第0a章建筑力学与结构.ppt

第0-a 建筑力学与结构,本章学习内容及学习要求,约束与约束反力,受力分析与受力图,力矩与力偶,力的概念,静力学公理,掌握力的基本知识,掌握受力分析的方法,熟练绘制受力图,熟练运用平衡方程求解未知力,平面力系的平衡,掌握平面力系的平衡,0 建筑力学预备知识,0 建筑力学预备知识,0.1 力的概念,力的概念：物体间相互的机械作用。,力的作用效应,外效应（使物体的运动状态产生变化）,内效应（使物体的形状和大小发生改变，即产生变形）,刚体：是指在任何情况下都不变形的物体。实际上任何物体在力的作用下都要产生变形（称为变形体），但是在工程实际中构件的变形通常都非常微小，因此，在研究物体的平衡问题，可以忽略不计，可以把物体抽象为刚体。,0.1.1 力,0 建筑力学预备知识,力的表示方法：用一个带箭头的线段来表示力。,FA,力的作用线,力的单位：N或kN。1kN=1000N。,力的三要素：力的大小、方向、作用点。力是矢量。,0 建筑力学预备知识,物体受力一般是通过物体间直接或间接接触进行的。接触处多数情况下不是一个点，而是具有一定尺寸的面积。因此无论是施力体还是受力体，其接触处所受的力都是作用在接触面积上的分布力。在很多情形下，这种分布力比较复杂。,当分布力作用面积很小时，为了分析计算方便起见，可以将分布力简化为作用于一点的合力，称为集中力。,例如，静止的汽车通过轮胎作用在桥面上的力，当轮胎与桥面接触面积较小时，即可视为集中力；而桥面施加在桥梁上的力则为分布力。,0 建筑力学预备知识,平面力系：如果力系中各力作用线处在同一平面内，则称 为平面力系，否则称为空间力系。,力系的简化或合成：求与复杂力系相等效的简单力系的过 程。,力系：作用于物体上的一群力。,合力 与分力：如果某力系与一个力等效，则这一力称为力 系的合力，而力系中的各个力则称为这一合 力的分力。,0.1.2 力系,等效力系：对物体的作用效果相同的两个力系。,0 建筑力学预备知识,平衡：物体相对于地球静止或作匀速直线运动。如房屋、桥梁、大坝等相对于地球处于静止平衡状态。,平衡力系：使物体保持平衡的力系。当物体处于平衡状态 时，组成物体的各个部分都处于平衡状态。,平衡条件：物体在任何力系作用下并不是都处于平衡状 态，只有当力系满足一定条件时，物体才能平 衡，这个条件称为平衡条件。,0.1.3 平衡,0 建筑力学预备知识,0.2 静力学公理,两物体之间的作用力和反作用力，总是大小相等、方向相反、作用线相同，并分别作用在这两个物体上。（即为Newton 第三定律）,注：在以后的受力分析中经常用到，特别是对物体系统进行分析时。,0.2.1 作用力与反作用力公理,0 建筑力学预备知识,0.2 静力学公理,作用在同一刚体上的两个力，使刚体平衡的必要和充分条件是：这两个力大小相等、方向相反、且作用在同一直线上。（等值、反向、共线）,0.2.2 二力平衡公理,0 建筑力学预备知识,最简单力系的平衡条件。,二力平衡公理只适用于单一刚体，而不适用于变形体。,刚体（受压平衡）,变形体（受压不能平衡）,不能把二力平衡与作用力和反作用力公理混淆。,0 建筑力学预备知识,二力杆（二力构件）：仅受二力作用且处于平衡的杆件或构件。二力构件的受力特点：两力必沿作用点的连线，共同指向或 共同背离。,0 建筑力学预备知识,0.2.3 加减平衡力系公理,在作用于刚体的力系中，加上或减去任意个平衡力系，不改变原力系对刚体的作用效应。,推论：力的可传性原理,作用于刚体上的力可沿其作用线滑移至刚体内的任意点，而不改变力对刚体的作用效应。,=,=,0 建筑力学预备知识,0.2.4 力的平行四边形法则,作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力，合力也作用于该点，合力的大小和方向由这两个力为边所构成的平行四边形的对角线来表示。,F1,F2,F,力的平行四边形法则反映了最简单力系的简化规律，它是复杂力系简化的基础。,0 建筑力学预备知识,利用力的平行四边形法则，也可以将一个力分解为作用于同一点的两个分力。在工程中，常将力F沿互相垂直的两个方向分解，得到水平分力Fx和垂直分力Fy，这种分解称为正交分解。,Fx=Fcos,Fy,Fx,F,Fy=Fsin,0 建筑力学预备知识,推论：三力平衡汇交定理,刚体在共面且不平行的三个力作用下平衡，则这三个力的作用线必定汇交于一点。（反之不成立）,0 建筑力学预备知识,0.3 约束 与约束反力,在空间能够任意运动的物体，称为自由体。受到周围其他物体限制而不能任意运动的物体，称为非自由体。,约束：若一个物体受到周围其它物体的限制，这些周围的 物体就称为该物体的约束。,约束反力：约束施加于被约束物体上的力，称为约束反 力，简称为约束力或反力。,0.3.1 约束与约束反力的概念,主动力：使物体产生运动或运动趋势的力。在工程中，把 主动力称为荷载。如重力、风荷载等。,被动力：对物体的运动或运动趋势起限制作用的力。如约 束反力。,0 建筑力学预备知识,0.3 约束 与约束反力,不同性质的约束，其约束力也不同。工程中实际的约束很多，本节主要介绍几种常见的典型约束及其约束力。,大小：,方向：,作用点：,主动力一般是已知的或是可以预先确定的，而约束力随主动力的变化而变化，一般是未知的。确定未知的约束力，是静力平衡计算的主要内容。,待定,与约束所能限制的运动方向相反,接触处,0 建筑力学预备知识,由柔软的绳索、链条、胶带等构成的约束，称为柔体约束。,0.3.2 柔体约束,A,柔绳约束,简图,受力图,运动方向,限制方向,0 建筑力学预备知识,F1,F2,F1,F2,A,B,0 建筑力学预备知识,当两个物体直接接触，而接触面处的摩擦很小可以忽略不计时，称为光滑接触面约束。,0.3.3 光滑接触面约束,FN,FN,FN,0 建筑力学预备知识,用一个园柱形销钉将两个带孔的物体连接在一起，且接触面光滑，构成光滑圆柱铰链约束，又称为中间铰。,0.3.4 圆柱铰链约束,FN,铰,0 建筑力学预备知识,FN,FNy,FNx,FN,简图,将力FN垂直分解，用两个垂直分力FNx 和FNy来表示FN,FN,FNy,FNx,受力图,0 建筑力学预备知识,两端用光滑圆柱铰链（即铰）与物体相连且中间不受力的直杆，称为链杆。,0.3.5 链杆约束,FC,FB,FB,问题1：AB杆是不是链杆？,0 建筑力学预备知识,用光滑圆柱铰链将物体与固定的支承物上，称为固定铰支座。因此，固定铰支座约束与圆柱铰链约束一样，区别只是其中一个物体是否固定。,0.3.6 固定铰支座,A,A,0 建筑力学预备知识,FAy,FAx,FA,计算简图,受力图,A,0 建筑力学预备知识,0 建筑力学预备知识,在固定铰支座的底部安装几个辊轴（圆柱形滚轮），支承于支承面上，这种约束称为可动铰支座，又称为活动铰支座。,0.3.7 可动铰支座,0 建筑力学预备知识,FA,计算简图,受力图,A,0 建筑力学预备知识,0.3.8 固定端支座,如果物体与支座固定在一起，使物体既不能沿任何方向移动，也不能转动，这类约束称为固定端支座或固定支座。,FAy,FAx,mA,固定端支座,0 建筑力学预备知识,FAy,FAx,mA,0 建筑力学预备知识,0.3.9 静定结构与超静定结构,0 建筑力学预备知识,0.4 物体的受力分析及受力图,受力分析：就是分析物体（即研究对象）受到的全部主动 力和约束反力。,分离体：就是解除所有约束后得到的物体，又称为隔离体 或脱离体。,受力图：在分离体上画出其所受的全部主动力和约束反力。,0 建筑力学预备知识,0 建筑力学预备知识,画受力图的步骤,0 建筑力学预备知识,注意点,分析约束的类型和性质，确定相应的约束力。,既不要漏力，也不要多画力。,不同的力，应当用不同的字母标注，不能用相同的字母表示两个不同的力。,当出现二力平衡、三力平衡或作用力与反作用力关系时，应符合二力平衡公理、三力平衡汇交定理或作用力与反作用力公理，并在受力图上正确画出。,要正确判断二力杆。,0 建筑力学预备知识,课堂练习,物体的受力分析及受力图,0 建筑力学预备知识,0.5 力的合成与分解,平面力系,平面汇交力系,平面一般力系,平面平行力系,0 建筑力学预备知识,0.5.1 力在坐标轴上的投影,a,b,Fx,Fy,从力F的始点A和终点B分别向x轴作垂线，得垂足a和b，则线段ab称为力F在x轴上的投影，用Fx表示。,0 建筑力学预备知识,Fx和Fy的计算公式：,0 建筑力学预备知识,当已知力的投影Fx和Fy的大小，则力F的大小和方向为：,力F的指向由投影的正负号确定。,0 建筑力学预备知识,合力在坐标轴上的投影，等于它的各个分力在同一坐标轴上投影的代数和，称为合力投影定理。,0.5.2 合力投影定理,Fx,Fy,0 建筑力学预备知识,0.6 力矩和力偶,当力F作用在乒乓球的下侧时：,0.6.1 力矩,F,0 建筑力学预备知识,力的转动效应取决于：,力F的大小,O点到力F作用线的垂直距离d,力F与力臂d的乘积Fd，称为力F对O点的力矩，简称力矩，用MO(F)。,0 建筑力学预备知识,力F与力臂d的乘积Fd，称为力F对O点的力矩，简称力矩，用MO(F)。,力矩正负号表示转动方向：逆时针为正,顺时针为负,力矩的单位：或,0 建筑力学预备知识,合力F对某一点O之矩，等于其分力Fi(i=1n)对同一点之矩的代数和。,力矩计算方法,当力臂易求时，按力矩定义计算,当力臂难求时，用合力矩定理计算,0 建筑力学预备知识,0.6 力矩和力偶,0 建筑力学预备知识,力偶作用面：组成力偶的两个力所在的平面。,d,力偶的三要素：力偶的大小 力偶的转向 力偶的作用面,0 建筑力学预备知识,d,力偶作用于物体，将使物体产生转动效应。用力偶矩来度量。,力偶矩：力和力偶臂d的乘积。记作 或M。,力偶矩的单位：Nm或kNm,力偶矩正负号：逆时针为正,顺时针为负,0 建筑力学预备知识,力偶无合力，即力偶不能与一个力等效，也不能与一个力平衡。力偶只能与力偶相平衡。,力偶对其平面内任一点之矩恒等于力偶矩，而与矩心的位置无关。,力偶在坐标轴上的投影等于零。,用力偶作用面内的一个圆弧箭头表示力偶，圆弧箭头的方向表示力偶转向。,d,0 建筑力学预备知识,0.7 平面力系的平衡,0.7.1 力的平移定理,作用在刚体上的力F可以平行移动到任一点，但必须同时附加一个力偶，其力偶矩等于原来的力F 对平移点之矩。,=,=,M,0 建筑力学预备知识,0.7.2 平面力系的平衡,0 建筑力学预备知识,条件：A、B两点连线不能与x轴（或y轴）垂直,0 建筑力学预备知识,条件：A、B、C三点不能在一条直线上,0 建筑力学预备知识,对于平面一般力系，无论选择哪种形式的平衡方程，都只能列出独立的三个方程，故只能求出三个未知量。,0 建筑力学预备知识,求未知力的步骤,0 建筑力学预备知识,平面力系的平衡,例题,0 建筑力学预备知识,静定结构与超静定结构求内力,0 建筑力学预备知识,0 建筑力学预备知识,0.8 变形固体基本概念,0.8.1 变形固体及其基本假设,在外力作用下，一切固体都将发生变形，故称为变形固体。,认为物体内的任何部分，其力学性能相同。,认为整个物体体积内毫无空隙地充满物质。,认为在物体内各个不同方向的力学性能相同。,0 建筑力学预备知识,0.8.2 杆件变形,杆,块,0 建筑力学预备知识,杆件在不同的外力作用下，将发生不同的变形。,轴向拉伸或压缩变形,弯曲变形,扭转变形,剪切变形,变形的基本形式,变形：指构件的形状、尺寸的改变或构件内各点相对位置的改变。,0 建筑力学预备知识,弹性变形：构件受到外力作用产生变形，当外力撤除时随之消失的变形称为弹性变形。,塑性变形：构件受到外力作用产生变形，当外力撤除时不随之消失而残留下来的变形称为塑性变形。,弹性变形,塑性变形或残余变形,0 建筑力学预备知识,受力特点：外力或外力合力作用线与杆轴线重合。,变形特点：杆件沿轴线方向伸长或缩短。,轴向拉伸,轴向压缩,0 建筑力学预备知识,受力特点：外力垂直于杆轴线，或一对力偶。,变形特点：杆轴线由直线弯成曲线。,弯曲变形,0 建筑力学预备知识,受力特点：外力偶在横截面内作用。,变形特点：各横截面绕轴线作相对的转动。,扭转变形,0 建筑力学预备知识,受力特点：外力大小相等、方向相反、相距很近、垂直于轴线。,变形特点：横截面发生相对错动变形。,剪切变形,0 建筑力学预备知识,0.8.3 内力、应力的概念,构件是由无数质点组成的，各质点之间存在着相互作用力，使构件保持原有形状。当构件受到外力作用产生变形时，各质点间的相对位置发生了改变，使各质点之间的相互作用力也发生了变化。这种由于外力作用而引起的内部各质点之间相互作用力的改变量，称为“附加内力”，简称为“内力”。,0 建筑力学预备知识,内力是由外力引起的，它随着外力的改变而改变。外力增大，变形增大，内力也增大。,不同的外力，引起不同类型的变形，产生不同形式的内力。,内力的增加总有一定限度，它不能随着外力的增大而无限度地增大，当内力的增大超过一定限度时，构件将发生破坏。不同物体，限度不同（决定于构件材料、几何尺寸等因素）。,0 建筑力学预备知识,两根材料相同、粗细不同的杆件，受相同的拉力作用，随着拉力的增大，哪一根杆件先被拉断？,杆件的强度不仅与内力有关，还与内力在截面上分布的强弱程度（称为集度）有关。,把截面上分布内力在一点的集度，称为该点的应力。,0 建筑力学预备知识,分布内力在截面某一点的集度,作用在截面单位面积上的内力,A 内的平均应力表示为,mm截面点K处的全应力为,应力的量纲为每单位面积的力。应力的单位是帕斯卡，简称帕，用Pa表示。常用单位：千帕(kPa)、兆帕(MPa)、吉帕(GPa)。,0 建筑力学预备知识,一般来说，同一截面上不同点处的应力是不同的。,A 内的平均应力表示为,mm截面点K处的全应力为,0 建筑力学预备知识,为了分析计算方便，将截面mm上K点处应力分解为沿轴线方向和平行于横截面的分量。,正应力：,剪应力：,垂直于截面,平行于截面,0 建筑力学预备知识,0.8.4 应变的概念,围绕K点截取出边长为无限小的正六面体(称为单元体)。,线应变：单位长度的变形量。,线应变反映变形的程度，是一个无量纲的量值。,0 建筑力学预备知识,围绕K点截取出边长为无限小的正六面体(称为单元体)。,切应变：单元体上直角的改变量。又称为剪应变。,切应变的单位：弧度。,0 建筑力学预备知识,应力与应变的对应关系：正应力与正应变相互对应；切应力与切应变相互对应。,0 建筑力学预备知识,在弹性范围内，应力和应变成正比。,比例常数 E 称为材料的弹性模量，其常用单位为 GPa。弹性模量E只与材料的种类有关，它属于材料的弹性常数。,0 建筑力学预备知识,0.8.5 强度、刚度、稳定性的概念,构件抵抗破坏的能力。,构件抵抗变形的能力。,构件保持原有平衡状态的能力。,0 建筑力学预备知识,构件抵抗破坏的能力。,0 建筑力学预备知识,构件抵抗变形的能力。,0 建筑力学预备知识,构件保持原有平衡状态的能力。,建于辽代（1056年）的山西应县佛宫寺释迦塔,塔高9层共67.31米，用木材7400吨,900多年来历经数次地震不倒，现存唯一木塔,0.9 建筑力学的任务及与工程的联系,古代建筑结构,古代建筑结构,2200年以前建造的都江堰安澜索桥,桥梁结构,厂房结构,在满足强度、刚度、稳定性的要求下，以最经济的代价，为构件确定合理的形状和尺寸，选择适宜的材料，而提供必要的理论基础和计算方法。,建筑力学的任务,1、强度：构件的抗破坏能力,2、刚度：构件的抗变形能力。,3、稳定性:构件保持原有平衡状态的能力。,工程结构的强度、刚度和稳定问题,四川彩虹桥坍塌,工程实例,彩虹桥事故条查报告：,目 录,美国纽约马尔克大桥坍塌,施工中的框架结构房屋,比萨斜塔,0.10 建筑力学在工程上的应用,1、力学的研究对象构件,（1）杆件结构,梁,（2）薄壁结构,板,壳,（3）实体结构,例如：水坝、地基、挡土墙等。,建筑力学以“梁、杆”为主要研究对象,工程中多为梁、杆结构,2、工程中构件的受力：,板：弯矩梁：弯矩、剪力柱：压力、弯矩墙：承重墙：压力 挡土墙：弯矩、剪力杆：轴向拉力、压力拱：压力为主、弯矩、剪力较小壳：薄壳：薄膜内力（双向轴力、顺剪力）网壳：杆件主要受轴力索：钢索受拉膜：薄膜受拉,墙体结构框架结构框筒结构桁架结构网架结构壳体结构空间折板结构钢索结构,3、由上述基本构件组成的结构有：,