結(jié)構(gòu)力學基礎知識

演講人：日期：結(jié)構(gòu)力學基礎知識目錄CONTENTS結(jié)構(gòu)力學概述結(jié)構(gòu)力學的組成規(guī)則結(jié)構(gòu)在各種效應作用下的響應結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計算結(jié)構(gòu)動力響應分析結(jié)構(gòu)力學分析方法介紹01結(jié)構(gòu)力學概述定義結(jié)構(gòu)力學是固體力學的一個分支，主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律，以及如何進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的學科。特點結(jié)構(gòu)力學注重理論與實踐相結(jié)合，具有較強的應用性和實踐性；同時，它涉及的知識面廣泛，包括力學、數(shù)學、材料科學等多個領域。定義與特點結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的響應研究結(jié)構(gòu)在地震、風等動力荷載作用下的動力響應，包括自振周期、振型等，以及如何通過結(jié)構(gòu)設計減小動力響應。結(jié)構(gòu)的組成規(guī)則研究結(jié)構(gòu)的組成元素以及它們的連接方式和相互作用關(guān)系。結(jié)構(gòu)在外力作用下的響應研究結(jié)構(gòu)在外力作用下的內(nèi)力、位移等響應，以及如何通過合理設計使結(jié)構(gòu)具有更好的承載能力。結(jié)構(gòu)力學的研究對象結(jié)構(gòu)力學是土木工程和機械類專業(yè)學生必修的學科，為工程設計提供了重要的理論基礎和分析方法。工程設計的基礎通過結(jié)構(gòu)力學的研究，可以提出更加合理的結(jié)構(gòu)方案，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和輕量化設計。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的指導結(jié)構(gòu)力學的研究有助于提高工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，預防結(jié)構(gòu)在承受外力或動力荷載時發(fā)生破壞或失穩(wěn)。安全性的保障結(jié)構(gòu)力學的重要性02結(jié)構(gòu)力學的組成規(guī)則結(jié)構(gòu)的分類與特點按幾何特征分類桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)、實體結(jié)構(gòu)等。按材料分類鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等。按受力特點分類靜定結(jié)構(gòu)與超靜定結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)由桿件組成，具有承載能力強、穩(wěn)定性好、便于施工等特點。構(gòu)件組成結(jié)構(gòu)的單個受力單元，如桿、梁、柱等。結(jié)構(gòu)的組成要素01連接將構(gòu)件連接在一起，形成整體結(jié)構(gòu)的部分，如焊縫、螺栓連接、鉸接等。02節(jié)點連接構(gòu)件的關(guān)鍵點，如桿件的交點、支座等。03邊界條件結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境中的約束條件，如固定端、鉸接端等。04穩(wěn)定性影響因素可靠性提高措施結(jié)構(gòu)在受力后能夠保持原有形狀和平衡狀態(tài)的能力。包括整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與可靠性受材料性能、結(jié)構(gòu)設計、施工質(zhì)量、使用環(huán)境等多種因素影響。結(jié)構(gòu)在規(guī)定條件下，能夠承受規(guī)定的荷載并保持其性能的能力。包括安全性、適用性和耐久性。通過合理的結(jié)構(gòu)設計、選用高強度材料、加強施工質(zhì)量等措施可以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性03結(jié)構(gòu)在各種效應作用下的響應外力作用下的響應彎曲變形結(jié)構(gòu)在受到外力作用時，會產(chǎn)生彎曲變形，其變形程度取決于結(jié)構(gòu)的剛度、外力的大小和作用點位置。剪切變形結(jié)構(gòu)在受到外力作用時，會發(fā)生剪切變形，其變形程度取決于結(jié)構(gòu)的剪切剛度和外力的大小。扭轉(zhuǎn)變形結(jié)構(gòu)在受到外力作用時，會發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，其變形程度取決于結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度和外力的大小。拉壓變形結(jié)構(gòu)在受到外力作用時，會發(fā)生拉壓變形，其變形程度取決于結(jié)構(gòu)的軸向剛度和外力的大小。01020304由于溫度變化引起的變形受到約束時，會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度應力。溫度效應對結(jié)構(gòu)的影響溫度應力結(jié)構(gòu)表面受到熱輻射時，會發(fā)生熱量傳遞，導致結(jié)構(gòu)溫度升高，從而產(chǎn)生熱應力和變形。熱輻射結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布不均時，會發(fā)生熱傳導，導致溫度分布發(fā)生變化，從而產(chǎn)生熱應力。熱傳導結(jié)構(gòu)在溫度變化時，由于熱脹冷縮的作用，會產(chǎn)生變形。溫度變化引起的變形施工誤差及支座變形等效應分析施工誤差01在施工過程中，由于各種因素的影響，如測量誤差、材料性能差異等，會導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生施工誤差，從而影響結(jié)構(gòu)的受力性能和穩(wěn)定性。支座變形02結(jié)構(gòu)支座在長期使用過程中，由于受力不均勻、材料老化等因素，會發(fā)生變形，從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的內(nèi)力和變形。初始缺陷03結(jié)構(gòu)在制造、安裝過程中可能會存在初始缺陷，如幾何形狀偏差、材料缺陷等，這些缺陷會在使用過程中逐漸擴展，對結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。耐久性不足04結(jié)構(gòu)在長期承受荷載和環(huán)境作用后，會出現(xiàn)材料老化、疲勞等問題，導致結(jié)構(gòu)的耐久性下降，需要提前進行維修和加固。04結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計算剪力指作用在構(gòu)件上的橫向力，其大小等于該截面一側(cè)所有外力的橫向投影之和，方向與截面平行。扭矩指使構(gòu)件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的力矩，其大小等于力乘以力臂，方向垂直于構(gòu)件截面。彎矩指使構(gòu)件產(chǎn)生彎曲變形的力矩，其大小等于力乘以力臂，方向垂直于構(gòu)件軸線平面。軸力指沿構(gòu)件軸線方向的力，通過截面形心，其大小等于該截面一側(cè)所有外力的軸向投影之和。內(nèi)力計算（軸力、剪力、彎矩、扭矩）線位移指構(gòu)件上某點在某一方向上的移動距離，包括彈性位移和剛體位移。角位移指構(gòu)件在某一截面處發(fā)生的轉(zhuǎn)動角度，包括彎曲變形引起的轉(zhuǎn)動和剛體轉(zhuǎn)動。位移計算（線位移、角位移）關(guān)系內(nèi)力與位移之間存在一定的關(guān)系，可以通過力學方程進行求解。內(nèi)力引起位移，位移又會影響內(nèi)力的分布。影響因素內(nèi)力與位移的關(guān)系及影響因素結(jié)構(gòu)的剛度、荷載大小和作用方式、支座的約束條件等都會影響內(nèi)力與位移的關(guān)系。例如，增加結(jié)構(gòu)的剛度可以減小位移，但可能導致內(nèi)力增大。010205結(jié)構(gòu)動力響應分析周期性荷載荷載隨時間呈現(xiàn)周期性變化，如地震、機械振動等。動力荷載類型及特點01沖擊荷載荷載在短時間內(nèi)突然施加，如爆炸、撞擊等。02隨機荷載荷載大小和方向隨時間隨機變化，如風荷載、交通荷載等。03荷載變化快動力荷載變化較快，往往需要在極短時間內(nèi)進行響應分析。04自振周期結(jié)構(gòu)在無阻尼自由振動時，完成一次完整振動所需的時間。振型結(jié)構(gòu)在特定自振周期內(nèi)的變形形態(tài)，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的整體或局部振動。振型疊加法通過求解結(jié)構(gòu)的各階振型，疊加得到結(jié)構(gòu)的總體振動形態(tài)。有限元法數(shù)值方法，可用于復雜結(jié)構(gòu)的自振周期和振型計算。自振周期與振型計算動力響應的求解方法時域分析法在時域內(nèi)直接求解動力響應，適用于簡單結(jié)構(gòu)或短期荷載。頻域分析法將動力響應問題轉(zhuǎn)化為頻域問題，適用于線性系統(tǒng)和周期荷載。數(shù)值積分法通過數(shù)值方法求解動力方程，如Newmark-beta法、Wilson-theta法等。有限元法可用于復雜結(jié)構(gòu)和復雜荷載情況的動力響應分析，通過離散化結(jié)構(gòu)，求解結(jié)構(gòu)的動力響應。06結(jié)構(gòu)力學分析方法介紹01能量法定義能量法(energymethod)又稱能量原理，是對互等原理、卡式原理、虛功原理、單位載荷法及摩爾積分法等眾多與功和能量相關(guān)方法的統(tǒng)稱。能量法原理及應用02能量法的基本原理通過求解結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總勢能（應變能和外力勢能之和）的極值，來獲得結(jié)構(gòu)位移、應力等未知量。03能量法的應用常用來解決彈性結(jié)構(gòu)的靜力問題，如計算位移、應力、應變能等，還可用于求解動力問題和穩(wěn)定性問題。力法原理及應用力法定義力法是結(jié)構(gòu)力學中對超靜定結(jié)構(gòu)求解的一種方法，通過選取多余未知力（如多余約束力或多余反力）并建立力法方程進行求解。力法的基本原理基于虛功原理和變形協(xié)調(diào)條件，通過求解多余未知力的平衡方程，從而確定結(jié)構(gòu)的全部未知反力和內(nèi)力。力法的應用適用于求解靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移和應力分布等問題，尤其適用于桿系結(jié)構(gòu)的求解。位移法的基本原理通過選取結(jié)點位移作為基本未知量，利用位移與應變、應力之間的關(guān)系，建立位移法方程并求解。位移法的應用適用于求解桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)等連續(xù)體的位移、應力和應變問題，特別適用于處理邊界條件復雜的問題。位移法定義位移法是以廣義位移（線位移和角位移）為未知量，求解固體力學問題的一種方法。位移法原理及應用矩陣位移法定義矩陣位移法是在結(jié)構(gòu)力學的計算中，通過采用對結(jié)點位移作為基本未知量，進而通過矩陣的形式對各基本參數(shù)進行組織、編排，求出未知量的方