結構力學課件

結構力學(StructuralMechanics)授課人：趙榮國土木工程與力學學院說明主講：趙榮國學時：88學時，共計5.5個學分，本學期講授上冊64學時，下學期講授下冊24學時。教學用書：龍馭球、包世華編《結構力學教程I、II》高等教育出版社，2001。參考教材：1.楊弗康等主編《結構力學》高等教育出版社，1998。2.包世華主編《結構力學》武漢工業大學出版社，2000。3.王煥定等編著《結構力學》高等教育出版社，2000。2/1/20232結構力學參考書目：1.雷鐘和﹑江愛川﹑郝靜明編著《結構力學解疑》清華大學出版社，1996。2.趙更新編著《結構力學輔導-概念?方法?解題》中國水利水電出版社，2001。3.關群主編《結構力學學習輔導》中國科學技術大學出版社，2000。作業：每位同學準備2個作業本，輪換使用。到時不交的，過期不予批閱。聯系方式：58293214（O）M）。2/1/20233結構力學第一章緒論(Intrduction)2/1/20234結構力學目錄

(contents)1-1結構力學簡介1-2結構的計算簡圖及簡化要點1-3桿件結構的分類1-4荷載的分類

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2/1/20235結構力學基本要求了解：結構力學的發展歷史、研究對象和研究任務，與其它課程的關系及常見桿件結構的分類。掌握：結構計算簡圖的概念和確定結構計算簡圖的原則；桿件結構的支座、結點類型和特點及荷載分類。2/1/20236結構力學§

1-1結構力學簡介1-1-1結構力學發展簡史溯源古代工程實踐在建筑結構方面：早在六千年前，我們祖先就已經建造了木框架結構房屋（木構件分為樁、柱、梁、板，采用榫卯聯接），逐漸告別利用天然結構巢居和穴居的原始狀態。（根據浙江余姚河姆渡新石器時代遺址考古）三千年前《周禮》中的《考工記》就已經記載了各種建筑的形式和制式。在漢代王延壽的《魯靈光殿賦》中曾出現“結構”這一專有名詞。

2/1/20237結構力學在水工結構方面：公元前256-251年秦朝修建的岷江水利樞紐工程都江堰創造了用竹籠裝卵石堆砌的堤壩結構，使用至今，其結構之簡單，規模之宏偉，堪稱世界之最。在橋梁結構方面：公元605-617年隋朝修建的河北趙縣安濟橋（也稱趙州橋）為敞肩石拱橋，造型優美、結構合理。宋代的廣東潮州廣濟橋（開關活動式）。福建泉州萬安橋（即洛陽橋，筏形基礎，礪房膠固），其獨特結構型式在世界上都絕無僅有。古埃及人的金字塔、古希臘人的女神廟和古羅馬人在建筑物中廣泛采用半圓拱形。2/1/20238結構力學都江堰水利樞紐工程

2/1/20239結構力學隋朝河北趙州橋2/1/202310結構力學雅典神廟2/1/202311結構力學古羅馬半圓拱建筑2/1/202312結構力學從“萌芽”到“獨立”15至16世紀，歐洲文藝復興時期，科學事業有了轉機，力學在歐洲萌芽。17世紀，人們才開始研究材料強度，嘗試用解析法來求構件的安全尺寸。（伽利略考查了固定端懸臂梁的承載能力的問題，雅可比?伯努利關于梁的研究結果就是現今人們常用的伯努利梁理論。）18世紀的工業革命更促進了單根構件強度和穩定性研究。進入19世紀后，大型廠房、船舶、堤壩、鐵路橋梁的興建，提出更為復雜的結構計算問題，促進了板殼理論形成，以及桁架、連續梁、拱、吊橋、彈性地基梁、擋土墻等計算理論的誕生，奠定了結構分析的理論基礎。19世紀中葉，結構力學（也稱結構理論）實際上已從力學中獨立出來成為一門學科。2/1/202313結構力學近代的發展與飛躍19世紀末，隨著鋼結構廣泛應用，進一步推動結構分析理論的發展，建立了利用能量原理計算結構位移和應用力法計算超靜定結構的一般理論，但主要的發展是桁架分析。20世紀初，隨鋼筋混凝土框架結構型式的出現，又誕生了與高次超靜定結構相適應的新的計算理論和方法，如位移法和力矩分配法。20世紀中葉還發展了考慮塑性的結構計算理論、結構穩定計算和結構動力學計算理論。1945年電子計算機的問世和廣泛應用使結構分析如虎添翼，計算能力躍上一個新的臺階，出現以計算機為工具的結構矩陣分析法（即桿件系統的有限單元法）。目前結構力學已進入有史以來發展最快的時期，其應用范圍之廣、應用水平之高已達到前所未有的程度。2/1/202314結構力學1-1-2結構以及結構的類型在土木工程中，由建筑材料按照一定的方式組成并能承受或傳遞荷載起骨架作用的部分稱為工程結構(簡稱結構Structure)。柱吊車梁折線形屋架素混凝土墊層杯形基礎圖1-12/1/202315結構力學從幾何角度來看，結構可分為三種類型桿件結構(Structureofbarsystem)—這類結構是由桿件所組成。例如如圖1-2所示梁、拱、桁架、剛架是桿件結構的典型形式。圖1-22/1/202316結構力學它的厚度要比長度和寬度小得多，房屋中的樓板和殼體屋蓋。板殼結構

(Plateandshellstructures)—這類結構也稱薄壁結構。

圖1-32/1/202317結構力學實體結構

(Massivestructure)

––這類結構的長、寬、厚三個尺度大小相仿。例如堤壩、擋土墻、塊式基礎等均屬實體結構。

圖1-4擋土墻2/1/202318結構力學1-1-3結構力學及其研究對象結構力學是力學學科的一個分支，是研究結構在荷載和外界因素作用下的力學響應—結構的受力和變形的學科。2/1/202319結構力學結構力學研究對象涉及較廣，根據所涉及范圍，通常將結構力學分為“狹義結構力學”、“廣義結構力學”和“現代結構力學”。狹義結構力學其研究對象為由桿件所組成的體系。這種體系能承擔外界荷載作用，并起傳力骨架作用，又稱為經典結構力學。2/1/202320結構力學廣義結構力學

其所研究的對象為可變形的物體。除可變形桿件組成的體系外，還包括可變形的連續體(平板、塊體、殼體等)。現代結構力學

將工程項目從論證到設計，從施工到使用期內維護的整個過程作為大系統，研究大系統中的各種各樣力學問題。顯然其研究對象范圍更廣。我們將以狹義結構力學為主。2/1/202321結構力學學科研究對象研究任務理論力學質點、剛體物體機械運動的一般規律材料力學單根桿件變形體的強度、剛度、穩定性和動力反應結構力學桿件結構彈性力學板殼、實體結構相關各力學課程的比較2/1/202322結構力學1-1-4結構力學的任務及其研究手段具體任務是：討論結構的組成規律和合理形式，以及結構計算簡圖的合理選擇。討論結構內力和變形的計算方法，以便進行結構強度和剛度的驗算。討論結構的穩定性以及在動力荷載作用下結構的反應。2/1/202323結構力學結構力學問題的研究手段包含理論分析、實驗研究和數值計算三個方面。實驗研究方法的內容在實驗力學和結構檢驗課程中討論，理論分析和數值計算方面的內容在結構力學課程中討論。2/1/202324結構力學1-1-5結構力學基本假設線彈性假設結構體連續滿足胡克定理外部作用撤消，則結構回復原無應力狀態適用定理解的唯一性定理，即變形與外部作用力之間有一一對應關系疊加原理互等定理2/1/202325結構力學1-1-6結構力學的學習方法學習時要注意結構力學與其他課程的聯系。學習時要注意理論聯系實際。學習時要注意分析方法與解題思路。學習時要注意多練。(作業要整潔、清晰、嚴謹）2/1/202326結構力學§1-2結構的計算簡圖及簡化要點1-2-1工程實例高層建筑、大型水利工程、橋梁結構、大跨結構高聳結構、核電站結構、體育館結構。2/1/202327結構力學框架結構懸索橋（懸索）體育館（板、殼結構）結構復雜2/1/202328結構力學上海楊浦斜拉橋世界第一拱——盧浦大橋上海金茂大廈結構復雜2/1/202329結構力學1-2-2結構計算簡圖的概念實際工程是很復雜的，如果不作任何簡化，分析計算將十分困難。因此，在分析計算之前，先要完成力學建模，得到結構計算簡圖的工作。2/1/202330結構力學力學建模

利用力學知識、結構知識和工程實踐經驗，經過科學的抽象，并根據實際受力、變形規律等主要因素，對實際結構進行合理的簡化。計算簡圖

用以代替實際結構的，可以用于分析計算的簡化圖形。2/1/202331結構力學確定計算簡圖的原則盡可能符合實際—計算簡圖應盡可能反映實際結構的受力、變形等特性。盡可能簡單

—忽略次要因素，盡量使分析過程簡單。2/1/202332結構力學1-2-3結構體系的簡化一般結構實際上都是空間結構，各部分相互連接成為一個空間整體，以承受各個方向可能出現的荷載。但在多數情況下，常可以忽略一些次要的空間約束而將實際結構分解為平面結構，使計算得以簡化。本課程主要討論平面結構的計算問題。2/1/202333結構力學1-2-4桿件的簡化在計算簡圖中，結構的桿件就可抽象化地用軸線來表示。2/1/202334結構力學1-2-5結點的簡化及分類結點(Joint)

桿件的交匯點。結點可分為鉸結點、剛結點和組合結點。鉸結點(Hingejoint)

各桿件在此點互不分離，但可以相對轉動，因此相互間作用為力。(a)鉸結點A2/1/202335結構力學組合結點(Compositejoint)

各桿件在此點不能相對移動，部分(但非全部)桿件間還不能相對轉動，即部分桿件之間屬鉸結點，另部分桿件之間屬剛結點。(c)組合結點A剛結點(Rigidjoint)

各桿件在此點既不能相對移動，也不能相對轉動，(保持夾角不變)，因此相互間作用除力以外還有力偶。(b)剛結點A

圖1-52/1/202336結構力學1-2-6支座的簡化及分類理論力學中已經引入了支座的計算簡圖，現歸納、補充如下：支座是將結構和基礎聯系起來的裝置，其作用是將結構固定在基礎上，并將結構上的荷載傳遞到基礎和地基。支座對結構的約束力稱為支座反力，支座反力總是沿著它所限制的位移方向。2/1/202337結構力學固定鉸支座限制各方向位移，但不限制轉動，其反力可用沿坐標的分量表示。xyA圖1-6

平面固定鉸支座及反力yx2/1/202338結構力學可動鉸支座（滾軸支座）限制某些方向位移，但不限制轉動，其反力沿所限制的位移方向。xyA可動鉸支座及反力

圖1-7xyA用于大型鋼橋2/1/202339結構力學固定端(固定支座)限制全部位移(移動和轉動)，其反力用沿坐標的分量和力偶來表示。yxAxAy平面固定端支座及反力

圖1-8xyA2/1/202340結構力學定向支座限制某些方向的位移和轉動，而允許某一方向產生位移，其反力除所限制位移方向力外，還有支座反力偶。xyAxyA

圖1-9定向支座及反力2/1/202341結構力學瀝青麻刀填充FxFy鉸支座細石混凝土填充FxFyM固定端支座補充說明：2/1/202342結構力學Y滾軸支座用于大型鋼橋:用于中、小型結構:2/1/202343結構力學在土木．水利工程中結構所用的建筑材料通常為鋼、混凝土、磚、石、木料等。在結構計算中，為了簡化，對組成各構件的材料一般都假設為連續的、均勻的、各向同性的、完全彈性或彈塑性的。1-2-7材料性質的簡化2/1/202344結構力學1-2-8荷載的簡化結構承受的荷載可分為體積力和表面力兩大類。在桿件結構中把桿件簡化為軸線，因此不管是體積力還是表面力都可以簡化為作用在桿件軸線上的力。

荷載按其分布情況可簡化為集中荷載和分布荷載。2/1/202345結構力學↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓l結構的計算簡圖舉例例1：2/1/202346結構力學例2：2/1/202347結構力學例3：2/1/202348結構力學細石混凝土填充↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓2/1/202349結構力學P橫向荷載下PPPPP縱向荷載下QQQ例4：2/1/202350結構力學§1-3桿件結構的分類所謂桿系結構是指由桿件所組成的結構。所有桿件與荷載位于同平面時為平面結構，否則為空間結構，我們只討論平面結構。2/1/202351結構力學梁(beam)

桿軸共線或雖為曲桿但主要受彎的結構，前者為直梁，后者為曲梁，其計算簡圖如圖所示(a)(b)(c)(d)圖1-10梁(e)2/1/202352結構力學拱(arch)

由曲線組成，僅在豎向荷載作用下產生水平推力的結構，其計算簡圖如圖所示。圖1-11拱2/1/202353結構力學桁架(truss)

由等截面直桿理想鉸結形成，僅在結點處受荷載作用的結構，其計算簡圖如圖所示，其各桿僅受軸力作用(二力桿)稱桁架桿。圖