建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)課件

建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)建筑力學(xué)是研究建筑物在各種外力作用下的力學(xué)性能，并利用力學(xué)原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的學(xué)科。它為建筑結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定和耐久提供理論基礎(chǔ)。緒論本課程介紹建筑力學(xué)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識，涵蓋結(jié)構(gòu)受力分析、材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則等方面，為后續(xù)建筑結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。1.1建筑力學(xué)的基本概念11.力學(xué)建筑力學(xué)是力學(xué)的一個分支，研究建筑結(jié)構(gòu)在各種外力作用下的力學(xué)特性、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。22.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)是指由不同材料和構(gòu)件組成的整體，用于承載各種荷載，并滿足使用功能和安全要求。33.力與運(yùn)動建筑力學(xué)主要研究力對結(jié)構(gòu)的影響，包括外力作用下的結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力分布和運(yùn)動規(guī)律。44.安全與可靠性建筑力學(xué)研究的目標(biāo)是保證結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下安全、可靠地運(yùn)行，確保建筑物的安全和使用壽命。1.2結(jié)構(gòu)工程的基本問題安全與可靠性結(jié)構(gòu)必須在各種荷載作用下保持穩(wěn)定，確保人員和財(cái)產(chǎn)安全。功能性結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足建筑物的使用功能需求，例如承載能力、空間利用率、舒適性等。經(jīng)濟(jì)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在滿足安全和功能的前提下，盡可能地降低成本。美觀性結(jié)構(gòu)的外觀應(yīng)與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，并符合審美要求。1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首要考慮安全性，確保結(jié)構(gòu)能夠承受各種負(fù)荷而不發(fā)生破壞。經(jīng)濟(jì)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)效益，選擇最優(yōu)的材料和方案，降低工程造價(jià)。適用性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足使用功能的要求，如空間布局、采光通風(fēng)等。美觀性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與建筑整體風(fēng)格協(xié)調(diào)，力求美觀大方。2.材料的基本性質(zhì)材料是構(gòu)成結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其基本性質(zhì)決定了結(jié)構(gòu)的性能。了解材料的基本性質(zhì)對于合理選擇材料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。2.1材料的基本機(jī)械性質(zhì)應(yīng)力材料在外力作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，反映了材料內(nèi)部抵抗變形的能力。應(yīng)力單位通常為帕斯卡(Pa)或牛頓每平方米(N/m2)。應(yīng)變材料在外力作用下發(fā)生的形變程度，反映了材料的變形能力。應(yīng)變是一個無量綱量，表示材料尺寸變化與原始尺寸的比值。彈性模量材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值，反映了材料抵抗彈性變形的程度。彈性模量單位與應(yīng)力單位相同，通常為帕斯卡(Pa)或牛頓每平方米(N/m2)。泊松比材料在單向拉伸或壓縮時，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，反映了材料橫向變形與縱向變形的比例關(guān)系。泊松比是一個無量綱量，通常為一個負(fù)數(shù)，其絕對值小于0.5。2.2材料的變形特性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系材料在受力作用下，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系曲線，體現(xiàn)了材料的變形特性。彈性模量材料在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變的比例系數(shù)，反映了材料的剛度。泊松比材料在受力方向拉伸或壓縮時，其垂直方向上尺寸變化與受力方向尺寸變化的比值，反映了材料的橫向變形特性。屈服強(qiáng)度材料發(fā)生永久變形時的應(yīng)力值，是衡量材料抵抗塑性變形的能力指標(biāo)。2.3材料的強(qiáng)度特性抗拉強(qiáng)度材料承受拉伸載荷而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力?？箟簭?qiáng)度材料承受壓縮載荷而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力?？辜魪?qiáng)度材料在剪切力作用下所能承受的最大應(yīng)力。屈服強(qiáng)度材料發(fā)生顯著塑性變形時的應(yīng)力值。簡單構(gòu)件的受力分析本節(jié)將深入探討常見結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同受力狀態(tài)下的行為，并分析其受力特點(diǎn)、內(nèi)力分布以及應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。我們將從常見的軸向受力構(gòu)件、彎曲受力構(gòu)件開始，深入分析其受力特性，為后續(xù)結(jié)構(gòu)整體分析奠定基礎(chǔ)。3.1軸向受力構(gòu)件1概念受力方向與構(gòu)件軸線重合2類型拉伸、壓縮3計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度4應(yīng)用柱、梁、索軸向受力構(gòu)件是結(jié)構(gòu)中最常見的類型之一，應(yīng)用范圍廣泛。在建筑結(jié)構(gòu)中，柱子承受著來自樓板和屋頂?shù)拇怪焙奢d，而鋼纜則用于懸吊橋梁和建筑物。了解軸向受力構(gòu)件的受力特點(diǎn)和計(jì)算方法是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識。3.2彎曲受力構(gòu)件1彎曲應(yīng)力橫截面上的內(nèi)力2彎曲變形構(gòu)件的彎曲程度3彎曲強(qiáng)度材料抵抗彎曲破壞的能力4彎曲剛度構(gòu)件抵抗彎曲變形的能力彎曲受力構(gòu)件是結(jié)構(gòu)中常見的類型，例如梁。彎曲受力構(gòu)件的受力分析需要考慮彎曲應(yīng)力、彎曲變形、彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度。3.3剪力與彎矩關(guān)系剪力與彎矩定義剪力是作用在構(gòu)件橫截面上的力，彎矩是作用在構(gòu)件橫截面上的力矩。它們是描述構(gòu)件受力狀態(tài)的重要參數(shù)。剪力與彎矩關(guān)系剪力是彎矩對橫截面的導(dǎo)數(shù)，彎矩是剪力對橫截面的積分。它們之間的關(guān)系可以用微積分來描述。剪力與彎矩圖剪力圖和彎矩圖可以用來直觀地顯示構(gòu)件上的剪力和彎矩分布，便于分析構(gòu)件的受力狀態(tài)。平面骨架結(jié)構(gòu)平面骨架結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最常見的一種形式。它由梁、柱、墻等構(gòu)件組成，并以平面形式排列。4.1平面剛架的受力分析1定義平面剛架是指所有桿件和節(jié)點(diǎn)均處于同一平面上的框架結(jié)構(gòu)。它主要由梁和柱組成，具有較強(qiáng)的整體性，能夠承受較大的荷載，廣泛應(yīng)用于建筑工程中。2受力分析平面剛架的受力分析主要涉及梁和柱的內(nèi)力計(jì)算，包括彎矩、剪力和軸力。它需要遵循力學(xué)平衡原理，并結(jié)合剛度矩陣法或有限元法等數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行分析。3應(yīng)用平面剛架的受力分析結(jié)果可用于確定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時，也能夠幫助了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，判斷是否存在危險(xiǎn)區(qū)域。4.2平面桁架的受力分析1節(jié)點(diǎn)法求解節(jié)點(diǎn)上力的平衡2截面法求解截面上內(nèi)力的平衡3虛擬功法利用功的原理求解內(nèi)力平面桁架的受力分析是結(jié)構(gòu)力學(xué)中的重要內(nèi)容，其分析方法主要有節(jié)點(diǎn)法、截面法和虛擬功法。節(jié)點(diǎn)法通過分析節(jié)點(diǎn)上各桿件的內(nèi)力平衡來求解桁架的受力情況，截面法通過分析截面上各桿件的內(nèi)力平衡來求解桁架的受力情況，虛擬功法則利用功的原理來求解桁架的受力情況。4.3平面結(jié)構(gòu)的靜定與靜不定1靜定結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中所有未知力可以通過平衡方程求解。簡單的結(jié)構(gòu)，例如三角形桁架，通常是靜定的。2靜不定結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中未知力多于平衡方程的數(shù)量。需要考慮材料的變形特性來進(jìn)行分析。3靜定與靜不定判斷可以通過計(jì)算結(jié)構(gòu)的自由度和約束條件來判斷結(jié)構(gòu)是靜定還是靜不定?？臻g結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)是指在三維空間中分布的結(jié)構(gòu)體系，相較于平面結(jié)構(gòu)，其更加復(fù)雜，但也更加穩(wěn)定，能夠承受來自各個方向的荷載。5.1空間剛架的受力分析1空間剛架的概念空間剛架由多個桿件在空間連接而成，能夠承受多方向的荷載?？臻g剛架的受力分析需要考慮各個桿件的受力情況，以及節(jié)點(diǎn)處的平衡關(guān)系。2力的分解在空間剛架中，外部荷載可以分解成三個方向的力，即水平力、垂直力以及扭矩。同時，桿件的內(nèi)力也需要分解成這三個方向的力。3平衡方程為了求解空間剛架的內(nèi)力，需要建立平衡方程。平衡方程需要考慮所有外力，內(nèi)力以及桿件的幾何關(guān)系。平衡方程可以利用矩陣形式進(jìn)行表示，方便求解。5.2空間桁架的受力分析空間桁架定義空間桁架由若干桿件在空間以鉸接方式連接而成，適用于跨度較大、荷載較輕的空間結(jié)構(gòu)。空間桁架受力空間桁架受力復(fù)雜，桿件承受軸力，節(jié)點(diǎn)承受力偶和集中力。受力分析方法采用節(jié)點(diǎn)法分析，將空間桁架分解為多個節(jié)點(diǎn)，分別進(jìn)行受力分析。平衡方程每個節(jié)點(diǎn)的平衡方程包括三個力平衡方程和三個力矩平衡方程。桁架結(jié)構(gòu)5.3空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與剛度穩(wěn)定性空間結(jié)構(gòu)必須具備足夠的穩(wěn)定性，以抵抗外力作用下失穩(wěn)破壞。穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在荷載作用下保持平衡的能力。穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)的幾何形狀、支撐條件、材料性質(zhì)等因素有關(guān)。剛度空間結(jié)構(gòu)的剛度是指其抵抗變形的能力。剛度越大，結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的變形越小。剛度與結(jié)構(gòu)的截面尺寸、材料的彈性模量、支承條件等因素有關(guān)。6.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，旨在確保建筑物在發(fā)生地震時能夠抵抗地震力，保證建筑物和人員的安全?？拐鹪O(shè)計(jì)需要綜合考慮地震荷載特征、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范等因素。6.1地震荷載特征地震波類型地震波分為縱波和橫波?？v波速度快，橫波速度慢，破壞性更大。地震烈度地震烈度表示地震對地面和建筑物的破壞程度，通常用地震烈度表表示。地震影響因素地震震級、震源深度、地質(zhì)構(gòu)造、建筑物自身特性等都會影響地震荷載。6.2結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論地震反應(yīng)譜地震反應(yīng)譜是描述地震動對結(jié)構(gòu)反應(yīng)影響的重要工具，它反映了地震動頻率特性對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的影響。結(jié)構(gòu)動力分析結(jié)構(gòu)動力分析是研究結(jié)構(gòu)在地震作用下動力響應(yīng)的關(guān)鍵方法，它能預(yù)測結(jié)構(gòu)在不同地震荷載下的振動行為?？拐鹪O(shè)計(jì)原則結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則包括提高結(jié)構(gòu)的整體性和延性，降低結(jié)構(gòu)的振動周期，以及控制結(jié)構(gòu)的破壞程度?？拐鸫胧┛拐鸫胧?/p>