結(jié)構(gòu)力學(xué)第一章緒論

1、第1章 緒 論 1-1 1-1 結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)科內(nèi)容和教學(xué)要求結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)科內(nèi)容和教學(xué)要求 1-2 1-2 結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖及簡(jiǎn)化要點(diǎn)結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖及簡(jiǎn)化要點(diǎn) 1-3 1-3 荷載的類型荷載的類型 1-4 1-4 結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式1 1）研究對(duì)象）研究對(duì)象 結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)就是研究結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其內(nèi)力就是研究結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其內(nèi)力和變形的計(jì)算問(wèn)題。和變形的計(jì)算問(wèn)題。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)就是構(gòu)造物中起著承重作用的骨架，它由就是構(gòu)造物中起著承重作用的骨架，它由承重構(gòu)件組成。承重構(gòu)件組成。 土木工程及水利工程中常見的結(jié)構(gòu)有：土木工程及水利工程中常見的結(jié)構(gòu)有：剛架、剛架、桁架、拱、水壩、墩式碼頭等桁架、拱、水壩

2、、墩式碼頭等，根據(jù)幾何形狀可以，根據(jù)幾何形狀可以把它們分成三大類：把它們分成三大類：桿系結(jié)構(gòu) 板殼結(jié)構(gòu) 實(shí)體結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)分類：結(jié)構(gòu)分類：按承重骨架：磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、桁架按承重骨架：磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、桁架 結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu) 國(guó)家體育場(chǎng)的國(guó)家體育場(chǎng)的“鳥巢鳥巢”是由一系列輻射式門式鋼桁架圍繞碗狀是由一系列輻射式門式鋼桁架圍繞碗狀坐席區(qū)旋轉(zhuǎn)而成，結(jié)構(gòu)科學(xué)簡(jiǎn)潔，設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特，為國(guó)際上極富特坐席區(qū)旋轉(zhuǎn)而成，結(jié)構(gòu)科學(xué)簡(jiǎn)潔，設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特，為國(guó)際上極富特色色 的巨型建筑。它為的巨型建筑。它為20082008年奧運(yùn)會(huì)樹立了一座獨(dú)特的歷史性的標(biāo)年奧運(yùn)會(huì)樹立了一座獨(dú)特的歷史性的標(biāo)志志 性建筑。圖為國(guó)家體

3、育場(chǎng)性建筑。圖為國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢鳥巢”夜景圖。夜景圖。 國(guó)家體育場(chǎng)的外觀國(guó)家體育場(chǎng)的外觀即為建筑的結(jié)構(gòu)，立面即為建筑的結(jié)構(gòu)，立面與結(jié)構(gòu)達(dá)到了完美的統(tǒng)與結(jié)構(gòu)達(dá)到了完美的統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)的組件相互支一。結(jié)構(gòu)的組件相互支撐，形成了網(wǎng)絡(luò)狀的構(gòu)撐，形成了網(wǎng)絡(luò)狀的構(gòu)架，它就象樹枝編織的架，它就象樹枝編織的鳥巢。鳥巢。鳥巢俯視圖鳥巢俯視圖 與與“鳥巢鳥巢”相映襯的是相映襯的是“水立方水立方”國(guó)家游泳中心。國(guó)家游泳中心。因其外觀酷似一個(gè)充滿了水泡的藍(lán)色方盒子而被稱為因其外觀酷似一個(gè)充滿了水泡的藍(lán)色方盒子而被稱為“水立水立方方”.國(guó)家游泳中心是一座新穎別致的奧林匹克建筑，它將以冰國(guó)家游泳中心是一座新穎別致的奧林匹克建

4、筑，它將以冰晶狀的亮麗身姿，裝點(diǎn)景觀如畫的奧林匹克公園。晶狀的亮麗身姿，裝點(diǎn)景觀如畫的奧林匹克公園。水水 立立 方方 1 1塊約塊約1 1平方米的三角形平方米的三角形“氣泡氣泡”( (膜結(jié)構(gòu)氣枕膜結(jié)構(gòu)氣枕) )終于成功安終于成功安裝在了水立方的鋼結(jié)構(gòu)上。此次安裝成功的氣枕沒有電腦效果裝在了水立方的鋼結(jié)構(gòu)上。此次安裝成功的氣枕沒有電腦效果圖上那么飽滿。是為了施工方便，安裝上去的氣枕全是未充氣圖上那么飽滿。是為了施工方便，安裝上去的氣枕全是未充氣的。安裝完一定區(qū)域后，將通過(guò)事先安裝在鋼架上的充氣管線的。安裝完一定區(qū)域后，將通過(guò)事先安裝在鋼架上的充氣管線對(duì)氣枕充氣。整個(gè)充氣過(guò)程由電腦智能監(jiān)控，電腦將

5、根據(jù)當(dāng)時(shí)對(duì)氣枕充氣。整個(gè)充氣過(guò)程由電腦智能監(jiān)控，電腦將根據(jù)當(dāng)時(shí)的氣壓、光照等條件使氣泡保持最佳狀態(tài)的氣壓、光照等條件使氣泡保持最佳狀態(tài) 像這樣的像這樣的“氣泡氣泡”，整個(gè)水立方共需要，整個(gè)水立方共需要30003000多個(gè)，表面覆多個(gè)，表面覆蓋面積達(dá)到蓋面積達(dá)到1010萬(wàn)平方米，堪稱世界之最。它們大小不一，形狀萬(wàn)平方米，堪稱世界之最。它們大小不一，形狀各異，最大一個(gè)約各異，最大一個(gè)約9 9平方米，最小的一個(gè)不足平方米，最小的一個(gè)不足1 1平方米。平方米。水立方和鳥巢交相輝映、流光溢彩水立方和鳥巢交相輝映、流光溢彩 19681968年建造了雙層雙線鐵路、公路兩用橋，正橋長(zhǎng)年建造了雙層雙線鐵路、公路

6、兩用橋，正橋長(zhǎng)15771577米，米，鐵路橋全長(zhǎng)鐵路橋全長(zhǎng)67726772米，寬米，寬19.519.5米；工路橋全長(zhǎng)米；工路橋全長(zhǎng)45894589，寬，寬19.519.5米；公米；公路引橋路引橋30123012米，兩端接地部分建有米，兩端接地部分建有2222孔的豐富民族特色的雙曲拱孔的豐富民族特色的雙曲拱橋。大橋建成后，天塹變通途。過(guò)去一列火車在此過(guò)江只能靠輪橋。大橋建成后，天塹變通途。過(guò)去一列火車在此過(guò)江只能靠輪渡，要花渡，要花2 2個(gè)小時(shí)。現(xiàn)在個(gè)小時(shí)?，F(xiàn)在3 3分鐘就可以通過(guò)。分鐘就可以通過(guò)。19841984年，南京市有關(guān)年，南京市有關(guān)部門將南京長(zhǎng)江大橋定為金陵四十景之一，稱為部門將南京長(zhǎng)

7、江大橋定為金陵四十景之一，稱為“天塹飛虹天塹飛虹”天塹飛虹天塹飛虹臺(tái)灣101大樓，101層，508米高，地下5層，是目前世界最高大樓之一。其鋼材和水泥重量逾70萬(wàn)噸，占地15081平方米。防強(qiáng)風(fēng)及臺(tái)風(fēng)方面：防強(qiáng)風(fēng)及臺(tái)風(fēng)方面：101設(shè)置了設(shè)置了“調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（tuned mass damper）”，是在，是在88-92樓層掛置一個(gè)重達(dá)樓層掛置一個(gè)重達(dá)680噸的巨大鋼球，利用噸的巨大鋼球，利用擺動(dòng)來(lái)減緩建筑物的晃幅。擺動(dòng)來(lái)減緩建筑物的晃幅。 彈簧 質(zhì)量塊受控結(jié)構(gòu)阻尼器防震措施方面：防震措施方面：*101采用新式的采用新式的“巨型結(jié)構(gòu)（巨型結(jié)構(gòu)（megastructure）”；*在

8、大樓之四個(gè)外側(cè)分別各有二根巨柱，共八根；在大樓之四個(gè)外側(cè)分別各有二根巨柱，共八根；*每根柱截面約每根柱截面約32.4米，自地下米，自地下5樓貫通至地上樓貫通至地上90樓；樓；*柱內(nèi)灌入高強(qiáng)度混凝土，外以鋼板包覆柱內(nèi)灌入高強(qiáng)度混凝土，外以鋼板包覆-組合結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)芝加哥市110層的西爾斯大廈 鋼結(jié)構(gòu)楊浦大橋是黃浦江上的第二座大橋，于楊浦大橋是黃浦江上的第二座大橋，于1993年年10月竣工通車，月竣工通車，她與南浦大橋遙相呼應(yīng)，是內(nèi)環(huán)線高架連接浦東與浦西的過(guò)江她與南浦大橋遙相呼應(yīng)，是內(nèi)環(huán)線高架連接浦東與浦西的過(guò)江樞紐，總長(zhǎng)為樞紐，總長(zhǎng)為7654米，跨徑為米，跨徑為602米，主橋長(zhǎng)米，主橋長(zhǎng)1172

9、米、寬米、寬30.35米，共設(shè)米，共設(shè)6車道。楊浦大橋?yàn)殡p塔雙索疊合梁斜拉橋車道。楊浦大橋?yàn)殡p塔雙索疊合梁斜拉橋. 桿系結(jié)構(gòu)桿系結(jié)構(gòu)由若桿根桿件組成，桿件的幾何特由若桿根桿件組成，桿件的幾何特 征是：其長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于桿件截面的寬度和高度。征是：其長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于桿件截面的寬度和高度。 板殼結(jié)構(gòu)板殼結(jié)構(gòu)其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度兩各尺其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度兩各尺 寸的結(jié)構(gòu)。寸的結(jié)構(gòu)。 實(shí)體結(jié)構(gòu)實(shí)體結(jié)構(gòu)是指三個(gè)尺寸大約為同量級(jí)的結(jié)構(gòu)是指三個(gè)尺寸大約為同量級(jí)的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象是：結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對(duì)象是：桿系結(jié)構(gòu)桿系結(jié)構(gòu) 位于長(zhǎng)安街上、人民大會(huì)堂位于長(zhǎng)安街上、人民大會(huì)堂旁邊的旁邊的“蛋蛋” -國(guó)家大劇

10、國(guó)家大劇院院 外觀內(nèi)視三峽大壩薄膜充氣結(jié)構(gòu)：只能承受拉力的面片材料。薄膜和加壓的氣體介質(zhì)共同承受荷載。特點(diǎn)：重量輕，跨度大建筑說(shuō)明：建筑說(shuō)明： 膜結(jié)構(gòu)是一種富有生命力的輕型張力結(jié)構(gòu)，自膜結(jié)構(gòu)是一種富有生命力的輕型張力結(jié)構(gòu)，自8080年代以來(lái)在年代以來(lái)在發(fā)達(dá)國(guó)家獲得極大發(fā)展。某體育場(chǎng)看臺(tái)挑棚的設(shè)計(jì)中采用了全發(fā)達(dá)國(guó)家獲得極大發(fā)展。某體育場(chǎng)看臺(tái)挑棚的設(shè)計(jì)中采用了全張拉式的膜結(jié)構(gòu)方案。整個(gè)挑棚由連成一體的張拉式的膜結(jié)構(gòu)方案。整個(gè)挑棚由連成一體的3434個(gè)傘形單元組個(gè)傘形單元組成，每個(gè)單元由中央桅桿撐起，外緣固定在看臺(tái)梁的后端，內(nèi)成，每個(gè)單元由中央桅桿撐起，外緣固定在看臺(tái)梁的后端，內(nèi)緣則張緊在巨大的內(nèi)環(huán)

11、上。緣則張緊在巨大的內(nèi)環(huán)上。氣吹起來(lái)的結(jié)構(gòu)氣吹起來(lái)的結(jié)構(gòu)- 赫爾佐格和德梅隆在赫爾佐格和德梅隆在德國(guó)慕尼黑設(shè)計(jì)建造德國(guó)慕尼黑設(shè)計(jì)建造的體育館的體育館日本最初用于多功能全天日本最初用于多功能全天候的體育場(chǎng)，約候的體育場(chǎng)，約30,000平平方米超大橢圓形屋頂，采方米超大橢圓形屋頂，采用懸索加強(qiáng)的充氣膜結(jié)構(gòu)用懸索加強(qiáng)的充氣膜結(jié)構(gòu)。其雙向各配置。其雙向各配置14根共根共28根鋼索，在其上張拉著涂根鋼索，在其上張拉著涂有特富龍的玻璃纖維布有特富龍的玻璃纖維布 氣體 2 2）主要研究?jī)?nèi)容）主要研究?jī)?nèi)容 結(jié)構(gòu)由荷載、支座移動(dòng)、溫度變化、制造誤差結(jié)構(gòu)由荷載、支座移動(dòng)、溫度變化、制造誤差 引起的內(nèi)力計(jì)算引起的內(nèi)

12、力計(jì)算稱為強(qiáng)度計(jì)算；稱為強(qiáng)度計(jì)算； 結(jié)構(gòu)由荷載、支座移動(dòng)、溫度變化、制造誤差結(jié)構(gòu)由荷載、支座移動(dòng)、溫度變化、制造誤差 引起的變形及位移計(jì)算引起的變形及位移計(jì)算稱為剛度計(jì)算；稱為剛度計(jì)算； 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算；結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算； 結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律及計(jì)算簡(jiǎn)圖的選擇。結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律及計(jì)算簡(jiǎn)圖的選擇。 3 3）結(jié)構(gòu)力學(xué)與其它課程的關(guān)系）結(jié)構(gòu)力學(xué)與其它課程的關(guān)系 理論力學(xué)和材料力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的先修課程，理論力學(xué)和材料力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的先修課程，專業(yè)課程（鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等）是專業(yè)課程（鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等）是結(jié)構(gòu)力學(xué)的后續(xù)課程。結(jié)構(gòu)力學(xué)的后續(xù)課程。 在工程設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，需要一在

13、工程設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，需要一個(gè)圖形，這個(gè)圖形與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全一樣，實(shí)際上是個(gè)圖形，這個(gè)圖形與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全一樣，實(shí)際上是做不到的，因此必須對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，做不到的，因此必須對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，得到一個(gè)計(jì)算時(shí)所用的計(jì)算簡(jiǎn)圖。抽象和簡(jiǎn)化必須得到一個(gè)計(jì)算時(shí)所用的計(jì)算簡(jiǎn)圖。抽象和簡(jiǎn)化必須遵循以下原則：遵循以下原則： 1）正確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，使計(jì)算結(jié)果與）正確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，使計(jì)算結(jié)果與 實(shí)際情況比較吻合；實(shí)際情況比較吻合； 2）略去次要因數(shù)，便于分析和計(jì)算。）略去次要因數(shù)，便于分析和計(jì)算。1 1）桿件的簡(jiǎn)化）桿件的簡(jiǎn)化 桿件可以用軸線來(lái)表示：桿件可以用軸線來(lái)表示：

14、 原因是：細(xì)長(zhǎng)桿件可以近似采用平面假定，因此截原因是：細(xì)長(zhǎng)桿件可以近似采用平面假定，因此截面上的應(yīng)力可以由截面上的內(nèi)力來(lái)確定，而內(nèi)力只面上的應(yīng)力可以由截面上的內(nèi)力來(lái)確定，而內(nèi)力只與桿件的長(zhǎng)度有關(guān)，與截面的寬度和高度無(wú)關(guān)。與桿件的長(zhǎng)度有關(guān)，與截面的寬度和高度無(wú)關(guān)。 桿件桿件軸線軸線 2 2）結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化）結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化 桿件與桿件的連接點(diǎn)稱為：結(jié)點(diǎn)桿件與桿件的連接點(diǎn)稱為：結(jié)點(diǎn) 結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化分兩類：鉸結(jié)點(diǎn)和剛結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化分兩類：鉸結(jié)點(diǎn)和剛結(jié)點(diǎn) 鉸結(jié)點(diǎn)鉸結(jié)點(diǎn) 幾何特征：各桿可以繞結(jié)點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。幾何特征：各桿可以繞結(jié)點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 受力狀況：不會(huì)引起桿端彎矩。受力狀況：不會(huì)引起桿端彎矩。 表示方法：表示方法：

15、 例如：圖示木屋架的結(jié)點(diǎn)例如：圖示木屋架的結(jié)點(diǎn) 剛結(jié)點(diǎn)剛結(jié)點(diǎn) 幾何特征：各桿不能繞結(jié)點(diǎn)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。幾何特征：各桿不能繞結(jié)點(diǎn)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。 受力狀況：由于結(jié)點(diǎn)能阻止桿件之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)受力狀況：由于結(jié)點(diǎn)能阻止桿件之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn) 角，因此桿端有彎矩、剪力角，因此桿端有彎矩、剪力 和軸力。和軸力。 表示方法：表示方法： 例如：圖示現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架的結(jié)點(diǎn)例如：圖示現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架的結(jié)點(diǎn) 對(duì)平面結(jié)構(gòu)一般可以簡(jiǎn)化成以下三種形式：對(duì)平面結(jié)構(gòu)一般可以簡(jiǎn)化成以下三種形式： 可動(dòng)鉸支座可動(dòng)鉸支座只能約束豎向運(yùn)動(dòng)的支座稱為：可動(dòng)鉸支座只能約束豎向運(yùn)動(dòng)的支座稱為：可動(dòng)鉸支座 表示方法：表示方法： 例如：把梁放在柱頂上

16、，不作任何處理，其支座就例如：把梁放在柱頂上，不作任何處理，其支座就 可簡(jiǎn)化成可動(dòng)鉸支座?？珊?jiǎn)化成可動(dòng)鉸支座。 固定鉸支座固定鉸支座 能約束豎向和水平運(yùn)動(dòng)的支座稱為：固定鉸支座能約束豎向和水平運(yùn)動(dòng)的支座稱為：固定鉸支座 表示方法：表示方法：例如：把屋架放在柱頂上，并與柱頂?shù)念A(yù)埋件連例如：把屋架放在柱頂上，并與柱頂?shù)念A(yù)埋件連 接，這樣的支座可簡(jiǎn)化成固定鉸支座。接，這樣的支座可簡(jiǎn)化成固定鉸支座。 固定支座固定支座 能約束豎向、水平和轉(zhuǎn)動(dòng)的支座稱為：固定支座能約束豎向、水平和轉(zhuǎn)動(dòng)的支座稱為：固定支座 表示方法：表示方法：例如：柱子與基礎(chǔ)完全現(xiàn)澆在一起，而且柱子的例如：柱子與基礎(chǔ)完全現(xiàn)澆在一起，而且柱

17、子的 鋼筋插入基礎(chǔ)一定距離，那么柱子的支座鋼筋插入基礎(chǔ)一定距離，那么柱子的支座 就可簡(jiǎn)化成固定支座。就可簡(jiǎn)化成固定支座。4 4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 1 1）按分布分）按分布分 面荷載面荷載 如：如：風(fēng)荷載、雪荷載、雨荷載、人群風(fēng)荷載、雪荷載、雨荷載、人群 荷載、水壓力等荷載、水壓力等 體荷載體荷載 如：如：結(jié)構(gòu)自重，溫度荷載等結(jié)構(gòu)自重，溫度荷載等 集中荷載集中荷載 如：如：集中力、集中力矩等集中力、集中力矩等 2 2）按作用在結(jié)構(gòu)上的時(shí)間分）按作用在結(jié)構(gòu)上的時(shí)間分 恒荷載恒荷載 如：如：結(jié)構(gòu)自重和設(shè)備重量等結(jié)構(gòu)自重和設(shè)備重量等 活荷載活荷載 如：如：人群荷載、雪荷載、雨荷載等人群荷載、雪荷載、雨荷載等 移動(dòng)荷載移動(dòng)荷載 如：如：吊