西安交通大学结构力学-课件

西安交通大学结构力学结构力学结构力学(Structural Mechanics)说说 明明主主主主 讲：讲：讲：讲：赵荣国赵荣国赵荣国赵荣国学学学学 时：时：时：时：88888888学时，共计学时，共计学时，共计学时，共计5.55.55.55.5个学分，本学期讲授个学分，本学期讲授个学分，本学期讲授个学分，本学期讲授上册上册上册上册64646464学时，下学期讲授下册学时，下学期讲授下册学时，下学期讲授下册学时，下学期讲授下册24242424学时。学时。学时。学时。教学用书：教学用书：教学用书：教学用书：龙驭球、包世华龙驭球、包世华 编编结构力学教程结构力学教程I I、IIII高等教育出版社，高等教育出版社，20012001。参考教材：参考教材：参考教材：参考教材：1.1.杨弗康等主编杨弗康等主编结构力学结构力学高等教育高等教育出版社，出版社，19981998。2.2.包世华主编包世华主编结构力学结构力学武汉工业大武汉工业大学出版社，学出版社，20002000。3.3.王焕定等编著王焕定等编著结构力学结构力学高等教育高等教育出版社，出版社，20002000。7/21/20243结构力学参考书目：参考书目：参考书目：参考书目：1.1.1.1.雷雷雷雷钟钟钟钟和和和和江江江江爱爱爱爱川川川川郝郝郝郝静静静静明明明明编编编编著著著著结结结结构构构构力学解疑力学解疑力学解疑力学解疑清华大学出版社，清华大学出版社，清华大学出版社，清华大学出版社，1996 1996 1996 1996。2.2.2.2.赵赵赵赵更更更更新新新新编编编编著著著著结结结结构构构构力力力力学学学学辅辅辅辅导导导导-概概概概念念念念 方方方方法法法法 解解解解题题题题中中中中国国国国水水水水利利利利水水水水电电电电出出出出版版版版社社社社，2001200120012001。3.3.3.3.关关关关群群群群主主主主编编编编结结结结构构构构力力力力学学学学学学学学习习习习辅辅辅辅导导导导中中中中国国国国科学技术大学出版社，科学技术大学出版社，科学技术大学出版社，科学技术大学出版社，2000200020002000。作作作作 业：业：业：业：每每位位同同学学准准备备2 2个个作作业业本本，轮轮换换使使用用。到时不交的，过期不予批阅。到时不交的，过期不予批阅。联系方式：联系方式：联系方式：联系方式：（O O）或（）或（M M）。）。7/21/20244结构力学第一章第一章第一章第一章绪绪 论论(Intrduction)7/21/20245结构力学目目录(contents)1-1 结构力学简介1-2 结构的计算简图及简化要点1-3 杆件结构的分类1-4 荷载的分类-7/21/20246结构力学 基本要求 了解：了解：了解：了解：结结构构力力学学的的发发展展历历史史、研研究究对对象象和和研研究究任任务务，与与其其它它课课程程的的关关系系及及常常见见杆杆件件结结构构的的分类。分类。掌握：掌握：掌握：掌握：结结构构计计算算简简图图的的概概念念和和确确定定结结构构计计算算简简图图的的 原原 则则；杆杆 件件 结结 构构 的的 支支 座座、结结 点点 类类 型型 和和 特特 点及荷载分类。点及荷载分类。7/21/20247结构力学 1-1 结构力学简介结构力学简介1-1-1 1-1-1 结构力学发展简史结构力学发展简史溯源古代工程实践溯源古代工程实践在建筑结构方面在建筑结构方面：早早在在六六千千年年前前，我我们祖祖先先就就已已经建建造造了了木木框框架架结构构房房屋屋（木木构构件件分分为桩、柱柱、梁梁、板板，采采用用榫榫卯卯联接接），逐逐渐告告别利利用用天天然然结构构巢巢居居和和穴穴居居的的原原始始状状态。（根根据据浙浙江江余姚河姆渡新石器余姚河姆渡新石器时代代遗址考古）址考古）三三千千年年前前周周礼礼中中的的考考工工记就就已已经记载了了各各种种建建筑的形式和制式。筑的形式和制式。在在汉代代王王延延寿寿的的鲁灵灵光光殿殿赋中中曾曾出出现“结构构”这一一专有名有名词。7/21/20248结构力学在水工结构方面在水工结构方面：公公元元前前256-251256-251年年秦秦朝朝修修建建的的岷岷江江水水利利枢枢纽工工程程都都江江堰堰创造造了了用用竹竹笼装装卵卵石石堆堆砌砌的的堤堤坝结构构，使使用用至至今今，其其结构之构之简单，规模之宏模之宏伟，堪称世界之最。，堪称世界之最。在桥梁结构方面在桥梁结构方面：公公元元605-617605-617年年隋隋朝朝修修建建的的河河北北赵县安安济桥（也也称称赵州州桥）为敞肩石拱敞肩石拱桥，造型，造型优美、美、结构合理。构合理。宋代的广宋代的广东潮州广潮州广济桥（开关活（开关活动式）。式）。福福建建泉泉州州万万安安桥（即即洛洛阳阳桥，筏筏形形基基础，砺砺房房胶胶固固），其独特其独特结构型式在世界上都构型式在世界上都绝无无仅有。有。古埃及人的金字塔、古希腊人的女神庙和古罗马人在建筑物中广泛采用半圆拱形。7/21/20249结构力学都江堰水利枢纽工程都江堰水利枢纽工程 7/21/202410结构力学隋朝河北赵州桥隋朝河北赵州桥 7/21/202411结构力学雅典神庙雅典神庙 7/21/202412结构力学古罗马半圆拱建筑古罗马半圆拱建筑 7/21/202413结构力学从从“萌芽萌芽”到到“独立独立”1515至至1616世世纪，欧欧洲洲文文艺复复兴时期期，科科学学事事业有有了了转机机，力力学在欧洲萌芽。学在欧洲萌芽。1717世世纪，人人们才才开开始始研研究究材材料料强度度，尝试用用解解析析法法来来求求构构件件的的安安全全尺尺寸寸。（伽伽利利略略考考查了了固固定定端端悬臂臂梁梁的的承承载能能力力的的问题，雅雅可可比比 伯伯努努利利关关于于梁梁的的研研究究结果果就就是是现今今人人们常常用的伯努利梁理用的伯努利梁理论。）。）1818世世纪的工的工业革命更促革命更促进了了单根构件根构件强度和度和稳定性研究。定性研究。进入入1919世世纪后后，大大型型厂厂房房、船船舶舶、堤堤坝、铁路路桥梁梁的的兴建建，提提出出更更为复复杂的的结构构计算算问题，促促进了了板板壳壳理理论形形成成，以以及及桁桁架架、连续梁梁、拱拱、吊吊桥、弹性性地地基基梁梁、挡土土墙等等计算算理理论的的诞生，奠定了生，奠定了结构分析的理构分析的理论基基础。1919世世纪中中叶叶，结构构力力学学（也也称称结构构理理论）实际上上已已从从力力学学中独立出来成中独立出来成为一一门学科。学科。7/21/202414结构力学近代的发展与飞跃近代的发展与飞跃1919世世纪末末，随随着着钢结构构广广泛泛应用用，进一一步步推推动结构构分分析析理理论的的发展展，建建立立了了利利用用能能量量原原理理计算算结构构位位移移和和应用用力力法法计算超静定算超静定结构的一般理构的一般理论，但主要的，但主要的发展是桁架分析。展是桁架分析。2020世世纪初初，随随钢筋筋混混凝凝土土框框架架结构构型型式式的的出出现，又又诞生生了了与与高高次次超超静静定定结构构相相适适应的的新新的的计算算理理论和和方方法法，如如位位移移法和力矩分配法。法和力矩分配法。2020世世纪中中叶叶还发展展了了考考虑塑塑性性的的结构构计算算理理论、结构构稳定定计算和算和结构构动力学力学计算理算理论。19451945年年电子子计算算机机的的问世世和和广广泛泛应用用使使结构构分分析析如如虎虎添添翼翼，计算算能能力力跃上上一一个个新新的的台台阶，出出现以以计算算机机为工工具具的的结构构矩矩阵分析法（即杆件系分析法（即杆件系统的有限的有限单元法）。元法）。目目前前结构构力力学学已已进入入有有史史以以来来发展展最最快快的的时期期，其其应用用范范围之广、之广、应用水平之高已达到前所未有的程度。用水平之高已达到前所未有的程度。7/21/202415结构力学1-1-2 1-1-2 结构以及结构的类型结构以及结构的类型在土木工程中，由建筑材料按照一定的方式组成并能承受或传递荷载起骨架作用的部分称为工程结构(简称结结构构 Structure)。柱吊车梁折线形屋架素混凝土垫层杯形基础 图图图图1-11-17/21/202416结构力学从几何角度来看，结构可分为三种类型从几何角度来看，结构可分为三种类型从几何角度来看，结构可分为三种类型从几何角度来看，结构可分为三种类型杆件结构杆件结构杆件结构杆件结构 (Structure of bar system)(Structure of bar system)这类结构是由杆件所组成。例如如图1-2所示梁、拱、桁架、刚架是杆件结构的典型形式。图图图图 1-21-27/21/202417结构力学它的厚度要比长度和宽度小得多，房屋中的楼板和壳体屋盖。板壳结构板壳结构板壳结构板壳结构 (Plate and shell structures)(Plate and shell structures)这类结构也称薄壁结构。图图图图 1-31-37/21/202418结构力学实实实实体体体体结结结结构构构构 (Massive(Massive structure)structure)这类结构的长、宽、厚三个尺度大小相仿。例如堤坝、挡土墙、块式基础等均属实体结构。图图图图 1-41-4挡土墙挡土墙7/21/202419结构力学1-1-3 1-1-3 结构力学及其研究对象结构力学及其研究对象结结构构力力学学是是力力学学学学科科的的一一个个分分支支，是是研研究究结结构构在在荷荷载载和和外外界界因因素素作作用用下下的的力力学学响响应应结结构构的的受力受力和和变形变形的学科。的学科。7/21/202420结构力学结构力学研究对象涉及较广，根据所涉及范围，通常将结构力学分为“狭狭义义结结构构力力学学”、“广广义义结结构力学构力学”和“现代结构力学现代结构力学”。狭狭义义结结构构力力学学 其研究对象为由杆件所组成的体系。这种体系能承担外界荷载作用，并起传力骨架作用，又称为经经经经典典典典结构力学结构力学结构力学结构力学。7/21/202421结构力学广广广广义义义义结结结结构构构构力力力力学学学学 其所研究的对象为可变形的物体。除可变形杆件组成的体系外，还包括可变形的连续体(平板、块体、壳体等)。现现现现代代代代结结结结构构构构力力力力学学学学 将工程项目从论证到设计，从施工到使用期内维护的整个过程作为大系统，研究大系统中的各种各样力学问题。显然其研究对象范围更广。我们将以狭义结构力学为主。我们将以狭义结构力学为主。7/21/202422结构力学学学 科科研研 究究 对对 象象研研究究任任务务理论力学理论力学质点、刚体质点、刚体物体机械运动的一般规律物体机械运动的一般规律材料力学材料力学单根杆件单根杆件 变形体的强度、刚度、稳定变形体的强度、刚度、稳定性和动力反应性和动力反应结构力学结构力学杆件结构杆件结构弹性力学弹性力学板壳、实体结构板壳、实体结构相关各力学课程的比较相关各力学课程的比较7/21/202423结构力学1-1-4 1-1-4 结构力学的任务及其研究手段结构力学的任务及其研究手段具体任务是：具体任务是：具体任务是：具体任务是：讨讨论论结结构构的的组组成成规规律律和和合合理理形形式式，以以及及结结构构 计算简图的合理选择。计算简图的合理选择。讨讨论论结结构构内内力力和和变变形形的的计计算算方方法法，以以便便进进行行 结构强度和刚度的验算。结构强度和刚度的验算。讨讨论论结结构构的的稳稳定定性性以以及及在在动动力力荷荷载载作作用用下下结结 构构的反应。的反应。7/21/202424结构力学结构力学问题的研究手段包含理论分析理论分析、实实验研究验研究和数值计算数值计算三个方面。实验研究方法的内容在实验力学和结构检验课程中讨论，理论分析和数值计算方面的内容在结构力学课程中讨论。7/21/202425结构力学1-1-5 1-1-5 结构力学结构力学基本假设基本假设线弹性假设1.结构体连续2.满足胡克定理3.外部作用撤消，则结构回复原无应力状态适用定理1.解的唯一性定理解的唯一性定理解的唯一性定理解的唯一性定理，即变形与外部作用力 之间有一一对应关系2.叠加原理叠加原理叠加原理叠加原理3.互等定理互等定理互等定理互等定理7/21/202426结构力学1-1-6 1-1-6 结构力学的学习方法结构力学的学习方法 学习时要注意结构力学与其他课程的联系。学习时要注意结构力学与其他课程的联系。学习时要注意理论联系实际。学习时要注意理论联系实际。学习时要注意分析方法与解题思路。学习时要注意分析方法与解题思路。学学习习时时要要注注意意多多练练。(作作业业要要整整洁洁、清清晰晰、严严谨谨）7/21/202427结构力学1-2 结构的计算简图及简化要点结构的计算简图及简化要点1-2-1 1-2-1 工程实例工程实例高层建筑、高层建筑、大型水利工程、大型水利工程、桥梁结构、桥梁结构、大跨结构大跨结构高耸结构、高耸结构、核电站结构、核电站结构、体育馆结构。体育馆结构。7/21/202428结构力学框架结构框架结构悬索桥（悬索）悬索桥（悬索）体育馆（板、壳结构）体育馆（板、壳结构）结构复杂7/21/202429结构力学上海杨浦斜拉桥 世界第一拱卢浦大桥 上海金茂大厦 结构复杂7/21/202430结构力学1-2-2 1-2-2 结构计算简图的概念结构计算简图的概念实实际际工工程程是是很很复复杂杂的的，如如果果不不作作任任何何简简化化，分分析析计计算算将将十十分分困困难难。因因此此，在在分分析析计计算算之之前前，先先要要完成力学建模，得到结构计算简图的工作。完成力学建模，得到结构计算简图的工作。7/21/202431结构力学力力力力学学学学建建建建模模模模 利利用用力力学学知知识识、结结构构知知识识和和工工程程实实践践经经验验，经经过过科科学学的的抽抽象象，并并根根据据实实际际受受力力、变变形形规规律律等等主主要要因因素素，对对实实际际结构进行合理的简化。结构进行合理的简化。计计计计算算算算简简简简图图图图 用用以以代代替替实实际际结结构构的的，可可以以用用于于分分析析计算的简化图形。计算的简化图形。7/21/202432结构力学确定计算简图的原则确定计算简图的原则确定计算简图的原则确定计算简图的原则尽尽尽尽可可可可能能能能符符符符合合合合实实实实际际际际 计算简图应尽可能反映实际结构的受力、变形等特性。尽尽尽尽可可可可能能能能简简简简单单单单 忽略次要因素，尽量使分析过程简单。7/21/202433结构力学1-2-3 1-2-3 结构体系的简化结构体系的简化 一般结构实际上都是空间结构，各部分相互连接成为一个空间整体，以承受各个方向可能出现的荷载。但在多数情况下，常可以忽略一些次要的空间约束而将实际结构分解为平面结构，使计算得以简化。本课程主要讨论平面结构的计算问题。本课程主要讨论平面结构的计算问题。本课程主要讨论平面结构的计算问题。本课程主要讨论平面结构的计算问题。7/21/202434结构力学1-2-4 1-2-4 杆件的简化杆件的简化在计算简图中，结构的杆杆杆杆件件件件就可抽象化地用轴线轴线轴线轴线来表示。7/21/202435结构力学1-2-5 1-2-5 结点的简化及分类结点的简化及分类结点结点结点结点 (Joint)(Joint)杆件的交汇点。杆件的交汇点。杆件的交汇点。杆件的交汇点。结点可分为铰结点铰结点、刚结点刚结点和组合结点组合结点。铰铰铰铰结结结结点点点点 (Hinge(Hinge joint)joint)各杆件在此点互不分离，但可以相对转动，因此相互间作用为力。(a)铰结点A7/21/202436结构力学组组组组合合合合结结结结点点点点 (C(Composite omposite jointjoint)各杆件在此点不能相对移动，部分(但非全部)杆件间还不能相对转动，即部分杆件之间属铰结点，另部分杆件之间属刚结点。(c)组合结点A刚刚刚刚结结结结点点点点 (R(Rigid igid jointjoint)各杆件在此点既不能相对移动，也不能相对转动，(保持夹角不变)，因此相互间作用除力以外还有力偶。(b)刚结点A 图图图图 1-51-57/21/202437结构力学1-2-6 1-2-6 支座的简化及分类支座的简化及分类理论力学中已经引入了支座的计算简图，现归纳、补充如下：支座是将结构和基础联系起来的装置，其作用是将结构固定在基础上，并将结构上的荷载传递到基础和地基。支座对结构的约束力称为支座反力，支座反力总是沿着它所限制的位移方向。7/21/202438结构力学固定铰支座固定铰支座限制各方向位移，但不限制转动，限制各方向位移，但不限制转动，其反力可用沿坐标的分量表示。其反力可用沿坐标的分量表示。xyA 图图图图1-61-6 平面固定铰支座及反力平面固定铰支座及反力yx7/21/202439结构力学可动铰支座（滚轴支座）可动铰支座（滚轴支座）限制某些方向位移，但不限制转动，其反力限制某些方向位移，但不限制转动，其反力沿所限制的位移方向。沿所限制的位移方向。xyA可动铰支座及反力可动铰支座及反力可动铰支座及反力可动铰支座及反力 图图图图1-71-7xyA用于大型钢桥7/21/202440结构力学固定端固定端(固定支座固定支座)限限制制全全部部位位移移(移移动动和和转转动动)，其其反反力力用用沿沿坐标的分量和力偶来表示。坐标的分量和力偶来表示。yxAxAy平面固定端支座及反力平面固定端支座及反力 图图图图1-81-8xyA7/21/202441结构力学定向支座定向支座限限制制某某些些方方向向的的位位移移和和转转动动，而而允允许许某某一一方方向向产产生生位位移移，其其反反力力除除所所限限制制位位移移方方向向力力外外，还有支座反力偶。还有支座反力偶。xyAxyA 图图图图1-91-9定向支座及反力定向支座及反力7/21/202442结构力学沥青麻刀填充FxFy铰支座细石混凝土填充FxFyM固定端支座补充说明：补充说明：7/21/202443结构力学Y滚轴支座用于大型钢桥:用于中、小型结构:7/21/202444结构力学 在土木水利工程中结构所用的建筑材料通常为钢、混凝土、砖、石、木料等。在结构计算中，为了简化，对组成各构件的材料一般都假设为连续的连续的连续的连续的、均匀的均匀的均匀的均匀的、各向同性的各向同性的各向同性的各向同性的、完完完完全弹性或弹塑性的全弹性或弹塑性的全弹性或弹塑性的全弹性或弹塑性的。1-2-7 1-2-7 材料性质的简化材料性质的简化7/21/202445结构力学1-2-8 1-2-8 荷载的简化荷载的简化 结构承受的荷载可分为体积力和表面力两大类。在杆件结构中把杆件简化为轴线，因此不管是体积力还是表面力都可以简化为作用在杆件轴线上的力。荷载按其分布情况可简化为集中荷载集中荷载和分布荷分布荷载载。7/21/202446结构力学l结构的计算简图举例例例1：7/21/202447结构力学例例2：7/21/202448结构力学例例3：7/21/202449结构力学细石混凝土填充 7/21/202450结构力学P横向荷载下PPPPP纵向荷载下QQQ例例4：7/21/202451结构力学1-3 杆件结构的分类杆件结构的分类所所谓谓杆杆系系结结构构是是指指由由杆杆件件所所组组成成的的结结构构。所所有有杆杆件件与与荷荷载载位位于于同同平平面面时时为为平平面面结结构构，否否则则为为空空间间结构，我们结构，我们只讨论平面结构只讨论平面结构只讨论平面结构只讨论平面结构。7/21/202452结构力学梁梁梁梁 (beam)(beam)杆轴共线或虽为曲杆但主要受弯的结构，前者为直梁，后者为曲梁，其计算简图如图所示(a)(b)(c)(d)图图图图1-101-10梁梁(e)7/21/202453结构力学拱拱拱拱 (arch)(arch)由曲线组成，仅在竖向荷载作用下产生水平推力的结构，其计算简图如图所示。图图图图1-111-11拱拱7/21/202454结构力学桁桁桁桁架架架架 (truss)(truss)由等截面直杆理想铰结形成，仅在结点处受荷载作用的结构，其计算简图如图所示，其各杆仅受轴力作用(二力杆)称桁架杆。图图图图1-121-12桁架桁架7/21/202455结构力学刚刚刚刚架架架架 (frame)(frame)由等截面直杆刚结、部分组合结点连接而成的结构，刚架中的杆件主要承受弯曲变形，其计算简图如图所示(a)(b)(d)(c)图图图图1-131-13刚架刚架7/21/202456结构力学组组组组合合合合结结结结构构构构 (composite(composite structure)structure)部分杆件属桁架杆，另一部分杆又属于弯曲杆，其计算简图如图所示。(a)(b)(c)(d)图图图图1-141-14组合结构组合结构7/21/202457结构力学1-4 荷载的分类荷载的分类按作用时间的久暂可分为按作用时间的久暂可分为:1、恒恒载载(dead load)：长长期期作作用用于于结结构构上上且且各各个个因因素都不改变的荷载。素都不改变的荷载。2、活活载载(live load)：在在施施工工和和使使用用期期间间可可能能存存在在的的可可变变的的荷荷载载。活活载载又又可可分分为为移移移移动动动动活活活活载载载载(moving(moving load)load)和和可可可可动动动动活活活活载载载载(也也也也称称称称短短短短期期期期荷荷荷荷载载载载short short load)load)两两类类。汽汽车车荷荷载载吊吊车车荷荷载载都都属属移移动动荷荷载载，而而人人群群、风风、雪等活载则属可动活荷载。雪等活载则属可动活荷载。7/21/202458结构力学按作用位置是否改变可分为：按作用位置是否改变可分为：1、固定荷载、固定荷载(fixed load)：作用位置固定不变。：作用位置固定不变。2、移动荷载、移动荷载(moving load)：作用位置是移动的。：作用位置是移动的。按作用性质可分为：按作用性质可分为：1、静静力力荷荷载载(static load)：大大小小、方方向向和和位位置置不不随随时间变化时间变化或变化极其缓慢。或变化极其缓慢。2、动动力力荷荷载载(dynamic load)：随随时时间间迅迅速速变变化化或或在在短时间内突发荷载。短时间内突发荷载。7/21/202459结构力学