土木工程概論_4土木工程中的力學和結構概念

1、第4章 土木工程中的 力學和結構概念4.1、力、力矩、平衡4.2、外力、內力和反力4.3、荷載、作用和效應4.4、結構和結構失效4.5、土木工程結構的設計方法主講老師主講老師:丁騰飛丁騰飛土木工程要解決的問題之一是建造抵御自然或人為作用力的空間和通道，就必然會遇到大量的力學和結構問題。本章闡述土木工程中一些最基本的力學與結構概念。結構模型大賽建筑結構計算機建模4.1 4.1 力、力矩和平衡力、力矩和平衡 力（Force）是一種物體間有方向的作用，有大小方向?？捎檬噶勘硎尽?重力：物體重量產生的作用力，方向指向地球中心，作用點在該物體的中心。 力矩和平衡的概念 Alexander Calder提

2、出的裝置力矩（Moment，土木中稱彎矩）：力距離轉動平衡：對同一點所有力矩之和為0，即轉動效應之和為0。移動平衡：對同一物體所有力之和為0，即處于不移動的靜止狀態(tài)。力：是一種物體間有方向的相互作用；這種相互作用有使物體改變原來形狀或改變運動方向的效應；力是既有量值又有方向的矢量。力矩：是力對物體產生繞某一軸轉動作用的物理量，其大小等于力與力臂（力的作用線到該軸的垂直距離）的乘積；力矩在土木工程中習稱彎矩。平衡：力矩既可順時針方向轉動，也可按逆時針方向轉動，當兩個方向轉動效應之和為零時，稱物體處于平衡狀態(tài)。思考：全橋彎曲下垂，說明橋身承有內力，橋身的上下承受什么力橋身兩端固定處承受反力對任何一

3、個土木工程的結構而言，力有外力、內力和反力之分。人體、重物的重力和木橋自重是外力4.2、外力、內力和反力橋身承受扭曲倘若橋的兩端曾可能被鋸過又接了起來，當人拿著重物走上去，橋身必然像被剪切般地下落。現(xiàn)在橋身沒有被鋸，受力后完好無損，說明橋身還承受有剪切力。橋身承受剪切再如果將重物放在橋的一側，全橋還將受到扭曲。這些拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭曲就是橋身承受內力的結果。人和重物能靜止地位于橋上，說明它的外力、反力和內力作用處于平衡狀態(tài)。獨木橋是最簡單的例子，所有土木工程設施的結構，無論大小、重輕、厚薄（大如大橋、小如小木屋）都處于外力、內力和內力作用下的平衡狀態(tài)。它承受的內力無非是下列5種以及它們

4、的組合土木工程結構的5種內力特征：土木工程結構就是通過 5種內力的基本作用，將施加在結構上的力傳遞給地球（基礎下的土層），基礎給予結構的則是作用在結構基礎上的反力。受剪發(fā)生剪切變形在土木工程中：拉力以N表示；壓力以N表示；彎矩以M 表示；剪力以V 表示；扭矩以MT 表示。4.3、荷載、作用和效應直接施加在土木工程結構上的外力是由荷載引起的。如果地球沒有引力，自然界沒有風吹、雨雪，荷載就不會存在，土木工程也就不需要結構。土木工程結構要有能抵御自然或人為的作用力的能力，因此，了解作用在結構上的荷載有那些，其性質如何非常重要。作用與作用效應的基本概念作用分為直接作用：是指能使結構產生效應的各種原因的

5、總稱。作用和間接作用。1 荷載（直接作用）荷載是直接以力的形式作用于結構，如結構自重、行人或車輛的重量、風壓力、土壓力、水壓力等。作用效應：作用在結構上產生的內力和變形的總稱。能使結構產生作用效應的原因有兩種：一種是施加在結構上集中力和分布力，如結構自重，作用于樓面的人群、家具、設備，作用于橋面的車輛、人群，施加于結構物上的風壓力、水壓力、土壓力等，它們都是直接施加于結構上（直接作用），工程界習稱為“荷載”；另一種是施加于結構上的外加變形或約束變形，如地震、基礎沉降、材料收縮和徐變、溫度變化引起結構產生作用效應，它們都是間接作用于結構（間接作用） 。荷載是指直接作用在結構上的外加力。 恒載（永

6、久荷載）指使用期間永久施加在結構上,其值不隨時間變化的荷載。作用在工程結構上的恒載類型主要有：結構自重、墻面、地面、屋面、橋面以及建筑物內的固定裝置等。樓板大梁樓面內隔斷墻體及內裝飾窗門（2） 活載（可變荷載）：指在使用期間施加在結構上、其值可隨時間變化或移動的荷載。作用在工程結構上的活載有多種類型，如：使用活載、移動的設備及車輛活載、風載、雪載等。 使用活載：包括樓面活載、屋面活載。家具家具家具人群可移動設備可移動設施橋梁上的汽車荷載T1、T2、T3、T4汽車軸重；a、a1、b1、b2、c車軸間距離車輛活載是一種移動式荷載 車輛活載：主要是鐵路或公路車輛的荷載，包括工業(yè)廠房的行車（俗稱天車）

7、。工業(yè)廠房的行車W 風載：風是由大氣壓力不等引起的空氣運動。由風的運動而施加在墻面或結構上的壓力稱為風載。風載有三個“不一樣”：不同地區(qū)不一樣（沿海、內陸）；同一地區(qū)不同時間不一樣；同一房屋不同高度、不同部位不一樣。風載0.22kN m 2同處一區(qū)的18層高層建筑0.7kN m 2北京郊區(qū)某5m高單層房屋迎風面均勻分布荷載作用三角形分布荷載作用集中荷載作用集中荷載的單位一般為KN，均布荷載的單位一般為KN/m或KN/m2（3） 偶然荷載在使用期間不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短的荷載。如地震作用、爆炸力、臺風、船只或漂流物等。佛山九江大橋被撞百米橋面墜入江中美國世貿中心大廈撞擊起火

8、倒塌震源、地震波、震中、震中距的關系地震釋放的能量以地震波的形式傳到地面，引起結構振動。結構由地震引起的振動稱為地震反應，振動過程中作用在結構上的慣性力就是“地震荷載”。地震震級和地震烈度是兩個不同概念，震級表示一次地震釋放的能量的大小，烈度表示某地區(qū)遭受地震影響的強度。地震對結構施加的影響屬間接作用，應把結構承受的“地震荷載”稱為地震作用。2 間接作用（間接荷載）除直接施加在結構上的外力（即荷載）外，還有一種因間接施加影響引起結構受力的作用。作用也使結構內部產生內力和變形。它們也以三類形式出現(xiàn)。 約束變形作用這種作用以溫差作用為典型約束如一根鋼梁，當環(huán)境氣溫為00C 時長度為20m，當環(huán)境氣

9、溫升高至350C時，鋼梁會在內力作用下伸長土木工程中的構件因晝夜溫差、季節(jié)性溫差，每時每刻都在改變著形狀和尺寸，當這種改變受到約束時，就會使結構受到內力效應。建筑物的溫度裂縫內外柱高差達幾十毫米現(xiàn)代高層房屋必須考慮這種溫差內力效應。水泥路面在溫差作用下起拱達90cm高層建筑外墻的溫度裂縫鋼結構構件在焊接時產生的作用也屬溫差作用 外加變形作用這種作用以地基不均勻沉陷為典型。土木工程結構構筑在地基上，地基土受力后總會產生不均勻沉陷，過大的不均勻沉陷會引起結構產生不小的內力，甚至可使結構開裂或倒塌。比薩斜塔就是由于地基不均勻沉陷而成為世界著名建筑！震施加給結構的力，即地震作用。地面運動時建筑物的相應

10、運動 慣性作用以地震作用為典型。地震引起的地面運動會使土木工程結構在水平和豎向產生加速度反應。這種加速度反應值與土木工程設施本身質量的乘積就形成了地北川縣底框建筑在慣性力作用下底層徹底垮塌地震作用是一種慣性力，它的大小與土木工程的質量、地震烈度和結構的動力特性相關。地震作用以水平方向為主。原因統(tǒng)稱為“荷載”。按照國際通行做法和現(xiàn)行國家標準，“作用”泛指使結構產生內力、變形的所有原因，包括直接作用和間接作用；而“荷載”僅等同于施加于結構上的直接作用。5.12大地震北川縣垮塌的建筑物和道路長期以來，我們習慣上將所有引起結構產生效應的但目前道路、橋梁、隧道設計的行業(yè)標準中，尚未引進“作用”代替“荷載

11、”，仍沿用“荷載”一詞表述引起結構產生效應的直接作用和間接作用。荷載和作用的分類人為因素地球物理因素爆炸力引起的作用地震荷載（作用）地基不均勻沉降引起的作用溫差引起的作用風荷載雪荷載構配件自重機器振動引起的作用焊接引起的作用結構安裝引起的作用撞擊引起的作用使用荷載重力氣象地質靜載動載3 應力、應變、彈性模量土木工程結構受力后，其構件將產生內力（平衡狀態(tài)）和變形（其長度、形狀將發(fā)生改變）。在產生拉力、壓力、剪力、彎矩和扭矩內力的同時結構構件會出現(xiàn)5種基本變形的形式。拉伸壓縮剪切扭轉彎曲 應力為度量結構構件所發(fā)生內力的大小，我們將作用于單位面積上的內力強度稱之為應力：pA =按照荷載作用的形式不同

12、，應力又可分為拉伸壓縮應力、彎曲應力和扭轉應力。同截面垂直的稱為正應力或法向應力，同截面相切的稱為剪應力或切應力表示正應力或法向應力，代表剪應力或切應力。應力的單位是：N/mm2，即MPa =bbLL, = 應變土木工程結構受力后，構件將發(fā)生變形，我們將單位長度上的變形量稱之為應變：表示構件的縱向線應變，代表構件的橫向線應變。對于拉桿來說，為正，為負；壓桿則為負，為正。成正比。 2 1=p 2p1 彈性模量當力作用一物體時，物體有變形。當這個力移去后，物體又恢復原來的形狀。物體所具有的這種特性，稱之為彈性。材料在彈性狀態(tài)，荷載與變形其應力與應變也成正比例關系，其比例系數(shù) E 稱為彈性模量。=

13、E當結構材料繼續(xù)承受更大荷載時，移去荷載，有殘余變形，變形不能恢復原狀。稱結構材料進入塑性階段。1 3 2 2 1P3 P2P2 P材料進入塑性狀態(tài)，荷載與變形不成正比。彈性模量是材料抗彈性變形的一個指標，其值越大，即材料的剛度越大。結構承受荷載為0P2時，結構構件處于彈性狀態(tài)；結構承受荷載為P2P3時，結構構件處于塑性狀態(tài)；P3P2 P30 P2結構承受荷載超過P3，將達其極限應力時，結構構件處于破壞失效狀態(tài)。不同的結構材料彈、塑性是不同的。有塑性的材料稱為塑性材料，如鋼材、砼等，這類材料一旦出現(xiàn)塑性有發(fā)生破壞的預兆；反之稱為脆性材料如石材、玻璃等。4.44.4、結構和結構失效4.1 結構的

14、定義和要求 結構的定義：土木工程設施中的結構是一個在空間和通道中用各種基本構件組合建成的有功能特征的機體，為土木工程設施的持久使用和美觀需求服務，對生財產提供安全保障。它是一個由構件組合成的整體，是一個有功能特征的機體，是一個有豐富應用價值的載體，是一個被建造的實體。體育場結構的三維模型 土木工程結構的要求 在應用上，要充分滿足空間和通道的多項使用要求； 在安全上，要完全符合承載、變形、穩(wěn)定的持久需要； 在造型上，要能夠與環(huán)境、規(guī)劃和建筑藝術融為一體； 在技術上，要力爭體現(xiàn)科學、技術和工程的新發(fā)展； 在建造上，要合理用材、節(jié)約能源，與施工實際緊密結合。 為安全可靠的目的，在結構設計中必須做到：

15、 結構承受荷載后的內力（N、M、V、MT）結構的承載力； 結構承受荷載后的變形（撓度、側移、沉陷）變形的允許值。4.2 結構的功能要求 能承受正常施工和使用時可能出現(xiàn)的各種作用力（如拉力、壓力、剪力、彎矩、扭矩等）； 在正常使用時具有良好的工作性能（如不發(fā)生過大的側向位移，不發(fā)生過大的不均勻沉陷，不使人感到晃動等）； 在正常維護下具有足夠的耐久性能（如有抵抗酸類、鹽類等物質的侵蝕能力）； 在偶然事件發(fā)生時能保持必需的穩(wěn)定性（如有很好的抗地震的能力）。和是安全性，是適用性，是持久性?！鞍踩⑦m用、持久”三者缺一不可，但安全第一。4.3 結構的失效結構設計應遵循的原則：S R- S 為荷載施加在結

16、構的作用效應；- R 為結構的抗力。當結構或從屬于它的構件不能滿足上述基本功能要求，稱為結構失效。結構失效的常見表現(xiàn)形式 破壞-結構或構件截面抵抗能力不足以承受作用效應的現(xiàn)象，如拉斷、壓碎、彎折等。 失穩(wěn)-結構或構件因長細比過大而在不大的作用力下突然發(fā)生作用力平面外的極大變形的現(xiàn)象，如柱子壓屈、梁在平面外扭曲等。 發(fā)生影響正常使用的變形-梁板的過大撓度或過寬裂縫，柱、墻的過大側移，結構有過大傾斜或過大的沉陷等。 傾覆-結構或結構的一部分失去平衡而傾倒或移動的現(xiàn)象。 結構材料喪失耐久性-鋼材銹蝕、砼受腐蝕、砌體遭凍融、木構件被蟲蛀蝕等化學、物理、生物現(xiàn)象。A柱抗拉能力不足被拉斷B柱長細比過大被壓

17、屈上部結構抗側移能力不足被拉裂某高層建筑上部結構抗剪能力不足被剪斷4.54.5、土木工程結構的設計方法5.1 結構工程師的任務 土木工程設計的分工規(guī)劃師負責工程的選址、開發(fā)強度和空間環(huán)境。建筑師負責工程的布局、造型，滿足各項功能性使用要求。結構工程師負責工程的承載、變形、穩(wěn)定的安全性需求。設備工程師負責工程的給排水、供熱通風和電氣等配套設施。 結構工程師要解決的問題 確定結構承受的荷載，并合理選用結構材料； 正確選用結構體系和結構型式； 解決好結構承載力、變形、穩(wěn)定、抗傾覆等技術問題； 解決好結構的連接構造和施工方法問題。 結構工程師須具備的基本素質 接受過良好的土木工程學科和相關學科的教育，

18、并訓練有素； 對其它學科具備一定的知識； 不斷地掌握土木工程有關最新技術并進行知識更新； 很好的交際技能，包括口頭、撰寫、繪圖和數(shù)字化技能。5.2 結構設計的方法 極限狀態(tài)設計方法工程結構設計經歷了容許應力法、破損階段法、極限狀態(tài)法和概率極限狀態(tài)法四個階段。我國目前的建筑和公路的結構設計方法都采用概率極限狀態(tài)設計法。它以結構的失效概率或可靠指標來度量結構的可靠度，用分項系數(shù)的設計表達式進行設計。結構的極限狀態(tài)分為承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類，整個結構或結構的某一部分達到結構的極限狀態(tài)就不能滿足安全、適用或耐久性要求。 土木工程的分階段設計業(yè)主提出使用要求初步設計構思明確各項功能要求形成總體設計方案處理各設計工種的技術問題進行各設計工種的細部設計繪制施工圖，完成總體設計交付施工，參與工程監(jiān)理竣工驗收，交付使用初步設計階段施工圖階段施工階段 建筑工程的結構設計步驟結構設計步驟一般分為結構模型的建立、結構荷載計算、構內力計算和構件選擇、施工圖繪制四個階段。 結構模型的建立建立結構模型前需對結構進行簡化。如框架結構是空間結構，為簡化計算，可取出其中的一榀框架將其簡化為平面框架；梁和柱的截面尺寸相對于整個框架來說較小，可簡化為桿件，梁和柱的連接節(jié)點可簡化為剛性連接。經過如此簡化后，復雜的框架結構