一、绪论、力的模型结构的简化

第一讲内容绪论一、土木工程与力学土木工程：用建筑材料(土、石、砖、木、混凝土、钢、铝、聚合物、钢筋混凝土、复合材料等)建筑房屋、道路、铁路、桥梁、隧道、河、港、市政卫生等建筑物或构筑物的生产活动和工程技术。

力与平衡力学是研究宏观机械运动规律及其应用的学科。

机械运动指物体之间或物体内部各部分之间相对位置的变动，包括物体相对于地球的运动、物体的变形、流体的流动等。

平衡是机械运动的特殊情况，指物体相对于地球保持静止，或作匀速直线平移。

土木工程是力学最重要的发展源泉和应用园地之一，力学是土木工程重要的理论基础。

人类早就会建造房屋了，直到掌握了丰富的力学知识以后，各种各样的摩天大楼、跨海大桥、特大跨度的公共建筑、水下隧道、高速公路才得以建成。

力学的分支学：理论力学、材料力学、结构力学、板壳力学、弹性力学、弹塑性力学、塑性力学、断裂力学、流体力学、复合材料力学、实验力学、计算力学、量子力学等。

作为高等职业教育的一门课程，“建筑力学”的内容只是力学中最基本的应用广泛的部分。

它将静力学、材料力学、结构力学三门课程的主要内容贯通融合成为一体。

二、建筑力学的研究对象结构：在工业造型及艺术设计中，用以担负预定的任务和支承荷载，由建筑材料按合理的方式组成的构筑物称为结构。

通常而言即是建筑物或构筑物中承受外部作用的骨架。

可能出现的外部作用包括荷载作用(恒载、活载、风载、水压力、土压力等)、变形作用(地基不均沉降、材料胀缩变形、温度变化引起的变形、地震引起的地面变形等)、环境作用(阳光、风化、环境污染引起的腐蚀、火灾等)。

构件：是组成结构的基本部件。

按照几何特征，构件可分为杆件、板壳和实体(图)。

杆件的几何特征为长条形，长度远大于其他两个尺度(横截面的长度和宽度)。

板壳的厚度远小于其他两个尺度(长度和宽度)，板的几何特征为平面形，壳的几何特征为曲面形。

实体的几何特征为块状，长、宽、高三个尺度大体相近，内部大多为实体。

杆件按照一定的方式连接，形成杆件结构。

建筑力学的研究对象是结构。

三、建筑力学的任务1. 力系的简化和平衡静力学的基础2. 结构必须具备可靠、适用、耐久的功能，因此必须拥有足够的强度、刚度以及稳定性。

强度：结构和构件抵抗破坏的能力称为强度。

在使用期内，务必使结构和构件安全可靠，不发生破坏，具有足够的承载能力。

刚度：结构或构件抵抗变形的能力称为刚度。

在使用期内，务必使结构和构件不发生影响正常使用的变形。

稳定性：稳定性是结构或构件保持原有平衡形态的能力。

在使用期内，务必使结构和构件平衡形态保持稳定。

3. 结构选型研究建筑结构的组成规律和合理形式。

结构分析的目标1)讨论结构的组成规律和合理形式，以及结构计算简图的合理选择。

2)讨论结构内力和变形的计算方法，对结构或构件进行强度和刚度计算。

3)讨论结构或构件的稳定性以及动力荷载下的反应。

四、建筑力学的基本方法结构分析的手段包括理论分析、实验研究和数值计算三个方面。

过程如下：第一篇静力学第1章力学模型1．1 力的模型1.1.1 力的运动效应和变形效应力的定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的运动状态或形状发生改变。

物体间的相互机械作用可分为两类：一类是物体间的直接接触的相互作用，另外一类是物和物体间的相互作用。

力的两种作用效应为：（1）外效应，也称为运动效应——使物体的运动状态发生改变；（2）内效应，也称为变形效应——使物体的形状发生变化。

静力学研究物体的外效应。

力的三个要素：力的大小、方向和作用点。

力的大小反映物体之间相互机械作用的强度，在国际单位制（SI）中，力的单位是牛（N）；在工程单位制中，力的单位是千克力（kgf）。

两种单位制之间力的换算关系为：1kgf=9.8N。

力的作用线：[力的方向是指静止物体在该力作用下可能产生的运动（或运动趋势）的方向。

]沿该方向画出的直线。

力的方向包含力的作用线在空间的方位和指向。

1.1.2 集中力分布力力的作用点是指物体承受力作用的部位。

实际上，两个物体之间相互作用时，其接触的部位总是占有一定的面积，力总是按照各种不同的方式分布于物体接触面的各点上。

当接触面面积很小时，则可以将微小面积抽象为一个点，这个点称为力的作用点，该作用力称为集中力；反之，如果接触面积较大而不能忽略时，则力在整个接触面上分布作用，此时的作用力称为分布力。

分布力的大小用单位面积上的力的大小来度量，称为荷载集度，用q （N/m 2）来表示。

力是矢量，记作F （如图所示），用一段带有箭头的直线（AB ）来表示：其中线段（AB ）的长度按一定的比例尺表示F 力的大小；线段的方向和箭头的指向一致，表示力的方向；线段的起点A 或终点B （应在受力物体上），表示力的作用点。

线段所沿的直线称为力的作用线。

图分布荷载与集中荷载实验力沿线的集度q 称为力的线集度： q=dldF (单位：kN ／m) 力在面上的集度p 称为力的面集度：p=dAdF (单位：kN ／m) 1．2 结构的计算简图实际结构总是比较复杂的。

完全按照结构的实际情况进行力学分析，既繁、难、也不必要。

因此，在对实际结构进行力学分析计算之前，必须略去次要的细节，显示基本特点，用一个简化的图形作为模型来代替实际的结构及其承受的作用。

这种反映结构的主要特点，代替实际结构进行力学分析计算的简化图形称为结构的计算简图。

在选取结构的计算简图时，应当遵循如下两个原则：（1）尽可能正确地反映结构的主要受力情况，使计算的结果接近实际情况，有足够的精确性；（2）要忽略对结构的受力情况影响不大的次要因素，使计算工作尽量简化。

1.2.1 结构的简化1．将空间杆件结构简化为平面杆件结构一般的杆件结构都是空间结构(图1—3a)。

当某一平面内的杆系可以简化为独立承受该平面内的荷载时，则可把这个平面杆系分离出来，按平面杆件结构分析计算(图1—3b)。

2．用杆件的轴线代替杆件(见图1—3c、d)3．用符号表示杆件之间理想化的结点杆件结构中，杆件之间的连接区叫做结点。

将实际的结点简化为两种理想化的结点：按杆件的受力、位移特点，经常可以分为：(1)铰结点被连接的杆件在连接处不能相对移动，但可相对转动.铰用小圆圈作为符号。

装配式钢筋混凝土门式刚架的顶铰就是铰结点(图1—4a、c)。

工程中更多的是，根据被连接杆件的受力特点而将结点抽象为铰结点(图1—3a、c)。

(2)刚结点被连接的杆件在连接处既不能相对移动，又不能相对转动。

结点用深色小块作为符号，也可以用线段相接的形状表示(图1—4d)。

门式刚架的D结点便简化为刚结点(图1—4a、b)。

4．用符号表示理想化的支座结构与基础或其他支承物的连接区称为支座。

按照杆件受力、位移的特点，平面杆件结构实际的支座经常简化为三种理想化的支座，(1)固定铰支座被支承的部分在该处可以转动，不能移动。

常用两根相交的链杆作为符号(图1—5)。

(2)可动铰支座被支承的部分在该处可以转动和沿支承面方位做微小移动。

常用一根垂直于支承面的链杆作为符号(图1—6)。

(3) 固定端支座被支承的部分在该处完全被固定。

既不产生任何方向的移动、又不产生转动。

1．2．2 荷载的简化结构构件的自重、楼面上人群或各种物品的重量、厂房中设备的重量、车轮的轮压、水压、风压、雪压等，都是以力的形式直接作用在结构上的，称为直接作用，习惯上称为荷载。

荷载按其作用的范围可以简化为集中荷载和分布荷载。

在杆件结构的计算简图中，杆件用轴线代替，分布荷载则表现为沿着一条线分布，荷载集度用力的线集度q表示(图1—8)。

二、荷载的分类在工程实际中，作用在结构上的荷载是多种多样的。

为了便于力学分析，需要从不同的角度，将它们进行分类。

1、荷载按其作用在结构上的时间久暂分为恒载（永久荷载）和活载（可变荷载）（1）恒载是指作用在结构上的不变荷载，即在结构建成以后，其大小和作用位置都不再发生变化的荷载。

例如，构件的自重、土压力等等。

构件的自重可根据结构尺寸和材料的容重（即每1m3体积的重量，单位为N/m3）进行计算。

例如，截面为20cm⨯50cm的钢筋混凝土梁，总长6m，已知钢筋混凝土容重为24000N/m3，则该梁的自重为：G=24000⨯0.2⨯0.5⨯6=14400N。

如果将总重除以长度，则得到该梁每米长度的重量，单位为N/m，用符号q表示，即q=14400/6=2400N/m。

建筑工程上，对于楼板的自重，一般是以1m2面积的重量来表示。

例如，10cm厚的钢筋混凝土楼板，其重量为24000⨯0.1=2400N/m2。

就是说，10cm厚的钢筋混凝土楼板每1m2的重量为2400N。

重量的单位也可以用“kN”来表示，1kN=1000N。

例如，上面钢筋混凝土的容重可表示为25kN/m3。

（2）活载是指在施工或建成后使用期间可能作用在结构上的可变荷载，这种荷载有时存在，有时不存在，它们的作用位置和作用范围可能是固定的（如风荷载、雪荷载、会议室的人群荷载等），也可能是移动的（如吊车荷载、桥梁上行驶的汽车荷载等）。

不同类型的房屋建筑，因其使用情况的不同，活荷载的大小也就不同。

在现行《工业与民用建筑结构荷载规范》中，各种常用的活荷载，都有详细的规定。

例如，住宅、办公楼、托儿所、医院病房等一类民用建筑的楼面活荷载，目前规定为 2.0kN/m2；而教室、会议室的活荷载，则规定为2.5kN/m2。

2、荷载按其作用在结构上的分布情况分为分布荷载和集中荷载（1）分布荷载是指满布在结构某一表面上的荷载，根据其具体作用情况还可以分为均布荷载和非均布荷载。

如果分布荷载在一定的范围内连续作用、且其大小在各处都相同，这种荷载称为均布荷载。

例如，上面所述梁的自重按每米长度均匀分布，为线均布荷载；又如上面所述的楼面荷载，按每单位面积均匀分布，为面均布荷载。

反过来，如果分布荷载不是均布荷载，则称为非均布荷载，如水压力，其大小与水的深度有关（成正比），荷载为按照三角形规律变化的分布荷载，即荷载虽然连续作用，但其各处大小不同。

（2）集中荷载是指作用在结构上的荷载总是分布在一定的面积上，且分布的面积远远小于结构的尺寸，则将此荷载认为是作用在结构的某一点上，称为集中荷载。

上面所述的吊车轮子对吊车梁的压力、屋架传给砖墙或柱子的压力，即认为是集中荷载。

其单位一般用N或kN表示。

3、荷载按作用在结构上的性质分为静力荷载和动力荷载（1）当荷载从零开始，逐渐缓慢地、连续均匀地增加到最后的确定数值后，其大小、作用位置以及方向都不再随时间而变化，这种荷载称为静力荷载。

例如，结构的自重，一般的活荷载等。

静力荷载的特点是，该荷载作用在结构上时，不会引起结构产生振动这样的效果。

（2）如果荷载的大小、作用位置、方向都可以随时间的变化而发生改变，这种荷载称为动力荷载。

例如，动力机械产生的荷载、地震力等。