《建筑力学教案》PPT课件.ppt

建筑力学,适用专业：建筑学学时：106主讲教师：丁继辉Email:,本课程安排和要求,教学环节 课堂讲授(17 周 6 17学时)习题讨论课(3 次 6 学时)实验课 课堂表现及作业,考核及成绩70（期末考试）30（小测验表现）,要求,1.大课必须出席，不定期点名。2.讨论课：独立完成小测验，积极参加讨论；讨论时表现好者适当在测验成绩中加分。3.试验：注意观察，联系理论，深入分析。4.作业：独立完成，每章交一次，在该章讲课结束后1周内按时 交给助教。迟交或不认真完成者在平时成绩中扣分，为鼓励个人独立完成，作业错误不扣分。,第一章 绪论,第一节 建筑力学的任务和内容第二节 刚体、变形体及其基本假设第三节 杆件变形的基本形式第四节 荷载的分类,第一章 绪论,第一节 建筑力学的任务和内容,建筑力学：将理论力学中的静力学、材料力学、结构力学等课程中的主要内容，依据知识自身的内在连续性和相关性，重新组织形成的建筑力学知识体系。适用专业：建筑学、建筑管理、房地产等专业培养的需要，满足相关专业对力学知识的基本要求，并为了解建筑结构和构件的设计与计算提供基础知识。,第一章 绪论,第一节 建筑力学的任务和内容,一、结构与构件二、建筑力学任务与内容,第一章 绪论,第一节 建筑力学的任务和内容,一、结构与构件,建筑物或构筑物中承受、传递荷载而起骨架作用的部分称为结构。如：房屋中的梁柱体系、桥梁、水坝等等都是工程结构的例子。,2、构件,1、结构,组成结构的各个单独部分。如，基础、柱、吊车梁、屋面板等均为构件。,万里长城,天安门城楼,国家大剧院,三峡大坝,印度泰姬陵,意大利比萨斜塔,凯旋门,埃菲尔铁塔,吉隆坡石油双塔,桥梁,赵州桥,青马大桥,旧金山大桥,2、结构分类：一般按几何类型分三种类型。,1.杆系结构,钢结构梁、柱,埃菲尔铁塔,2.板壳结构,悉尼歌剧院,厚度远小于其长度和宽度的结构。,清华大礼堂,3.实体结构,长、宽、高三个尺寸相近的结构。,建筑力学以杆系结构作为研究对象。,第一章 绪论,第一节 建筑力学的任务和内容,一、建筑力学的内务和任务,建筑力学的任务：研究能使建筑结构安全、正常地工作且符合经济要求的理论和计算方法。本书,建筑力学的任务：研究和分析作用在结构（或构件）上力与平衡的关系，结构（或构件）有内力、应力、变形的计算方法以及构件的强度、刚度和稳定条件，为保证结构（或构件）安全可靠又经济合理提供计算理论依据。,第一章 绪论,第一节 建筑力学的任务和内容,一、建筑力学的内务和任务,（1）静力学基础 研究物体的受力分析、力系简化与平衡的理论以及杆系结构的组成规律。（2）内力分析 研究静定结构和构件的内力的计算方法及其分布规律。（3）强度、刚度、稳定性问题。（4）超静定结构问题,建筑力学的内容包括以下几个部分：,第一章 绪论,第一节 建筑力学的任务和内容,一、建筑力学的内务和任务,强度计算在于保证结构物使用中的安全性，并符合经济要求。,刚度计算在于保证结构物不会产生过大的变形从而影响使用。,稳定性验算在于保证结构不会产生失稳破坏。,加拿大特朗斯康谷仓,事故：1913年9月装谷物，10月17日装了31822谷物时，1小时竖向沉降达30.5cm24小时倾斜2653西端下沉7.32m 东端上抬1.52m上部钢混筒仓完好无损,概况：长59.4m，宽23.5m，高31.0m，共65个圆筒仓。钢混筏板基础，厚61cm，埋深3.66m。1911年动工，1913年完工，自重20000T。,加拿大特朗斯康谷仓,原因：地基土事先未进行调查，据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。1952年经勘察试验与计算，地基实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。因此，谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。,处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用388个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了米。,香港宝城滑坡,1972年7月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅-宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡7人。,原因：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。,香港1900年建市，1977年成立土力工程署港岛1972 Po Shan 滑坡(20,000 m3)(67 死、20 伤),Po Shan Road,Conduit Road,Notewell Road,Early 1972 滑坡前,阪神大地震中地基液化,神户码头：地震引起大面积砂土地基液化后产生很大的侧向变形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到严重损伤,液化：松砂地基在振动荷载作用下丧失强度变成流动状态的一种现象,阪神大地震中地基液化,神户码头：沉箱式岸墙因砂土地基液化失稳滑入海中,比萨斜塔,目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.51360：再复工，至1370年竣工，全塔共8层，高度为55m1272：复工，经6年，至7层，高48m，再停工1178：至4层中，高约29m，因倾斜停工1173：动工,原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强度较低，变形较大。,1590:伽利略在此塔做落体实验,比萨斜塔,1838-1839：挖环形基坑卸载1933-1935：基坑防水处理 基础环灌浆加固1990年1月:封闭1992年7月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地 基处理目 前:已向游人开放。,处理措施,虎丘塔,问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔 顶离中心线已达2.31m，底层 塔身发生不少裂缝，成为危险 建筑物而封闭。,概况：位于苏州市虎丘公园山顶，落成于宋太祖建隆二年（公元961年）。全塔7层，高47.5m，塔的平面呈八角形。,原因：坐落于不均匀粉质粘土层上，产生不均匀沉降。,处理：在塔四周建造一圈桩排式地下 连续墙并对塔周围与塔基进行 钻孔注浆和打设树根桩加固塔 身，获得成功。,关西机场 世界最大人工岛,1986年：开工1990年：人工岛完成1994年：机场运营面积：4370m1250m填筑量：180106m3平均厚度：33m,关西机场,设计时预测沉降：5.77.5 m完成时实际沉降：8.1 m，5cm/月(1990年)预测主固结完成：20年后比设计超填：3m,问题：沉降大且有不均匀沉降,Teton坝,概况：土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事,损失：直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路,原因：渗透破坏水力劈裂,Teton坝,1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。,Teton坝,11：00左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加,Teton坝,11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。,11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,Teton坝,11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下,Teton坝,12：00过后坍塌口加宽,Teton坝,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁,Teton坝,失事现场目前的状况,Teton坝,九江大堤决口,溃口原因：堤基管涌,1998年8月7日13:10发生管涌险情，20分钟后，在堤外迎水面找到2处进水口,又过20分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞，5 m宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成一宽约62m的溃口。,长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图,砂环,管涌口,粘性土,砂性土,渗水,杂填土,管涌：在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。,堤基管涌,09.06.27 莲花河畔景苑,09.06.27 莲花河畔景苑,“这个建筑整体倒塌，在我从业46年来，从来没有听说过，也没有见到过。”“627”事故专家调查组组长，中国工程院院士、上海现代建筑设计集团有限公司结构设计专家江欢成,09.06.27 莲花河畔景苑事故原因？,原勘察报告，经现场补充勘察和复核，符合规范要求；原结构设计，经复核符合规范要求；大楼所用PHC管桩，经检测质量符合规范要求。,压力太大，自杀了？,09.06.27 莲花河畔景苑事故原因？,房屋倾倒的主要原因是，紧贴7号楼北侧，在短期内堆土过高，最高处达10米左右；与此同时，紧邻大楼南侧的地下车库基坑正在开挖，开挖深度4.6米，大楼两侧的压力差使土体产生水平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒。,堆土和深坑是元凶！,彩虹卧波，綦江一景,綦江.彩虹桥,增设花台等荷载后，主拱承载力不能满足相应规范要求。主拱钢绞线锁锚方法错误，不能保证钢绞线有效锁定及均匀受力，锚头部位的钢绞线出现部分或全部滑出，使吊杆钢绞线锚固失效。对接焊缝普遍存在裂纹、未焊透、未熔合、气孔、夹渣等严重缺陷 主钢管内混凝土强度未达设计要求，局部有漏灌现象，在主拱肋板处甚至出现1米多长的空洞。吊杆的灌浆防护也存在严重质量问题。,5.12 四川汶川,5.12 四川汶川,5.12 四川汶川,杭州.地铁,杭州.地铁,第一章 绪论,第一节 建筑力学的任务和内容,一、建筑力学的内务和任务,结构必须具备可靠（安全）、适用、耐久的功能。强度：在使用期内，务必使结构和构件安全可靠，不发生破坏，具有足够的承载能力。结构和构件抵抗破坏的能力称为强度。刚度：在使用期内，务必使结构和构件不发生影响正常使用的变形。结构或构件抵抗变形的能力称为刚度。稳定性：在使用期内，务必使结构和构件平衡形态保持稳定。稳定性是结构或构件保持原有平衡形态的能力。,第一章 绪论,第一节 建筑力学的任务和内容,一、建筑力学的内务和任务,本书着重介绍求解超静定结构内力的基本概念和基本方法。在确定超静定的内力后，超静定结构的强度和刚度问题也随之解决了。,第一章 绪论,第二节 刚体、变形固体的基本假设,结构和构件可统称为物体。在建筑力学中将物体抽象为两种计算模型：刚体、理想变形固体。,第一章 绪论,第二节 刚体、变形固体的基本假设,一、刚体刚体：物体受力作用而不变形的物体。强调：理想模型。变形微小，影响甚微。,第一章 绪论,第二节 刚体、变形固体的基本假设,一、变形固体及其基本假设,材料在荷载作用下都会产生变形尺寸改变和形状改变可变形固体。,第一章 绪论,第二节 刚体、变形固体的基本假设,一、变形固体及其基本假设,对可变形固体的基本假设：,1.连续性假设无空隙、密实连续。,(1)从受力构件内任意取出的体积单元内均不含空隙；,(2)变形必须满足几何相容条件，变形后的固体内既无“空隙”，亦不产生“挤入”现象。,据此：,第一章 绪论,第二节 刚体、变形固体的基本假设,一、变形固体及其基本假设,对可变形固体的基本假设：,2.均匀性假设各点处材料的力学性能相同。对常用工程材料，尚有各向同性假设。,3.各向同性假设认为材料的力学性质是均匀的，材料沿不同的方向具有相同的力学性质。有些材料沿不同的方向的力学性质是不同的，称为各向异性材料。,第一章 绪论,第二节 刚体、变形固体的基本假设,一、变形固体及其基本假设,理性变形固体：,满足连续性、均匀性和各向同性的假设理想变形固体。,4.小变形假设构件在承受荷载作用时，其变形与构件的原始尺寸相比甚小，甚至可以略去不计。,第一章 绪论,二、弹性变形和塑性变形,本书局限于研究弹性变形范围内的问题。,第二节 刚体、变形固体的基本假设,1-4 杆件的几何特性,直杆 曲杆,主要几何因素：横截面、轴线,等截面杆和变截面杆,第一章 绪论,1-5 杆件变形的基本形式,.轴向拉伸或轴向压缩,第一章 绪论,.剪切,1-5 杆件变形的基本形式,第一章 绪论,剪切变形,1-5 杆件变形的基本形式,第一章 绪论,.扭转,1-5 杆件变形的基本形式,第一章 绪论,扭转变形,1-5 杆件变形的基本形式,第一章 绪论,.弯曲,F1=F2时(从而亦有FA=FB)车轴的AB部分不受剪切纯弯曲。而车轴的外伸部分既受弯又受剪横力弯曲,1-5 杆件变形的基本形式,第一章 绪论,弯曲变形,1-5 杆件变形的基本形式,第一章 绪论,工程中常用构件在荷载作用下，大多为几种基本变形形式的组合组合变形。,烟囱,(压缩+横力弯曲),齿轮传动轴,(扭转+水平面内横力弯曲+竖直面内横力弯曲),厂房吊车立柱,(压缩+纯弯曲),1-5 杆件变形的基本形式,第一章 绪论,赵州桥 世界上现存最早、跨度最大的空腹式单孔圆弧拱石桥。位于中国河北省赵县，跨洨水。原名安济桥，俗称大石桥。隋开皇十五年至大业元年(595605年)由匠人李春修建。净跨 37.02 m，矢高7.23 m，桥面宽9 m。拱由28券(窄拱)并列组成。大拱券上两端各建有两个小拱(净跨分别为2.85 m和3.81 m)，以减轻桥身自重和增大泄洪面积。由于桥位良好、基底应力适宜，千余年来虽经多次洪水和地震，桥身基本完好。该桥构思精巧，造型稳重，是世界桥梁史上的杰作。1961年定为中国全国重点文物保护单位。,安澜索桥 安澜索桥是国家重点文物保护单位，相传始建于李冰建都江堰的战国末期，宋代时重建。历史上这座桥曾毁坏过几次，当时的政府均马上加以重修。这座桥原为一座竹索桥，现已改建成钢索桥，只是表面进行了仿竹木处理。全桥有九墩八孔，长340 m,宽1.4 m，高13 m。,胡克（Hooke Robert,16351703年),胡克1635年出生于英格兰怀特岛清水村,1653年到牛津大学作工读生。1655年成为玻意耳的助手，由于他的实验才能，1662年被任命为皇家学会的实验主持人，1663年获硕士学位，同年被选为皇家学会正式会员，又兼任了学会陈列室管理员和图书管理员。1665年任格雷姆学院几何学教授，16671683年任学会秘书并负责出版会刊。1703年在伦敦逝世。,17世纪英国优秀的物理学家和天文学家。他的成就是多方面的。在光学和引力研究方面仅次于牛顿，而作为科学仪器的发明者和设计者，在当时是无与伦比的。,1665年，胡克提出了光的波动学说，将光振动的传播同水波的传播相比较。1672年，他进一步指出，光振动可以垂直于光传播的方向，他还研究了云母片的颜色，确认光现象随着云母片厚度的变化而变化。,胡克根据弹簧实验的结果，于1678年得出了胡克定律，即在比例极限内，弹性物体的应力与应变成正比。,1674年，胡克根据修正的惯性原理，以及离开太阳的离心力同向着太阳的吸引力之间的平衡，提出了行星运动的理论。,胡克的主要著作有显微检测法、哲学实验与观察等。,伽利略（Galileo Galilei,15641642年)意大利物理学家、天文学家。生于意大利北部佛罗伦萨一个贵族的家庭。1581年入比萨大学学医。主张研究自然界必须进行系统的观察和实验，是近代实验科学与机械唯物主义的奠基者之一。通过实验，推翻了向来奉为权威的亚里士多德关于“物体下落的速度和重量成比例”的学说。还发现物体的惯性定律、摆振动的等时性、抛体运行定律，并确定了伽利略相对性原理，因而被认为是经典力学和实验物理的先驱。,1632年发表关于两种世界体系对话，反对托勒密的地心体系，次年遭到罗马教廷异端裁判所判罪判刑。此后他完成了两种新科学的对话。他主张：自然之书以数学特征写成。,第一章 绪论,第四节 荷载的分类,结构工作时所承受的外力称为荷载。,（1）按荷载作用范围可分为分布荷载和集中荷载。,按荷载作用时间长短可分为：,恒载永久作用在结构上的荷载。如自重等。,活载荷载有时作用在结构上，有时又不作用在结构上。如：楼面活荷载，雪荷载。,第一章 绪论,第四节 荷载的分类,2.按荷载作用位置可分为：,固定荷载作用位置不变的荷载，如自重等。,移动荷载荷载作用在结构上的位置是移动的，如吊车荷载、桥梁上的汽车和火车荷载。,第一章 绪论,第四节 荷载的分类,3.按荷载作用的性质可分为：,静荷载荷载的大小、方向、位置不随时间变化或变化很缓慢的荷载。恒载都是静荷载。,动荷载 荷载的大小、方向随时间迅速变化，使结构产生显著振动，结构的质量承受的加速度及惯性力不能忽略。化爆和核爆炸的冲击波荷载、地震荷载和风荷载等都是动力荷载。,第一章 绪论,第四节 荷载的分类,4、荷载按其作用在结构上的分布情况分为分布荷载和集中荷载。,集中荷载:分布范围很小，可近似认为作用在一点的荷载；线分布荷载:沿直线或曲线分布的荷载（单位：kN/m）；面分布荷载:沿平面或曲面分布的荷载（单位：kN/m2）；体分布荷载:沿物体内各点分布的荷载（单位：kN/m3）。,第一章 绪论,第四节 荷载的分类,工程中，荷载的分布情况往往比较复杂，但在很多情况下，都可简化为沿直线和平面均匀分布的荷载进行分析计算。,分布荷载的合力计算:分布荷载的合力作用在分布区域的中心，指向不变，其大小等于分布集度 的大小q乘以分布范围。,第一章 绪论,第四节 荷载的分类,