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1、1.1 基本受力状态 (The Basic Mechanical States),第1章 一些重要的结构概念 (Some Important Concepts of Structure),1.1 基本受力状态 (The Basic Mechanical States),1.2 材料对结构的影响 (The Effects of Material on Structure ),1.3 构件尺度的概念 (The Concepts of Members Dimension ),1.4 构件受力后的变形 (The Deformations of Member after Loading ),1.5 预应
2、力的概念 (The Concepts of Pre-stress ),轴心受拉 具有明显屈服点的钢拉杆，轴力作用下的应力可表达为 应力= N / A f 式中：N 轴力设计值；f 材料抗拉强度设计值； A 拉杆截面积。 目前，我国生产的高强钢丝强度已达1860 N/mm2，一根75钢绞线的截面积为139 mm2，而其最大负荷可达259 kN。新型碳纤维的抗拉强度高达3700 N/mm2 ，重量比钢材轻得多。,1.1 基本受力状态,拉、压、弯、剪、扭 Tension、Compression、Bending、Shear、Torsion,轴心受压 抗压承载力N 可表达为 N =A f 式中： N 压
3、杆的压力设计值； A 压杆截面积； f 材料抗压强度设计值； 是一个随杆件长细比增大而减小的强度折 减系数。,长细比为构件计算长度H0与回转半径 i 的比值。 即： = H0 / i 由力学知识： 式中： I 截面惯性矩； A 截面面积，常用环形、圆形、方形、 工字形、角钢和双角钢截面。 目前，我国已能生产C80(或C100)高强度商品混凝土, 轻质高强度混凝土的研究更有着广阔的前景。,拉、压、弯、剪、扭 Tension、Compression、Bending、Shear、Torsion,1.1 基本受力状态,弯、剪 在弯矩M 作用下，截面正应力的分布规律可表达为：= M y/ I 式中 M
4、截面上作用的弯矩； I 截面惯性矩； y 所求应力点离中和轴的距离。,弯、剪 剪应力沿截面高度的分布规律可表达为： =VS /（I b） 式中 V 截面剪力； I 截面惯性矩； b 截面宽度； S 所求应力点以上部分截面的静力矩。 无论从承载力或刚度考虑，适当提高截面惯性矩是合理的。,q,拉、压、弯、剪、扭 Tension、Compression、Bending、Shear、Torsion,1.1 基本受力状态,混凝土后压碎,纵筋先屈服,适筋梁破坏,混凝土横向剥离,1.1 基本受力状态,剪压破坏,拉、压、弯、剪、扭 Tension、Compression、Bending、Shear、Torsi
5、on,2019/10/27,6,1.1 基本受力状态,砌体结构和短柱在水平荷载作用下常常会发生剪切破坏。 下图为2008年“5.12” 四川汶川地震后映秀镇中学外墙的破坏 情况，窗间墙交叉裂缝为典型的剪切破坏裂缝。,1.1 基本受力状态,扭 受扭时由截面上成对的剪应力组成力偶来抵抗扭矩，截面边缘剪应力大，力臂也大；截面中间部分应力小，力臂也小。计算和试验研究表明，空心截面和外形相同实心截面的抗扭能力十分接近。 受扭构件以环形截面为最佳，方形、箱形截面也较好。例如，电杆，环形截面对抗扭是合理的。常见的受扭构件有：雨篷梁、阳台梁、框架边梁、吊车梁等。,拉、压、弯、剪、扭 Tension、Compr
6、ession、Bending、Shear、Torsion,1.1 基本受力状态 张拉索结构,（1)轴心受拉构件上每一点的材料的强度都被充分利用了，是最合理的受力状态。尤其对使用高强钢丝、钢丝束、钢绞线、碳纤维等抗拉强度很高的材料特别合理。目前悬索结构、悬挂结构日益广泛应用，就是应用了轴拉的合理受力状态。,上海南浦大桥,1.1 基本受力状态 张拉索结构,上海南浦大桥（主跨423m）,1.1 基本受力状态 张拉索结构,杨浦大桥 (主跨为 602 m ) 典型的斜拉索结构,1.1 基本受力状态 张拉索结构,北京 英东游泳馆斜拉索,1.1 基本受力状态 拱,(2)轴压也是很好的受力状态，尤其对像石材、
7、混凝土、砌体等抗压强度较高而抗拉很差的材料。这类材料一般可就地取材，价格较低。例如我国南方有许多古代石拱桥，就充分利用了石材抗压的特点，结构经济合理，造型美观。,1.1 基本受力状态 拱,苏州：寒山寺旁的石拱桥 下津桥,石拱,1.1 基本受力状态 拱,北京 革命军事博物馆 钢筋混凝土落地拱,1.1 基本受力状态,(3)弯和剪也是常见的受力状态，但无论沿构件纵向还是沿截面高度，材料强度的利用都不充分。但这种受力状态在工程中不可避免，选用合理的截面形式和结构形式就很重要。热轧或焊接工字钢作为受弯构件时，较厚翼缘主要承受弯曲正应力，较薄的腹板主要承受剪应力，与实体矩形截面相比，既节省了材料，也减轻了
8、自重。,对于较大跨度的梁，如果改用桁架，梁截面中的弯矩和剪力便改变为桁架杆件的拉、压受力状态,材料得以充分利用。桁架和梁相比，有效高度大，内力小，自重将减轻许多,因而也就可跨越更大的跨度。,1.1 基本受力状态,单向板肋梁楼盖结构（弯剪构件）,柱,次梁,主梁,单向板,1.1 基本受力状态,(4)扭转是对截面最不利的受力状态，但工程中很难避免。如雨篷梁、框架边梁、旋转楼梯、吊车梁等，都存在较大的扭矩，设计中应引起注意。 除了选用合理的截面形式外，更应注意合理的结构布置，尽量减少构件的扭矩。,2019/10/27,18,偏心轮压和吊车横向水平制动力都会产生扭矩 T,在静定结构中，扭矩是由荷载产生的
9、，可根据平衡条件求得，称为平衡扭转（Equilibrium Torsion）。,螺旋楼梯中扭矩也较大,1.1 基本受力状态,2019/10/27,19,框架结构楼盖,在超静定结构中扭矩是由于相邻构件的变形互相受到约束而产生的，称为约束扭转（Compatibility Torsion）。 例如：单向板肋梁楼盖中次梁的一端支承在边梁上，次梁在荷载下在支承处要发生转角，主次梁在节点处要变形协调，将迫使边梁扭转。,边梁中的扭矩值与节点处边梁的抗扭刚度及次梁的抗弯刚度的比值有关。边梁的抗扭刚度越大，其扭矩也越大；当边梁的抗扭刚度为无穷大时，次梁相当于嵌固在边梁中，此时的扭矩达到最大值。次梁的抗弯刚度越大
10、,则在节点处的转角越小，边梁的扭矩也越小。,边梁,边梁,1.1 基本受力状态,1.2 材料对结构的影响 (The Effects of Material on Structure ),第1章 一些重要的结构概念 (Some Important Concepts of Structure),1.1 基本受力状态 (The Basic Mechanical States),1.2 材料对结构的影响 (The Effects of Material on Structure ),1.3 构件尺度的概念 (The Concepts of Members Dimension ),1.4 构件受力后的变形
11、 (The Deformations of Member after Loading ),1.5 预应力的概念 (The Concepts of Pre-stress),1.2 材料对结构的影响,石板或素混凝土梁，由于其抗拉强度 ft 远小于抗压强度fc，即 ft fc ，当拉应力超过抗拉强度时梁就开裂破坏，破坏由 ft 引起。,木梁，由于天然木材有弯曲，切割成矩形木梁时木纹与梁轴不平行，而木材的横纹抗拉强度远小于顺纹抗拉强度,在主拉应力作用下,当主拉应力大于木材横纹抗拉强度 ft tr 时，就发生斜向撕裂。,钢管受弯，钢材的拉压强度是相同的，即fy = f y，但由于受压时可能引起较薄的管壁
12、局部失稳，当压应力超过fy时受压区局部屈曲而早于受拉区破坏。,1.2 材料对结构的影响 (一) 充分发挥材料特性,常用建筑材料的一些基本特性指标,西安大雁塔 建于公元 952 年，经历了一千多年的风风雨雨保留至今，反映了当时我国砌体结构的设计水平。,1.2 材料对结构的影响 (一) 充分发挥材料特性,大雁塔为砌体结构，塔身共七层，高 64 m，正方形底层尺寸为25 m25 m,底层墙厚达 9.15 m,中间只剩6. 7 m见方的有效空间。可见，从今天的眼光分析，用砌体建造高塔显然是不合理的。,1.2 材料对结构的影响 (一) 充分发挥材料特性,由于塔身巨大的自重及当地大量抽取地下水，使下部地基
13、不堪重负。据有关部门测定，自1985年6月至1992年10月，大雁塔下沉达585 mm,塔顶倾斜已达1 005 mm。有关部门正密切注意它的发展。,1.2 材料对结构的影响 (一) 充分发挥材料特性,1.2 材料对结构的影响 (二) 选用合理的截面形状及结构形式,用离心法生产的管柱作电线杆，无论抗弯、抗剪或抗扭都比较合理，光洁的表面既美观又耐久，基本上不用维护。,大一些的构件，例如拱形桁架，由于桁架外形与弯矩图相似，可使上、下弦杆内力沿全长几乎处处相同，使用等截面的弦杆比较经济合理，在满跨荷载作用下腹杆内力几乎为零。,1.2 材料对结构的影响 (二) 选用合理的截面形状及结构形式,又如平行弦桁
14、架中内力最大的杆件是支座斜腹杆，若采用钢结构，则应采用下斜式腹杆，此时支座斜腹杆为拉杆(见下图)。,如果是钢筋混凝土平行弦桁架，由于混凝土抗压很好，故应采用上斜式腹杆，此时支座斜腹杆为压杆。,拉杆,压杆,1.2 材料对结构的影响 (三)采用组合结构,(a)钢木桁架； (b)拉杆三角形拱屋架； (c)钢梁、压型钢板和现浇混凝土板组成的组合楼盖； (d)钢筋混凝土结构； (e)悬索结构屋面与钢筋混凝土边拱(或框架)； (f)其他组合结构等。,钢筋混凝土梁,钢拉杆,1.2 材料对结构的影响 (三)采用组合结构,以三铰拱屋架为例，上弦不仅是三铰拱的压杆，同时承受非节点作用的屋面荷载，因此，斜梁要承受较
15、大的弯矩。 如果在节点构造上稍作处理，做成偏心节点，则可大大减小跨中弯矩(如右图所示)，甚至可减小一半。这仅是一个小例子，可见在组合结构方面还有许多潜力，有待深入研究。,偏心铰,1.2 材料对结构的影响 (四)利用三向应力状态提高材料的强度和延性,(a)网状配筋砌体; (b)螺旋钢箍柱 ( Spiral Reinforced columns ) ; (c)钢管混凝土（Concrete-Filled Steel Tubular ); (d)后张预应力混凝土结构预应力筋锚头附近，设横向钢筋网或螺旋钢筋; (e)抗震结构梁、柱节点附近要加密钢箍。 应当指出，三向受压状态提高的是材料的抗压强度，因此，
16、对偏心受压或长细比较大构件不适用，因为此时构件破坏往往是由稳定或抗拉强度控制。,钢管混凝土 受压试件 破坏形态 虽然钢管局部变形很大，剖开钢管可以看到内部混凝土基本没有破碎，可见三向应力状态下混凝土材料的延性大大提高。,1.2 材料对结构的影响 (四)利用三向应力状态提高材料的强度和延性,1.3 关于构件尺度的概念 (The Concepts of Members Dimension ),第1章 一些重要的结构概念 (Some Important Concepts of Structure),1.1 基本受力状态 (The Basic Mechanical States),1.2 材料对结构的影响 (The Effe
