結(jié)構(gòu)設(shè)計中的力學和構(gòu)造基本原理

結(jié)構(gòu)設(shè)計中的力學和構(gòu)造基本原理第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日力學分析中需要考慮的三種條件1、平衡條件：遵守經(jīng)典物理世界運動基本原理,牛頓三大運動定律2、物理條件：本構(gòu)關(guān)系（應力應變等）3、幾何條件：幾何構(gòu)成、變形協(xié)調(diào)4、邊界條件第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日平衡條件

1、不受外力作用的物體，永遠將保持靜止或勻速直線運動。牛頓第三運動定律：F＝ma2、物體處于靜止狀態(tài)的必要條件，所受合力為零：

F＝03、動力學平衡條件：達朗貝爾原理

F-ma＝0第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)處于平衡的條件1、截取任一結(jié)構(gòu)部件，作用于其上的荷載的合力在任一方向上均為零。2、據(jù)此，力學分析可以采用任意坐標系（但坐標分量需要相互獨立），力系合成和分析可以在任意方向上進行。3、滿足平衡條件要求的內(nèi)力，不一定是結(jié)構(gòu)所受的真實內(nèi)力。故滿足力學平衡條件條件。只是結(jié)構(gòu)真實內(nèi)力的必要條件。第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日物理條件（本構(gòu)關(guān)系）

1、在經(jīng)典物理世界，任何物質(zhì)的運動均遵守牛頓三大運動定律。但各種介質(zhì)表現(xiàn)出來的物理現(xiàn)象千差萬別，主要原因在于介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系不同。

2、一般地，本構(gòu)關(guān)系大體可以歸于兩類:1)麥氏（麥克斯威爾）體

2）開氏（開爾文）體詳細可參考：《辛彈性力學》（中國科學技術(shù)大學出版社）或者粘彈性力學方面的教材。第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日固、液體的界定1、傳統(tǒng)認識中的這兩類物質(zhì)，其性狀與荷載作用于其上的時間密切相關(guān)。2、任何物質(zhì)都有蠕變和松弛特性，但各種物質(zhì)的松弛時間各不相同。（Maxwell）3、舉例：水下核爆炸、地質(zhì)變遷4、現(xiàn)代力學統(tǒng)一將流體和固體稱之為流變體。第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日松弛和蠕變的力學定義松弛：材料在固定位移加載情況下，其應力隨時間而減下的現(xiàn)象。蠕變：材料在固定應力荷載作用下，其應變隨時間而增加的現(xiàn)象。上述兩種非線性現(xiàn)象，還與與溫度、應力水平等因素有密切關(guān)系。第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日松弛時間松弛時間：定義為材料實際應力減小為初始應力的37%時，所需要的時間。幾種典型材料的松弛時間：1、堅硬巖石：2、水：3、瀝青：第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日傳統(tǒng)固、液體力學的部分共性1、兩者動力學均遵守經(jīng)典力學中的質(zhì)量守恒和牛頓三大運動定律。它們的動力學平衡控制方程在形式上完全相同。兩種物質(zhì)遵守相同的客觀運動物理規(guī)律第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日1、在荷載作用時間很長的情況下，固體可能表現(xiàn)出液體的性狀，2、而當荷載作用時間足夠短時，液體也可表現(xiàn)出固體的性狀。3、在荷載作用下，兩者都會表現(xiàn)出平衡分叉現(xiàn)象，也可認為是混沌現(xiàn)象。固體力學中的失穩(wěn)：穩(wěn)定分叉流體力學中的湍流：不穩(wěn)定分叉第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日傳統(tǒng)固、液體力學的部分異性1、物質(zhì)不同，它們的本構(gòu)也不同。導致雖然遵守相同的運動規(guī)律，但卻表現(xiàn)出看似完全不同的物理現(xiàn)象2、在數(shù)學上，當把本構(gòu)方程代入到完全相同的平衡控制方程后，得到的將是在形式和內(nèi)容上均有顯著差異的動量方程。3、傳統(tǒng)固體，當作用于其上的荷載不發(fā)生變化時，在有限的時間里，物體就一般不再發(fā)生顯著的變形，而液體則不同，只要荷載不移去，變形就會永遠繼續(xù)下去。第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日4、固體在荷載作用下的各穩(wěn)定狀態(tài)間的間隔較大；例如壓桿總是出現(xiàn)臨界荷載較低的失穩(wěn)模態(tài)。而液體的運動粘性系數(shù)很低，運動過程中表現(xiàn)出高度的幾何非線性。5、由于物理現(xiàn)象的顯著差別，固體力學和液體力學的研究方法存在很多差別。例如：計算力學中的很多數(shù)值方法，在流體動力學中不再具有適用性。即使在計算流體力學中，可壓縮流體與不可壓縮流體的數(shù)值研究方法均有很大的差異。第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日固體力學中的本構(gòu)關(guān)系1、廣義本構(gòu)方程：2、各向同性彈性材料：虎克定律3、非各向同性材料的本構(gòu)關(guān)系，比較復雜：目前，巖土領(lǐng)域可查閱到的本構(gòu)關(guān)系，有100種以上。4、本構(gòu)關(guān)系，是一切力學分析的基礎(chǔ)。在非線性（材料非線性、幾何非線性）力學中，本構(gòu)關(guān)系與結(jié)構(gòu)內(nèi)力水平、時間密切相關(guān)第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日幾何條件1、結(jié)構(gòu)的幾何形狀、幾何構(gòu)成。2、結(jié)構(gòu)首先必須是幾何不變的。3、理論上，幾何不變的結(jié)構(gòu)都是可以實現(xiàn)的。4、復雜結(jié)構(gòu)的幾何可變性分析，一般會用到幾何拓撲學，該學科是專門研究物體幾何構(gòu)成的學科。5、四角錐網(wǎng)架的幾何可變性問題；鋼結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)中的屋蓋、支撐、系桿、檁條設(shè)置的目的就是為了構(gòu)成一個在空間上幾何不變的屋蓋體系。第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日變形協(xié)調(diào)1、是組成結(jié)構(gòu)的各部分保持整體、不發(fā)生局部撕裂、斷裂、倒塌等非連續(xù)性損壞必須遵守的條件。在有限元(在連接節(jié)點處是連續(xù)的，在節(jié)點之間是用形函數(shù)來協(xié)調(diào))分析中的形函數(shù)。直接影響著分析的精度和可靠性。2、變形連續(xù)直接影響著結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應力組成構(gòu)件間的分配，分配原則，以考慮邊界條件、初始條件、幾何條件以后的結(jié)構(gòu)剛度為分配標準。（彈性地基梁、平面交叉梁系）第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計中的一些考慮1、涉及松弛和蠕變現(xiàn)象較為敏感的材料時，必須關(guān)注加載速率、荷載持續(xù)時間。例如公路工程中的瀝青混凝土、油膏受荷特性。2、在超長、超厚或超大混凝土結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計中，必須考慮混凝土的收縮和徐變（包括溫度應力的分析和裂縫控制計算）。3、預應力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須考慮高強鋼材應力松弛引起的預應力損失。第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日4、混凝土結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)驗算中，必須考慮材料收縮和徐變對構(gòu)件剛度和裂縫的影響。在溫度應力計算中，也必須考慮材料收縮、徐變及蠕變的影響。5、流體的運動粘性系數(shù)很小，故而日常生活中的流體對結(jié)構(gòu)的荷載作用，主要表現(xiàn)為法向應力作用。（切向剪力幾乎可以忽略不計）6、流體靜壓力各向大小相同。而動壓力則變化較為復雜，一般地，正壓力系數(shù)不會大于1.0,而負壓力系數(shù)則沒有上限。建筑結(jié)構(gòu)中碰到的瞬間負壓力系數(shù)可以高達9.0。第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日解決科學問題的兩個方面1、建立正確的數(shù)學模型。（主要依賴于對結(jié)構(gòu)平衡條件、物理條件、幾何條件、邊界條件的考慮）2、正確求解根據(jù)數(shù)學模型得到的控制方程組。（主要依賴于數(shù)學工具的合理利用、數(shù)值離散技術(shù)對幾何條件、物理條件、變形協(xié)調(diào)的考慮、算法）國內(nèi)傳統(tǒng)教育存在的問題：過分強調(diào)控制方程組的求解過程，而忽視了從工程實踐中發(fā)現(xiàn)和建立合理數(shù)學模型能力的培養(yǎng)。第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日1、不可壓縮流體，數(shù)學方程為橢圓型的可壓縮流體接亞音速區(qū)域時，方程為拋物線型的，而高超音速區(qū)域的數(shù)學方程是雙曲線型的。2、數(shù)學工具在工程分析中具有重要作用，是工程分析研究中的生產(chǎn)工具。舉例：美國阿波羅登月工程中鈍體前沿流場中的數(shù)學問題。第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日事物的相對性

世界上，除了一些為實踐所證實的客觀規(guī)律外，沒有絕對的東西，我們的認知所表述的東西都是相對的。我們的判斷都是在比較中存在的。例如：結(jié)構(gòu)設(shè)計中的強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件；節(jié)點約束（節(jié)點剛接、半剛接和鉸接、邊界條件影響、所受荷載大小）等；第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日設(shè)計計算與構(gòu)造1、設(shè)計計算與構(gòu)造是并重的，只有兩者的合理結(jié)合才可保證結(jié)構(gòu)的適用性、安全性、耐久性。2、構(gòu)造設(shè)計必須考慮材料、強度、邊界條件、幾何條件、施工可行性等因素。3、結(jié)構(gòu)預定功能的實現(xiàn)，部分通過設(shè)計計算保證，部分通過構(gòu)造保證。第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日斜截面承載力的保證1、斜截面破壞的三種型式：A、斜拉破壞——（構(gòu)造控制最小配筋率）B、剪切破壞——設(shè)計計算保證C、斜壓破壞——截面限制條件（構(gòu)造要求，對應的配箍率可以理解為最大配箍率）第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日抗彎承載力的保證1、正截面抗彎承載力：通過正截面抗彎承載力計算保證。2、斜截面抗彎承載力：通過構(gòu)造保證；例如1)鋼筋應自強度充分利用點強度外延一段長度。2）必須保證錨固、搭接長度要求。第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日錨固、搭接的概念1、錨固發(fā)生于構(gòu)件間；搭接一般發(fā)生于同一構(gòu)件內(nèi)。2、錨固長度與縱向鋼筋的應力水平、截面剪力、抗震等級、混凝土標號、保護層厚度、是否有附加錨固措施等有關(guān)。3、搭接長度與混凝土中的應力狀態(tài)、搭接率、混凝土標號、抗震等級等有關(guān)。4、考慮錨固搭接的基本原則：荷載及內(nèi)力的可靠接力傳遞。（頂層邊柱節(jié)點、折舉例梁）第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日構(gòu)造做法與材料特性有關(guān)1、脆性材料的邊界支承條件處理（簡支）。2、鋼板間焊接（平面內(nèi)兩向與厚度方向的性能差異）。3、合金鋼壓力容器裂紋的修補措施。4、預制板橋與現(xiàn)澆板橋的計算跨度。5、不合理的構(gòu)造，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)導致不可忽視的次應力作用（加拿大魁北克鋼橋的跨塌）。第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日強度和穩(wěn)定設(shè)計1、強度計算針對截面進行；穩(wěn)定計算針對構(gòu)件甚至結(jié)構(gòu)體系進行。2、強度計算屬于一階分析；穩(wěn)定分析屬于二階分析。在穩(wěn)定分析中，必須考慮軸力對構(gòu)件抗彎剛度的影響、3、強度計算采用凈截面；穩(wěn)定計算采用毛截面（在一般正常開孔情況下,截面削弱率小于15％，開孔處于構(gòu)件截面內(nèi)部）第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日邊界條件對穩(wěn)定的影響1、邊界條件通過影響構(gòu)件的抗彎剛度來影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。（軸壓構(gòu)件，柱腳鉸接與剛接，承載力成4倍關(guān)系；實腹梁柱與實腹柱和桁架梁兩種情況下，柱計算長度的區(qū)別）2、邊界條件通過影響構(gòu)件的受力影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。（大跨懸索橋中的橋塔穩(wěn)定，保守力與保極力）3、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，樓板對梁的平面外穩(wěn)定支撐作用，在受壓及水平荷載作用，進行獨立梁應注意的問題。第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日正常使用極限狀態(tài)設(shè)計1、正常使用荷載：恒載、活載、吊車荷載、疲勞荷載及其它正常使用情況下出現(xiàn)的荷載。2、傳統(tǒng)意義上的正常使用極限狀態(tài)驗算，是驗算上述荷載組合作用下結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、疲勞壽命。（強度計算時，需考慮荷載的動力效應系數(shù)，而疲勞驗算時不考慮的原因？）3、地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范是按正常使用極限狀態(tài)進行設(shè)計的?？拐鹗沁M行驗算。4、地震、暴風、爆炸、撞擊等荷載屬于偶然作用，僅進行強度計算或驗算。5、還包括結(jié)構(gòu)自振周期的控制設(shè)計、舒適度設(shè)計。第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日變形控制設(shè)計1、從理論上看，變形控制設(shè)計涉及承載力極限狀態(tài)（不適宜繼續(xù)承載的變形）和正常使用極限狀態(tài)（撓度、位移、角變形）。2、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形控制應從以下幾個方面考慮：1）構(gòu)件的截面及配筋。2)邊界條件（變簡支為固定或連續(xù)）3）荷載在數(shù)值上及作用點的優(yōu)化。(結(jié)構(gòu)布置的調(diào)整）第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日抗震設(shè)計的一般性概念1、材料要求：強制性條文，對屈強比、強強比、延性、最低強度等有要求。2、結(jié)構(gòu)布置：1）結(jié)構(gòu)在平面和空間上的均勻性；2）所布置構(gòu)件的有效性。3）對扭轉(zhuǎn)的嚴格控制。減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的措施。4）計算分析:必須遵守基本假定，滿足基本構(gòu)造要求。5）構(gòu)造措施：結(jié)構(gòu)的整體性、構(gòu)件及其截面、節(jié)點的延性、強節(jié)點弱構(gòu)件、強柱弱梁、強剪弱彎。第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日保證結(jié)構(gòu)抗震性能的基本原理1、三水準設(shè)防原則：小震不倒、中震可修、大震不倒。2、小震情況下結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，進行彈性設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下具有一定的承載力。驗算罕遇地震作用下的彈塑性變形并加以限值，同時通過延性材料的采用、合理化構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)以后具有足夠的變形能力。3、結(jié)構(gòu)耗散的能量，在廣義上為力和位移的乘積。剛?cè)嵯酀慕Y(jié)構(gòu)方為抗震性能良好的結(jié)構(gòu)。（結(jié)構(gòu)內(nèi)力的調(diào)幅，框架與排架，剪力墻連梁的剛度調(diào)整系數(shù)不能小于0.55,風荷載作用下該系數(shù)不能小于0.8）第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日混凝土耐久性設(shè)計1、材料選用：對水泥品種、骨料級配等有要求。2、配比有要求：最大水灰比、最小水泥用量。3、對構(gòu)件表面保護措施有要求：混凝土的保護層厚度、必要時需粘貼耐腐面磚或者涂刷專用涂料。4、特殊情況下，對混凝土的密實性有要求，一般要求單方密度。