建筑力學與結構基礎課件

建筑力學與結構基礎建筑力學是研究建筑物在各種外力作用下的力學性能，并利用力學原理進行結構設計和分析的學科。它為建筑結構安全、穩(wěn)定和耐久提供理論基礎。緒論本課程介紹建筑力學和結構基礎知識，涵蓋結構受力分析、材料性質、結構設計原則等方面，為后續(xù)建筑結構課程學習奠定基礎。1.1建筑力學的基本概念11.力學建筑力學是力學的一個分支，研究建筑結構在各種外力作用下的力學特性、強度、剛度和穩(wěn)定性。22.結構結構是指由不同材料和構件組成的整體，用于承載各種荷載，并滿足使用功能和安全要求。33.力與運動建筑力學主要研究力對結構的影響，包括外力作用下的結構變形、內(nèi)力分布和運動規(guī)律。44.安全與可靠性建筑力學研究的目標是保證結構在各種荷載作用下安全、可靠地運行，確保建筑物的安全和使用壽命。1.2結構工程的基本問題安全與可靠性結構必須在各種荷載作用下保持穩(wěn)定，確保人員和財產(chǎn)安全。功能性結構應滿足建筑物的使用功能需求，例如承載能力、空間利用率、舒適性等。經(jīng)濟性結構設計需要在滿足安全和功能的前提下，盡可能地降低成本。美觀性結構的外觀應與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，并符合審美要求。1.3結構設計的基本原理安全性結構設計首要考慮安全性，確保結構能夠承受各種負荷而不發(fā)生破壞。經(jīng)濟性結構設計應兼顧經(jīng)濟效益，選擇最優(yōu)的材料和方案，降低工程造價。適用性結構設計應滿足使用功能的要求，如空間布局、采光通風等。美觀性結構設計應與建筑整體風格協(xié)調(diào)，力求美觀大方。2.材料的基本性質材料是構成結構的基礎，其基本性質決定了結構的性能。了解材料的基本性質對于合理選擇材料、設計結構至關重要。2.1材料的基本機械性質應力材料在外力作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，反映了材料內(nèi)部抵抗變形的能力。應力單位通常為帕斯卡(Pa)或牛頓每平方米(N/m2)。應變材料在外力作用下發(fā)生的形變程度，反映了材料的變形能力。應變是一個無量綱量，表示材料尺寸變化與原始尺寸的比值。彈性模量材料在彈性范圍內(nèi)，應力與應變的比值，反映了材料抵抗彈性變形的程度。彈性模量單位與應力單位相同，通常為帕斯卡(Pa)或牛頓每平方米(N/m2)。泊松比材料在單向拉伸或壓縮時，橫向應變與縱向應變的比值，反映了材料橫向變形與縱向變形的比例關系。泊松比是一個無量綱量，通常為一個負數(shù)，其絕對值小于0.5。2.2材料的變形特性應力-應變關系材料在受力作用下，應力與應變之間的關系曲線，體現(xiàn)了材料的變形特性。彈性模量材料在彈性階段，應力與應變的比例系數(shù)，反映了材料的剛度。泊松比材料在受力方向拉伸或壓縮時，其垂直方向上尺寸變化與受力方向尺寸變化的比值，反映了材料的橫向變形特性。屈服強度材料發(fā)生永久變形時的應力值，是衡量材料抵抗塑性變形的能力指標。2.3材料的強度特性抗拉強度材料承受拉伸載荷而不發(fā)生斷裂的最大應力?？箟簭姸炔牧铣惺軌嚎s載荷而不發(fā)生破壞的最大應力?？辜魪姸炔牧显诩羟辛ψ饔孟滤艹惺艿淖畲髴?。屈服強度材料發(fā)生顯著塑性變形時的應力值。簡單構件的受力分析本節(jié)將深入探討常見結構構件在不同受力狀態(tài)下的行為，并分析其受力特點、內(nèi)力分布以及應力應變規(guī)律。我們將從常見的軸向受力構件、彎曲受力構件開始，深入分析其受力特性，為后續(xù)結構整體分析奠定基礎。3.1軸向受力構件1概念受力方向與構件軸線重合2類型拉伸、壓縮3計算應力、應變、強度4應用柱、梁、索軸向受力構件是結構中最常見的類型之一，應用范圍廣泛。在建筑結構中，柱子承受著來自樓板和屋頂?shù)拇怪焙奢d，而鋼纜則用于懸吊橋梁和建筑物。了解軸向受力構件的受力特點和計算方法是建筑結構設計的基礎知識。3.2彎曲受力構件1彎曲應力橫截面上的內(nèi)力2彎曲變形構件的彎曲程度3彎曲強度材料抵抗彎曲破壞的能力4彎曲剛度構件抵抗彎曲變形的能力彎曲受力構件是結構中常見的類型，例如梁。彎曲受力構件的受力分析需要考慮彎曲應力、彎曲變形、彎曲強度和彎曲剛度。3.3剪力與彎矩關系剪力與彎矩定義剪力是作用在構件橫截面上的力，彎矩是作用在構件橫截面上的力矩。它們是描述構件受力狀態(tài)的重要參數(shù)。剪力與彎矩關系剪力是彎矩對橫截面的導數(shù)，彎矩是剪力對橫截面的積分。它們之間的關系可以用微積分來描述。剪力與彎矩圖剪力圖和彎矩圖可以用來直觀地顯示構件上的剪力和彎矩分布，便于分析構件的受力狀態(tài)。平面骨架結構平面骨架結構是建筑結構中最常見的一種形式。它由梁、柱、墻等構件組成，并以平面形式排列。4.1平面剛架的受力分析1定義平面剛架是指所有桿件和節(jié)點均處于同一平面上的框架結構。它主要由梁和柱組成，具有較強的整體性，能夠承受較大的荷載，廣泛應用于建筑工程中。2受力分析平面剛架的受力分析主要涉及梁和柱的內(nèi)力計算，包括彎矩、剪力和軸力。它需要遵循力學平衡原理，并結合剛度矩陣法或有限元法等數(shù)值計算方法進行分析。3應用平面剛架的受力分析結果可用于確定結構的強度、剛度和穩(wěn)定性，為結構設計提供依據(jù)。同時，也能夠幫助了解結構的實際受力情況，判斷是否存在危險區(qū)域。4.2平面桁架的受力分析1節(jié)點法求解節(jié)點上力的平衡2截面法求解截面上內(nèi)力的平衡3虛擬功法利用功的原理求解內(nèi)力平面桁架的受力分析是結構力學中的重要內(nèi)容，其分析方法主要有節(jié)點法、截面法和虛擬功法。節(jié)點法通過分析節(jié)點上各桿件的內(nèi)力平衡來求解桁架的受力情況，截面法通過分析截面上各桿件的內(nèi)力平衡來求解桁架的受力情況，虛擬功法則利用功的原理來求解桁架的受力情況。4.3平面結構的靜定與靜不定1靜定結構結構中所有未知力可以通過平衡方程求解。簡單的結構，例如三角形桁架，通常是靜定的。2靜不定結構結構中未知力多于平衡方程的數(shù)量。需要考慮材料的變形特性來進行分析。3靜定與靜不定判斷可以通過計算結構的自由度和約束條件來判斷結構是靜定還是靜不定?？臻g結構空間結構是指在三維空間中分布的結構體系，相較于平面結構，其更加復雜，但也更加穩(wěn)定，能夠承受來自各個方向的荷載。5.1空間剛架的受力分析1空間剛架的概念空間剛架由多個桿件在空間連接而成，能夠承受多方向的荷載。空間剛架的受力分析需要考慮各個桿件的受力情況，以及節(jié)點處的平衡關系。2力的分解在空間剛架中，外部荷載可以分解成三個方向的力，即水平力、垂直力以及扭矩。同時，桿件的內(nèi)力也需要分解成這三個方向的力。3平衡方程為了求解空間剛架的內(nèi)力，需要建立平衡方程。平衡方程需要考慮所有外力，內(nèi)力以及桿件的幾何關系。平衡方程可以利用矩陣形式進行表示，方便求解。5.2空間桁架的受力分析空間桁架定義空間桁架由若干桿件在空間以鉸接方式連接而成，適用于跨度較大、荷載較輕的空間結構。空間桁架受力空間桁架受力復雜，桿件承受軸力，節(jié)點承受力偶和集中力。受力分析方法采用節(jié)點法分析，將空間桁架分解為多個節(jié)點，分別進行受力分析。平衡方程每個節(jié)點的平衡方程包括三個力平衡方程和三個力矩平衡方程。桁架結構5.3空間結構的穩(wěn)定性與剛度穩(wěn)定性空間結構必須具備足夠的穩(wěn)定性，以抵抗外力作用下失穩(wěn)破壞。穩(wěn)定性是指結構在荷載作用下保持平衡的能力。穩(wěn)定性與結構的幾何形狀、支撐條件、材料性質等因素有關。剛度空間結構的剛度是指其抵抗變形的能力。剛度越大，結構在荷載作用下產(chǎn)生的變形越小。剛度與結構的截面尺寸、材料的彈性模量、支承條件等因素有關。6.結構抗震設計基礎抗震設計是建筑結構設計的重要組成部分，旨在確保建筑物在發(fā)生地震時能夠抵抗地震力，保證建筑物和人員的安全?？拐鹪O計需要綜合考慮地震荷載特征、結構抗震設計理論、結構抗震設計規(guī)范等因素。6.1地震荷載特征地震波類型地震波分為縱波和橫波?？v波速度快，橫波速度慢，破壞性更大。地震烈度地震烈度表示地震對地面和建筑物的破壞程度，通常用地震烈度表表示。地震影響因素地震震級、震源深度、地質構造、建筑物自身特性等都會影響地震荷載。6.2結構抗震設計理論地震反應譜地震反應譜是描述地震動對結構反應影響的重要工具，它反映了地震動頻率特性對結構振動響應的影響。結構動力分析結構動力分析是研究結構在地震作用下動力響應的關鍵方法，它能預測結構在不同地震荷載下的振動行為。抗震設計原則結構抗震設計原則包括提高結構的整體性和延性，降低結構的振動周期，以及控制結構的破壞程度?？拐鸫胧┛拐鸫胧?/p>