第4章土木工程中的力学和结构概念

土木工程概论第4章土木工程中的力学和结构概念第4章土木工程中的力学与结构概念123、外力、内力和反力、荷载、作用和效应、结构和结构失效土木工程概论土木工程中的力学与结构概念土木工程要解决的问题之一是建造抵御自然或人为作用力的空间和通道，就必然会遇到大量的力学和结构问题。本章阐述土木工程中一些最基本的力学与结构概念。结构模型大赛建筑结构计算机建模土木工程概论1、外力、内力和反力力：是一种物体间有方向的相互作用；这种相互作用有使物体改变原来形状或改变运动方向的效应；力是既有量值又有方向的矢量。力矩：是力对物体产生绕某一轴转动作用的物理量，其大小等于力与力臂（力的作用线到该轴的垂直距离）的乘积；力矩在土木工程中习称弯矩。平衡：力矩既可顺时针方向转动，也可按逆时针方向转动，当两个方向转动效应之和为零时，称物体处于平衡状态。土木工程中的力学与结构概念土木工程概论思考：全桥弯曲下垂，说明桥身承有内力，桥身的上下承受什么力桥身两端固定处承受反力对任何一个土木工程的结构而言，力有外力、内力和反力之分。人体、重物的重力和木桥自重是外力1外力、内力和反力土木工程概论桥身承受扭曲倘若桥的两端曾可能被锯过又接了起来，当人拿着重物走上去，桥身必然像被剪切般地下落。现在桥身没有被锯，受力后完好无损，说明桥身还承受有剪切力。桥身承受剪切再如果将重物放在桥的一侧，全桥还将受到扭曲。1外力、内力和反力土木工程概论这些拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭曲就是桥身承受内力的结果。人和重物能静止地位于桥上，说明它的外力、反力和内力作用处于平衡状态。独木桥是最简单的例子，所有土木工程设施的结构，无论大小、重轻、厚薄（大如大桥、小如小木屋）都处于外力、内力和反力作用下的平衡状态。它承受的内力无非是下列5种以及它们的组合土木工程结构的5种内力特征：1外力、内力和反力土木工程概论土木工程结构就是通过5种内力的基本作用，将施加在结构上的力传递给地球（基础下的土层），基础给予结构的则是作用在结构基础上的反力。受剪发生剪切变形在土木工程中：拉力以＋N表示；压力以－N表示；弯矩以M表示；剪力以V表示；扭矩以MT表示。1外力、内力和反力土木工程概论2、荷载、作用和效应直接施加在土木工程结构上的外力是由荷载引起的。如果地球没有引力，自然界没有风吹、雨雪，荷载就不会存在，土木工程也就不需要结构。土木工程结构要有能抵御自然或人为的作用力的能力，因此，了解作用在结构上的荷载有哪些，其性质如何非常重要。作用与作用效应的基本概念作用分为直接作用：是指能使结构产生效应的各种原因的总称。土木工程中的力学与结构概念作用和间接作用。土木工程概论2.1荷载（直接作用）荷载是直接以力的形式作用于结构，如结构自重、行人或车辆的重量、风压力、土压力、水压力等。作用效应：作用在结构上产生的内力和变形的总称。能使结构产生作用效应的原因有两种：一种是施加在结构上集中力和分布力，如结构自重，作用于楼面的人群、家具、设备，作用于桥面的车辆、人群，施加于结构物上的风压力、水压力、土压力等，它们都是直接施加于结构上（直接作用），工程界习称为“荷载”；另一种是施加于结构上的外加变形或约束变形，如地震、基础沉降、材料收缩和徐变、温度变化引起结构产生作用效应，它们都是间接作用于结构（间接作用）。荷载是指直接作用在结构上的外加力。2荷载、作用和效应土木工程概论⑴恒载（永久荷载）指使用期间永久施加在结构上,其值不随时间变化的荷载。作用在工程结构上的恒载类型主要有：结构自重、墙面、地面、屋面、桥面以及2.1荷载(直接作用)建筑物内的固定装置等。楼板大梁楼面内隔断墙体及内装饰窗门土木工程概论⑵活载（可变荷载）：指在使用期间施加在结构上、其值可随时间变化或移动的荷载。作用在工程结构上的活载有多种类型，如：使用活载、移动的设备及车辆活载、风载、雪载等。①使用活载：包括楼面活载、屋面活载。2.1荷载(直接作用)家具家具家具人群可移动设备可移动设施土木工程概论桥梁上的汽车荷载T1、T2、T3、T4——汽车轴重；a、a1、b1、b2、c——车轴间距离车辆活载是一种移动式荷载②车辆活载：主要是铁路或公路车辆的荷载，包括工业厂房的行车（俗称天车）。工业厂房的行车2.1荷载(直接作用)土木工程概论W③风载：风是由大气压力不等引起的空气运动。由风的运动而施加在墙面或结构上的压力称为风载。风载有三个“不一样”：不同地区不一样（沿海、内陆）；同一地区不同时间不一样；同一房屋不同高度、不同部位不一样。2.1荷载(直接作用)土木工程概论风载0.22kNm2同处一区的18层高层建筑0.7kNm2北京郊区某5m高单层房屋迎风面2.1荷载(直接作用)土木工程概论2.1荷载(直接作用)土木工程概论均匀分布荷载作用三角形分布荷载作用集中荷载作用集中荷载的单位一般为KN，均布荷载的单位一般为KN/m或KN/m22.1荷载(直接作用)土木工程概论⑶偶然荷载在使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。如地震作用、爆炸力、台风、船只或漂流物等。佛山九江大桥被撞百米桥面坠入江中美国世贸中心大厦撞击起火倒塌2.1荷载(直接作用)土木工程概论震源、地震波、震中、震中距的关系地震释放的能量以地震波的形式传到地面，引起结构振动。结构由地震引起的振动称为地震反应，振动过程中作用在结构上的惯性力就是“地震荷载”。地震震级和地震烈度是两个不同概念，震级表示一次地震释放的能量的大小，烈度表示某地区遭受地震影响的强度。地震对结构施加的影响属间接作用，应把结构承受的“地震荷载”称为地震作用。2.1荷载(直接作用)土木工程概论2.2间接作用（间接荷载）除直接施加在结构上的外力（即荷载）外，还有一种因间接施加影响引起结构受力的作用。作用也使结构内部产生内力和变形。它们也以三类形式出现。⑴约束变形作用这种作用以温差作用为典型约束如一根钢梁，当环境气温为00C时长度为20m，当环境气温升高至350C时，钢梁会在内力作用下伸长2荷载、作用和效应土木工程概论土木工程中的构件因昼夜温差、季节性温差，每时每刻都在改变着形状和尺寸，当这种改变受到约束时，就会使结构受到内力效应。建筑物的温度裂缝2.2间接作用(间接荷载)土木工程概论内外柱高差达几十毫米现代高层房屋必须考虑这种温差内力效应。水泥路面在温差作用下起拱达90cm高层建筑外墙的温度裂缝钢结构构件在焊接时产生的作用也属温差作用2.2间接作用(间接荷载)土木工程概论⑵外加变形作用这种作用以地基不均匀沉陷为典型。土木工程结构构筑在地基上，地基土受力后总会产生不均匀沉陷，过大的不均匀沉陷会引起结构产生不小的内力，甚至可使结构开裂或倒塌。比萨斜塔就是由于地基不均匀沉陷而成为世界著名建筑！2.2间接作用(间接荷载)土木工程概论震施加给结构的力，即地震作用。地面运动时建筑物的相应运动⑶惯性作用以地震作用为典型。地震引起的地面运动会使土木工程结构在水平和竖向产生加速度反应。这种加速度反应值与土木工程设施本身质量的乘积就形成了地北川县底框建筑在惯性力作用下底层彻底垮塌2.2间接作用(间接荷载)地震作用是一种惯性力，它的大小与土木工程的质量、地震烈度和结构的动力特性相关。地震作用以水平方向为主。土木工程概论原因统称为“荷载”。按照国际通行做法和现行国家标准，“作用”泛指使结构产生内力、变形的所有原因，包括直接作用和间接作用；而“荷载”仅等同于施加于结构上的直接作用。5.12大地震北川县垮塌的建筑物和道路长期以来，我们习惯上将所有引起结构产生效应的2.2间接作用(间接荷载)但目前道路、桥梁、隧道设计的行业标准中，尚未引进“作用”代替“荷载”，仍沿用“荷载”一词表述引起结构产生效应的直接作用和间接作用。土木工程概论荷载和作用的分类人为因素地球物理因素爆炸力引起的作用地震荷载（作用）地基不均匀沉降引起的作用温差引起的作用风荷载雪荷载构配件自重机器振动引起的作用焊接引起的作用结构安装引起的作用撞击引起的作用使用荷载重力气象地质静载动载2荷载、作用和效应土木工程概论2.3应力、应变、弹性模量土木工程结构受力后，其构件将产生内力（平衡状态）和变形（其长度、形状将发生改变）。在产生拉力、压力、剪力、弯矩和扭矩内力的同时结构构件会出现5种基本变形的形式。拉伸压缩剪切扭转弯曲2荷载、作用和效应土木工程概论⑴应力为度量结构构件所发生内力的大小，我们将作用于单位面积上的内力强度称之为应力：pAσ=按照荷载作用的形式不同，应力又可分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力σ表示正应力或法向应力，τ代表剪应力或切应力。应力的单位是：N/mm2，即MPa2.3应力、应变、弹性模量ε=土木工程概论ΔbbΔLL,ε=⑵应变土木工程结构受力后，构件将发生变形，我们将单位长度上的变形量称之为应变：ε表示构件的纵向线应变，ε，代表构件的横向线应变。对于拉杆来说，ε为正，ε，为负；压杆则ε为负，ε，为正。2.3应力、应变、弹性模量土木工程概论成正比。Δ2Δ1=p2p1⑶弹性模量当力作用一物体时，物体有变形。当这个力移去后，物体又恢复原来的形状。物体所具有的这种特性，称之为弹性。材料在弹性状态，荷载与变形其应力与应变也成正比例关系，其比例系数E称为弹性模量。2.3应力、应变、弹性模量=Eσε土木工程概论当结构材料继续承受更大荷载时，移去荷载，有残余变形，变形不能恢复原状。称结构材料进入塑性阶段。1Δ3−Δ2Δ2−Δ1P3－P2P2－P2.3应力、应变、弹性模量材料进入塑性状态，荷载与变形不成正比。弹性模量是材料抗弹性变形的一个指标，其值越大，即材料的刚度越大。＜土木工程概论结构承受荷载为0→P2时，结构构件处于弹性状态；结构承受荷载为P2→P3时，结构构件处于塑性状态；＞P3P2~P30~P2结构承受荷载超过P3，将达其极限应力时，结构构件处于破坏失效状态。不同的结构材料弹、塑性是不同的。有塑性的材料称为塑性材料，如钢材、砼等，这类材料一旦出现塑性有发生破坏的预兆；反之称为脆性材料如石材、玻璃等。2.3应力、应变、弹性模量土木工程概论3.结构的构件：承受由荷载和作用在结构中产生内力的是结构的构件。结构的基本构件：1）板：有较大平面尺寸但厚度较小的平面构件，通常水平方向设置，承受垂直于板面的荷载，以受弯为主。3结构构件土木工程概论3结构构件以受弯为主2）梁：承受垂直于其纵轴方向的荷载的线形构件，其截面尺寸小于其长向跨度，以受弯和剪力为主。土木工程概论3结构构件土木工程概论3结构构件3）墙：受平行或垂直于墙面方向的竖向平面构件，其厚度小于墙面尺寸；前者以受压为主，后者以受弯矩或剪力为主。土木工程概论3结构构件土木工程概论3结构构件4）柱：承受平行于其纵轴方向荷载的直线形构件，其截面尺寸小于其高度，以受压力和弯矩为主。土木工程概论3结构构件土木工程概论3结构构件土木工程概论3结构构件6）杆：承受轴向力（拉力或压力）的直线形构件，截面尺寸比长度小得多，多用于组成桁架结构或网架结构。土木工程概论3结构构件土木工程概论3结构构件土木工程概论3结构构件土木工程概论3结构构件9）拱：承受沿其纵轴平面内荷载的曲线形（或折线形）构件，其截面尺寸小于其弧长（折线总长），以受压力、弯矩、剪力为主。土木工程概论3结构构件土木工程概论3结构构件10）壳：一种曲面形具有很好空间传力性能的构件，能以极小厚度覆盖大跨度空间，以受压力为主。索：以柔性受拉钢索组成的构件，直线或曲线形。膜：以薄膜材料（如玻璃纤维布）制成的构件，只能承受拉力。土木工程概论3结构构件土木工程概论3结构构件土木工程概论利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗水平荷载（如风荷载或水平地震荷载）的结构。墙体同时也可作为围护及房间分隔构件用。另外，在高层建筑中墙体结构也称为剪力墙结构。如图1.1（a）4建筑工程中的典型结构（按建筑物的结构体系分）4.1墙体结构4典型结构•采用梁、柱组成的框架作为房屋的竖向承重结构，同时承受水平荷载。其中，梁和柱整体连接，相互之间不能自由转动但可以承受弯矩时，称为刚接框架结构；如