建筑結(jié)構(gòu)選型力學基礎()

第1章力學基礎主講：齊小燕2013年3月21日建筑力學研究內(nèi)容“建筑力學”涉及：理論力學；材料力學；結(jié)構(gòu)力學。建筑力學是建筑學、城市規(guī)劃、工程管理、

環(huán)境工程、房地產(chǎn)等專業(yè)的一門技術(shù)基礎課，是一門重要的必修課程。它包含了理論力學、材料力學和結(jié)構(gòu)力學的最基本內(nèi)容，研究土木工程結(jié)構(gòu)中的桿件和桿系的受力分析、強度、剛度及穩(wěn)定性問題。它是力學結(jié)合工程應用的橋梁，同時為后續(xù)課程學習奠定必要的分析和計算基礎。其內(nèi)容極其豐富，這是一門綜合性、實踐性都非常強的學科。1.1關(guān)于建筑力學學習建筑力學的必要性建筑學是一門介于工程類和藝術(shù)類之間的特殊學科，它需要將工程和藝術(shù)充分結(jié)合，同時兼顧嚴密的邏輯思維與跳躍性的抽象思維之間的有機互動，在這個專業(yè)領域取得成就非常不容易?？v觀國內(nèi)外，著名的建筑大師和優(yōu)秀的建筑作品都是結(jié)構(gòu)形式與建筑理念的完美結(jié)合。建筑三要素：

-建筑功能（堅固）第一位由結(jié)構(gòu)承擔

-物質(zhì)技術(shù)條件（適用）

-建筑形象（美觀）結(jié)構(gòu)就是建筑物的骨架。承荷傳力、開辟空間、保證不坍塌。

建筑力學：保證構(gòu)件安全的理論基礎。負責總體設計規(guī)劃的建筑師、規(guī)劃師，其職責既是創(chuàng)作，更是協(xié)調(diào)。大量工程實踐和國際建筑大師成功經(jīng)驗表明，只有建筑與結(jié)構(gòu)相互理解，融會貫通各方的思路，才能設計出結(jié)構(gòu)合理、藝術(shù)性強的建筑物。要想成為一名出色的建筑師，建筑學專業(yè)的學生一定要掌握結(jié)構(gòu)工程知識。因此，要重視建筑力學的學習。建筑力學課特點理論概念性較強，方法技巧性要求高。理論概念——需要通過練習來加深理解；方法技巧——需要多做練習來熟悉掌握。

——從具體算法中學習分析問題的一般方法和解題思路，培養(yǎng)分析和解決問題的思路。建筑力學的任務結(jié)構(gòu)及其分類結(jié)構(gòu)——建筑物中承受荷載而起骨架作用的部分。構(gòu)件——組成結(jié)構(gòu)的各單獨部分。結(jié)構(gòu)承受的荷載自重、風載、人群荷載、屋面積雪重量、吊車壓力等非荷載影響因素：溫度變化、支座沉降、地震作用等建筑力學研究對象的幾何特征構(gòu)件的分類（長寬高來衡量）桿件：一個方向的尺寸大板和殼：兩個方向的尺寸大實體：三個方向的尺寸都大且相近構(gòu)件幾何特征各橫截面的形心連線——軸線垂直于桿軸線的截面——橫截面根據(jù)軸線形狀可分為：直桿、曲桿、折桿結(jié)構(gòu)的幾何特征——平面桿件結(jié)構(gòu)與空間桿件結(jié)構(gòu)凡組成結(jié)構(gòu)的所有桿件的軸線都位于某一平面內(nèi)，并且荷載也位于該平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)，稱為平面桿件結(jié)構(gòu)。否則，稱為空間結(jié)構(gòu)。直桿曲桿：拱折桿：剛架構(gòu)件：組成機械或結(jié)構(gòu)物的最小單元強度：構(gòu)件或結(jié)構(gòu)物抵抗破壞的能力剛度：構(gòu)件抵抗變形的能力穩(wěn)定性：構(gòu)件保持原有平衡狀態(tài)的能力

幾個基本概念構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性不僅與構(gòu)件的形狀有關(guān)，而且與所用材料的力學性能有關(guān)，因此在進行理論分析的基礎上，實驗研究是完成材料力學的任務所必需的途徑和手段。強度——抵抗破壞的能力

即材料強度破壞時所需外力大小的指標。

幾種材料特性：

低碳鋼：剛性，強度高玻璃片：剛性，強度低尼龍繩：柔性，強度高橡膠：柔性，強度低滿足強度要求就是：要求結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件在正常工作條件下不發(fā)生破壞。剛度——抵抗變形的能力不同材料有不同的剛度特性——剛性、柔性、伸長性、松弛性等。材料的剛度用彈性模量E表示?！獙o定的材料，E是常數(shù)。滿足剛度要求就是：要使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在正常工作條件下所發(fā)生的變形不超過允許的范圍。

穩(wěn)定性——結(jié)構(gòu)或構(gòu)件以原有的形狀保持穩(wěn)定的平

衡狀態(tài)。穩(wěn)定性要求：要使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在正常工作條件下不會突然改變原有形狀，以致發(fā)生過大的變形而導致破壞。1.2靜力學基本概念

靜力學研究物體作機械運動的特殊情況——物體處于靜止狀態(tài)時力的平衡規(guī)律。包括：受力分析、力系的簡化、平衡的條件等等。

物體的靜平衡是指物體相對于地面保持靜止或作勻速直線運動的狀態(tài)。剛體(Rigidbody)

在任何外力的作用下，大小和形狀始終保持不變的物體。即：不產(chǎn)生變形或變形可以忽略。絕對的剛體實際并不存在。例如:橋梁在車輛、人群等荷載作用下的最大豎直變形一般不超過橋梁跨度的1/700～1/900。物體的微小變形對于研究物體的平衡問題影響很小，因而可以將物體視為不變形的理想物體——剛體靜力學只研究剛體，因此，只討論物體在力的作用下整體的平衡問題。力(Force)是物體間相互的機械作用

力對物體作用效應(Effectofanaction)：使物體的機械運動狀態(tài)發(fā)生改變，叫做力的運動效應或外效應。是使物體的形狀發(fā)生改變，叫做力的變形效應或內(nèi)效應。力的定義力的單位，采用國際單位,為：牛頓，簡稱牛，符號N。

定義：能使一千克質(zhì)量的物體獲得1米每二次方秒的加速度所需的力定義為1牛頓。

釋例：1公斤＝9.8牛頓，即，1Kg=9.8N力的大小、力的方向、力的作用點。力的圖示法：力的三要素：力具有大小和方向，所以說力是矢量(vector)?？梢杂靡粋€帶箭頭的直線段將力的三要素表示出來，力系的定義

作用于同一個物體上的一組力。

力系(Systemofforces)的分類

各力的作用線都在同一平面內(nèi)的力系稱為平面力系；各力的作用線不在同一平面內(nèi)的力系稱為空間力系。平面力系的分類平面匯交力系：各力作用線都匯交于同一點的力系平面力偶系：若干個力偶組成的力系平面平行力系：各力作用線平行的力系平面一般力系：各力作用線既不匯交又不平行的平面力系平面匯交力系平面力偶系平面平行力系平面一般力系

平面力系的分類空間力系各力的作用線均不在同一平面內(nèi)，如下圖示：空間任意力系：空間平行力系：空間匯交力系：等效力系

(Equivalentforcesystem)

指兩個力(系)對物體的作用效果完全相同。平衡力系(Equilibriumforcesystem)

力系作用下使物體平衡的力系。合力與分力—若一個力與一個力系等效。則這個力稱為該力系的合力，而力系中的各個力稱為該合力的一個分力。幾個相關(guān)概念平衡—

一般是指物體相對于地球保持靜止或作勻速直線運動的狀態(tài)。1.3靜力學公理二力平衡公理

作用在同一剛體上的兩個力，使剛體平衡的必要和充分條件是，這兩個力大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。(a)

(b)

二力平衡公理二力平衡公理加減平衡力系公理三力平衡匯交定理作用與反作用定律受二力作用而處于平衡的桿件或構(gòu)件稱為二力桿件（簡稱為二力桿）或二力構(gòu)件。

二力桿

加減平衡力系公理

在作用于剛體上的任意力系中，加上或去掉任何平衡力系，并不改變原力系對剛體的作用效果。

力的可傳性原理作用于剛體上的力可沿其作用線移動到剛體內(nèi)任意一點，而不會改變該力對剛體的作用效應。==FAF2F1FABF1AB加減平衡力系力的可傳性

力的平行四邊形法則

作用在物體上同一點的兩個力，可以合成為仍作用于該點的一個合力，合力的大小和方向由以原來的兩個力為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對角線矢量來表示。

力的平行四邊形法則

力的三角形法則三力平衡匯交定理

一剛體受共面不平行的三力作用而平衡時，此三力的作用線必匯交于一點。證明：F1F3F2A=A3F1F2F3A3AA2A1作用與反作用定律

兩個相互作用物體之間的作用力與反作用力大小相等，方向相反，沿同一直線且分別作用在這兩個物體上。

約束—阻礙物體運動的限制條件，約束總是通過物體間的直接接觸而形成。約束對物體必然作用一定的力，這種力稱為約束反力或約束力，簡稱反力。約束反力的方向總是與物體的運動或運動趨勢的方向相反，它的作用點就在約束與被約束物體的接觸點。運用這個準則，可確定約束反力的方向和作用點的位置。

1.4約束與約束反力工程中常見的約束及約束力：柔體約束光滑面約束鏈桿約束圓柱鉸鏈約束支座約束（固定鉸支座、活動鉸支座、固定端）1.柔體約束

由柔軟且不計自重的繩索、膠帶、鏈條等構(gòu)成的約束統(tǒng)稱為柔體約束。柔體約束的約束反力為拉力，沿著柔體的中心線背離被約束的物體，用符號FT表示，如圖1.4.1所示。圖1.4.1柔體約束(a)(b)(c)(a)(b)(c)圖1.4.2光滑接觸面約束2.光滑接觸面約束

物體之間光滑接觸，只限制物體沿接觸面的公法線方向并指向物體的運動。光滑接觸面約束的反力為壓力，通過接觸點，方向沿著接觸面的公法線指向被約束物體，通常用FN表示，如圖1-11所示。兩端各以鉸鏈與其他物體相連接且中間不受力(包括物體本身的自重)的直桿稱為鏈桿，如圖1.4.3所示。鏈桿可以受拉或者是受壓，但不能限制物體沿其他方向的運動和轉(zhuǎn)動，所以，鏈桿的約束反力總是沿著鏈桿的軸線方向，大小相等，方向相反，指向不定，也稱“二力桿”。常用符號F表示。

3.鏈桿約束圖1.4.3鏈桿約束(a)(b)(c)

光滑圓柱鉸鏈約束的約束性質(zhì)是限制物體平面移動（不限制轉(zhuǎn)動），其約束反力是互相垂直的兩個力（本質(zhì)上是一個力），指向任意假設。

4.光滑圓柱鉸鏈約束（簡稱鉸約束）圖1.4.4圓柱鉸鏈約束

FAXFAYFA5.固定鉸支座

將構(gòu)件或結(jié)構(gòu)連接在支承物上的裝置稱為支座。用光滑圓柱鉸鏈把構(gòu)件或結(jié)構(gòu)與支承底板相連接，并將支承底板固定在支承物上而構(gòu)成的支座，稱為固定鉸支座,如圖1.4.5所示。固定鉸支座的約束反力與圓柱鉸鏈相同，其約束反力也應通過鉸鏈中心，但方向待定。為方便起見，常用兩個相互垂直的分力FAx,FAy表示。

圖1.4.5固定鉸支座(a)(b)(c)FAXFAyFA6.可動鉸支座

如果在固定鉸支座的底座與固定物體之間安裝若干輥軸，就構(gòu)成可動鉸支座，如圖1.4.6所示?？蓜鱼q支座的約束反力垂直于支承面，且通過鉸鏈中心，但指向不定，常用R(或F)表示。FA(RA)圖1.4.6可動鉸支座(a)(b)(d)(c)(e)7.固定端支座

如果構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的一端牢牢地插入到支承物里面，就形成固定端支座，如圖1.4.7(a)所示。約束的特點是連接處有很大的剛性，不允許被約束物體與約束物體之間發(fā)生任何