建筑力学基础课件(同名927)

建筑力学知建筑力学知识主主讲 李李艳1 1编辑编辑pptppt课程简介建建筑筑力力学学理理论力学力学材料力学材料力学技技术基基础课。研究物体受力后的效。研究物体受力后的效应运运动、平衡（外效、平衡（外效应）刚体体变形、内力（内效形、内力（内效应）变形固体：杆形固体：杆材料力学材料力学结构力学构力学变形、内力（内效形、内力（内效应）变形固体：杆系形固体：杆系2 2编辑编辑pptppt第第 1 1 章章 绪 论3 3编辑编辑pptppt11 11 建筑力学的任建筑力学的任务12 12 变形固体的基本假形固体的基本假设 13 13 杆件杆件变形的基本形式形的基本形式第第第第一一一一 章章章章 绪绪论论目目录录4 4编辑编辑pptppt结构承受的荷构承受的荷载：自重、自重、风载、人群荷、人群荷载、屋面、屋面积雪重量、吊雪重量、吊车压力等力等非荷非荷载影响因素：影响因素：温度温度变化、支座沉降、地震作用等化、支座沉降、地震作用等结构与构件：构与构件：建筑物中承受荷建筑物中承受荷载而起骨架作用的部分称而起骨架作用的部分称为结构构组成成结构的每一部分称构的每一部分称为构件构件1-1-1 1-1-1 结构及其分构及其分类11 11 建筑力学的任建筑力学的任务5 5编辑编辑pptppt一、构件的分一、构件的分类（长宽高来衡量）建筑力学研究建筑力学研究对象的几何特征象的几何特征杆件：一个方向的尺寸大杆件：一个方向的尺寸大板和壳：两个方向的尺寸大板和壳：两个方向的尺寸大实实体：三个方向的尺寸都大且相近体：三个方向的尺寸都大且相近二、构件几何特征二、构件几何特征各横截面的形心各横截面的形心连线轴线垂直于杆垂直于杆轴线的截面的截面横截面横截面根据根据轴线形状可分形状可分为：6 6编辑编辑pptppt直杆:曲杆：拱折杆：刚架7 7编辑编辑pptppt三、结构的几何特征平面杆件结构与空间杆件结构凡组成结构的所有杆件的轴线都位于某一平面内，并且荷载也位于该平面内的结构，称为平面杆件结构。否则，称为空间结构。8 8编辑编辑pptppt1-1-2 建筑力学研究的内容一、几个基本概念一、几个基本概念构件：构件：组组成机械或成机械或结结构物的最小构物的最小单单元元强强度：构件或度：构件或结结构物抵抗破坏的能力构物抵抗破坏的能力刚刚度：构件抵抗度：构件抵抗变变形的能力形的能力稳稳定性：构件保持原有平衡状定性：构件保持原有平衡状态态的能力的能力9 9编辑编辑pptppt二、建筑力学的任务设计出的结构要有承载能力用材越少越好安全经济一对矛盾三类强度计算：荷载、材料一定，计算截面积荷载、截面一定，校核是否安全材料、截面一定，求允许荷载任务：研究构件的强度、刚度、稳定性，为工程设计提供理论依据和计算方法。1010编辑编辑pptppt刚刚体体体体 在任何外力的作用下，大小和形状始在任何外力的作用下，大小和形状始在任何外力的作用下，大小和形状始在任何外力的作用下，大小和形状始终终保持不保持不保持不保持不变变的物体。的物体。的物体。的物体。例如例如例如例如:桥桥梁在梁在梁在梁在车辆车辆、人群等荷、人群等荷、人群等荷、人群等荷载载作用下的最大作用下的最大作用下的最大作用下的最大竖竖直直直直变变形形形形一般不超一般不超一般不超一般不超过桥过桥梁跨度的梁跨度的梁跨度的梁跨度的1/7001/7001/9001/900。物体的微。物体的微。物体的微。物体的微小小小小变变形形形形对对于研究物体的平衡于研究物体的平衡于研究物体的平衡于研究物体的平衡问题问题影响很小，因而可以影响很小，因而可以影响很小，因而可以影响很小，因而可以将物体将物体将物体将物体视为视为不不不不变变形的理想物体形的理想物体形的理想物体形的理想物体刚刚体体体体1-2 变形固体的基本假设1111编辑编辑pptppt 略去次要性略去次要性质质，将主要性，将主要性质质抽象出理想模型，提出几个抽象出理想模型，提出几个基本假基本假设设：完全完全完全完全弹弹性假性假性假性假设设：认为认为材料在外力作用下材料在外力作用下发发生生变变形的大形的大小与外力成正比，外力撤除后，构件的小与外力成正比，外力撤除后，构件的变变形会完全消失形会完全消失 连续连续均匀假均匀假均匀假均匀假设设：认为认为材料各材料各处处的性的性质质完全相同完全相同 可取其中一部分研究，解决局部与整体研究的可取其中一部分研究，解决局部与整体研究的统统一一 各向同性假各向同性假各向同性假各向同性假设设：相：相对对于各向异性而言于各向异性而言 木材木材竖纹竖纹和横和横纹纹抵抗破坏的能力不同抵抗破坏的能力不同 钢钢材各个方向的力学性材各个方向的力学性质质相同相同 小小小小变变形假形假形假形假设设：在外力作用下，：在外力作用下，变变形相形相对对构件尺寸很小构件尺寸很小 平衡平衡时时略去可使略去可使计计算算简单简单1212编辑编辑pptppt1-3 杆件变形的基本形式将构件变形形式分为四种基本变形：轴向拉伸和向拉伸和压缩扭扭转剪切剪切弯曲弯曲1313编辑编辑pptppt小 结概念：构件、概念：构件、强强度、度、刚刚度、度、稳稳定性定性任任务务：研究构件的研究构件的强强度、度、刚刚度、度、稳稳定性，定性，为为工程工程设计设计提供理提供理论论依据和依据和计计算方法。算方法。可可变变形固体与形固体与刚刚体：体：四个基本假四个基本假设设：对对象：象：弹弹性范性范围围内，均匀、内，均匀、连续连续、各向同性、小、各向同性、小变变形形的等直杆的等直杆四个基本四个基本变变形：拉形：拉压压、剪切、扭、剪切、扭转转、弯曲、弯曲1414编辑编辑pptppt第2章静力学基本概念2-1 力的概念2-2 力矩与力偶2-3 力的平移2-4 约束与约束反力2-5 物体的受力分析 受力图2-6 结构计算简图1515编辑编辑pptppt 静力学研究物体作机械运静力学研究物体作机械运动的特殊的特殊情况情况物体物体处于静止状于静止状态时力的平衡力的平衡规律。包括：受力分析、力系的律。包括：受力分析、力系的简化、化、平衡的条件等等。平衡的条件等等。物体的静平衡是指物体相物体的静平衡是指物体相对于地面于地面保持静止或作匀速直保持静止或作匀速直线运运动的状的状态。1616编辑编辑pptppt2-1 力的概念力的概念2-1-1 力与力系力与力系 力是物体力是物体间的相互作用，其效果是使物体的的相互作用，其效果是使物体的运运动状状态发生改生改变或或物体物体发生生变形形 静力学只研究静力学只研究刚体体，因此，只，因此，只讨论物体在力物体在力的作用下整体的平衡的作用下整体的平衡问题。力的力的单位，采用国位，采用国际单位位时为：或或牛牛顿（N）1717编辑编辑pptppt力力对物体的作用效果取决于力的物体的作用效果取决于力的大小、方向与作用点大小、方向与作用点我我们称之称之为力的三要素力的三要素1.力的基本概念力的基本概念(1)(1)力的三要素力的三要素（2）力系力系物体受到若干力的作用，物体受到若干力的作用，统称力系称力系 平面力系：各力作用平面力系：各力作用线均在同一平面内均在同一平面内 根据各力作用根据各力作用线的关系，可分的关系，可分为平面任意力平面任意力系系、平面平行力系平面平行力系和和平面平面汇交力系交力系1818编辑编辑pptppt2.1 基本概念几个相关定义n n力系：作用于物体或体系的一群力n n平衡：保持静止或匀速直线运动状态（具有相对性）n n平衡力系：处于平衡状态的力系n n等效力系1919编辑编辑pptppt（3 3）静力学公理静力学公理 作用于作用于刚体上的两个力，如果大小相等、方向相体上的两个力，如果大小相等、方向相反、且沿同一作用反、且沿同一作用线，则它它们的合力的合力为零，此零，此时，刚体体处于静止或作匀速直于静止或作匀速直线运运动。公理一公理一 二力平衡公理二力平衡公理 空空间力系：力的作用力系：力的作用线分布于三分布于三维空空间空空间任意力系任意力系空空间平行力系平行力系空空间汇交力系交力系2020编辑编辑pptppt只有两个力作用下只有两个力作用下处于平衡的于平衡的物体物体 其大小相等、方向相反、其大小相等、方向相反、作用于作用于同一直同一直线上。上。二力构件二力构件不是二力构件不是二力构件2121编辑编辑pptppt 注意：上述的二力平衡公理对于刚体是充分的也是必要的，而对于变形体只是必要的，而不是充分的。如图所示的绳索的两端若受到一对大小相等、方向相反的拉力作用可以平衡，但若是压力就不能平衡。2222编辑编辑pptppt 力可以在力可以在刚体上沿其作用体上沿其作用线移至任意一点而不移至任意一点而不改改变它它对刚体的作用效体的作用效应公理二公理二 加减平衡力系公理加减平衡力系公理 在作用于在作用于刚体的任意力系上，加上或减去任一体的任意力系上，加上或减去任一平衡力系，并不改平衡力系，并不改变原力系原力系对刚体的作用效体的作用效应。推推论：力的可力的可传性性2323编辑编辑pptppt 同一个点作用两个力的效同一个点作用两个力的效应可用它可用它们的合力来等的合力来等效。效。该合力作用于同一点，方向和大小由平行四合力作用于同一点，方向和大小由平行四边形的形的对角角线确定。（几何合成法）确定。（几何合成法）公理三公理三 力的平行四力的平行四边形法形法则2424编辑编辑pptppt 两个物体两个物体间相互作用的力，相互作用的力，总是大小相等是大小相等、方方向相反向相反，同同时分分别作用在两个物体上。作用在两个物体上。公理四公理四 作用与反作用定理作用与反作用定理推推论：三力平衡三力平衡汇交定理交定理 刚体受到不平行的三个体受到不平行的三个力作用而平衡力作用而平衡时，这三个力三个力的作用的作用线一定交于同一点且一定交于同一点且位于同一平面内。位于同一平面内。2525编辑编辑pptppt 反之，当投影反之，当投影Fx、Fy 已知已知时，则可求出力可求出力 F F 的大小和方向：的大小和方向：21-6 力的投影.力沿坐标轴的分解一、力在坐一、力在坐标轴上的投影：上的投影：结论：力在某：力在某轴上的投影，等于力的模乘以力与上的投影，等于力的模乘以力与该轴正向正向间夹角的余弦。角的余弦。y y bbaaa ab bF FO Ox xB BF Fx xF Fy y2626编辑编辑pptppt思考：试求图1.3中各力在轴上的投影，投影的正负号按规定观察判定。2727编辑编辑pptppt注意：注意：注意：注意：力投影的要点：力投影的要点：力投影的要点：力投影的要点：1 1、力平移力在坐、力平移力在坐、力平移力在坐、力平移力在坐标轴标轴上投影不上投影不上投影不上投影不变变；2 2、力垂直于某、力垂直于某、力垂直于某、力垂直于某轴轴，力在，力在，力在，力在该轴该轴上投影上投影上投影上投影为为零；零；零；零；力平行于某力平行于某力平行于某力平行于某轴轴，力在，力在，力在，力在该轴该轴上投影的上投影的上投影的上投影的绝对绝对 值为值为力的大小。力的大小。力的大小。力的大小。2828编辑编辑pptppt 共点力系合成与平衡的几何法1 1、合成的几何法合成的几何法：A AF F2 2F F1 1F F4 4F F3 3表达式：表达式：R RF F1 1B BF F2 2C CF F3 3D DF F4 4E EA AF F1 1、F F2 2、F F3 3、F F4 4 为平面共点力系：平面共点力系：2929编辑编辑pptppt 把各力矢首尾相接，形成一条有向折把各力矢首尾相接，形成一条有向折线段（称段（称为力力链）。）。加上一封加上一封闭边，就得到一个多，就得到一个多边形，称形，称为力多力多边形。形。2 2、力的多、力的多边形形规则：R RF F1 1B BF F2 2C CF F3 3D DF F4 4E EA A注：注：变换分力矢量的作分力矢量的作图顺序合力矢量不序合力矢量不变3030编辑编辑pptpptA AF F2 2F F1 1(a)(a)F F3 3F F1 1F F2 2R RF F3 3x xA AB BC CD D(b)(b)合力在任一合力在任一轴上的投影，等于它的各分力在上的投影，等于它的各分力在同一同一轴上的投影的代数和。上的投影的代数和。证明：明：以三个力以三个力组成的共点力系成的共点力系为例。例。设有三个共点力有三个共点力F F1 1、F F2 2、F F3 3 如如图。合力投影定理：合力投影定理：3131编辑编辑pptppt合力合力 R 在在x 轴上投影：上投影：F F1 1F F2 2R RF F3 3x xA AB BC CD D(b)(b)推广到任意多个力推广到任意多个力F1、F2、Fn 组成的平面成的平面共共点力系，可得：点力系，可得：a ab bc cd d各力在各力在x 轴上投影：上投影：3232编辑编辑pptppt 合力的大小合力的大小合力合力R R 的方向余弦的方向余弦根据合力投影定理得根据合力投影定理得3333编辑编辑pptppt2-2 力矩与力偶2-2-12-2-1力力力力对对点之矩（力矩）点之矩（力矩）点之矩（力矩）点之矩（力矩）力矩作用面力矩作用面力矩作用面力矩作用面1.1.大小：力大小：力大小：力大小：力F F与力臂的乘与力臂的乘与力臂的乘与力臂的乘积积2.2.方向：方向：方向：方向：转动转动方向方向方向方向两个要素：两个要素：两个要素：两个要素：3434编辑编辑pptpptF F1 1F F2 2d d2-2-2 2-2-2 力偶力偶1 1、力偶、力偶大小相等的反向平行力。大小相等的反向平行力。（注意与平衡力的区（注意与平衡力的区别 ）、作用效果：引起物体的、作用效果：引起物体的转动。、力和力偶是静力学的基本要素。、力和力偶是静力学的基本要素。力偶特性二：力偶特性二：力偶力偶只能用只能用力偶力偶来代替（即只能和另一力偶来代替（即只能和另一力偶等效），因而也只能与力偶平衡。等效），因而也只能与力偶平衡。力偶特性一：力偶特性一：力偶中的二个力，既不平衡，也不可能合成力偶中的二个力，既不平衡，也不可能合成为一个力。一个力。3535编辑编辑pptppt2 2、力偶臂、力偶臂力偶中两个力的作用力偶中两个力的作用线 之之间的距离。的距离。3 3、力偶矩、力偶矩力偶中任何一个力的大力偶中任何一个力的大 小与力偶臂小与力偶臂d d 的乘的乘积，加上，加上 适当的正适当的正负号。号。F F1 1F F2 2d d力偶矩正力偶矩正负规定：定：若力偶有使物体逆若力偶有使物体逆时针旋旋转的的趋势，力偶矩，力偶矩取正号；反之，取取正号；反之，取负号。号。量量纲：力：力长度，牛度，牛顿米（米（N Nm m）.3636编辑编辑pptppt4 4、力偶的等效条件、力偶的等效条件 同一平面上力偶的等效条件：同一平面上力偶的等效条件：F Fd dF F d d 因此，以后可用力偶的因此，以后可用力偶的转向箭向箭头来代替力偶。来代替力偶。=作用在作用在刚体内同一平面上的两个力偶相互等体内同一平面上的两个力偶相互等效的充要条件是二者的力偶矩代数效的充要条件是二者的力偶矩代数值相等。相等。3737编辑编辑pptppt=已知：已知：已知：已知：任任任任选选一段距离一段距离一段距离一段距离d d5.5.平面力偶系的合成和平衡条件平面力偶系的合成和平衡条件平面力偶系的合成和平衡条件平面力偶系的合成和平衡条件=3838编辑编辑pptppt=3939编辑编辑pptppt由此可知，平面力偶系可合成为一个合力偶，合力偶矩等于各分力偶矩的代数和4040编辑编辑pptppt力的平移定理力的平移定理力的平移定理力的平移定理 作用于作用于作用于作用于刚刚体上体上体上体上的力可以等效地移的力可以等效地移的力可以等效地移的力可以等效地移动动到到到到刚刚体内体内体内体内任意点，但任意点，但任意点，但任意点，但须须附加一力偶。附加一力偶。附加一力偶。附加一力偶。2-3 力的平移4141编辑编辑pptppt24 24 约束和束和约束反力束反力1 1、自由体自由体：2 2、非自由体非自由体：3 3、约束束：4 4、约束反力束反力：5 5、主主动力：力：可以任意运可以任意运动（获得任意位移）的物体。得任意位移）的物体。不可能不可能产生某方向的位移的物体。生某方向的位移的物体。约束束对被被约束体的反作用力。束体的反作用力。由周由周围物体所构成的、限制非自由体物体所构成的、限制非自由体位移的条件。位移的条件。约束力以外的力。束力以外的力。基本概念：基本概念：4242编辑编辑pptppt1 1、柔、柔绳、链条、胶条、胶带构成的构成的约束：束：常常见的几种的几种类型的型的约束束13 13 约束和束和约束反力束反力4343编辑编辑pptpptA柔柔绳约束束4444编辑编辑pptppt2 2、理想光滑接触面、理想光滑接触面约束（无摩擦力）束（无摩擦力）13 13 约束和束和约束反力束反力常常见的几种的几种类型的型的约束束4545编辑编辑pptppt光滑接触面光滑接触面约束束实例例光滑光滑齿面面4646编辑编辑pptppt3 3、光滑、光滑铰链约束束A AB BN NA AB B常常见的几种的几种类型的型的约束束4747编辑编辑pptpptN Ny yN Nx x(1)(1)固定固定铰链支座：支座：N N 4848编辑编辑pptppt(2)(2)活活动铰链支座：支座：N NN N4949编辑编辑pptpptA AB BN NA AN NB BA AC CB B5 5、双、双铰链刚杆杆约束：束：常常见的几种的几种类型的型的约束束5050编辑编辑pptppt25 25 物体的受力分析和受力物体的受力分析和受力图画受力画受力图的方法与步的方法与步骤：1 1、取分离体（研究、取分离体（研究对象）象）2 2、画出研究、画出研究对象所受的全部主象所受的全部主动力（使物体力（使物体产生生 运运动或运或运动趋势的力）的力）3 3、在存在、在存在约束的地方，按束的地方，按约束束类型逐一画出型逐一画出约束束 反力（研究反力（研究对象与周象与周围物体的物体的连接关系）接关系）5151编辑编辑pptpptA AP PN NF FT TE E C CG GB BE EP PA AF FD D解：解：(1)(1)物体物体B B 受两个力作用：受两个力作用：(2)(2)球球A A 受三个力作用：受三个力作用：(3)(3)作用于滑作用于滑轮C C 的力：的力：C CN NG GT TG GT TG GT TD DQ QB B例例题1-1 1-1 在在图示的平面系示的平面系统中，匀中，匀质球球A A重重为P P，借本身重，借本身重量和摩擦不量和摩擦不计的理想滑的理想滑轮C C 和柔和柔绳维持在仰角是持在仰角是 的光滑的光滑斜面上，斜面上，绳的一端挂着重的一端挂着重为Q Q 的物体的物体B B。试分析物体分析物体B B、球、球A A 和滑和滑轮C C 的受力情况，并分的受力情况，并分别画出平衡画出平衡时各物体的受力各物体的受力图。5252编辑编辑pptpptECABFDBCNBNC解：解：1 1、杆、杆BC BC 所受的力：所受的力：2 2、杆、杆AB AB 所受的力：所受的力：表示法一：表示法一：表示法二：表示法二：BDAFNAxNAyNBBAFDNAHNB例例题1-2 1-2 等腰三角形构架等腰三角形构架ABC ABC 的的顶点点A A、B B、C C 都用都用铰链连接，底接，底边AC AC 固定，而固定，而AB AB 边的中点的中点D D 作用有平行于作用有平行于固定固定边AC AC 的力的力F F，如，如图113(a)113(a)所示。不所示。不计各杆自重，各杆自重，试画出画出AB AB 和和BC BC 的受力的受力图。5353编辑编辑pptppt例例题1-3 1-3 如如图所所示示压榨榨机机中中，杆杆AB AB 和和BC BC 的的长度度相相等等，自自重重忽忽略略不不计。A A，B B，C C，E E 处为铰链连接接。已已知知活活塞塞D D上上受受到到油油缸缸内内的的总压力力为F F=3kN3kN，h h=200 200 mmmm，l =1500=1500 mmmm。试画画出出杆杆AB AB，活活塞塞和和连杆杆以以及及压块C C 的受力的受力图。D DEABCllh5454编辑编辑pptpptFABA解：解：1.1.杆杆AB 的受力的受力图。2.活塞和活塞和连杆的受力杆的受力图。3.压块 C 的受力的受力图。CBxyFCxFCyFCByxFFBCFABDEABCllh5555编辑编辑pptppt A AP PB BQ QA AB BC CP P 思考思考题 P PQ QN NAxAxN NAyAyN NByByN NC CN NB BP PN NB BN NA A5656编辑编辑pptppt 任何建筑物在施工过程中以及建成后的使用过程中，都要受到各种各样的作用，这种作用造成建筑物整体或局部发生变形、位移甚至破坏。例如，建筑物各部分的自重、人和设备的重力、风力、地震，温度变化等等。其中建筑物的自重、人和设备的重力、风力等作用称为直接作用直接作用，在工程上称为荷荷载；而地震，温度变化等作用称为间接作用接作用。工程中，有时不严格区分直接作用或间接作用，对引起建筑物变形、位移甚至破坏的作用一概称之为荷荷载。2-6 结构计算简图5757编辑编辑pptppt 在工程中，作用在在工程中，作用在结构上的荷构上的荷载是是多多种多种多样的。的。为了便于力学分析，需要从不了便于力学分析，需要从不同的角度，将它同的角度，将它们进行分行分类。1 1、荷、荷载按其作用按其作用时间的的长短分短分为 永久荷永久荷载(Dead loadDead load)、可、可变荷荷载(Imposed loadImposed load)和偶然荷和偶然荷载。3 3、荷、荷载按作用位置是否按作用位置是否变化分化分为 移移动荷荷载和固定荷和固定荷载。2 2、荷、荷载按作用在按作用在结构上的性构上的性质分分为 静力荷静力荷载(Steady loadSteady load)和和动力荷力荷载(Dynamic loadDynamic load)荷荷载的分的分类5858编辑编辑pptppt4 4、荷、荷载按其作用在按其作用在结构上的分布情况分构上的分布情况分为 分布荷分布荷载(Uniform loadUniform load)和和 集中荷集中荷载(Concentrated loadConcentrated load)。集中荷集中荷载 分布范分布范围很小，可近似很小，可近似认为作用在一点的荷作用在一点的荷载；线分布荷分布荷载 沿直沿直线或曲或曲线分布的荷分布的荷载（单位：位：KN/mKN/m）；）；面分布荷面分布荷载 沿平面或曲面分布的荷沿平面或曲面分布的荷载（单位：位：KN/mKN/m2 2）；）；体分布荷体分布荷载 沿物体内各点分布的荷沿物体内各点分布的荷载（单位：位：KN/mKN/m3 3）。）。5959编辑编辑pptppt 工程中，荷工程中，荷载的分布情况往往比的分布情况往往比较复复杂，在很多情况下，都可在很多情况下，都可简化化为沿直沿直线和平面和平面均匀分布的荷均匀分布的荷载进行分析行分析计算。算。分布荷分布荷载 的合力的合力计算算 分布荷分布荷载的合力作用在分布区域的中心，的合力作用在分布区域的中心，指向不指向不变，其大小等于分布集度，其大小等于分布集度 的大小的大小q q乘以分布范乘以分布范围。6060编辑编辑pptppt小小结1 1、理解力、理解力、刚体、平衡和体、平衡和约束等重要概念束等重要概念2 2、理解静力学公理及力的基本性、理解静力学公理及力的基本性质3 3、明确各、明确各类约束束对应的的约束力的特征束力的特征4 4、能正确、能正确对物体物体进行受力分析行受力分析6161编辑编辑pptppt作作业：2121、2 2、5 5、6 6、6262编辑编辑pptppt