建筑力学基础知识课件.ppt
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1、建筑力学基础知识,需要掌握的基本内容,1、力、力矩、力偶2、平衡;平面力系的平衡条件3、约束与约束反力4、物体的受力分析与受力图5、荷载;结构计算简图6、结构几何组成分析;静定结构与超静定结构7、杆件的基本受力:拉、压、弯、剪、扭;内力与内力图;应力、应变;压杆的稳定性,力,力是物体间相互的机械作用。,力对物体作用效应:一是使物体的机械运动状态发生改变,叫做力的运动效应或外效应。二是使物体的形状发生改变,叫做力的变形效应或内效应。,力的定义,力的大小、力的方向、力的作用点。,力的图示法:,力的三要素:,力具有大小和方向,所以说力是矢量(vector)。可以用一带箭头的直线段将力的三要素表示出来
2、,,物体的平衡是指物体相对于地面保持静止或作匀速直线运动的状态。,平衡,力系的定义 作用于同一个物体上的一组力。,力系的分类 各力的作用线都在同一平面内的力系 称为平面力系;各力的作用线不在同一平面内的力系 称为空间力系。,等效力系指两个力(系)对物体的作用效果完全相同。,平衡力系 力系作用下使物体平衡的力系。,合力与分力若一个力与一个力系等效。则这个力称为该力系的合力,而力系中的各个力称为该合力的一个分力。,平面力系的分类平面平行力系:各力作用线平行的力系。平面一般力系:各力作用线既不汇交又不平行的平面力系。,静力学公理,作用于刚体上的两个力,如果大小相等、方向相反、且沿同一作用线,则它们的
3、合力为零,此时,刚体处于静止或作匀速直线运动。,公理一 二力平衡公理,只有两个力作用下处于平衡的物体 其大小相等、方向相反、作用于同一直线上。,二力构件,受二力作用而处于平衡的杆件或构件称为二力杆件(简称为二力杆)或二力构件。,公理二 力的平行四边形法则 作用在物体上同一点的两个力,可以合成为仍作用于该点的一个合力,合力的大小和方向由以原来的两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线矢量来表示。,推论:三力平衡汇交定理,刚体受到不平行的三个力作用而平衡时,这三个力的作用线一定交于同一点且位于同一平面内。,公理三 作用与反作用定律 两个相互作用物体之间的作用力与反作用力大小相等,方向相反,沿同一直线
4、且分别作用在这两个物体上。,力可以在刚体上沿其作用线移至任意一点而不改变它对刚体的作用效应,公理四 加减平衡力系公理,在作用于刚体的任意力系上,加上或减去任一平衡力系,并不改变原力系对刚体的作用效应。,推论:力的可传性,力矩,一个力作用在具有固定的物体上,若力的作用线不通过固定轴时,物体就会产生转动效果。,如图所示,力F使扳手绕螺母中心O转动的效应,不仅与力F的大小有关;而且还与该力F的作用线到螺母中心O的垂直距离d有关。可用两者的乘积来量度力F对扳手的转动效应。转动中心O称为力矩中心,简称矩心。矩心到力作用线的垂直距离d,称为力臂。,显然,力F对物体绕O点转动的效应,由下列因素决定:,(1)
5、力F的大小与力臂的乘积。,(2)力F使物体绕O点的转动方向。,力矩公式:MO(F)=Fd,力矩符号规定:使物体绕矩心产生逆时针方向转动的力矩 为正,反之为负。,单位:是力与长度的单位的乘积。常用(Nm)或(kNm)。,力偶,由两个大小相等、方向相反、不共线的平行力组成的力系,称为力偶。,用符号(F、F)表示,如图所示,力偶的两个力之间的距离d称为力偶臂,力偶所在的平面称为力偶的作用面,力偶不能再简化成更简单的形式,所以力偶与力都是组成力系的两个基本元素。,力偶三要素:即力偶矩的大小、力偶的转向和力偶作用平面;,力与力偶臂的乘积称为力偶矩,用符号M(F、F)来表示,可简记为M;力偶在平面内的转向
6、不同,作用效应也不相同。符号规定:力偶使物体作逆时针转动时,力偶矩为正号;反之为负。在平面力系中,力偶矩为代数量。表达式为:,M=Fd,“力”与“力矩”会产生什么作用?,力有以下两个作用:(1)改变物体的运动状态;(2)使物体产生变形。,力矩也有两个作用:(1)改变物体的旋转状态;(2)使物体产生扭转或弯曲变形。,平面力系的平衡条件,平面一般力系平衡的必要与充分条件是:力系的主矢和力系对平面内任一点的主矩都等于零。即,平面一般力系平衡的充分必要条件也可以表述为:力系中所有各力在两个坐标轴上的投影的代数和都等于零,而且力系中所有各力对任一点力矩的代数和也等于零。,约束与约束反力,约束反力位于约束
7、与被约束物体的连接或接触处,其方向必与该约束所能阻碍物体的运动方向相反。运用这个准则,可确定约束反力的方向和作用点的位置。,限制物体运动的物体称为约束物体,简称约束。约束必然对被约束物体有力的作用,以阻碍被约束物体的运动或运动趋势。这种力称为约束反力,简称反力。,常见的几种类型的约束,用柔软的皮带、绳索、链条阻碍物体运动而构成的约束叫柔体约束。这种约束作用是将物体拉住,且柔体约束只能受拉力,不能受压力,所以约束反力一定通过接触点,沿着柔体中心线背离被约束物体的方向,且恒为拉力,如图中的力。,1柔体约束,柔绳约束,当两物体在接触处的摩擦力很小而略不计时,其中一个物体就是另一个物体的光滑接触面约束
8、。这种约束不论接触面的形状如何,都只能在接触面的公法线方向上将被约束物体顶住或支撑住,所以光滑接触面的约束反力过接触点,沿着接触面的公法线指向被约束的物体,只能是压力,如图1.15中的力。,2光滑接触面约束,光滑接触面约束实例,光滑齿面,光滑圆柱铰链约束的约束性质是限制物体平面移动(不限制转动),其约束反力是互相垂直的两个力(本质上是一个力),指向任意假设。,3、光滑圆柱铰链约束(简称铰约束),链杆就是两端铰接而中间不受力的刚性直杆,由此所形成的约束称为链杆约束。这种约束只能限制物体沿链杆轴线方向上的移动。链杆可以受拉或者是受压,但不能限制物体沿其他方向的运动和转动,所以,链杆约束的约束反力沿
9、着链杆的轴线,其指向假设。,4链杆约束,物体的受力分析及受力图,研究力学问题,首先要了解物体的受力状态,即对物体进行受力分析,反映物体受力状态的图称为受力图。,受力图,画受力图的方法与步骤:1、取分离体(研究对象)2、画出研究对象所受的全部主动力(使物体产生 运动或运动趋势的力)3、在存在约束的地方,按约束类型逐一画出约束 反力(研究对象与周围物体的连接关系),解:,(1)物体B 受两个力作用:,(2)球A 受三个力作用:,(3)作用于滑轮C 的力:,例题 在图示的平面系统中,匀质球A重为P,借本身重量和摩擦不计的理想滑轮C 和柔绳维持在仰角是 的光滑斜面上,绳的一端挂着重为Q 的物体B。试分
10、析物体B、球A 和滑轮C 的受力情况,并分别画出平衡时各物体的受力图。,解:,1、杆BC 所受的力:,2、杆AB 所受的力:,表示法一:,表示法二:,例题 等腰三角形构架ABC 的顶点A、B、C 都用铰链连接,底边AC 固定,而AB 边的中点D 作用有平行于固定边AC 的力F,如图113(a)所示。不计各杆自重,试画出AB 和BC 的受力图。,任何建筑物在施工过程中以及建成后的使用过程中,都要受到各种各样的作用,这种作用造成建筑物整体或局部发生变形、位移甚至破坏。例如,建筑物各部分的自重、人和设备的重力、风力、地震,温度变化等等。其中建筑物的自重、人和设备的重力、风力等作用称为直接作用,在工程
11、上称为荷载;而地震,温度变化等作用称为间接作用。工程中,有时不严格区分直接作用或间接作用,对引起建筑物变形、位移甚至破坏的作用一概称之为荷载。,荷载,在工程中,作用在结构上的荷载是多种多样的。为了便于力学分析,需要从不同的角度,将它们进行分类。,1、荷载按其作用时间的长短分为 永久荷载、可变荷载和偶然荷载。,3、荷载按作用位置是否变化分为 移动荷载和固定荷载。,2、荷载按作用在结构上的性质分为 静力荷载和动力荷载,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
12、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)。,问题:建筑结构受到哪些荷载作用?,一、结构的计算简图,实际结构是很复杂的,完全按照结构的实际情况进行力学分析,既不可能,也无必要。结构的计算简图是力学计算的基础,极为重要。在结构计算中,经过科学抽象加以简化,用以代替实际结构的计算图形,称为结构的计算简图。,二、选取的原则及要求,选取的原则是:一要从实际出发,二要分清结构的主次。选取的要求是:既要尽可能正确反映结构的实际工作状态,又要尽可能使计算简化。,结构计算简图,三、实际杆件结构的简化1、平面简化 实际工程结构都是空间结构,在大多
13、数情况下,常可忽略一些次要的空间约束而将其分解为平面结构,使计算得到简化。,2、杆件简化 无论是直杆或曲杆,均可以其轴线(截面形心的连线)代替杆件,而将杆轴线形成的几何轮廓来代替原结构。,(1)铰结点:其变形特征和受力特点是,汇交于结点的各杆端可以绕结点自由转动,即各杆端之间的夹角可任意改变。在铰结点处,只能承受和传递力(轴力和剪力),而不能传递力偶,不会引起杆端弯矩。,3、结点简化,理想结点代替杆件与杆件之间的连接。,(2)刚结点:汇交于一点的杆端是用一个完全不变形的刚性结点连结,形成一个整体。其变形特征和受力特点是,汇交于结点的各杆端之间不能发生相对转动;。刚结点处不但能承受和传递力,而且
14、能承受和传递力偶,会引起杆端弯矩,轴力和剪力。,A,(3)组合结点(又称不完全铰结点或半铰结点):在同一结点上,部分刚结,部分铰结。,4、支座的简化,(1)可动铰支座(链杆支座):一个支反力,支反力沿链杆轴线,或指向物体(压力)或背离物体(拉力),4、支座的简化,(2)固定铰支座,允许绕固定铰铰心的微小转动。过铰心产生任意方向的约束力(分解成水平和竖直方向的两个力)。两个支反力分量可以用两个链杆表示,(3)固定支座 三个支座反力分量,可以用三个链杆表示。,(4)定向支座(滑动支座,双链杆支座)两个支座反力分量可以用两个平行链杆表示。,典型的(平面)支座及支反力,5、荷载的简化,实际结构所承受的
15、荷载一般是作用于构件内的体荷载(如自重)和表面上的面荷载(如人群、设备重量、风荷载等)。但在计算简图上,均简化为作用于杆件轴线上的分布线荷载、集中荷载、集中力偶,并且认为这些荷载的大小、方向和作用位置是不随时间变化的。,例:如图所示预制钢筋混凝土站台雨篷结构计算简图的选取,计算简图示例,厂房空间结构,平面结构,上部:桁架下部:刚架,钢木混合屋架计算简图,钢筋混凝土现浇整体式框架计算简图,厂房排架计算简图,杆件结构的计算简图,屋架计算简图,杆件结构的计算简图,结构几何组成分析,P,一、几何可变体系和几何不变体系,几何不变体系:,在任何荷载作用下,若不计杆件的变形,其几何形状与位置均保持不变的体系
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