土木工程中的力學(xué)和結(jié)構(gòu)概念

土木工程中的力學(xué)和結(jié)構(gòu)概念土木工程解決的問(wèn)題之一：建造抵御自然或人為作用的空間的通道——結(jié)構(gòu)問(wèn)題，力學(xué)術(shù)語(yǔ)4.1力、力矩和平衡力（Force）是一種物體間有方向的作用，有大小方向?？捎檬噶勘硎?。重力：物體重量產(chǎn)生的作用力，方向指向地球中心，作用點(diǎn)在該物體的中心。力矩和平衡的概念A(yù)lexanderCalder提出的裝置力矩（Moment，土木中稱彎矩）：力×距離轉(zhuǎn)動(dòng)平衡：對(duì)同一點(diǎn)所有力矩之和為0，即轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)之和為0。移動(dòng)平衡：對(duì)同一物體所有力之和為0，即處于不移動(dòng)的靜止?fàn)顟B(tài)。力分為內(nèi)力、外力和反力外力（ExternalForce）：例：重物放在獨(dú)木橋上，重物和獨(dú)木橋產(chǎn)生的自重都是外力。反力（ReactionForce）：例：橋身兩端支承處的支承力。4.2內(nèi)力、外力和反力RRF內(nèi)力（InternalForce）：例：橋身彎曲作用是由于內(nèi)力。如將橋身切斷，會(huì)自由下落。橋身處于平衡狀態(tài)，即ΣM=0和ΣF=0。處于外力、反力和內(nèi)力平衡狀態(tài)。RRF內(nèi)力種類有5種：（1）產(chǎn)生拉伸變形的是拉力（Tension），一般以+N表示；（2）產(chǎn)生壓縮變形的是壓力（Compression），一般以-N表示；FFFF（3）產(chǎn)生彎曲變形的是彎矩（Moment），一般以M表示；（4）產(chǎn)生剪切變形的是剪力（Shear），一般以V表示；（5）產(chǎn)生扭曲變形的是扭矩（Torsion），一般以Mr表示；FFMMMrMr4.3荷載和作用荷載（Load）加在結(jié)構(gòu)上的外力是由荷載引起的。確定荷載的種類和大小。土木工程的荷載有三類：（1）永久荷載定義：指在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，也稱恒載（DeadLoad）。如：物體本身自重，隧道工程的土壓力和圍巖壓力。（2）可變荷載定義：指在使用期間施加在結(jié)構(gòu)上的值隨時(shí)間變化的荷載，也稱活載（LiveLoad）。如：1)使用活載：樓面活載，人或家具2)車輛活載：移動(dòng)荷載（MovingLoad）3)風(fēng)載：（WindLoad）4)雪載：（SnowLoad）（3）偶然荷載定義：指在使用期間不一定出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時(shí)間很短的荷載。如：撞擊、爆炸荷載。在荷載（外力）作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形。變形有三種形式出現(xiàn)：（1）約束變形作用：溫差作用為典型（2）外加變形作用：地基沉陷作用（3）慣性作用地震作用約束變形作用

（溫差作用）法國(guó)戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓內(nèi)部混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，外部鋼結(jié)構(gòu)支撐冷暖變化使外部鋼結(jié)構(gòu)每天變形1-2厘米，混凝土薄殼部位不斷受到磨損，導(dǎo)致穿透并塌落。中國(guó)體育博物館95%的墻體與80%的樓板裂縫貫通，開(kāi)裂原因主要是砌墻用的建材強(qiáng)度不夠，受溫度影響發(fā)生變形以及受力不均導(dǎo)致地基不均勻沉降。

約束變形作用

（溫差作用+地基沉陷作用）總水平地震作用為其總重的5~8%慣性作用

（地震作用）地震對(duì)建筑物的破壞抗震設(shè)計(jì)方法與地震破壞程度免震建筑普通建筑物剛性連接免震建筑物柔性連接4.4結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)失效（1）結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和類型結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件屋面板基本構(gòu)件結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件有以下幾種：1)板（Slab,Plate）平面尺寸大而厚道小的受彎構(gòu)件。按用途分為樓板、屋面板、基礎(chǔ)板和墻板等。2)梁（Beam）－受彎構(gòu)件梁分類截面形式截面尺寸深梁、扁梁和變截面梁矩形梁、T形梁、倒T形梁、L形梁、Z形梁、槽形梁鋼梁、鋼筋混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁、鋼與混凝土組合梁支承形式材料位置簡(jiǎn)支梁、懸臂梁和連續(xù)梁等主梁、次梁、連梁、圈梁、過(guò)梁等3)柱（Column）－主要承受壓力，有時(shí)也同時(shí)承受彎矩的豎向構(gòu)件。柱分類截面形式方柱、圓柱、管柱、矩形柱、工字形柱、H形柱、L形柱等石柱、磚柱、砌塊柱、木柱、鋼柱、鋼筋混凝土柱破壞特征材料受力短柱、長(zhǎng)柱和中長(zhǎng)柱軸心受壓柱和偏心受壓柱4)墻（Wall）受平行或垂直于墻面的豎向平面構(gòu)件5)桿（Rod,Bar）承受軸向力的直線性構(gòu)件6)拱（Arch）－曲線結(jié)構(gòu)，承受軸向壓力。河北省井陘縣蒼巖山風(fēng)景區(qū)，架設(shè)在峽谷峭壁上的蒼樓位于河北省井陘縣蒼巖山風(fēng)景區(qū)，架設(shè)在峽谷峭壁上，原名蒼樓，是福慶寺的主體建筑之一，它以橋上建危樓的獨(dú)特造型，稱奇于世，橋長(zhǎng)１５米，寬９米，單孔空腹式石拱橋，由２１道獨(dú)立弧券縱向排列而成。橋下有石階三百余級(jí)，拾級(jí)而上可達(dá)橋樓殿。樓殿建在石橋上，面寬五間，石橋建造年代為公元５８１－６００年。

7)殼（Shell）曲面形、小厚度、大跨度8)索（Cable）柔性鋼索9)膜（Membrane）薄膜材料建筑工程中的典型結(jié)構(gòu)：1)墻體結(jié)構(gòu)2)框架結(jié)構(gòu)3)框架-筒體結(jié)構(gòu)4)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)5)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)6)拱結(jié)構(gòu)7)殼體結(jié)構(gòu)8)空間折板結(jié)構(gòu)9)鋼索結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)西安城運(yùn)村體育館廣州新體育館主場(chǎng)館內(nèi)景網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)全國(guó)最大跨度的球殼—漳州后石電廠球形煤倉(cāng)BPgasstationinGermanybyHeizIsler

Theshellisonly3inchesthick（1inch=25.4millimetres）薄殼結(jié)構(gòu)悉尼歌劇院烏瞰圖悉尼歌劇院建筑物的外形由大平臺(tái)上十個(gè)巨型殼片組成，各種房間隱藏在它的內(nèi)部，這些殼片如同花瓣似的指向天空，構(gòu)成奇異的造型，給人以美的聯(lián)想。中國(guó)國(guó)家大劇院懸索結(jié)構(gòu)1958年建成的美國(guó)耶魯大學(xué)溜冰館是典型的組合懸索結(jié)構(gòu)。屋蓋結(jié)構(gòu)由沿建筑物縱向軸豎立的中央鋼筋混凝土平面大拱和兩側(cè)的兩片預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)組成。曲面屋蓋造型極為美觀，外形有些象一只古怪的海龜似的甲殼動(dòng)物。中央大拱的跨度近100m.兩片索網(wǎng)的承重索高端錨掛在鋼筋混凝土大拱上。另一端錨掛在縱向曲墻頂端的鋼筋混凝土曲梁上美國(guó)耶魯大學(xué)溜冰館入口處。大拱與曲梁的軸線均為平面拋物線。

華盛頓杜勒斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)侯機(jī)樓。愛(ài)諾*沙里寧設(shè)計(jì)，1962年落成。候機(jī)樓有兩排巨型鋼筋混凝土柱子，一排稍高，一排稍底，在相對(duì)的柱子上張掛著40多米長(zhǎng)的鋼索，鋼索上鋪屋面板。鋼索中部下垂，形成自然的曲線。候機(jī)樓為矩形平面，長(zhǎng)182.5米,寬45.6米。1960年間，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的井賴.奧托先生（FreiOtto）,先后于1962和1965年發(fā)表了研究膜結(jié)構(gòu)的成果，并同帳篷制造廠商合作，做了一些帳篷式膜結(jié)構(gòu)和鋼索結(jié)構(gòu)，其中最受人注目的是1967年在蒙特利爾博覽會(huì)的西德館，其后在歐洲，尤其是德國(guó)，可以說(shuō)是開(kāi)了膜結(jié)構(gòu)商業(yè)化的先河。1968年，美國(guó)紐約的建筑師布羅（DavisBrody)和哥倫比亞的大衛(wèi).蓋格教授合力爭(zhēng)取到了日本大阪世界博覽會(huì)美國(guó)館的設(shè)計(jì)權(quán)。索膜結(jié)構(gòu)沙特利雅德體育場(chǎng)看臺(tái)張拉式膜結(jié)構(gòu)挑蓬。該體育場(chǎng)外徑288m，看臺(tái)挑蓬由24個(gè)連在一起的形狀相同的單支柱帳篷式索膜結(jié)構(gòu)單元組成。1970年建成的日本大阪萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)的富士集團(tuán)廳采用氣承式膜結(jié)構(gòu)（臨時(shí)建筑）是第一個(gè)現(xiàn)代意義的大跨度膜結(jié)構(gòu)。同時(shí)參展的美國(guó)館也采用了氣肋式膜結(jié)構(gòu)。充氣結(jié)構(gòu)1988年建成的日本東京后樂(lè)園棒球場(chǎng)屋蓋是鋼索與氣承膜組成的索膜結(jié)構(gòu)。該建筑是日本最大的室內(nèi)體育場(chǎng)，地下兩層，地上6層，屋蓋直徑201m.屋蓋用雙層聚四氟乙烯玻璃纖維布制成，外膜厚0.8mm，內(nèi)膜厚0.35mm，薄膜是用28根直徑為80mm、間距為8.5m雙向正交配置的鋼索支撐。屋頂總重406噸，面積28000平方米，平均每平方米重12.5kg,是日本最輕的屋頂。氣承式索—膜結(jié)構(gòu)：在薄膜覆蓋的空間內(nèi)充氣，利用內(nèi)外氣差來(lái)承受荷載，并與鋼索共同形成結(jié)構(gòu)。鳥(niǎo)巢場(chǎng)館國(guó)家體育館圣路易斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)St.LouisInternationalAirport

（2）結(jié)構(gòu)和材料的關(guān)系應(yīng)力應(yīng)變彈性模量強(qiáng)度變形（3）結(jié)構(gòu)和地基的關(guān)系地基土的種類：6種對(duì)基礎(chǔ)和地基的認(rèn)識(shí)：基礎(chǔ)的種類淺基礎(chǔ)：獨(dú)立、條形、片筏基礎(chǔ)深基礎(chǔ)：箱形基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)（見(jiàn)下頁(yè)）淺基礎(chǔ)什么是淺基礎(chǔ)？位于天然地基上、埋置深度小于5米的一般基礎(chǔ)以及埋置深度雖然超過(guò)5米，但小于基礎(chǔ)寬度的大尺寸基礎(chǔ)。淺基礎(chǔ)可以做在人工地基上。淺基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)：用料省，施工設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，工期短、造價(jià)低。設(shè)計(jì)要優(yōu)先考慮。剛性基礎(chǔ)通常由磚、毛石、素混凝土和灰土等材料做成，是一種無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)?；彝粒质液推叻终承酝粒狈降貐^(qū)使用較多三合土－灰土中加入適量水泥，南方地區(qū)使用較多人工地基擴(kuò)展基礎(chǔ)剛性基礎(chǔ)不能滿足力學(xué)要求時(shí)，可以做成鋼筋混凝土基礎(chǔ)，稱為擴(kuò)展基礎(chǔ)?；炷粱A(chǔ)的截面可以是錐形、臺(tái)階形和有肋等多種形式。淺基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式（1）獨(dú)立柱基礎(chǔ)（2）條形基礎(chǔ)（3）筏板基礎(chǔ)（鋼筋綁扎）（4）殼體基礎(chǔ)：改善基礎(chǔ)受力性能，對(duì)機(jī)械設(shè)備有良好的減振性能(5)箱形基礎(chǔ)

深基礎(chǔ)什么是深基礎(chǔ)？位于地基深處承載力較高的土層上，埋置深度大于5米或大于基礎(chǔ)寬度的基礎(chǔ)，稱為深基礎(chǔ)。(1)樁基礎(chǔ)發(fā)展：早在12000年至14000年時(shí)，人類就已經(jīng)開(kāi)始利用木樁建造房屋。采用條件和分類：某高層建筑群樁基礎(chǔ)斜樁基礎(chǔ)施工垂直導(dǎo)管灌注樁施工

(2)地下連續(xù)墻(3)沉井基礎(chǔ)特點(diǎn)：四周有壁、下部無(wú)底、側(cè)壁下部有刃腳的筒形結(jié)構(gòu)物。既是基礎(chǔ)，又是施工時(shí)的擋土和擋水圍堰，施工工藝也不復(fù)雜。適用范圍：上部荷載較大，結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的變位敏感，表層地基土的允許承載力不足，做擴(kuò)大基礎(chǔ)開(kāi)挖工作量大以及支撐困難，但在一定深度下有好的持力層時(shí)，采用。類型：按下沉方式分為就地制造下沉的沉井和浮運(yùn)沉井；按外觀形狀分為單孔或多孔的圓形、矩形、圓端沉井及網(wǎng)格形。沉井下沉鋼殼沉井(4)沉箱基礎(chǔ)又稱氣壓沉箱基礎(chǔ)，以氣壓沉箱來(lái)修筑的橋梁墩臺(tái)或其它構(gòu)造物的基礎(chǔ)。分為就地建造和岸邊建造兩種。日本明石海峽大橋（中跨1991m，主塔297m）（1）移動(dòng)主塔沉箱就位（3）水下澆注混凝土（2）沉箱（4）結(jié)構(gòu)的預(yù)定功能和失效四項(xiàng)預(yù)定功能：結(jié)構(gòu)失效的幾種現(xiàn)象：1）破壞2）失穩(wěn)3）過(guò)大的變形不均勻沉降問(wèn)題差異沉降是反映土木工程結(jié)構(gòu)地基的變形特征的重要指標(biāo)，指同一結(jié)構(gòu)體中，相鄰的兩個(gè)基礎(chǔ)沉降量的差值。后果：