第4章土木工程中的力學(xué)和結(jié)構(gòu)概念PPT課件

1、1 土木工程概論 第4章 土木工程中的 力學(xué)和結(jié)構(gòu)概念 第4章 土木工程中的力學(xué)與結(jié)構(gòu)概念 1 1 2 2 3 3 、外力、內(nèi)力和反力 、荷載、作用和效應(yīng) 、結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)失效 2 土木工程概論 【教學(xué)要求】了解力學(xué)的基本概念，了解工程結(jié)構(gòu) 荷載、作用和效應(yīng)，了解工程結(jié)構(gòu)的功能要求和結(jié)構(gòu)失 效，了解結(jié)構(gòu)工程師的任務(wù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。 【教學(xué)重點(diǎn)】荷載、作用和效應(yīng)； 工程結(jié)構(gòu)的功能要求；結(jié)構(gòu)失效。 【教學(xué)難點(diǎn)】荷載、作用和效應(yīng)。 土木工程中的力學(xué)與結(jié)構(gòu)概念 3 土木工程概論 土木工程中的力學(xué)與結(jié)構(gòu)概念 土木工程要解決的問題之一是建造抵御 自然或人為作用力的空間和通道，就必然會(huì) 遇到大量的力學(xué)和結(jié)構(gòu)問題

2、。本章闡述土木 工程中一些最基本的力學(xué)與結(jié)構(gòu)概念。 結(jié) 構(gòu) 模 型 大 賽 建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)建模 4 土木工程概論 1 1、外力、內(nèi)力和反力 力：是一種物體間有方向的相互作用；這種相互作用 有使物體改變?cè)瓉硇螤罨蚋淖冞\(yùn)動(dòng)方向的效應(yīng)；力是既有 量值又有方向的矢量。 力矩：是力對(duì)物體產(chǎn)生繞某一軸轉(zhuǎn)動(dòng)作用的物理量， 其大小等于力與力臂（力的作用線到該軸的垂直距離）的 乘積；力矩在土木工程中習(xí)稱彎矩。 平衡：力矩既可順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，也可按逆時(shí)針方向 轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)之和為零時(shí)，稱物體處于平衡 狀態(tài)。 土木工程中的力學(xué)與結(jié)構(gòu)概念 5 土木工程概論 思考：全橋彎曲下垂，說明橋身承 有內(nèi)力，橋身的上下

3、承受什么力 橋身兩端固定處 承受反力 對(duì)任何一個(gè)土木工程的結(jié)構(gòu)而言，力有外力、內(nèi)力 和反力之分。 人體、重物的重力 和木橋自重是外力 1 外力、內(nèi)力和反力 6 土木工程概論 橋身承受扭曲 倘若橋的兩端曾可能被 鋸過又接了起來，當(dāng)人拿著 重物走上去，橋身必然像被 剪切般地下落?，F(xiàn)在橋身沒 有被鋸，受力后完好無損， 說明橋身還承受有剪切力。 橋身承受剪切 再如果將重物放在橋 的一側(cè)，全橋還將受 到扭曲。 1 外力、內(nèi)力和反力 7 土木工程概論 這些拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭曲就是橋身承受內(nèi)力 的結(jié)果。人和重物能靜止地位于橋上，說明它的外力、反力和內(nèi) 力作用處于平衡狀態(tài)。 獨(dú)木橋是最簡(jiǎn)單的例子，所有

4、土木工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)， 無論大小、重輕、厚?。ù笕绱髽?、小如小木屋）都 處于外力、內(nèi)力和反力作用下的平衡狀態(tài)。它承受的 內(nèi)力無非是下列5種以及它們的組合 土木工程結(jié)構(gòu)的5種內(nèi)力特征： 1 外力、內(nèi)力和反力 8 土木工程概論 土木工程結(jié)構(gòu)就是通過 5種 內(nèi)力的基本作用，將施加在結(jié)構(gòu) 上的力傳遞給地球（基礎(chǔ)下的土 層），基礎(chǔ)給予結(jié)構(gòu)的則是作用 在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的反力。 受剪 發(fā)生剪切變形 在土木工程中： 拉力以N表示； 壓力以N表示； 彎矩以M 表示； 剪力以V 表示； 扭矩以MT 表示。 1 外力、內(nèi)力和反力 9 土木工程概論 2 2、荷載、作用和效應(yīng) 直接施加在土木工程結(jié)構(gòu)上的外力是由荷載引起的。

5、如果地球沒有引力，自然界沒有風(fēng)吹、雨雪，荷載就 不會(huì)存在，土木工程也就不需要結(jié)構(gòu)。土木工程結(jié)構(gòu)要有 能抵御自然或人為的作用力的能力，因此，了解作用在結(jié) 構(gòu)上的荷載有哪些，其性質(zhì)如何非常重要。 作用與作用效應(yīng)的基本概念 作用分為直接 作用：是指能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生 效應(yīng)的各種原因的總稱。 土木工程中的力學(xué)與結(jié)構(gòu)概念 作用和間接作 用。 10 土木工程概論 2.1 荷載（直接作用） 荷載是直接以力的形式作用于結(jié)構(gòu)， 如結(jié)構(gòu)自重、行人或車輛的重量、風(fēng)壓力、 土壓力、水壓力等。 作用效應(yīng)：作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的總稱。 能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用效應(yīng)的原因有兩種：一種是施加在結(jié)構(gòu)上 集中力和分布力，如結(jié)構(gòu)自重，作

6、用于樓面的人群、家具、設(shè)備， 作用于橋面的車輛、人群，施加于結(jié)構(gòu)物上的風(fēng)壓力、水壓力、土 壓力等，它們都是直接施加于結(jié)構(gòu)上（直接作用），工程界習(xí)稱為 “荷載”；另一種是施加于結(jié)構(gòu)上的外加變形或約束變形，如地震、 基礎(chǔ)沉降、材料收縮和徐變、溫度變化引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用效應(yīng)，它 們都是間接作用于結(jié)構(gòu)（間接作用） 。 荷載是指 直接作用 在結(jié)構(gòu)上 的外加力。 2 荷載、作用和效應(yīng) 11 土木工程概論 恒載（永久荷載） 指使用期間永久施加在結(jié)構(gòu)上,其值不隨時(shí)間變化 的荷載。 作用在工程結(jié)構(gòu) 上的恒載類型主 要有：結(jié)構(gòu)自重 、墻面、地面、 屋面、橋面以及 2.1 荷載(直接作用) 建筑物內(nèi)的固定 裝置等。

7、樓板 大梁 樓面 內(nèi)隔斷 墻體及 內(nèi)裝飾 窗 門 12 土木工程概論 活載（可變荷載）： 指在使用期間施加在結(jié)構(gòu)上、其值可隨時(shí)間變化或 移動(dòng)的荷載。 作用在工程結(jié)構(gòu) 上的活載有多種 類型，如：使用 活載、移動(dòng)的設(shè) 備及車輛活載、 風(fēng)載、雪載等。 使用活載：包括樓面活載、屋面活載。 2.1 荷載(直接作用) 家具 家具 家具 人群 可移動(dòng) 設(shè)備 可移動(dòng) 設(shè)施 13 土木工程概論 橋梁上的汽車荷載 T1、T2、T3、T4汽車軸重； a、a1、b1、b2、c車軸間距離 車輛活載 是一種移 動(dòng)式荷載 車輛活載：主要是鐵路或公路 車輛的荷載，包括工業(yè)廠房的行車（俗 稱天車）。 工業(yè)廠房的行車 2.1 荷

8、載(直接作用) 14 土木工程概論 W 風(fēng)載： 風(fēng)是由大氣壓 力不等引起的 空氣運(yùn)動(dòng)。 由風(fēng)的運(yùn)動(dòng)而施加在墻面或 結(jié)構(gòu)上的壓力稱為風(fēng)載。 風(fēng)載有三個(gè)“不一樣”： 不同地區(qū)不一樣（沿海、 內(nèi)陸）；同一地區(qū)不同時(shí) 間不一樣；同一房屋不同 高度、不同部位不一樣。 2.1 荷載(直接作用) 15 土木工程概論 風(fēng)載 0.22kN m 2 同處一區(qū) 的18層高 層建筑 0.7kN m 2 北京郊區(qū)某 5m高單層 房屋迎風(fēng)面 2.1 荷載(直接作用) 16 土木工程概論 2.1 荷載(直接作用) 17 土木工程概論 均勻分布荷載作用 三角形 分布荷載作用 集中荷載作用 集中荷載的單位一般 為KN，均布荷載

9、的 單位一般為KN/m 或KN/m2 2.1 荷載(直接作用) 18 土木工程概論 偶然荷載 在使用期間不一定出現(xiàn)，一旦 出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時(shí)間很短的 荷載。如地震作用、爆炸力、臺(tái)風(fēng)、 船只或漂流物等。 佛 山 九 江 大 橋 被 撞 百 米 橋 面 墜 入 江 中 美 國 世 貿(mào) 中 心 大 廈 撞 擊 起 火 倒 塌 2.1 荷載(直接作用) 19 土木工程概論 震源、地震波、 震中、震中距的關(guān)系 地震釋放的能量以地震波的形式傳到地面，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)。 結(jié)構(gòu)由地震引起的振動(dòng)稱為地震反應(yīng)，振動(dòng)過程中作用在結(jié)構(gòu)上 的慣性力就是“地震荷載”。 地震震級(jí)和地震烈度是兩 個(gè)不同概念，震級(jí)表示一次地

10、震釋放的能量的大小，烈度表 示某地區(qū)遭受地震影響的強(qiáng)度。 地震對(duì)結(jié)構(gòu)施加的 影響屬間接作用， 應(yīng)把結(jié)構(gòu)承受的 “地震荷載”稱為 地震作用。 2.1 荷載(直接作用) 20 土木工程概論 2.2 間接作用（間接荷載） 除直接施加在結(jié)構(gòu)上的外力（即荷載）外，還有一種因間接 施加影響引起結(jié)構(gòu)受力的作用。作用也使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)力和變 形。它們也以三類形式出現(xiàn)。 約束變形作用 這種作用以溫差作用 為典型 約束 如一根鋼梁，當(dāng)環(huán)境 氣溫為00C 時(shí)長度為 20m，當(dāng)環(huán)境氣溫升 高至350C時(shí)，鋼梁會(huì) 在內(nèi)力作用下伸長 2 荷載、作用和效應(yīng) 21 土木工程概論 土木工程中的構(gòu)件因晝夜 溫差、季節(jié)性溫差，每時(shí)

11、每刻 都在改變著形狀和尺寸，當(dāng)這 種改變受到約束時(shí)，就會(huì)使結(jié) 構(gòu)受到內(nèi)力效應(yīng)。 建筑物的溫度裂縫 2.2 間接作用(間接荷載) 22 土木工程概論 內(nèi)外柱 高差達(dá) 幾十毫 米 現(xiàn)代高層房屋必須考慮這種溫差 內(nèi)力效應(yīng)。 水泥路面在溫差作用下 起拱達(dá)90cm 高層建筑外墻的溫度裂縫 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在 焊接時(shí)產(chǎn)生的 作用也屬溫差 作用 2.2 間接作用(間接荷載) 23 土木工程概論 外加變形作用 這種作用以地基不均勻 沉陷為典型。 土木工程結(jié)構(gòu)構(gòu)筑在地基 上，地基土受力后總會(huì)產(chǎn)生不 均勻沉陷，過大的不均勻沉陷 會(huì)引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不小的內(nèi)力， 甚至可使結(jié)構(gòu)開裂或倒塌。 比薩斜塔就是 由于地基不均 勻沉陷而成

12、為 世界著名建筑！ 2.2 間接作用(間接荷載) 24 土木工程概論 震施加給結(jié)構(gòu)的力，即地震作用。地面運(yùn)動(dòng)時(shí) 建筑物的相應(yīng)運(yùn)動(dòng) 慣性作用 以地震作用為典型。 地震引起的地面運(yùn)動(dòng)會(huì)使土木工程結(jié)構(gòu)在 水平和豎向產(chǎn)生加速度反應(yīng)。這種加速度反應(yīng) 值與土木工程設(shè)施本身質(zhì)量的乘積就形成了地 北 川 縣 底 框 建 筑 在 慣 性 力 作 用 下 底 層 徹 底 垮 塌 2.2 間接作用(間接荷載) 地震作用是一種慣性 力，它的大小與土木工程 的質(zhì)量、地震烈度和結(jié)構(gòu) 的動(dòng)力特性相關(guān)。地震作 用以水平方向?yàn)橹鳌?25 土木工程概論 原因統(tǒng)稱為“荷載”。 按照國際通行做法和現(xiàn)行國家 標(biāo)準(zhǔn)，“作用”泛指使結(jié)構(gòu)產(chǎn)

13、生內(nèi) 力、變形的所有原因，包括直接作 用和間接作用；而“荷載”僅等同 于施加于結(jié)構(gòu)上的直接作用。 5.12大地震北川縣垮塌的建筑物和道路 長期以來，我們習(xí)慣上將所有引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)的 2.2 間接作用(間接荷載) 但目前道路、橋梁、隧 道設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中， 尚未引進(jìn)“作用”代替 “荷載”，仍沿用“荷 載”一詞表述引起結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生效應(yīng)的直接作用和 間接作用。 26 土木工程概論 荷載和作用的分類 人為因素 地球物理因素 爆 炸 力 引 起 的 作 用 地 震 荷 載 （ 作 用 ） 地 基 不 均 勻 沉 降 引 起 的 作 用 溫 差 引 起 的 作 用 風(fēng) 荷 載 雪 荷 載 構(gòu) 配 件 自

14、重 機(jī) 器 振 動(dòng) 引 起 的 作 用 焊 接 引 起 的 作 用 結(jié) 構(gòu) 安 裝 引 起 的 作 用 撞 擊 引 起 的 作 用 使 用 荷 載 重力氣象地質(zhì) 靜載 動(dòng)載 2 荷載、作用和效應(yīng) 27 土木工程概論 2.3 應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量 土木工程結(jié)構(gòu)受力后，其構(gòu)件將產(chǎn)生內(nèi)力（平衡狀態(tài)）和變形 （其長度、形狀將發(fā)生改變）。在產(chǎn)生拉力、壓力、剪力、彎矩和 扭矩內(nèi)力的同時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)5種基本變形的形式。 拉伸壓縮 剪切 扭轉(zhuǎn) 彎曲 2 荷載、作用和效應(yīng) 28 土木工程概論 應(yīng)力 為度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件所發(fā)生內(nèi)力的大小，我們將作用于單 位面積上的內(nèi)力強(qiáng)度稱之為應(yīng)力： p A = 按照荷載作用的形式不

15、同， 應(yīng)力又可分為拉伸壓縮應(yīng)力、彎 曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。同截面垂直 的稱為正應(yīng)力或法向應(yīng)力，同截 面相切的稱為剪應(yīng)力或切應(yīng)力 表示正應(yīng)力或法向 應(yīng)力，代表剪應(yīng)力 或切應(yīng)力。應(yīng)力的單 位是：N/mm2，即 MPa 2.3 應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量 29 = 土木工程概論 b b L L , = 應(yīng)變 土木工程結(jié)構(gòu)受力后，構(gòu)件將發(fā)生變形，我們將單位 長度上的變形量稱之為應(yīng)變： 表示構(gòu)件的縱向線應(yīng)變，代表構(gòu)件 的橫向線應(yīng)變。對(duì)于拉桿來說，為正， ，為負(fù)；壓桿則為負(fù)，為正。 2.3 應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量 30 土木工程概論 成正比。 2 1 = p 2 p1 彈性模量 當(dāng)力作用一物體時(shí)，物體有變形。當(dāng)這個(gè)力

16、移去后，物體又恢 復(fù)原來的形狀。物體所具有的這種特性，稱之為彈性。 材料在彈性狀態(tài)，荷載與變形 其應(yīng)力與應(yīng)變也成正比例關(guān)系， 其比例系數(shù) E 稱為彈性模量。 2.3 應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量 = E 31 土木工程概論 當(dāng)結(jié)構(gòu)材料繼續(xù)承受更大荷載時(shí)，移去荷載，有殘余變形，變 形不能恢復(fù)原狀。稱結(jié)構(gòu)材料進(jìn)入塑性階段。 1 3 2 2 1 P3 P2 P2 P 2.3 應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量 材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，荷載與 變形不成正比。 彈性模量是材料抗彈性變形 的一個(gè)指標(biāo)，其值越大，即材料 的剛度越大。 32 土木工程概論 結(jié)構(gòu)承受荷載為0P2時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性狀態(tài)； 結(jié)構(gòu)承受荷載為P2P3時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件

17、處于塑性狀態(tài)； P3 P2 P3 0 P2 結(jié)構(gòu)承受荷載超過P3， 將達(dá)其極限應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu) 構(gòu)件處于破壞失效狀態(tài)。 不同的結(jié)構(gòu)材料彈、塑性是不 同的。有塑性的材料稱為塑性材 料，如鋼材、砼等，這類材料一旦 出現(xiàn)塑性有發(fā)生破壞的預(yù)兆；反之 稱為脆性材料如石材、玻璃等。 2.3 應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量 33 土木工程概論 3.結(jié)構(gòu)的構(gòu)件結(jié)構(gòu)的構(gòu)件：承受由荷載和作用在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力的是結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。 結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件： 1）板板：有較大平面尺寸但厚度較小的平面構(gòu)件，通常水平方向設(shè)置， 承受垂直于板面的荷載，以受彎為主。 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 34 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 以受彎為主以受彎為主 3

18、5 2）梁梁：承受垂直于其縱軸方向的荷載的線形構(gòu)件， 其截面尺寸小于其長向跨度，以受彎和剪力為主。 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 36 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 37 3）墻墻：受平行或垂直于墻面方向的豎向平面構(gòu)件，其厚度小 于墻面尺寸；前者以受壓為主，后者以受彎矩或剪力為主。 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 38 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 39 4）柱柱：承受平行于其縱軸方向荷載的直線形構(gòu)件，其 截面尺寸小于其高度，以受壓力和彎矩為主。 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 40 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 41 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 42 6）桿桿：承受軸向力（拉力或壓力）的直線形構(gòu)件，截面尺寸

19、比長 度小得多，多用于組成桁架結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 43 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 44 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 45 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 46 9）拱拱：承受沿其縱軸平面內(nèi)荷載的曲線形（或折 線形）構(gòu)件，其截面尺寸小于其弧長（折線總 長），以受壓力、彎矩、剪力為主。 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 47 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 48 10）殼殼：一種曲面形 具有很好空間傳力性能的構(gòu)件，能以極 小厚度覆蓋大跨度空間，以受壓力為主。 索索：以柔性受拉鋼索組成的構(gòu)件，直線或曲線形。 膜膜：以薄膜材料（如玻璃纖維布）制成的構(gòu)件，只能承 受拉力。 土木工程概論 3

20、 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 49 土木工程概論 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 50 土木工程概論 利用建筑物的墻體作為豎向承重和抵抗水平荷載豎向承重和抵抗水平荷載 （如風(fēng)荷載或水平地震荷載）的結(jié)構(gòu)。墻體同時(shí)也可作 為圍護(hù)及房間分隔構(gòu)件用。另外，在高層建筑中墻體結(jié)在高層建筑中墻體結(jié) 構(gòu)也稱為剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)也稱為剪力墻結(jié)構(gòu)。如圖1.1（a）。 4 建筑工程中的典型結(jié)構(gòu)建筑工程中的典型結(jié)構(gòu)（按建筑物的結(jié)構(gòu)體系分）按建筑物的結(jié)構(gòu)體系分） 4.1 墻體結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu) 4典型結(jié)構(gòu) 51 采用梁、柱組成的框架作為房屋的豎向 承重結(jié)構(gòu)，同時(shí)承受水平荷載。其中，梁和 柱整體連接，相互之間不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)但可以 承受彎矩時(shí)，稱為剛接框架結(jié)構(gòu)；如梁和柱

21、非整體連接，其間可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)但不能承受 彎矩時(shí)，稱為鉸接框架結(jié)構(gòu)。如圖1.1（b）。 土木工程概論 4典型結(jié)構(gòu) 4.2 框架結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu) 52 利用房間四周墻體形成的封閉筒體（也可 利用房屋外圍由間距很密的柱與截面很高的梁， 組成一個(gè)形式上像框架，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)有許多 窗洞的筒體）作為主要抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)。 也可以利用框架和筒體組合成框架-筒體結(jié)構(gòu)。 如圖1.1（d）。 4.3 筒體結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu) 土木工程概論 4典型結(jié)構(gòu) 53 利用整層高的桁架橫向跨越房屋兩外柱之 間的空間，并利用桁架交替在各樓層平面上錯(cuò) 列的方法增加整個(gè)房屋的剛度，也使居住單元 的布置更加靈活，這種結(jié)構(gòu)體系稱為錯(cuò)列桁架 結(jié)構(gòu)

22、，如圖1.1（c）。 4.4 錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu) 土木工程概論 4典型結(jié)構(gòu) 54 以在一個(gè)平面內(nèi)受力的由曲線（或折線） 形構(gòu)件組成的拱所形成的結(jié)構(gòu)，來承受整個(gè)房 屋的豎向荷載和水平荷載的結(jié)構(gòu)，如圖1.1 （e）。 4.5 拱結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu) 土木工程概論 4典型結(jié)構(gòu) 55 由曲面形板與邊緣構(gòu)件（梁、拱或桁架） 組成的空間結(jié)構(gòu)。它能以較薄的板面形成承載 能力高、剛度大的承重結(jié)構(gòu)，并能覆蓋大跨度 的空間而無需中間設(shè)柱，如圖1.1（g）。 4.6 空間薄殼結(jié)構(gòu)空間薄殼結(jié)構(gòu) 土木工程概論 4典型結(jié)構(gòu) 56 由多塊平板組合而成的空間結(jié)構(gòu)，是一種 既能承重又可圍護(hù)，用料較省、剛度較大的薄 壁結(jié)構(gòu)，如圖1.

23、1（i）。 4.7 空間折板結(jié)構(gòu)空間折板結(jié)構(gòu) 土木工程概論 4典型結(jié)構(gòu) 57 由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式，通過節(jié) 點(diǎn)連接而成的空間結(jié)構(gòu)，具有空間受力、重量 輕、剛度大、可跨越較大跨度、抗震性能好等 優(yōu)點(diǎn)，如圖1.1（f）。 4.8 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 土木工程概論 4典型結(jié)構(gòu) 58 樓面荷載通過吊索或吊桿傳遞到支承柱上 去，再由柱傳遞到基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，如圖1.1（h）。 這種結(jié)構(gòu)形式類似懸索結(jié)構(gòu)的橋梁。 4.9 鋼索結(jié)構(gòu)鋼索結(jié)構(gòu) 土木工程概論 4典型結(jié)構(gòu) 進(jìn)入5、結(jié)構(gòu)與地基的關(guān)系 59 圖1.1 房屋主體結(jié)構(gòu)的各種形式示意 (a)墻體結(jié)構(gòu)；(b)框架結(jié)構(gòu)；(c)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)；(d)筒體結(jié)構(gòu)； (e

24、)拱結(jié)構(gòu)；(f)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(g)空間薄殼結(jié)構(gòu)；(h)鋼索結(jié)構(gòu)；(i)空間折板結(jié)構(gòu) 土木工程概論 4典型結(jié)構(gòu) 60 圖1.1 房屋主體結(jié)構(gòu)的各種形式示意 (a)墻體結(jié)構(gòu)；(b)框架結(jié)構(gòu)；(c)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)；(d)筒體結(jié)構(gòu)； (e)拱結(jié)構(gòu)；(f)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(g)空間薄殼結(jié)構(gòu)；(h)鋼索結(jié)構(gòu)；(i)空間折板結(jié)構(gòu) 土木工程概論 61 圖1.1 房屋主體結(jié)構(gòu)的各種形式示意 (a)墻體結(jié)構(gòu)；(b)框架結(jié)構(gòu)；(c)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)；(d)筒體結(jié)構(gòu)； (e)拱結(jié)構(gòu)；(f)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(g)空間薄殼結(jié)構(gòu)；(h)鋼索結(jié)構(gòu)；(i)空間折板結(jié)構(gòu) 土木工程概論 62 圖1.1 房屋主體結(jié)構(gòu)的各種形式示意 (a)墻體結(jié)構(gòu)；(b

25、)框架結(jié)構(gòu)；(c)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)；(d)筒體結(jié)構(gòu)； (e)拱結(jié)構(gòu)；(f)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(g)空間薄殼結(jié)構(gòu)；(h)鋼索結(jié)構(gòu)；(i)空間折板結(jié)構(gòu) 土木工程概論 63 圖1.1 房屋主體結(jié)構(gòu)的各種形式示意 (a)墻體結(jié)構(gòu)；(b)框架結(jié)構(gòu)；(c)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)；(d)筒體結(jié)構(gòu)； (e)拱結(jié)構(gòu)；(f)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(g)空間薄殼結(jié)構(gòu)；(h)鋼索結(jié)構(gòu)；(i)空間折板結(jié)構(gòu) 土木工程概論 64 圖1.1 房屋主體結(jié)構(gòu)的各種形式示意 (a)墻體結(jié)構(gòu)；(b)框架結(jié)構(gòu)；(c)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)；(d)筒體結(jié)構(gòu)； (e)拱結(jié)構(gòu)；(f)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(g)空間薄殼結(jié)構(gòu)；(h)鋼索結(jié)構(gòu)；(i)空間折板結(jié)構(gòu) 土木工程概論 65 圖1.1 房屋主

26、體結(jié)構(gòu)的各種形式示意 (a)墻體結(jié)構(gòu)；(b)框架結(jié)構(gòu)；(c)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)；(d)筒體結(jié)構(gòu)； (e)拱結(jié)構(gòu)；(f)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(g)空間薄殼結(jié)構(gòu)；(h)鋼索結(jié)構(gòu)；(i)空間折板結(jié)構(gòu) 土木工程概論 66 圖1.1 房屋主體結(jié)構(gòu)的各種形式示意 (a)墻體結(jié)構(gòu)；(b)框架結(jié)構(gòu)；(c)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)；(d)筒體結(jié)構(gòu)； (e)拱結(jié)構(gòu)；(f)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(g)空間薄殼結(jié)構(gòu)；(h)鋼索結(jié)構(gòu)；(i)空間折板結(jié)構(gòu) 土木工程概論 67 圖1.1 房屋主體結(jié)構(gòu)的各種形式示意 (a)墻體結(jié)構(gòu)；(b)框架結(jié)構(gòu)；(c)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)；(d)筒體結(jié)構(gòu)； (e)拱結(jié)構(gòu)；(f)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；(g)空間薄殼結(jié)構(gòu)；(h)鋼索結(jié)構(gòu)；(i)空間折板

27、結(jié)構(gòu) 土木工程概論 68 5結(jié)構(gòu)與地基的關(guān)系結(jié)構(gòu)與地基的關(guān)系 5.1地基地基：受結(jié)構(gòu)傳來荷載影響的土層或巖層稱為地基。 地基內(nèi)通常不是均一的土，而是若干層各類土。 常見的土可分為6類： 巖石巖石:顆粒間牢固聯(lián)結(jié)的、整體的或有裂隙的巖體 碎石土碎石土：多數(shù)粒徑大于2mm的土，按粗細(xì)又分為塊（漂）石、卵 （碎）石、圓（角）石 砂土砂土：多數(shù)粒徑大于0.075mm小于2mm的土，按粗細(xì)又分礫砂、 粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂 粉土粉土：顆粒粒徑更細(xì)，黏性介于黏性土和上述非黏性土之間的土 黏性土黏性土：粒徑比粉土更細(xì)，具有明顯黏性的土 人工填土人工填土：回填土、垃圾、工業(yè)廢料 各類土的承載力大體為0.1-0

28、.4N/mm2 土木工程概論 69 5.2基礎(chǔ)基礎(chǔ)：是結(jié)構(gòu)和地基的連接件，又是結(jié)構(gòu)的一部分，也稱下 部結(jié)構(gòu)。根據(jù)擱置深度不同可分為： 基礎(chǔ)都是由厚板、深梁、粗柱、厚墻作為基本構(gòu)件組成的 土木工程概論 70 獨(dú)立基礎(chǔ) 條形 基礎(chǔ) 筏形 基礎(chǔ) 箱形基礎(chǔ) 1-基礎(chǔ)梁 2-底板 3-頂板 4-外壁 5-內(nèi)壁 71 (a)剛性擴(kuò)展基礎(chǔ) (b樁基礎(chǔ) (c)鋼管基礎(chǔ) 72 (d)沉井基礎(chǔ) (e)沉箱基礎(chǔ) 73 5.3地基土地基土 1）地基土地基土：是由礦物顆粒、水、空氣三部分組成的，即土的三相。 2）結(jié)構(gòu)沉陷的原因結(jié)構(gòu)沉陷的原因：結(jié)構(gòu)擱置在地基上，土體顆粒間的空氣和水 被擠出，顆粒間距離變小，稱為地基壓縮，

29、同時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生沉陷。 3）地基承載力地基承載力：指在保證地基穩(wěn)定的條件下，地基壓縮變形控制 在房屋容許范圍內(nèi)時(shí)，地基單位面積上所能承受的最大荷載，單 位：kN/m2或kPa 4）土層的基本物理力學(xué)性能基本物理力學(xué)性能：土的天然松散密度、天然含水率、 以及反映土松密程度和壓縮性能的指標(biāo)孔隙比、密實(shí)度、塑性 性能等。 土木工程概論 74 土木工程概論 6、結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)失效 6.1 結(jié)構(gòu)的定義和要求 結(jié)構(gòu)的定義：土木工程設(shè)施中的結(jié)構(gòu)是一個(gè)在空 間和通道中用各種基本構(gòu)件組合建成的有功能特征的機(jī) 體，為土木工程設(shè)施的持久使用和美觀需求服務(wù)，對(duì)生命 財(cái)產(chǎn)提供安全保障。 它是一個(gè)由構(gòu)件組合成 的整體，是一個(gè)有功

30、能特征 的機(jī)體，是一個(gè)有豐富應(yīng)用 價(jià)值的載體，是一個(gè)被建造 的實(shí)體。 土木工程中的力學(xué)與結(jié)構(gòu)概念 體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)的三維模型 75 土木工程概論 土木工程結(jié)構(gòu)的要求 在應(yīng)用上，要充分滿足空間和通道的多項(xiàng)使用要求； 在安全上，要完全符合承載、變形、穩(wěn)定的持久需要； 在造型上，要能夠與環(huán)境、規(guī)劃和建筑藝術(shù)融為一體； 在技術(shù)上，要力爭(zhēng)體現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)和工程的新發(fā)展； 在建造上，要合理用材、節(jié)約能源，與施工實(shí)際緊密結(jié)合。 為安全可靠的目的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須做到： 結(jié)構(gòu)承受荷載后的內(nèi)力（N、M、V、MT）結(jié)構(gòu)的承載力； 結(jié)構(gòu)承受荷載后的變形（撓度、側(cè)移、沉陷）變形的允許值。 結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)失效 共45張 第53張

31、76 土木工程概論 6.2 結(jié)構(gòu)的功能要求 能承受正常施工和使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用力（如拉力、 壓力、剪力、彎矩、扭矩等）； 在正常使用時(shí)具有良好的工作性能（如不發(fā)生過大的側(cè)向 位移，不發(fā)生過大的不均勻沉陷，不使人感到晃動(dòng)等）； 在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能（如有抵抗酸類、鹽類 等物質(zhì)的侵蝕能力）； 在偶然事件發(fā)生時(shí)能保持必需的穩(wěn)定性（如有很好的抗地 震的能力）。 和是安全性，是適用性，是 持久性?！鞍踩?、適用、持久”三者 缺一不可，但安全第一。 結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)失效 77 土木工程概論 6.3 結(jié)構(gòu)的失效 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則： S R - S 為荷載施加在結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)； - R 為結(jié)構(gòu)的抗

32、力。 當(dāng)結(jié)構(gòu)或從屬于 它的構(gòu)件不能滿足上 述基本功能要求，稱 為結(jié)構(gòu)失效。 結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)失效 78 土木工程概論 結(jié)構(gòu)失效的常見表現(xiàn)形式 破壞-結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面抵抗能力不足以承受作用效應(yīng)的現(xiàn) 象，如拉斷、壓碎、彎折等。 失穩(wěn)-結(jié)構(gòu)或構(gòu)件因長細(xì)比過大而在不大的作用力下突然 發(fā)生作用力平面外的極大變形的現(xiàn)象，如柱子壓屈、梁在平面外扭 曲等。 發(fā)生影響正常使用的變形-梁板的過大撓度或過寬裂 縫，柱、墻的過大側(cè)移，結(jié)構(gòu)有過大傾斜或過大的沉陷等。 傾覆-結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分失去平衡而傾倒或移動(dòng)的現(xiàn)象。 結(jié)構(gòu)材料喪失耐久性-鋼材銹蝕、砼受腐蝕、砌體遭凍 融、木構(gòu)件被蟲蛀蝕等化學(xué)、物理、生物現(xiàn)象。 結(jié)構(gòu)的失效 7

33、9 土木工程概論 A柱抗拉能力 不足被拉斷 B柱長細(xì)比 過大被壓屈 上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)移 能力不足被拉裂 某 高 層 建 筑 結(jié)構(gòu)的失效 上部結(jié)構(gòu)抗剪能 力不足被剪斷 80 土木工程概論 7 7、土木工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法 7.1 結(jié)構(gòu)工程師的任務(wù) 土木工程設(shè)計(jì)的分工 規(guī)劃師負(fù)責(zé)工程 的選址、開發(fā)強(qiáng) 度和空間環(huán)境。 建筑師負(fù)責(zé)工程 的布局、造型， 滿足各項(xiàng)功能性 使用要求。 土木工程中的力學(xué)與結(jié)構(gòu)概念 結(jié)構(gòu)工程師負(fù)責(zé) 工程的承載、變 形、穩(wěn)定的安全 性需求。 設(shè)備工程師負(fù)責(zé) 工程的給排水、 供熱通風(fēng)和電氣 等配套設(shè)施。 81 土木工程概論 結(jié)構(gòu)工程師要解決的問題 確定結(jié)構(gòu)承受的荷載，并合理選用結(jié)構(gòu)材料；

34、 正確選用結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)型式； 解決好結(jié)構(gòu)承載力、變形、穩(wěn)定、抗傾覆等技術(shù)問題； 解決好結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造和施工方法問題。 結(jié)構(gòu)工程師須具備的基本素質(zhì) 接受過良好的土木工程學(xué)科和相關(guān)學(xué)科的教育，并訓(xùn)練有素； 對(duì)其它學(xué)科具備一定的知識(shí)； 不斷地掌握土木工程有關(guān)最新技術(shù)并進(jìn)行知識(shí)更新； 很好的交際技能，包括口頭、撰寫、繪圖和數(shù)字化技能。 結(jié)構(gòu)工程師的任務(wù) 82 土木工程概論 7.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了容許應(yīng)力法、破損階段法、極限狀 態(tài)法和概率極限狀態(tài)法四個(gè)階段。 我國目前的建筑和公路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法都采用概率極限狀態(tài)概率極限狀態(tài) 設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)法。它以結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠指標(biāo)來度量結(jié)構(gòu)的可靠度， 用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀 態(tài)兩類，整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的某一部分達(dá)到結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)就不能 滿足安全、適用或耐久性要求。 土木工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法 83 土木工程概論 土木工程的分階段設(shè)計(jì) 業(yè)主提出 使用要求 初步設(shè)計(jì)構(gòu)思 明確各項(xiàng)功能要求 形成總體設(shè)計(jì)方案 處理各設(shè)計(jì)工種的技術(shù)問題 進(jìn)行各設(shè)計(jì)工種的細(xì)部設(shè)計(jì) 繪制施工圖，完成總體設(shè)計(jì) 交付施工，參與工程監(jiān)理 竣工驗(yàn)收，