河海大学结构力学ch1绪论

结构力学结构力学 教师信息教师信息 张健飞张健飞 力学与材料学院工程力学系力学与材料学院工程力学系 本部力学楼本部力学楼416 jianfei 第一章第一章 绪论绪论 §1 . 结构力学的研究对象和任务结构力学的研究对象和任务 一一. .结构的定义与分类结构的定义与分类 分类：分类： 按几何形态：杆件结构（平面和空间）、板壳结按几何形态：杆件结构（平面和空间）、板壳结 构、实体结构构、实体结构 其他分类：按材料、按结构型式等其他分类：按材料、按结构型式等 定义：定义： 结构结构建筑物中支承荷载而起骨架作用的部分。建筑物中支承荷载而起骨架作用的部分。 如：梁、柱、厂房结构等。如：梁、柱、厂房结构等。 杆件结构 杆件结构 板壳结构 板壳结构（国家大剧院） 实体结构 二二. .研究对象研究对象 平面杆件结构平面杆件结构: :杆轴线和荷载作用面在同一平杆轴线和荷载作用面在同一平 面。面。本课程研究对象本课程研究对象 三三. .任务任务 研究结构组成规律、合理形式以及结构在外因作研究结构组成规律、合理形式以及结构在外因作 用下的刚度用下的刚度, ,强度强度, ,稳定性的计算问题，为结构设稳定性的计算问题，为结构设 计服务。（受学时限制稳定性问题不做讨论）计服务。（受学时限制稳定性问题不做讨论） 杆件结构：由杆件组成的结构。杆件结构：由杆件组成的结构。结构力学研结构力学研 究对象究对象 四四. .与理力和材力的联系与区别与理力和材力的联系与区别 联系：联系：理力与材力是结力的基础，结力是扩理力与材力是结力的基础，结力是扩 展和延伸。展和延伸。 理力：力系平衡、约束等理力：力系平衡、约束等 材力：内力分析、强度、刚度分析等材力：内力分析、强度、刚度分析等 区别：区别： 理力：物体机械运动的基本规律；理力：物体机械运动的基本规律； 材力：单根杆件的强度、刚度和稳定性的材力：单根杆件的强度、刚度和稳定性的 计算；计算； 结力：杆件体系。结力：杆件体系。 五五. .结构力学课程的地位和作用结构力学课程的地位和作用 一门重要的专业基础课程。一门重要的专业基础课程。 为学习后续专业课程（钢结构、钢筋混凝土结为学习后续专业课程（钢结构、钢筋混凝土结 构等）和力学课程（弹性力学、塑性力学等）提构等）和力学课程（弹性力学、塑性力学等）提 供必要的力学基础。供必要的力学基础。 计算结构的内力、位移等，对结构的受力性能、计算结构的内力、位移等，对结构的受力性能、 优缺点等问题有深入认识，对工程中有关问题作优缺点等问题有深入认识，对工程中有关问题作 出正确判断。出正确判断。 确定计算简图的原则：确定计算简图的原则： 1.1.尽可能正确反映实际结构的主要力学性能，以使计尽可能正确反映实际结构的主要力学性能，以使计 算结果可靠、准确算结果可靠、准确; ; 2.2.必须抓住主要矛盾，忽略次要因素，力求计算简便。必须抓住主要矛盾，忽略次要因素，力求计算简便。 §2 . 结构的计算简图结构的计算简图 计算简图计算简图: : 在结构力学计算当中用来代替实际结构的简化图形在结构力学计算当中用来代替实际结构的简化图形 （理想模型）。（理想模型）。 简化内容简化内容: : 体系的简化、杆件的简化、支座的简化、结点的简化、体系的简化、杆件的简化、支座的简化、结点的简化、 材料的简化、荷载的简化等。材料的简化、荷载的简化等。 平面杆件结构的计算简图平面杆件结构的计算简图: : 1.1.结构体系的简化结构体系的简化 空间空间 平面平面 ？ 2.2.杆件的简化杆件的简化 以杆件的轴线代表杆件：直杆、曲杆。以杆件的轴线代表杆件：直杆、曲杆。 3.3.支座的简化支座的简化 支座：把结构和基础联系起来的装置。作用：固定位置，支座：把结构和基础联系起来的装置。作用：固定位置， 传递荷载至基础和地基。传递荷载至基础和地基。 支座反力：支座对结构的反作用力。支座反力：支座对结构的反作用力。 从支座对结构的约束作用来看，常用的计算简图分为四类：从支座对结构的约束作用来看，常用的计算简图分为四类： 辊轴支座（活动铰支座）、铰支座（固定铰支座）、定向辊轴支座（活动铰支座）、铰支座（固定铰支座）、定向 支座（滑移支座）、固定支座支座（滑移支座）、固定支座 可绕铰可绕铰A作转动，沿支承平作转动，沿支承平 面移动；限制沿垂直于支承面移动；限制沿垂直于支承 面方向的移动。支座反力通面方向的移动。支座反力通 过铰中心并与支撑面垂直。过铰中心并与支撑面垂直。 计算简图常用一根链杆表示。计算简图常用一根链杆表示。 可绕铰可绕铰A作转动，限制任何移动。支作转动，限制任何移动。支 座反力通过铰中心，大小、方向未座反力通过铰中心，大小、方向未 知，可分解为两个确定方向的未知知，可分解为两个确定方向的未知 分反力。分反力。 计算简图常用交于一点计算简图常用交于一点A的两根链杆的两根链杆 表示。表示。 A FAy A FAy FAx 不允许转动和垂直于支承面方向的不允许转动和垂直于支承面方向的 移动，可沿支承面方向移动。支座移动，可沿支承面方向移动。支座 反力包括一个反力矩和一个垂直于反力包括一个反力矩和一个垂直于 支承面的反力。支承面的反力。 计算简图常用两根垂直于支承面的计算简图常用两根垂直于支承面的 平行链杆表示。平行链杆表示。 不允许任何转动移动，支座反力包括不允许任何转动移动，支座反力包括 一个反力矩和水平和竖向的两个分反一个反力矩和水平和竖向的两个分反 力。力。 计算简图常用上图表示，也可用三根计算简图常用上图表示，也可用三根 既不全平行又全交于一点的三根链杆既不全平行又全交于一点的三根链杆 表示。表示。 Ry FAy FAy FAx 4. 4. 结点的简化结点的简化 结点：杆件之间相互联结的部位。结点：杆件之间相互联结的部位。 根据结构的受力特点和结点的构造所允许各杆件绕结点转根据结构的受力特点和结点的构造所允许各杆件绕结点转 动的情况，在计算中常采用以下两种结点简图：铰结点、动的情况，在计算中常采用以下两种结点简图：铰结点、 刚结点。刚结点。 铰结点铰结点 所联结的各杆件在结点不能相互分所联结的各杆件在结点不能相互分 离，但可以绕结点作相对的自由转离，但可以绕结点作相对的自由转 动，即两杆间的夹角是可以自由改动，即两杆间的夹角是可以自由改 变的。变的。 实际结构中，根据其受力特点，如实际结构中，根据其受力特点，如 果一根杆件只有轴力，则此杆件两果一根杆件只有轴力，则此杆件两 端可用铰与结构的其他部分相联。端可用铰与结构的其他部分相联。 刚结点刚结点 组合结点组合结点 所联结的各杆件在结点不能相互分所联结的各杆件在结点不能相互分 离，也不能绕结点作相对的自由转离，也不能绕结点作相对的自由转 动，即变形前后在结点处各杆端切动，即变形前后在结点处各杆端切 线的夹角保持不变。线的夹角保持不变。 铰结点和刚结点在一起形成的组合铰结点和刚结点在一起形成的组合 结点，即交于该结点的部分杆件之结点，即交于该结点的部分杆件之 间可以自由转动，部分不能转动。间可以自由转动，部分不能转动。 A B C 5.5.材料性质的简化材料性质的简化 将结构材料视为连续、均匀、各向同性，完全弹性体。将结构材料视为连续、均匀、各向同性，完全弹性体。 6.6.荷载的简化荷载的简化 计算简图计算简图 一种科学的抽象，一个复杂的问题一种科学的抽象，一个复杂的问题 选取原则选取原则 实践经验实践经验前人经验前人经验 反复试验反复试验 与计算方法和计算工具有关与计算方法和计算工具有关 §3 . 杆件结构的分类杆件结构的分类 1.1.梁梁 受弯构件，可以是单跨，也可以多跨连续。受弯构件，可以是单跨，也可以多跨连续。 2.2.拱拱 曲线形的且在竖向荷载作用下产生水平反力曲线形的且在竖向荷载作用下产生水平反力 的杆件结构。的杆件结构。 3.3.桁架桁架 由若干杆件在每杆两端用理想铰联结而成的由若干杆件在每杆两端用理想铰联结而成的 结构。各杆轴线都是直线，当只受结点荷载时，各杆只产结构。各杆轴线都是直线，当只受结点荷载时，各杆只产 生轴力。生轴力。 4.4.刚架刚架 由梁和柱组成，各杆件主要受弯，结点主要由梁和柱组成，各杆件主要受弯，结点主要 是刚结点，也可以是部分铰结点和组合结点。是刚结点，也可以是部分铰结点和组合结点。 5.5.组合结构组合结构 有些杆件只承受轴力，有的同时承受弯有些杆件只承受轴力，有的同时承受弯 矩和剪力。矩和剪力。 各类杆件计算简图示例各类杆件计算简图示例 连续梁桥连续梁桥 石拱桥石拱桥 桁架桥桁架桥 体育场体育场 工业厂房工业厂房 §4 . 荷载分类荷载分类 荷载一般指主动作用于结构之上的外力，如自重、荷载一般指主动作用于结构之上的外力，如自重、 水压力等。水压力等。 广义荷载：温度变化、支座位移、材料收缩等。广义荷载：温度变化、支座位移、材料收缩等。 1 1、按作用时间的久暂分类：、按作用时间的久暂分类： 恒载恒载：永久作用。自重、固定设备重量：永久作用。自重、固定设备重量 活载活载：暂时作用及位置可变。风力、雪重、人群、：暂时作用及位置可变。风力、雪重、人群、 水压、汽车、临时设备等。水压、汽车、临时设备等。 本课程只讨论结构在静力荷载作用下的计算问题。本课程只讨论结构在静力荷载作用下的计算问题。 2 2、按作用性质分类：按作用性质分类： 静力荷载静力荷载：荷载逐渐增加，不致使结构产生显著的：荷载逐渐增加，不致使结构产生显著的 冲击或振动，因而可略去惯性力影响的荷载。如恒冲击或振动，因而可略去惯性力影响的荷载。如恒 载、多数活载。载、多数活载。 动力荷载动力荷载：引起结构显著冲击或振动的荷载，结构：引起结构显著冲击或振动的荷载，结构 产生不可忽视的加速度。如机械振动、爆炸冲击、产生不可忽视的加速度。如机械振动、爆炸冲击、 地震等。地震等。 集中荷载：作用在结构上某一点处的荷载。当荷载作用集中荷载：作用在结构上某一点处的荷载。当荷载作用 范围远小于杆长，可简化为范围远小于杆长，可简化为集中荷载集中荷载，如汽车轮压等，否，如汽车轮压等，否 则即可简化为则即可简化为分布荷载分布荷载。 荷载简化：荷载简化： 按荷载作用的范围和分布情况，通常将其简化按荷载作用的范围和分布情况，通常将其简化 为分布荷载和集中荷载为分布荷载和集中荷载 分布荷载：连续分布在结构某一部分上的荷载。分布荷载：连续分布在结构某一部分上的荷载。 均布荷载均布荷载 如：等截面杆件自重如：等截面杆件自重 非均布荷载非均布荷载 如：坝面水压如：坝面水压 世界建筑世界建筑No.1 哈利法塔，又称迪拜大厦或比斯迪拜塔，是位于阿哈利法塔，又称迪拜大厦或比斯迪拜塔，是位于阿 拉伯联合酋长国迪拜的一栋已经建成的摩天大楼，有拉伯联合酋长国迪拜的一栋已经建成的摩天大楼，有160层，总高层，总高 828米，比第二名台北米，比第二名台北101足足高出足足高出320米，是目前世界最高建筑。米，是目前世界最高建筑。 锦屏锦屏一级水电站大坝坝 效果图 杭州湾大桥(中国)：世界最长的跨海大桥 苏通大桥(中国)：世界第一斜拉桥