一定注意分析方法和解题思路，从具体问题的算法中学习分析问题的一般方法。如：从“已知→未知”；“整体→局部→整体”的方法。(2)认真听课、做好笔记，提高听课效果。35(3)多练，必须独立、高质量的完成作业。2、注意事项(1)切忌不看书、不复习、照例题埋头作习题；(2)切忌贪多求快、不求甚解；(3)切忌照答案凑数、不会自己校核；(4)切忌不改正错题、不接受教训。结构力学是一门古老的科学，其理论的经典部分几乎已经达到尽善尽美的程度，但它又是不断发展的科学，含义如下：36(1)新结构层出不穷→要求从理论和实践上加以解决；(2)计算机的发展→使结构力学获得了新生，提高了精度和适度；(3)各力学学科间互相渗透→扩展了计算原理和计算方法；(4)关于“优化设计”问题→电算产生以前提出的有可能解决的问题正逐步得到解决。37§1-2结构计算简图一、支座和支座反力1.固定支座AB模型工程实例把结构与基础联结起来的装置称为支座。38简图：特点：（1)杆端截面A不产生线位移和角位移；（2)杆端截面A有反力矩以及沿x、y方向的反力。xAFyAFAMAA392.固定铰支座特点：(1)杆端截面A无线位移，可以自由转动；(2)杆端截面A产生沿x、y方向的反力。模型AxAFyAFxAFyAFA403.辊轴支座（活动铰支座）特点：（1)杆端A产生垂直于链杆方向的线位移；（2)杆端A产生的支座反力沿链杆方向作用。AyAFA414.滑动支座（定向支座）特点：（1）杆端A无转角，不能产生沿链杆方向的线位移，可以产生垂直于链杆方向的线位移；（2）杆端A存在反力矩以及沿链杆方向的反力。模型AyAFAMAyAFAMA425、伸缩弹性支座yF特点：（1）只有竖向支座反力Fy；（2）竖向可有一定的弹性变形，可转动和水平移动。6、旋转弹性支座MxFyFyFxFMxFyFM43特点：（1）有支反力矩M、水平支反力Fx和竖向支反力Fy；（2）不允许竖向位移和水平位移，可有一定转角弹性变形。44二、几种杆系结构1.梁1）单跨梁超静定梁1（一端固定一端简支梁）静定梁（简支梁）超静定梁2（两端固定梁）超静定梁3（一端固定一端滑动梁）452）多跨梁静定多跨梁连续梁（超静定）梁的特点：梁的轴线通常为直线，在竖向荷载作用下，截面存在弯矩、剪力和轴力。462.刚架静定刚架超静定刚架刚架的特点：（1）刚架通常由梁和柱等直杆组成，杆件与杆件连结的结点多为刚结点；（2）荷载作用下杆件截面存在弯矩、剪力和轴力。473.拱拉杆拱拉杆无铰拱三铰拱HFHFPFVFVF拱的特点：（1)拱的轴线为曲线，在竖向荷载作用下支座有水平推力FH（见图)；（2)拱轴截面的轴力较大，弯距和剪力较小。484.桁架和组合结构静定桁架超静定桁架特点：桁架由直杆组成，所有结点都是铰结点，荷载作用于结点上，各杆只受轴力；49特点：组合结构则是由梁式杆和链杆组成，其中梁式杆以受弯为主，内力不仅有轴力，还有弯矩和剪力。按空间观点分为平面结构和空间结构。平面结构：各杆的轴线和外力作用线都在同一平面内；空间结构：各杆的轴线不在同一平面内。组合结构50三、荷载按计算特性分为静定结构和超静定结构。静定结构：杆件的内力(包括反力)可由平衡条件唯一确定；超静定结构：杆件的内力(包括反力)由平衡条件还不能唯一确定，而必须同时考虑变形条件才能唯一确定。荷载：主动作用于结构的外力(自重、水压力和土压力)。51广义荷载：还包括温度变化、基础沉陷、材料收缩等。荷载的确定是结构设计中极为重要的工作。荷载如果估计过大，则设计的结构会过于笨重，造成浪费；荷载如果估计过低，则设计的结构将不够安全。荷载可以根据不同特征进行分类：1、按荷载作用时间长短可分为：恒载：永久作用在结构上的荷载。如自重等。52活载：荷载有时作用在结构上，有时又不作用在结构上。如：楼面活荷载，雪荷载。2、按荷载作用位置可分为：固定荷载：作用位置不变的荷载，如自重等。移动荷载：作用在结构上的荷载位置是移动的，如吊车荷载、桥梁上的汽车和火车荷载。3、按荷载作用的性质可分为：静荷载：荷载的大小、方向、位置不随时间变化或变化很缓慢的荷载。恒载都是静荷载。53动荷载：荷载的大小、方向随时间迅速变化，使结构产生显著振动，结构的质量承受的加速度及惯性力不能忽略。化爆和核爆炸的冲击波荷载、地震荷载和风荷载等都是动力荷载。注意：车辆荷载、风载和地震荷载通常在设计中简化为静力荷载，但在特殊情况下要按动力荷载考虑。荷载的确定，常常是比较复杂的。荷载规范总结了设计经验和科学研究的成果，供设计时应用。54但在不少情况下，设计者需要深入现场，结合实际情况进行调查研究。才能对荷载作出合理的确定。四、线性变形体系若体系产生符合约束条件的微小连续变形，材料服从虎克定理，则该体系称为线性变形体系，可以用叠加原理求结构的内力和变形。1.微小连续变形变形与杆件尺寸相比很小，结构变形后几何尺552.材料服从虎克定律寸无变化，荷载位置及作用线不变，变形符合支座约束条件。即应力应变满足关系式：E