【力學(xué)課件】建筑力學(xué)

建筑力學(xué)建筑力學(xué)是研究建筑物在各種外力作用下的受力狀態(tài)、變形和穩(wěn)定性，以及建筑結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性的學(xué)科。本課件將深入淺出地講解建筑力學(xué)的基本概念、原理和應(yīng)用，并提供豐富的實例和案例，幫助您更好地理解和應(yīng)用建筑力學(xué)知識。課程概述課程目標本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生對建筑力學(xué)的基本理論和應(yīng)用的理解。課程內(nèi)容課程涵蓋力學(xué)基本概念、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計等方面。教學(xué)方法課堂講解、習(xí)題練習(xí)、案例分析和實驗操作等多種教學(xué)方法相結(jié)合。學(xué)習(xí)成果學(xué)生將能夠運用建筑力學(xué)知識分析和解決實際工程問題。力的基本概念力的定義力是物體之間的相互作用，可以使物體發(fā)生形變或改變運動狀態(tài)。力的性質(zhì)力具有大小和方向，是矢量。力的表示力可以用力的作用點、大小和方向來表示。力的單位力的國際單位制單位是牛頓（N），1牛頓等于1千克·米/秒2。力的運算1力的加減運算力的加減運算遵循平行四邊形法則，可以利用矢量圖示法進行直觀的計算。2力的乘除運算力的乘除運算涉及力的大小和方向，需要結(jié)合向量乘法和除法規(guī)則。3力的投影運算力的投影運算將力分解到不同的方向，可以利用三角函數(shù)進行計算。力的合成1平行四邊形法則兩個力的合成，可以利用平行四邊形法則來確定合力。2三角形法則將兩個力按比例繪制成兩個相鄰邊，然后連接這兩條邊的另一端點，所得到的向量就是合力。3正交分解法將每個力分解成兩個互相垂直的分力，然后分別將相同方向上的分力相加，得到合力。力的合成是力學(xué)中的重要概念，它指的是將多個力合成一個等效力的過程。力的合成遵循平行四邊形法則，即兩個力的合力可以用一個平行四邊形的對角線來表示。力的合成可以利用三角形法則或正交分解法來計算，根據(jù)實際情況選擇合適的方法。力的分解定義將一個力分解為兩個或多個力的過程，稱為力的分解。分解后的各個力稱為分力。方法力的分解通常使用平行四邊形法則或三角形法則。應(yīng)用力的分解在計算結(jié)構(gòu)受力、分析物體運動等方面廣泛應(yīng)用。實例例如，將一個斜向上的力分解為水平方向和垂直方向的兩個分力。力的平衡靜力平衡當物體處于靜止狀態(tài)時，作用在物體上的所有力相互抵消，處于平衡狀態(tài)。動態(tài)平衡當物體以恒定速度運動時，作用在物體上的所有力相互抵消，也處于平衡狀態(tài)。平衡條件力的平衡狀態(tài)需要滿足三個條件：合力為零，合力矩為零，合力偶矩為零。靜力學(xué)基礎(chǔ)1平衡狀態(tài)物體處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)，稱為平衡狀態(tài)。2牛頓定律靜力學(xué)以牛頓定律為基礎(chǔ)，描述靜止物體或受力平衡的物體受力情況。3力矩的概念力矩是力對轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動效應(yīng)，是靜力學(xué)中的重要概念之一。4力學(xué)模型靜力學(xué)中建立的力學(xué)模型，可以簡化實際問題，便于分析和計算。連續(xù)體的力學(xué)特性連續(xù)性連續(xù)體假設(shè)物質(zhì)是連續(xù)分布的，沒有間隙或空隙。這允許我們將連續(xù)體作為整體進行分析，而不必考慮單個分子的行為。變形能力連續(xù)體能夠在受到外力作用時發(fā)生變形，這意味著它們的形狀和尺寸可以改變。變形能力取決于材料的彈性、塑性和韌性等特性。應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力是連續(xù)體內(nèi)部由于外力作用而產(chǎn)生的內(nèi)力，它反映了材料內(nèi)部的抵抗力。應(yīng)變是連續(xù)體由于外力作用而產(chǎn)生的形狀和尺寸的變化，它反映了材料的變形程度。應(yīng)力與變形應(yīng)力變形物體內(nèi)部各部分之間相互作用的內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力。物體在受力作用下，形狀和尺寸的改變。應(yīng)力的大小和方向與外力有關(guān)。變形的大小和形狀與材料性質(zhì)和外力有關(guān)。正應(yīng)力和剪應(yīng)力正應(yīng)力正應(yīng)力是作用在物體表面上的垂直力產(chǎn)生的應(yīng)力，它會導(dǎo)致物體沿垂直方向拉伸或壓縮。剪應(yīng)力剪應(yīng)力是作用在物體表面上的平行力產(chǎn)生的應(yīng)力，它會導(dǎo)致物體沿平行方向變形或滑移。應(yīng)力單位正應(yīng)力和剪應(yīng)力的單位都是帕斯卡(Pa)或牛頓每平方米(N/m2)。應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系是建筑力學(xué)中的一個重要概念，描述了材料在受力情況下如何變形。1彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比2屈服階段材料發(fā)生永久變形3強化階段繼續(xù)承受載荷，強度增加4頸縮階段材料斷裂廣義胡克定律彈性材料廣義胡克定律適用于彈性材料，彈性材料在受力后會發(fā)生變形，但當外力去除后可以恢復(fù)到原始形狀。線性關(guān)系該定律描述了材料應(yīng)力和應(yīng)變之間的線性關(guān)系，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比。數(shù)學(xué)表達式廣義胡克定律的數(shù)學(xué)表達式為：σ=Eε，其中σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變，E為彈性模量。工程材料的性質(zhì)強度材料抵抗外力破壞的能力，例如抗拉強度、抗壓強度。剛度材料抵抗變形的能力，反映材料的硬度和彈性。韌性材料斷裂前吸收能量的能力，反映材料的抗沖擊性能。塑性材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力，反映材料的延展性。梁的基本理論11.概述梁是建筑結(jié)構(gòu)中重要的承重構(gòu)件，承受彎矩和剪力。了解梁的基本理論是理解建筑力學(xué)的關(guān)鍵。22.彎曲應(yīng)力梁的彎曲應(yīng)力是由于彎矩引起的內(nèi)力，分布在梁的橫截面上。33.剪力剪力是作用在梁橫截面上的垂直力，由外部荷載和梁的自重引起。44.撓度撓度是指梁在彎曲作用下產(chǎn)生的變形，是衡量梁剛度的重要指標。彎曲梁的應(yīng)力分析1彎曲應(yīng)力彎曲梁內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，主要由彎矩引起。彎曲應(yīng)力通常為正應(yīng)力，在梁截面的上下面最大。2剪應(yīng)力彎曲梁內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力，主要由剪力引起。剪應(yīng)力通常為切應(yīng)力，在梁截面的中性軸處最大。3應(yīng)力分布彎曲梁的應(yīng)力分布并非均勻，而是呈線性變化。應(yīng)力分布規(guī)律可以用彎曲公式來計算，并通過應(yīng)力圖來直觀表示。剪力和彎矩圖剪力圖和彎矩圖是用于描述梁在不同位置上的剪力和彎矩分布情況的圖形。它們是結(jié)構(gòu)分析的重要工具，可以幫助工程師了解梁的受力情況，并判斷梁是否滿足強度和穩(wěn)定性要求。1剪力梁橫截面上垂直于橫截面的內(nèi)力2彎矩梁橫截面上繞截面形心軸的內(nèi)力矩3正值順時針方向彎矩4負值逆時針方向彎矩梁的撓度計算1基本公式基于彈性理論推導(dǎo)2積分法直接積分求解撓度3疊加法利用已知解求解復(fù)雜情況4數(shù)值法利用計算機進行計算梁的撓度指的是梁在荷載作用下產(chǎn)生的變形。計算梁的撓度，可以幫助工程師評估梁的抗彎能力和安全性。壓桿理論壓桿定義壓桿是指承受軸向壓力并可能發(fā)生失穩(wěn)的細長桿件。失穩(wěn)是指壓桿在承受一定載荷時，發(fā)生突然的彎曲變形，甚至發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。壓桿理論應(yīng)用壓桿理論在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有重要意義，例如：柱子梁桁架柱的穩(wěn)定性受壓構(gòu)件失穩(wěn)柱子是建筑結(jié)構(gòu)中重要的承重構(gòu)件，在承受較大壓力時可能會發(fā)生失穩(wěn)。初始缺陷影響柱子在制造和安裝過程中不可避免地會存在一些微小的缺陷，這些缺陷會加速失穩(wěn)的發(fā)生。屈曲臨界力當壓力達到一定值時，柱子會發(fā)生突然的彎曲變形，即屈曲現(xiàn)象，這個臨界壓力被稱為屈曲臨界力。安全設(shè)計原則在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要保證柱子的實際承載能力遠小于其屈曲臨界力，以確保其穩(wěn)定性。屈曲臨界力屈曲臨界力是指使細長桿件發(fā)生失穩(wěn)而突然彎曲的最小載荷。當外力超過臨界力時，桿件將失去穩(wěn)定性，發(fā)生突然的彎曲變形，這種現(xiàn)象稱為屈曲。屈曲臨界力是判斷桿件穩(wěn)定性的重要指標，它與桿件的幾何形狀、材料的力學(xué)性能、支撐條件等因素有關(guān)。例如，一根細長的鋼柱，當受到軸向壓力作用時，當壓力達到一定值時，鋼柱會突然發(fā)生彎曲變形，這就是屈曲現(xiàn)象。屈曲臨界力的大小與鋼柱的長度、截面形狀、材料的彈性模量等因素有關(guān)。柱的極限承載力柱的極限承載力是指柱體在承受壓力時所能承受的最大壓力，超過這個壓力，柱體就會發(fā)生破壞。柱的極限承載力與柱的材料、截面形狀、尺寸、長度以及支撐條件等因素有關(guān)。1屈服強度材料屈服強度是材料開始發(fā)生永久變形時的應(yīng)力。2安全系數(shù)安全系數(shù)是用來衡量結(jié)構(gòu)安全儲備的指標。3材料性質(zhì)不同材料的強度、彈性模量等性質(zhì)差異很大。4截面尺寸柱的截面尺寸越大，其承載能力就越強。框架結(jié)構(gòu)分析節(jié)點分析框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點是連接桿件的連接點，節(jié)點力需要平衡桿件上的力。桿件分析桿件承受軸向力、剪力和彎矩，分析桿件內(nèi)部應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性。整體分析框架結(jié)構(gòu)作為一個整體，考慮結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和變形，并根據(jù)規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。材料強度理論材料強度理論概述材料強度理論研究材料抵抗外力破壞的能力。它分析材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞形式，以及材料的屈服強度、抗拉強度、抗壓強度等重要參數(shù)。常見強度理論常用的材料強度理論包括最大正應(yīng)力理論、最大剪應(yīng)力理論、等效應(yīng)力理論等。這些理論根據(jù)材料的破壞形式和應(yīng)力狀態(tài)進行分類，并提供了計算材料強度和安全系數(shù)的方法。承載能力極限狀態(tài)設(shè)計定義承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，即結(jié)構(gòu)達到其最大承載能力時的極限狀態(tài)。安全設(shè)計確保結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下不會發(fā)生破壞或嚴重損壞，確保安全可靠。計算方法采用極限狀態(tài)設(shè)計方法，考慮材料強度、結(jié)構(gòu)尺寸、荷載等因素進行計算。目標確保結(jié)構(gòu)在使用壽命內(nèi)安全可靠，防止發(fā)生坍塌、斷裂或其他嚴重失效。結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計必須確保在預(yù)期的使用條件下，結(jié)構(gòu)能夠安全地承受各種荷載。適用性結(jié)構(gòu)設(shè)計要滿足使用功能的要求，例如空間布置、采光通風(fēng)等。經(jīng)濟性結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)在滿足安全性和適用性的前提下，盡可能降低成本。耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮材料耐久性，確保結(jié)構(gòu)能夠在長期使用中保持穩(wěn)定和安全。安全系數(shù)和可靠性安全系數(shù)安全系數(shù)是指結(jié)構(gòu)的實際承載能力與其設(shè)計承載能力的比值。安全系數(shù)越高，結(jié)構(gòu)越安全?？煽啃钥煽啃允侵附Y(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，正常地完成其預(yù)期功能的概率。安全評估安全評估是指對結(jié)構(gòu)的安全性進行評估，以確定結(jié)構(gòu)是否滿足安全要求。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以安裝在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動、應(yīng)力、溫度等參數(shù)。數(shù)據(jù)分析使用先進的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，識別結(jié)構(gòu)異常，預(yù)測潛在的故障，為維護決策提供依據(jù)。智能預(yù)警系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動判斷結(jié)構(gòu)安全狀況，及時發(fā)出預(yù)警，避免意外事故發(fā)生。虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以用于模擬結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)，幫助工程師更好地理解結(jié)構(gòu)的健康狀況，提高維護效率。課后習(xí)題與總結(jié)1應(yīng)用實踐鞏固理論知識，將理論應(yīng)用到實際工程問題中2知識回顧對本節(jié)課知識進行總結(jié)，加深理解3習(xí)題練習(xí)通過解題鞏固知識，提高分析