建筑力學(xué)緒論

建筑力學(xué)主講教師：段軍2023年2月第1章緒論

建筑力學(xué)是研究建筑物或者構(gòu)筑物〔稱為結(jié)構(gòu)〕及其組成局部〔稱為結(jié)構(gòu)構(gòu)件〕力學(xué)性能的一門學(xué)科，是重要的專業(yè)根底課。掌握根本的力學(xué)知識和計算方法可為建筑工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑施工等提供根本保障，也為進一步學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)課程打下必要的根底。建筑物和構(gòu)筑物是人類生存和勞動所必需的空間。隨著技術(shù)進步和生產(chǎn)力的開展，人類建造了木屋、土屋和石屋，直至開展到今天的現(xiàn)代建筑?，F(xiàn)代建筑的開展不僅僅能夠滿足人類生活和生產(chǎn)的根本目的，也是一個國家政治、經(jīng)濟和文化開展的標(biāo)志?，F(xiàn)代建筑的開展依賴于建筑力學(xué)和建筑材料科學(xué)的開展。1.1建筑力學(xué)的研究對象和任務(wù)

從古代的趙州橋，采用石材，運用了“拱〞的力學(xué)原理趙州橋到現(xiàn)代的各式建筑：鳥巢紐約世貿(mào)中心上海世界環(huán)球金融中心小蠻腰海上鉆井平臺東方明珠斜橋

這些都是采用鋼材和混凝土材料，開展和應(yīng)用了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析原理和方法，無一不表達了科技的進步和開展。荷載：建筑物或構(gòu)筑物各局部的自重、人和設(shè)備的重力、風(fēng)力等等，這些直接主動作用在建筑物上的外力在工程上統(tǒng)稱為荷載。建筑結(jié)構(gòu)、構(gòu)件：在建筑物或構(gòu)筑物中起骨架作用的物體稱為建筑結(jié)構(gòu)，組成建筑結(jié)構(gòu)的根本部件有桿件、梁、板、柱子等，統(tǒng)稱為構(gòu)件，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)起著承受力和傳遞力的作用。承載能力：構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性統(tǒng)稱為構(gòu)件的承載能力。建筑物或構(gòu)筑物按照其幾何特征可以分成桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)和實體結(jié)構(gòu)等幾種類型。1、桿系結(jié)構(gòu)是由假設(shè)干桿件通過一定的方式連接起來組成的結(jié)構(gòu)，桿件是在長度方向上遠(yuǎn)大于其橫截面尺寸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，又分為曲桿和直桿，如圖1-1所示。工程上常用的桿系結(jié)構(gòu)有框架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。如圖1-2所示。

圖1-2(a)廣東科技中心網(wǎng)架〔b〕施工中的框架結(jié)構(gòu)〔c〕某廠房屋架---桁架2、板和殼體都是厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于長寬方向尺寸、寬而薄的構(gòu)件。平面形狀的構(gòu)件稱為板，曲面形狀的構(gòu)件稱為殼。如圖1-3〔a〕、〔b〕所示。

由板和殼體組成的結(jié)構(gòu)稱為板殼結(jié)構(gòu)，一般鋼筋混凝土建筑物的樓面結(jié)構(gòu)為平板結(jié)構(gòu)，如圖1-4所示；一些特殊形體的建筑屋面如悉尼歌劇院的屋面、廠房的馬鞍形屋面等都是殼體結(jié)構(gòu)，如圖1-5所示。

圖1-4某倉庫平面樓蓋

圖1-5悉尼歌劇院3、實體結(jié)構(gòu)是在長、寬和高三個方向都有一定相對接近的比例尺寸的結(jié)構(gòu)。實體結(jié)構(gòu)在工程上用作堤壩、擋土墻、建筑物或構(gòu)筑物的獨立式、條帶式根底和片伐式根底等，如圖1-6所示。

圖1-6三峽大壩所有的建筑物或構(gòu)筑物都可能由石材、鋼材、混凝土或者木材等固體建筑材料做成，每種材料具有不同的力學(xué)性能和承受荷載的能力。由這些材料建成的結(jié)構(gòu)荷載作用下，或多或少都會產(chǎn)生變形。如果材料承受荷載的能力不夠，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形過大可能導(dǎo)致破壞，將不平安。因此，必須保證在設(shè)計荷載作用下，在建筑物使用期限內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于能夠正常使用的平安狀態(tài)。結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)平安的重要措施，力學(xué)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論根底。結(jié)構(gòu)物是否能夠平安建成并且正常工作，取決于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)的幾何組成是否合理，以及結(jié)構(gòu)承受荷載的情況。在建筑物的設(shè)計和施工階段，都需要對擬建的建筑物和構(gòu)筑物進行力學(xué)分析。建筑力學(xué)課程針對彈性桿狀構(gòu)件和桿系結(jié)構(gòu)，分析用作結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料在荷載或其他影響因素〔如溫度變化、根底沉降等等〕作用下的力學(xué)性能、建筑物或構(gòu)筑物的幾何組成、以及在荷載作用下結(jié)構(gòu)的承載能力和變形狀態(tài)。主要內(nèi)容包括以下五個方面：

常見工程結(jié)構(gòu)體系的計算簡圖，常見荷載類型、約束類型及受力分析、力系合成〔簡化〕與平衡的理論和方法。桿系結(jié)構(gòu)的幾何組成規(guī)律分析，合理的結(jié)構(gòu)幾何組成是保證所設(shè)計的桿件體系成為能夠承受荷載的結(jié)構(gòu)體系的必要條件結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強度問題。強度是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)承受荷載和抵抗破壞的能力，與構(gòu)件所用材料的力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)件的截面幾何形狀和尺寸，以及所承受荷載的類型和大小有關(guān)。因此，在討論強度問題時，需要討論材料的力學(xué)性質(zhì)、截面的幾何性質(zhì)，構(gòu)件的內(nèi)力和應(yīng)力等與強度有關(guān)的問題，以便在設(shè)計荷載確定后，設(shè)計構(gòu)件的幾何形狀和尺寸。剛度問題。剛度是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抵抗變形的能力。

因此，需要討論構(gòu)件的變形和應(yīng)變，結(jié)構(gòu)的位移等與剛度有關(guān)的問題，以便設(shè)計時控制變形和位移。穩(wěn)定性問題。

穩(wěn)定性是指構(gòu)件在荷載作用下應(yīng)該能夠保持原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。某些細(xì)長構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在荷載作用下可能不能保持原有形狀下的平衡，即喪失穩(wěn)定性，產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，因此，有必要進行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。建筑力學(xué)的任務(wù):通過研究結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性，材料的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)的幾何組成規(guī)那么，在保證結(jié)構(gòu)既平安可靠又經(jīng)濟節(jié)約的前提下，為構(gòu)件選擇適宜的材料、確定合理的截面形狀和尺寸，提供計算理論及計算方法，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供力學(xué)分析依據(jù)。1.2建筑力學(xué)的兩種分析模型及根本假設(shè)抽象化方法：

根據(jù)所研究的不同問題，抓住主要的、起決定作用的因素，忽略次要的、偶然的因素，對實際結(jié)構(gòu)進行科學(xué)的抽象化，根據(jù)分析側(cè)重點的不同，建立力學(xué)分析模型的方法。剛體：指在運動中和受力作用后，形狀和大小都不發(fā)生改變，而且內(nèi)部各點之間的距離保持不變的物體。注意：

在研究某些問題由于構(gòu)件的變形對結(jié)構(gòu)的影響較小，可以忽略不計，為將問題簡化，將其視為剛體。因此，剛體是從實際物體抽象得來的一種理想化的力學(xué)模型，自然界中并不存在。變形體：指在運動中和受力作用后，形狀和大小都發(fā)生改變的物體。

即當(dāng)物體的微小變形在所研究的問題中轉(zhuǎn)化為主要因素時，就不能再把此物體看做剛體，而必須視為變形體力學(xué)分析中的根本假設(shè)：一些力學(xué)問題中，在研究構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定性時，常根據(jù)與問題有關(guān)的一些主要因素，省略一些關(guān)系不大的次要因素，對材料作一定的假設(shè)來簡化力學(xué)模型。主要假設(shè)如下：均勻連續(xù)性假設(shè)變形固體由同種性質(zhì)的材料構(gòu)成，在其整個體積內(nèi)部毫無空隙地、連續(xù)地充滿了同種性質(zhì)的材料。各向同性

假設(shè)認(rèn)為變形固體沿各個方向的力學(xué)性能均相同。如果材料在各個方向具有相同力學(xué)性能，那么稱為各向同性材料，如鋼材、玻璃等。如果材料在不同方向上具有不同的力學(xué)性能，那么稱為各向異性材料，如木材、一些種類的復(fù)合材料等。小變形指實際工程中的構(gòu)件在荷載作用下，其變形與構(gòu)件的原尺寸相比通常很小，可以忽略不計，稱這一類變形為小變形。線彈性假設(shè)作用于變形固體上的外力與變形固體的彈性變形始終成正比例關(guān)系?！彩轻槍Y(jié)構(gòu)變形而言的〕在荷載作用下，一般工程材料制成的構(gòu)件都要產(chǎn)生變形。如果荷載不超過一定的范圍，在荷載卸去后，構(gòu)件能夠恢復(fù)到原來的形狀；如果荷載過大，那么在卸載后，構(gòu)件只能局部復(fù)原，而要殘留一局部不能消失的變形。卸載后能夠完全消失的那一局部變形稱為彈性變形；而殘留下來不能消失的那局部變形那么稱為塑性變形。

建筑力學(xué)研究均質(zhì)連續(xù)、各向同性的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的線彈性、小變形的力學(xué)模型。1.3建筑力學(xué)的課程特點及要求

課程特點理論推導(dǎo)概念性強；