建筑力学第一章导论续.ppt

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1、建 筑 力 学 第一章 导 论(续),主讲教师 丰振俭,土木工程中的力学和结构概念,1、力、力矩、力偶、平衡2、外力、内力和反力3、荷载、作用和效应4、结构和结构失效5、土木工程结构的设计方法,建筑力学的研究主线,力学要研究力和机械运动。针对静止于地面的建筑结构，须研究三个条件:静力平衡条件 变形的几何相容条件 力与变形间的物理条件(本构方程)上述三条既是基本的研究主线，也是本课程学习的核心,受力分析及静力平衡条件,研究物体受到什么力的作用?如何传递?对处于平衡状态的物体，整体平衡则任意局部一定平衡;物体或其中任何局部的受力，应当满足静力平衡条件。,变形的几何相容条件,连续性假设，固体不仅在受

2、力前是均匀连续的，受力后只要未发生破坏，仍然应当是均匀连续的,几何相容。根据连续性假设，研究固体在受力状态下的几何关系,力与变形间的物理关系,现象：物体一受力就要发生变形；采用一种关系式表达力与变形间的定量关系；一般以科学试验为手段。,建筑力学的研究主线,1、力、力矩、平衡 2、荷载、反力和内力 3、荷载、作用和效应4、结构和结构失效 5、土木工程结构的设计方法,土木工程要解决的关键问题是建造抵御自然或人为作用力的空间和通道，就必然会遇到大量的力学和结构问题。本节阐述土木工程中一些最基本的力学与结构概念。结构模型大赛 建筑结构计算机建模,土木工程中力和结构的概念,1.力、力矩和平衡,力是一种物

3、体间有大小.方向.作用点的相互机械作用。可用矢量表示。重力：物体重量产生的作用力，方向指向地球中心，作用点在该物体的中心。实质是物体与地球之间的万有引力的近似值。,力的作用效应,移动-沿X.Y.方向 平行移动;外效应(运动效应):力使物体运动状态发生改变。B 转动-绕Z轴转动;内效应(变形效应):力使物体大小.形状发生改变。基本变形有轴向伸长或压缩,剪切,扭转,弯曲;或发生基本变形的复合变形。,A,A,刚体平面移动,刚体转动,杆件四种基本变形,为便于初学,仅限平面问题,X,Y,Z,平衡的概念:在力系作用下物体作匀速直线运动或相对惯性系(例如地面)处于靜止状态。此时的力系称为平衡力系。可以认为平

4、衡状态下的物体既不移动也不转动。建筑物及其结构首先要处于平衡状态。,力系概念:一群力的总称。,刚体移动加转动,移动平衡：对同一物体所有力之和为0，即处于不移动的静止平衡状态。力矩（Moment，土木中称弯矩）：力力臂=Fxh转动平衡：对同一点所有力矩之和为0，即处于不转动的平衡状态。物体在力系作用下既不移动又不转动称为物体处于平衡状态。土木工程中的各种建筑物和构筑物首先要满足平衡要求。,建筑物与构筑物都靜止于地面,力：是一种物体之间的相互机械作用；这种相互作用有使物体改变原来形状或改变运动状态的效应；力是既有量值又有方向的矢量。力的三要素-大小.方向及作用点。力矩：是力对物体产生绕某一轴转动作

5、用的物理量，其大小等于力与力臂（力的作用线到该轴的垂直距离）的乘积；力矩在土木工程中习称弯矩。平衡：力矩既可顺时针方向转动，也可按逆时针方向转动，当两个方向转动效应之和为零时，称物体处于转动平衡状态;当力系合力为零时,称物体处于移动平衡状态。当两种状态同时出现则物体处于平衡状态。,思考：在外力作用下,全桥弯曲下垂，说明桥身承有内力，桥身内部的上下承受什么力?,桥身两端固定处承受支反力,对任何一个土木工程的结构而言，力有外力(荷载、支反力)和内力之分。人体、重物的重力和木桥自重是荷载,2、外力(荷载.支反力)和内力,桥身承受扭曲,倘若桥的两端曾可能被锯过又假接了起来，当人拿着重物走上去，桥身必然

6、像被剪切般地下落。现在桥身没有被锯，受力后完好无损，说明桥身还承受有剪切力。桥身承受剪切再如果将重物放在桥的一侧，全桥还将受,到扭曲。,桥身在荷载(人+重物+桥身的重力)作用下产生拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭曲变形,在桥身内同步产生附加内力,直至把荷载传至桥墩,最终传给地基。人.重物.桥身.桥墩能静止地基上，说明它的外力和内力无论在整体与局部都满足平衡条件,处于平衡状态。结构是承受和传递力的承重骨架,可见一斑。,土木工程杆件结构的5种内力特征：,独木桥是最简单的例子。所有土木工程结构，无论大小.重轻.厚薄,如大到数百米高层建筑,小致单层小木屋,无论整体还是任意局部，都处于荷载,支反力和内力作用下

7、的平衡状态,这些力构成平衡力系,必满足力的平衡条件,变形相容条件,力与变形之间满足物理条件。杆件构件所承受的内力无非是下列5种或它们的组合。,土木工程结构就是通过 5种内力的基本作用，将施加在结构上的力传递给地球（基础下的土层），基础给予结构的则是作用在结构基础上的反力。,受剪发生剪切变形在土木工程中：,拉力以N表示；压力以N表示；弯矩以M 表示；剪力以V 表示；扭矩以MT 表示。,力的传递路径就是结构,力的传递路径就是结构,风吸力,3、荷载、作用和效应直接作用在土木工程结构上的外力称为荷载。如果地球没有引力，自然界没有风吹、雨雪，荷载就不会存在，土木工程也就不需要结构。土木工程结构要有能抵御

8、自然或人为的作用力的能力，因此，了解作用在结构上的荷载有那些，其性质如何非常重要。作用与作用效应的基本概念,作用：是指能使结构产生效应的 各种原因的总称。,分直接作作用用即荷载;间接作用如地基沉降.温度变化.地震作用等,1 荷载（直接作用）荷载是直接以力的形式作用于结构，如结构自重、行人或车辆的重量、风压力、土压力、水压力等。,作用效应：作用在结构上产生的内力和变形的总称。能使结构产生作用效应的原因有两种：一种是施加在结构上集中力和分布力，如结构自重，作用于楼面的人群、家具、设备，作用于桥面的车辆、人群，施加于结构物上的风压力、水压力、土压力等，它们都是直接施加于结构上（直接作用），工程界习称

9、为“荷载”；另一种是施加于结构上的外加变形或约束变形，如地震作用、基础沉降、材料收缩和徐变、温度变化引起结构产生作用效应，它们都是间接作用于结构（间接作用）。,荷载是指直接作用在结构上的外加力。,恒载（永久荷载）指使用期间永久施加在结构上,其值不随时间变化的荷载。,作用在工程结构上的恒载类型主,要有：结构自重,、墙面、地面、屋面、桥面以及,建筑物内的固定 装置等。楼板大梁,楼面,内隔断,墙体及内装饰,窗,门,（2）活载（可变荷载）：指在使用期间施加在结构上、其值可随时间变化或移动的荷载。,作用在工程结构上的活载有多种类型，如：使用活载、移动的设,备及车辆活载、风载、雪载等。,使用活载：包括楼面

10、活载、屋面活载。,家具,家具,家具,人群,可移动设备,可移动设施,桥梁上的汽车荷载T1、T2、T3、T4汽车轴重；a、a1、b1、b2、c车轴间距离,车辆活载是一种移动式荷载,车辆活载：主要是铁路或公路车辆的荷载，包括工业厂房的行车（俗称天车）。工业厂房的行车,W,风载：风是由大气压力不等引起的空气运动。,由风的运动而施加在墙面或,结构上的压力称为风载。,风载有三个“不一样”：不同地区不一样（沿海、内陆）；同一地区不同时间不一样；同一房屋不同高度、不同部位不一样。,风载,0.22kN m 2,同处一区 的18层高 层建筑 0.7kNm 2北京郊区某5m高单层房屋迎风面,均匀分布荷载作用三角形分

11、布荷载作用,集中荷载作用集中荷载的单位一般为KN，均布荷载的单位一般为KN/m或KN/m2,（3）偶然荷载在使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。如地震作用、爆炸力、台风、船只或漂流物等。,佛山九江大桥被撞,百米桥面坠入江中,美国世贸中心大厦,撞击起火倒塌,震源、地震波、震中、震中距的关系,地震释放的能量以地震波的形式传到地面，引起结构振动。结构由地震引起的振动称为地震反应，振动过程中作用在结构上的惯性力就是“地震作用”。分水平地震作用和竖直地震作用。地震震级和地震烈度是两个不同概念，震级表示一次地震释放的能量的大小，烈度表示某地区遭受地震影响的强度。地震对结构施加的影响

12、属间接作用，应把结构承受的,“地震力”称为地震作用。,2 间接作用（间接荷载）除直接施加在结构上的外力（即荷载）外，还有一种因间接施加影响引起结构受力的作用。作用也使结构内部产生内力和变形。它们也以三类形式出现。约束变形作用这种作用以温差作用,最为典型,约束如一根钢梁，当环境气温为0 时长度为20m，当环境气温升高至35时，钢梁会在内力作用下伸长,土木工程中的构件因昼夜温差、季节性温差，每时每刻都在改变着形状和尺寸，当这种改变受到约束时，就会使结构受到内力效应。建筑物的温度裂缝,内外柱高差达几十毫米,现代高层房屋必须考虑这种温差内力效应。水泥路面在温差作用下起拱达90cm,高层建筑外墙的温度裂

13、缝,钢结构构件在焊接时产生的作用也属温差作用,外加变形作用这种作用以地基不均匀沉陷最为典型。土木工程结构构筑在地基上，地基土受力后总会产生不均匀沉陷，过大的不均匀沉陷会引起结构产生不小的内力，甚至可使结构开裂或倒塌。比萨斜塔就是由于地基不均匀沉陷而成为世界著名建筑！,震施加给结构的惯性力，即地震作用。,地面运动时建筑物的相应运动,惯性作用以地震作用最为典型。地震引起的地面运动会使土木工程结构在水平和竖向产生加速度反应。这种加速度反应值与土木工程设施本身质量的乘积就形成了地,北川县底框建筑,在惯性力作用下,底层彻底垮塌,地震作用是一种惯性力，它的大小与土木工程的质量、地震烈度和结构的动力特性相关

14、。地震作用以水平方向为主。,原因统称为“荷载”。按照国际通行做法和现行国家标准，“作用”泛指使结构产生内力、变形的所有原因，包括直接作用和间接作用；而“荷载”仅等同于施加于结构上的直接作用。,5.12大地震北川县垮塌的建筑物和道路长期以来，我们习惯上将所有引起结构产生效应的,但目前道路、桥梁、隧道设计的行业标准中，尚未引进“作用”代替“荷载”，仍沿用“荷载”一词表述引起结构产生效应的直接作用和间接作用。,荷载和作用的分类,人为因素,地球物理因素,爆炸力引起的作用,地震作用,地基不均匀沉降,引起的作用,温差引起的作用,风荷载,雪荷载,构配件自重,机器振动引起的作用,焊接引起的作用,结构安装引起的

15、作用,撞击引起的作用,使用荷载,重力,气象,地质,静载,动载,3 应力、应变、弹性模量土木工程结构受力后，其构件将产生内力（平衡状态）和变形（其长度、形状将发生改变）。在产生拉力、压力、剪力、弯矩和扭矩内力的同时结构构件会出现5种基本变形的形式。,拉伸,压缩,剪切 扭转,弯曲,应力为度量结构构件所发生内力的大小，我们将作用于单位面积上的内力集度称之为应力(内力集度)。拉压应力:,pA,=,按照荷载作用的形式不同，应力又可分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力,表示正应力或法向应力，代表剪应力或切应力。应力的单位：Pa。1Pa=1N

16、/m2即1MPa=1N/mm2,=,bb,LL,=,应变土木工程结构受力后，构件将发生变形，我们将单位长度上的变形量称之为应变：拉压正应变-,表示构件的纵向线应变，代表构件的横向线应变。对于拉杆来说，为正，为负；压杆则为负，为正。,，,，,成正比。,21,=,p 2p1,弹性模量当力作用一物体时，物体有变形。当这个力移去后，物体又恢复原来的形状。物体所具有的这种特性，称之为弹性。材料在弹性状态，荷载与变形,其应力与应变也成正比例关系，其比例系数 E 称为弹性模量。,=E,当结构材料继续承受更大荷载时，移去荷载，有残余变形，变形不能恢复原状。称结构材料进入塑性阶段。,1,3 2 2 1,P3 P

17、2P2 P,材料进入塑性状态，荷载与变形不成正比。弹性模量是材料抗弹性变形的一个指标，其值越大，即材料的刚度越大。,结构承受荷载为0P2时，结构构件处于弹性状态；结构承受荷载为P2P3时，结构构件处于塑性状态；,P3P2 P30 P2,结构承受荷载超过P3，将达其极限应力时，结构构件处于破坏失效状态。不同的结构材料弹、塑性是不同的。有塑性的材料称为塑性材料，如钢材、橡等，这类材料一旦出现塑性有发生破坏的预兆；反之称为脆性材料如石材、玻璃等。,4.结构和结构失效1.结构的定义和要求 结构的定义：土木工程设施中的结构是一个在建筑空间和通道中用各种基本构件组合建成的有功能特征的承重骨架，为土木工程设

18、施的持久使用和美观需求服务(外在功能)，对生命财产提供安全.适用和耐久保障(内在功能)。它是一个由构件组合成的整体，是一个有内.外功能 特征的机体，是一个有丰富 应用价值的受力和传力的载体，是一个被建造的承重骨架实体。,体育场结构的三维模型,对土木工程结构的要求:在应用上，要充分满足空间和通道的多项使用要求；在安全上，要完全符合承载、变形、稳定的持久需要；在造型上，要能够与环境、规划和建筑艺术融为一体；在技术上，要力争体现科学、技术和工程的新发展；在建造上，要合理用材、节约能源，与施工实际紧密结合。为安全可靠的目的，在结构设计中必须做到：结构承受荷载后的内力（N、M、V、MT）结构承载能力；结

19、构承受荷载后的变形（挠度、侧移、沉陷）变形的允许值；结构承受荷载后不发生稳定失效。即结构及其构件要满足强度.刚度和稳定性要求；结构必须是几何不变体系;技术先进,经济合理,方便施工。,2 结构的功能要求-安全.适用.耐久.能承受正常施工和使用时可能出现的各种作用力（如拉力.压力、剪力、弯矩、扭矩等）；在正常使用时具有良好的工作性能（如不发生过大的侧向位移，不发生过大的不均匀沉陷，不使人感到晃动等）；在正常维护下具有足够的耐久性能（如有抵抗酸类、盐类等物质的侵蚀能力）；在偶然事件发生时能保持必需的稳定性（如有很好的抗地震的能力）。和是安全性，是适用性，是耐久性。“安全、适用、耐久”三者缺一不可，但

20、安全第一。,3 结构的失效结构设计应遵循的原则：S R-S 为荷载施加在结构的作用效应；-R 为结构的抗力。当结构或从属于它的构件不能满足上述基本功能要求，称为结构失效。,结构失效的常见表现形式 破坏-结构或构件截面抵抗能力不足以承受作用效应的现象，如拉断、压碎、弯折等。失稳-结构或构件因长细比过大而在不大的作用力下突然发生作用力平面外的极大变形的现象，如柱子压屈、梁在平面外扭曲等。发生影响正常使用的变形-梁板的过大挠度或过宽裂缝，柱、墙的过大侧移，结构有过大倾斜或过大的沉陷等。倾覆-结构或结构的一部分失去平衡而倾倒或移动的现象。结构材料丧失耐久性-钢材锈蚀、砼受腐蚀、砌体遭冻融、木构件被虫蛀

21、蚀等化学、物理、生物现象。,5、土木工程结构的设计方法5.1 结构工程师的任务 土木工程设计的分工,规划师负责工程的选址、开发强度和空间环境。建筑师负责工程的布局、造型，满足各项功能性使用要求。,结构工程师负责工程的承载、变形、稳定的安全性需求。设备工程师负责工程的给排水、供热通风和电气等配套设施。,结构工程师要解决的问题 确定结构承受的荷载，并合理选用结构材料；正确选用结构体系和结构型式；解决好结构承载力、变形、稳定、抗倾覆等技术问题；解决好结构的连接构造和施工方法问题。结构工程师须具备的基本素质 接受过良好的土木工程学科和相关学科的教育，并训练有素；对其它学科具备一定的知识；不断地掌握土木

22、工程有关最新技术并进行知识更新；很好的交际技能，包括口头、撰写、绘图和数字化技能。,5.2 结构设计的方法 极限状态设计方法工程结构设计经历了容许应力法、破损阶段法、极限状态法和概率极限状态法四个阶段。我国目前的建筑和公路的结构设计方法都采用概率极限状态设计法。它以结构的失效概率或可靠指标来度量结构的可靠度，用分项系数的设计表达式进行设计。结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类，整个结构或结构的某一部分达到结构的极限状态就不能满足安全、适用或耐久性要求。,承载能力是关于力-材料或力-结构关系的一个概念。当力作用于结构或者构件的外部时，按照一定的传递或变换逻辑，会使材料或结构内

23、部出现应力，或应变。目录1 承载能力的定义2 对承载能力的理解 释义 示例1.承载能力的定义对于微观材料而言，其物理特性决定了其所能承受的力（即应力）是有一定的限度的，这个度称为材料的强度，超出这个强度，材料会发生破坏；另一方面，对于结构而言，由于应力的效应，会使内部结构单元发生相应的应变，这些应变按结构而系统化为结构各坐标处的变形，同样，结构变形也有个限度，这个度称为刚度，超出这个刚度，结构会背离预期要求；再有，当结构的变形超过一定范围时，会使结构总体几何构造及承载体系发生不可逆转的变化，这是一种复合型变化，既有变形方面的，也有应力方面的，这个限度统一用稳定性来表述。2.对承载能力的理解在材

24、料力学里，对应于材料强度、材料或构件刚度、构件稳定性的相应结构负荷统称为构件的承载能力，但在实际理解中，要注意以下几点：对承载能力的理解编辑在材料力学里，对应于材料强度、材料或构件刚度、构件稳定性的相应结构负荷统称为构件的承载能力，但在实际理解中，要注意以下几点：,承载能力的概念,1)、强度概念针对微观材料单元而言，刚度概念即可针对微观材料而言（单元或者微观刚度），也可以适用于宏观结构，而稳定性则针对宏观承载结构而言。2)、承载能力是构件内在材质结构与外在载荷的统一。外在的载荷，通过构件的结构化方式，分配到微观材料单元，表现为应力及应变；同样，微观的强度、应变或刚度在外力作用下，通过结构的系统

25、化逻辑，统一表现为宏观的结构的形变及承载能力，即结构的强度、刚度及稳定性。3)、正是由于微观的材料强度-应变特征通过结构化而统一表现为结构的强度、刚度及稳定性，所以在材料力学中才将强度、刚度、稳定性统称为（结构或构件的）承载能力。4)、对应于同一结构或构件，其承载能力是强度、刚度及稳定性的综合统一。释义承载能力字面原指某一事物“承”与“载”的能力。一般是指空间上的最大容量或力学上的最大限度。后扩展至各种事物，单元或系统、微观及宏观的各种能力上限。可涵盖交换能力、吞吐能力、处理能力、对破坏的防护能力等。示例卡车的承载能力、支柱的承载能力、交换机的承载能力、网站的承载能力、电源的承载能力、隔热层的

26、承载能力船体结构、强度及振动,承载力是从工程地质领域里转借过来的概念，其本意是指地基的强度对建筑物负重的能力，现已演变为对发展的限制程度进行描述的最常用概念之一。生态学最早将此概念转引到本学科领域内。中文名 承载力 创建时间 1921年 提出人 帕克和伯吉斯 类型 生态承载力的概念1921年，帕克和伯吉斯就在人类生态学杂志上，提出了生态承载力的概念，即“某一特定环境条件下(主要指生存空间、营养物质、阳光等生态因子的组合），某种个体存在数量的最高极限”。如今，随着承载力概念的广泛应用，在环境、经济和社会的各个领域都得到了不同程度的延伸，产生了大量名称不同的各种各样的承载力。在过去的一段时间内，虽

27、然承载力发展中遇到了一些问题，但其适用性、直观性、形象性使之始终在国内外不同领域被广泛应用。1-2 对于某一区域的生态承载力概念，是某一时期某一地域某一特定的生态系统，在确保资源的合理开发利用和生态环境良生循环发展的条件下，可持续承载的人口数量、经济强度及社会总量的能力。3 工程力学、工程结构、建筑材料,承载力的概念,土木工程的分阶段设计,业主提出,使用要求,初步设计构思,明确各项功能要求形成总体设计方案处理各设计工种技术问题进行各设计工种细部设计绘制施工图，完成总体设计交付施工，参与工程监理竣工验收，交付使用,初步设计阶段施工图阶段施工阶段,建筑工程的结构设计步骤结构设计步骤一般分为结构模型

28、的建立、结构荷载计算、构件内力计算和构件构造选择、施工图绘制四个阶段。结构模型的建立建立结构模型前需对结构进行简化。如框架结构是空间结构，为简化计算，可取出其中的一榀框架将其简化为平面框架；梁和柱的截面尺寸相对于整个框架来说较小，可简化为杆件，梁和柱的连接节点可简化为刚性连接。经过如此简化后，复杂的框架结构即成为可用结构力学对其进行受力计算分析的简单模型。,结构荷载计算荷载计算必须弄清楚该结构所受的荷载的种类和传力路线。建筑结构荷载种类：恒载、活载、积灰荷载、雪荷载、风荷载、地震作用等。荷载传力路线：在框架结构中，荷载是由板传给次梁，次梁传给主梁，主梁传给框架柱，柱传给基础，基础最后传给地基。

29、将计算的各种荷载换算成线荷载并作用于框架的计算模型上。,构件内力计算和构件构造选择内力计算前，先依据经验估算梁柱的截面尺寸，然后进行该模型的内力计算。内力计算方法我们将在结构力学课程中学到。计算出构件内力后，再依据内力进行梁柱配筋的计算和梁柱的稳定、变形的计算。这些计算方法我们将在砼结构、钢结构等课程中学到。这些课程的理论基础是理论力学、材料力学、结构力学三大力学。,施工图纸的绘制构件的截面尺寸和配筋确定后，即可将其反映至施工图纸上。如何绘制施工图纸？同学们将在画法几何和工程制图课程中学习。图纸是工程师的语言，施工图纸的绘制必须规范！在校期间可学习工程制图的相关国家标准、规范。,建筑结构施工图平面整体设计方法（平法）简介平法是把结构构件的尺寸和配筋等，按照平面整体表示方法制图规则，整体直接表达在各类构件的结构平面布置图上，再与标准构造详图相结合，即构成一套新型完整的结构设计图。改变了传统的将构件逐个从结构平面布置图中索引，再逐个绘制配筋详图的繁琐方法，是砼结构施工图的设计表示方法的重大改革。学习国家平法标准图可收到事半功倍的效果。现行标准图集有:11G101-1.2.3和12G901-1.2.3。,谢谢大家！,