258编号第4章土木工程中的力学和结构概念

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1、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,1 2 3,、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,【教学要求】了解力学的基本概念，了解工程结构 荷载、作用和效应，了解工程结构的功能要求和结构失 效，了解结构工程师的任务和结构设计方法。 【教学重点】荷载、作用和效应； 工程结构的功能要求；结构失效。 【教学难点】荷载、作用和效应。,土木工程中的力学与结构概念,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

2、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

3、,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（

4、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

5、，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

6、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, 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,

7、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。, 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, 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,W, 风载： 风是由大气压 力不等引起的

8、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,0.22kN m 2,同处一区 的18层高 层建筑 0.7kN m 2 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/m2,2.1 荷载(直接作用),土木工程概论, 偶然荷载 在使

9、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

10、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。 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(

11、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, 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,

12、 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

13、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

14、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, 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：,p A, =,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,表示正应力或法向

15、应力，代表剪应力 或切应力。应力的单 位是：N/mm2，即 MPa,2.3 应力、应变、弹性模量, =,土木工程概论,b b,L L, =, 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：,表示构件的纵向线应变，代表构件 的横向线应变。对于拉杆来说，为正， ，为负；压杆则为负，为正。,2.3 应力、应变、弹性模量,土木工程概论,成正比。, 2 1,=,p 2 p1, 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

16、性模量。,2.3 应力、应变、弹性模量,= E, ,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。,1, 3 2 2 1,P3 P2 P2 P,2.3 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0P2时，结构构件处于弹性状态； 结构承受荷载为P2P3时，结构构件处于塑性状态；,P3 P2 P3 0 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