第2章 结构基本计算原则
结构力学第2章 杆系结构的组成分析
(c)
图2-14
退出
解： 图2-14a所示体系可视为在图2-14b所示静定结 构的基础上逐次增加两个杆按规则3构成，如 图2-14c所示。也可如图按相反次序依次撤除两 杆，使体系简化后再分析。两种方法分析结果 该体系都是无多余约束的几何不变体系，可作 为静定(构架)结构。
退出
[例题2-2] 试对图2-15所示体系进行几何组成分析。
这些约束的约束数s及相当的单铰、(单)链杆和 单刚结点个数是多少呢？
复铰
复刚结
(d)一铰连接多根杆 (e)一杆连接多根杆 (f)多杆刚结
退出
图2-2 约束
由图2-2可以归纳得到， 连接n个刚片的复铰 相当于(n-1)个单数，相当 于2(n-1)个约束；n个刚 片 之 间 复 刚 结 点 相 当 于 ( n-1) 个 单 刚 结 点 ， 相 当 于 3(n-1)个约束。联结三点的链杆，将原来结点的六 个自由度减少为整体的三个自由度，因而相当于三 个约束，即相当于三根简单链杆。一般说来，联结 n个点的的复杂链杆相当于(2n-3)根简单链杆。
利用加二元体规则，可在一个按上述规则构成 的静定结构基础上，通过增加二元体组成新的静定 结构，如此组成的结构称为主从结构，基础部分称 为主结构或基本部分，后增加的二元体部分称为从 结构或附属部分。图2-13所示之结构均为主从结构。
退出
附属部分
C DF E
A
B
(a)
附属部分
基本部分
(b)
附属部分
基本部分
结构 (几何不变)
静定结构(梁、刚架、拱、桁架、组合结 构) 无多余约束
超静定结构(梁、刚架、拱、桁架、组合 结构) 有多余约束
退出
不同静力特征的结构其分析计算方法是不同的。 因此，要正确分析必须首先准确无误地判断体系的 可变性以及静定和超静定性质。
第二章 设计 (2)(结构设计)
30%，或超过5mm时，均需按图2-13的要求削薄厚
板边缘。
图2-13
板厚不等时的对接接头
五、压力容器常用焊接结构设计
主要内容：
选择合适的焊缝坡口，方便焊材(焊条或焊丝）伸 入坡口根部，以保证全熔透。
坡口选择因素： ①尽量减少填充金属量； ②保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；
的内部质量。
（a）
（b） 图2-12 容器接管的角接和对接
（c）
2．尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷
未熔透
指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下
空隙的现象。未熔透导致脆性破坏的起裂点，
在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。
改进
选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径 较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面 焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或 采用带垫板的坡口等。
力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它 部位，故受力状况不佳。
四、球冠形封头
碟形封头当r=0时，球面与筒体直接连接，如图4-15（d）所示
优点： 缺点：
结构简单、制造方便，常用作容器中两独立受压 室中间封头，端盖。
无转角过渡，存在相当大的不连续应力，其应力
分布不甚合理。
4锥壳
无折边锥壳
轴对称锥壳
Ⅰ形 V型
单边V形 U形
J形
I型
V型
单边V型
U型
图2-9
J型
坡口的基本形式
特例：一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。
图2-10 双V形坡口 双V形坡口由两个V形坡口和一个I形坡口组合而成
三、压力容器焊接接头分类
目的： 为对口错边量、热处理、无损检测、焊缝尺寸等方面 有针对性地提出不同的要求，GB150根据位置，根据 该接头所连接两元件的结构类型 以及应力水平，把接 头分成A、B、C、D四类，如图2-11。
第2章 结构按极限状态法设计计算的原则
§2-3 材料强度的取值
2. 砼轴心抗压强度取值
抗压强度标准值 抗压强度设计值
fck 0.88c1c 2 fcu,k
fcd f ck
m
3. 砼轴心抗拉强度取值
抗拉强度标准值 抗拉fcu, k )0.55 (1 1.645 f )0.45
二、作用代表值
作用标准值 QK
——
根据设计基准期内概率分布的某一 分位值确定。
第二章
结构按极限状态法设计 计算的原则
结构设计的目的:
设计满足功能要求的结构。也就是把外界作用对结
构的效应与结构本身的抵抗力来加以比较，以达到结构
设计既安全又经济的目的。
结构设计经历了各种演变，可从以下两个方面进 行归纳： 1.从设计理论上
弹性理论 极限状态理论
2.从设计方法上
定值设计法 概率设计法
§2-1
概率极限状态设计法的基本概念
3. 结构抗力 R 指结构或构件承受作用效应的能力。 4. 结构工作状态
(1) 结构功能函数
Z RS
(2) 结构的工作状态
Z RS
0 0
结构处于可靠状态 结构处于极限状态
0
结构处于失效状态
§2-1
概率极限状态设计法的基本概念
四、结构的失效概率与可靠指标
具有不小于95% 保证率的强度值
f k f m 1.645
f k f m (1 1.645 f )
图－材料强度标准值的概率含义
2. 材料强度的设计值
混凝土
—— —— ——
m 1.45 m 1.20 m 1.47
fd
fk
m
热轧钢筋 精轧螺纹钢筋 钢铰线、钢丝
(施工手册第四版)第二章常用结构计算2-1 荷载与结构静力计算表
2 常用结构计算2-1 荷载与结构静力计算表2-1-1 荷载1．结构上的荷载结构上的荷载分为下列三类：（1）永久荷载如结构自重、土压力、预应力等。
（2）可变荷载如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪活载等。
（3）偶然荷载如爆炸力、撞击力等。
建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的代表值。
对永久荷载应采用标准值作为代表值。
对可变荷载应根据设计要求，采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。
对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。
2．荷载组合建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载（效应）组合，并应取各自的最不利的效应组合进行设计。
对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载（效应）组合。
γ0S≤R （2-1）式中γ0——结构重要性系数；S——荷载效应组合的设计值；R——结构构件抗力的设计值。
对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：（1）由可变荷载效应控制的组合（2-2）式中γG——永久荷载的分项系数；γQi——第i个可变荷载的分项系数，其中Y Q1为可变荷载Q1的分项系数；S GK——按永久荷载标准值G K计算的荷载效应值；S QiK——按可变荷载标准值Q ik计算的荷载效应值，其中S Q1K为诸可变荷载效应中起控制作用者；ψci——可变荷载Q i的组合值系数；n——参与组合的可变荷载数。
（2）由永久荷载效应控制的组合（2-3）（3）基本组合的荷载分项系数1）永久荷载的分项系数当其效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35；当其效应对结构有利时：一般情况下应取1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。
2）可变荷载的分项系数一般情况下应取1.4；对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构活荷载应取1.3。
机械原理——第2章 机构的的组成及结构分析
2
1 1 2
2
1
2 1 2
1
1 1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
2 1
1 2
3. 运动链
运动链－两个以上的构件通过运动副的联接 而构成的系统。 工业 机器人
闭式链、
开式链
4. 机构能够用来传递运动和动力的可动装置。 机架－作为参考系的构件，如机床床身、车辆 底盘、飞机机身。
原（主）动件－按给定运动规律运动的构件。 从动件－其余可动构件。
⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形 机构的自由度。 B C 2 E 解：n= 4， PL= 6， PH=0 1 F=3n － 2PL － PH 4 3 =3×4 －2×6 F D A =0 3.虚约束 －－对机构的运动实际不起作用的约束。 计算自由度时应去掉虚约束。 ∵ FE＝AB ＝CD ，故增加构件4前后E 点的轨迹都是圆弧，。 增加的约束不起作用，应去掉构件4。
1.杆组的各个外端副不可以同时加在同
一个构件上，否则将成为刚体。如：
2.机构的级别与原动件的选择有关。
§2－8 平面机构中的高副低代
高副低代：为了使平面低副机构的结构分析和运动
分析的方法能适用于含有高副的平面机构，根据一 定条件将机构中的高副虚拟地以低副代替的方法。 高副低代条件：
1、代替前后机构的自由度不变
一般构件的表示方法
杆、轴构件
固定构件
同一构件
一般构件的表示方法
两副构件
三副构件
注意事项:
画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。
常用机构运动简图符号
在 机 架 上 的 电 机 带 传 动 齿 轮 齿 条 传 动 圆 锥 齿 轮 传 动
高层建筑结构设计第2章 高层建筑结构体系和布置原则
4 变形缝的设置
在未采取措施的情况下，伸缩缝的间距不宜超出 表1—8的限制。当有充分依据、采取有效措施时， 表中的数值可以放宽。
高层建筑结构伸缩缝的最大间距 表1—8
注： ①框架—剪力墙的伸缩缝间距可根据结构具体布置取表中框架结构与 剪力墙结构之间的数值； ②当屋面无保温或隔热层措施、混凝土的收缩较大或室内结构因施工 外露时间较长时，伸缩缝间距应适当减少； ③位于气候干燥地区、夏季炎热且暴雨频繁地区的结构，伸缩缝的间 距宜适当减少。
多年的高层建筑结构设计和施工经验表明：高层建 筑结构宜调整平面形状、尺寸和结构布置，采取构造 和施工措施，尽量不设变形缝；当需要设缝时，则应 将高层建筑结构划分为独立的结构单元，并设置必要 的变形缝。
4 变形缝的设置
温度缝：防止结构因温度变化和混凝土干缩变形 产生裂缝（基础以上上部结构断开） 不设温度缝的措施： 1. 温度影响较大部位提高配筋率； 2. 加厚屋面隔热保温层，或架空通风屋面； 3. 顶层局部设温度缝后浇带；即高强度等级的混凝 土；主体混凝土浇注后两个月；贯通结构的横截 面；位置应为结构受力影响最小，且曲折延伸避 免全部钢筋同截面搭接 ；一般每隔30～40m设一 道，后浇带宽800～1000mm。
适用30层以上 。
长/宽<2，截面尺寸接近正方形、圆形、正多边 形较好。
4、筒体结构体系
（1）框筒结构：内筒承受 竖向荷载，外筒承受水平 荷载，柱距一般在3m以内， 框筒梁比较高，开洞面积 在60%以下 1931年102层帝国大厦： 钢框架－剪力墙体系，用 钢量2.06kN/m2 1972年110层世界贸易中心：筒中筒结构体系，用 钢量1.81kN/m2
1974年110层西尔斯大楼：钢成束筒结构体系，用 钢量1.61kN/m2
第2章机构的结构分析(机构的组成原理和机构类型综合-讲3)
n2 4 p4
n2 n3 6 2n2 3n3 2 p
n2 4 n3 2 p7
三副杆
三副杆
双副杆
二副杆 四杆运动链 六杆运动链
二副杆
2.平面机构结构的型综合
Watt型
Stephensen型
四杆运动链
六杆运动链
另外闭式运动链有运动链环数与杆数、转动副的关系：
LpN1
其中有两个三副杆。
机构命名方式：
按所含最高杆组级别命名，如Ⅱ级机构，Ⅲ级机构等。 称只有机架和原动件构成的驱动杆组为I 级机构。 Ⅰ级机构：只由机架和原动件组成的机构。 II级机构：机构中基本杆组的最高级别为II级。 III级机构：机构中基本杆组的最高级别为III级。
需要强调指出: ①杆组的所有外端副不可以同时加在同一个构 件上，否则将成为刚体。例如下图中两种情况杆组都不能运动。
1 F O A 2 3 B C 5 6 E
F
外副
1 O
外副
A 3
6
2 F=3×1-2×1=1
外副
D 4
C
B
D
内副 4
E
外副
内副 5
F=3×3-2×4=1
F=3×2-2×3=0
F=3×2-2×3=0
定义：最简单的F＝0的构件组，称为基本杆组。 机构的组成原理：任何机构都可以看作是由若干个基本 杆组依次连接于原动件和机架上而构成的。
F=3n - 2pl - ph n=2
pl = 2 ph =1
F=3*2- 2*2 – 1=1
齿轮传动自由度计算:
Q
A P3 B 2 1
F=3n - 2pl - ph n=3
pl = 3 ph =2
工程结构设计原理
工程结构设计原理专业名称：土木工程、土木工程(建筑工程)课程名称：工程结构设计原理开课学期：第3、4学期考核办法：笔试，闭卷＋开卷先修课程：材料力学，建筑材料教材：（一）教学大纲一、课程的性质和目的工程结构设计原理是将混凝土结构、钢结构、砌体结构和组合结构的基本原理及基本构件有机地结合起来，以工程力学为基础，内力分析，应力与应变分析方法是相同的，突出的不同点是材料的特性，在掌握共性的基本原理基础上，以基本构件为主线结合不同材料结构的特点分类阐述，建立起从整体到局部，再综合的思维方法。
通过本课程的学习，可使学生掌握土木工程结构的基本知识和基本设计方法，为理解和掌握各种结构设计规范，继续学习《建筑结构设计》、《桥梁工程》、《地下结构工程》等专业课程奠定扎实的基础。
二、课程内容和教学要求第1章绪论1、了解建筑结构的发展；2、掌握结构的基本组成及种类；3、了解混凝土结构、钢结构以及砌体结构的特点。
第2章结构的基本计算原则1、了解结构荷载、荷载效应和结构抗力的随机性；2、掌握荷载、材料强度的代表值；3、掌握结构的功能、极限状态等基本概念；4、理解结构可靠性的概念和原理，掌握可靠度指标概念和取值；5、了解可靠性设计的一般设计方法和设计基本表达式；6、掌握以概率为基础的分项系数设计表达式；7、理解分项系数的概念，熟悉分项系数的种类和取值。
第3章结构材料的物理力学性能1、掌握材料的力学性能，包括强度及强度指标、变形及变形指标、应力应变关系及模量；2、掌握不同条件下的强度特点，包括简单条件下（压、拉等）、复杂条件下（约束受力、反复荷载、长期荷载等）；3、理解强度取值及选用，包括不同强度的获取方法：实验、不同强度之间的关系：实验回归；4、了解不同建筑材料的规格、特点及应用。
第4章构件的连接1、了解钢结构常用的连接方法为焊接和栓接。
焊接是主要连接方法；2、熟练掌握焊接连接的强度计算，一般可按危险点计算其所受的σf（按焊缝有效截面计算的应力）和τf 代入公式计算；3、熟练掌握螺栓连接的强度计算，对受剪和受拉螺栓连接，均是计算其最不利螺栓所受的力（剪力或拉力）不大于单个螺栓的承载力设计值；4、理解焊缝连接与螺栓连接的构造要求。
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第1章 结构基本计算原则
2－1 结构可靠性的含义是什么？它包含哪些功能要求？结构超过极限状态会产生什么后果？建筑结构安全等级是按什么原则划分的？
2－2 “作用”和“荷载”有什么区别？影响结构可靠性的因素有哪些？结构构件的抗力与哪些因素有关？为什么说构件的抗力是一个随机变量？
2－3 什么是结构的极限状态？机构的极限状态分为几类，其含义各是什么？
2－4 建筑结构应该满足哪些功能要求？结构的设计工作寿命如何确定？结构超过其设计工作寿命是否意味着不能再使用？为什么？
2－5 正态分布概率密度曲线有哪些数字特征？这些数字特征各表示什么意义？正态分布概率密度曲线有何特点？
2－6 材料强度是服从正态分布的随机变量x ，其概率密度为()f x ，怎样计算材料强度大于某一取值0x 的概率0()P x x >？
2－7 什么是保证率？什么叫结构的可靠度和可靠指标？我国《建筑结构设计统一标准》对结构可靠度是如何定义的？
2－8 什么是结构的功能函数？什么是结构的极限状态？功能函数0Z >、0Z <和0Z =时各表示结构处于什么样的状态？
2－9 什么是结构可靠概率s p 和失效概率f p ？什么是目标可靠指标？可靠指标与结构失效概率有何定性关系？怎样确定可靠指标？为什么说我国“规范”采用的极限状态设计法是近似概率设计方法？其主要特点是什么？
2－10 我国“规范”承载力极限状态设计表达式采用何种形式？说明式中各符号的物理意义及荷载效应基本组合的取值原则。
2－11 什么是荷载标准值？什么是活荷载的频遇值和准永久值？什么是荷载的组合值？对正常使用极限状态验算，为什么要区分荷载的标准组合和荷载的准永久组合？如何考虑荷载的标准组合和准永久组合？
2－12 混凝土强度标准值是按什么原则确定的？混凝土材料分项系数和强度设计值是如何确定的？
2－13 钢筋的强度设计值和标准值是如何确定的？分别说明钢筋和混凝土的强度标准值、平均值及设计值之间的关系。