《工程结构力学 教学课件 ppt 作者 程选生 第一章 绪论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程结构力学 教学课件 ppt 作者 程选生 第一章 绪论（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 绪 论,第一节 结构及结构的分类,在土木工程中，由建筑材料构成的（如房屋、桥梁、隧道、挡土墙、水坝等）能承受和传递荷载而起骨架作用的建筑物和构筑物统称为工程结构(简称结构) 。,图1-1（a）东方明珠电视塔,图1-1(b) 长江三峡水利工程,图1-1（c）上海南浦大桥,图1-1（d）深圳帝王大厦,根据结构在空间的几何特征，结构可分为杆系结构、板（壳）结构、实体结构和薄膜结构三类: (1)杆系结构 如图1-2所示，当结构的长度l远大于厚度h和宽度b时称为杆件。由杆件所组成的结构称为杆系结构，如：梁、拱、桁架、刚架等。,图1-2 杆件 图1-3 平板,（2）板（壳）结构（又称薄壁结构） 如
2、图1-3所示，当结构的厚度h比长度l和宽度b小得多时称为板(壳)。由板所组成的结构称为板结构，如图1-4所示，由壳所组成的结构称为薄壳结构，如图1-5所示。,图1-4 折板结构 图1-5 薄壳结构（悉尼歌剧院）,(3) 实体结构 如图1-6和图1-7所示，当体结构的长度l、宽度b、厚度h大体相当时称为实体结构。,图 1-6 挡土墙 图1-7 块体基础,(4) 薄膜结构 当结构的厚度h与长度l和宽度b相比时接近零时称为薄膜结构，它是将薄膜材料通过一定方式使其内部产生拉应力，以形成某种空间结构形状作为覆盖结构，并能承受一定外荷载的空间结构形式。其可分为张拉式薄膜结构(也称帐篷结构)又称预应力薄膜结
3、构、充气式薄膜结构。,第二节 研究内容和研究方法,一、研究内容 限于篇幅，本教材仅讨论平面杆系结构的力学规律及其在工程中的应用，简称工程结构力学。 工程结构力学是理论力学和材料力学的后续课程。理论力学研究的是刚体及刚体体系的机械运动（包括静止和运动）的基本规律；材料力学研究的是单根杆件的强度、刚度和稳定性问题；而工程结构力学则是研究杆件体系的强度、刚度、稳定和动力学规律。因此理论力学和材料力学是学习结构力学的基础课程，为结构力学提供了力学分析的基本原理和基础。同时，工程结构力学又为后续的弹性力学、混凝土结构、砌体结构和钢结构等专业课程提供了进一步的力学知识基础。因此，结构力学课程的学习在土木工
4、程的房屋建筑、道路、桥梁、水利及地下工程各专业的学习中均占有相当重要的地位。,二、研究内容和研究方法 工程结构力学的研究内容包括以下几个方面： (1) 研究结构的几何构造规律、合理形式以及计算简图的合理选择； (2) 研究结构内力和变形的计算方法，以便进行结构强度和刚度的验算； (3) 研究结构在动力荷载作用下的结构反应、结构的稳定性和极限荷载；,结构力学的计算问题必须满足平衡和约束两个条件，对于超静定结构问题，还必须满足变形的连续条件。,学习过程中应注意分析方法与解题思路。学习时要着重掌握各种方法的解题思路，特别是要从这些具体的算法中学习分析问题的一般方法。,第三节 结构的计算简图,一、计算
5、简图及其选择原则,工程中的结构是十分复杂的，完全按照结构的实际工作状态进行力学分析是不可能的，同时也没有必要。因此，在对实际结构进行力分析之前必须进行简化，略去一些次要因素的影响，用一个能反映其基本受力和变形性能的简化图形来代替实际结构。这种代替实际结构的简化计算图形称为结构的计算简图。结构的受力分析都是在计算简图中进行的。因此选择计算简图是结构受力分析的基础。若选择不当，则计算结果不能反映构件的实际工作状态，严重的会引起严重的工程事故。所以，对计算简图的选取一定要给予充分的重视。,计算简图的选择应遵循下列两条原则：,（1）正确地反映实际结构的受力情况和主要性能； （2）略去次要因素，便于分析
6、和计算。,应当指出，计算简图是在上述原则的指导下根据具体结构的具体要求和条件来选择的，并不是一成不变的。如对重要的结构应采用比较精确的计算简图；对于次要结构可以考虑较为简单的计算简图。如在方案的初步设计阶段，可以使用粗略的计算简图；而在技术设计阶段再使用比较精确的计算简图。如用手算，则可采用较为简单的计算简图；若用电算，则可以采用较为复杂的计算简图。,顺便指出，结构力学的计算是在假设构件的材料为连续、均匀、各向同性和完全弹性的前提下进行的，这种假设在小变形情况下，对于金属材料是符合实际的，但对于混凝土、砖石等材料具有较大的近似性。,二、结构的简化,1）结构体系的简化,实际工程中的结构都是空间结
7、构，各部分相连接成为一个整体，用以承受来自各个方向的荷载。但在土木、水利、铁路和公路、地下结构等工程中，有着大量的空间杆件结构，在一定条件下，通常可以简化为平面结构进行计算。本教材讨论平面结构的计算问题。,2）杆件及杆件间连接的简化,杆件结构中，杆件的横向尺寸（宽度、厚度）通常比杆件的长度小得多（一般地说，横向尺寸小于长度的1/4），可以近似地采用平截面假定，因此截面上的应力可根据截面的内力来确定。由于内力只是沿杆长变化的一元函数，因此，在计算简图中，杆件可用其纵轴线表示。对于由杆件相互连接而成的结构，杆件之间的联结区，用位于各杆轴线的交点处的结点来表示。由不同材料制作的平面杆系结构，在杆件的
8、联结方式上各有不同的做法。根据它们的受力变形特点，在计算简图中常归纳为以下三种情况：,（1）刚结点 刚结点的特点是被连接杆件在结点处不能相对移动，也不能相对转动；在刚结点处不但能承受和传递力，而且能够承受和传递弯矩。如钢筋混凝土框架边柱和梁的结点图1-8（a）。,图1-9 木屋架结点铰结点,图1-10 钢桁架结点铰结点,图1-8 钢筋混凝土框架梁柱结点,（2）铰结点,理想的铰结点的特点是被连接的杆件在结点处不能相对移动，但可以绕铰自由转动；在铰结点处可以承受和传递力，但不能承受和传递弯矩。这种理想情况实际结构中是很难遇到的。如木屋架端结点图1-9 （a）所示和钢桁架的结点图1-10（a）所示
9、。,（3）组合结点,若各杆件汇交于同一结点，当其中某些杆件的联结视为刚结，而另一些杆件间简化为铰结更符合实际时，便形成了组合结点，如图1-11所示的加劲梁。,图1-11 加劲梁,3) 结构与基础间连接的简化,结构与基础的连接装置为支座。支座的作用是把结构固定于基础上，同时，结构所受的荷载，通过支座传递到基础和地基。支座对结构的反作用称为支座反力。平面结构的支座，一般简化为一下四种情形：,（1）活动铰支座（滚轴支座）,(a) (b) (c),图1-12活动铰支座,(a) (b) (c) (d),图1-13 固定铰支座,图1-14 预制混凝土柱,(a) (b) (c),(2) 固定铰支座,(3)
10、固定支座,(a) (b) (c),图1-15固定支座,（4）定向支座,图1-16 定向支座,三、荷载的简化 结构承受的荷载可以分为体积力和表面力两大类。体积力是指结构的重力或惯性力等；表面力则是由其他物体通过接触面而传给结构的作用力，如土压力、车辆的轮压力等。在杆件结构中把杆件简化为轴线，因此不管是体积力还是表面力都可以简化为作用在杆件轴线上的力。荷载按其分布情况可以简化为集中荷载和均布荷载。荷载的简化与确定比较复杂，下面还要专门论述。,四、结构计算简图示例,图1-17 单层厂房结构的计算简图,竖向荷载作用下屋架的计算简图,在竖向荷载的作用下，屋架的计算简图如图1-17（c）所示。这里采用了以
11、下简化： A、屋架的杆件用其轴线来表示； B、屋架杆件之间的连接简化为铰结点；,C、屋架的两端通过钢板焊接在柱顶，可将其端点分别简化为固定铰支座和活动铰支座； D、屋面荷载通过屋面板的四个角点以集中力的形式作用在屋架的上弦上。,(2)横向水平荷载作用下厂房柱的计算简图 如图1-17（d）所示。这里，采用了以下的简化： A、柱用其轴线表示； B、屋架在两端均以铰与柱顶连结；计算柱时，屋架的作用如同一个两端为铰的链杆，将两柱在顶部连接在一起； C、柱插入基础后，用细石混凝土填实。柱基础视为固定支座。,第四节、杆系结构的分类,杆系结构的分类，实际上是计算简图的分类。 常用的结构按其组成和受力特点，可
12、以分为以下几类：,梁,图1-18 单跨梁 图1-19 多跨梁,（2）拱,图1-20 拱结构,(3)刚架 刚架是由全部和部分刚结点所组成的结构（如图1-21）；杆件内力一般有弯矩、剪力和轴力，其中弯矩为主要内力。,图1-21 刚架,(4)桁架 桁架由两端为铰的直杆（链杆）所组成的结构；当荷载作用于结点时，各杆只受轴力作用（图1-22）。,图1-22 桁架,图1-23 组合结构,(5)组合结构 组合结构是由梁式杆（以弯矩为主的杆）和链杆组成的结构，如图1-23所示。 根据杆件结构的计算特点，可分为静定结构和超静定结构两大类。,(1)静定结构 凡用静力平衡条件可以确定全部支座反力和内力的结构称为静定
13、结构，如图1-18图1-23中的（a）。 (2) 超静定结构 凡不能由静力平衡条件确定全部支座反力和内力的结构称为超静定结构，如图1.18图1.23中的（b）。 根据杆件和荷载在空间的位置，结构可以分为平面结构和空间结构。,（a） (b),图1-24 空间结构,第五节、荷载的分类,荷载是主动作用于结构上的外力。例如结构的自重，工业厂房结构上的吊车荷载，行驶在桥梁上的车辆荷载以及作用在水工结构的水压力等。,1）根据其作用时间的长短，可以分为如下几类：,（1）恒载：永久作用在结构上的不变荷载，如结构的自重，固定于结构上的设备重量等。 （2）活载：暂时作用在结构上的可变荷载，如楼面上的人群、吊车的荷
14、载，以及风荷载和雪荷载等。,活荷载按其作用位置的变化情况，还可以分为：,A、可动荷载：能作用于结构的任意位置的荷载，如风荷载和雪荷载等。 B、移动荷载：一系列相互平行、间距保持不变，但能在结构上移动的活载，如列车的荷载和吊车的荷载等。,2）根据其作用性质，可以分为：,（1）静力荷载：静力荷载的大小、方向和位置不随时间变化而变化或极为缓慢，不会使结构产生显著的振动，因而可略去惯性力的影响。结构的恒荷载都是静力荷载。只考虑位置改变，不考虑动力效应的移动荷载，也是静力荷载。 （2）动力荷载：动力荷载是随时间迅速变化的荷载，使结构产生显著的振动，因而惯性力的影响不能忽略。如机械运转时产生的荷载，地震时由于地面运动对结构的动力作用以及爆炸引起的冲击波等。 除此以外，还有其他一些因素也可以使结构产生内力或位移，例如温度变化、支座沉陷、制造误差、材料收缩以及松弛、徐变等。从广义上来说，这些因素也可视为广义荷载。,
