杆件的简化结点的简化支座的简化荷载的简化课件

第一章 绪论1.1结构力学的研究对象和任务1.2杆件结构的计算简图 1.3平面杆件结构的分类 1.4结构上的荷载及其分类 第一章 绪论1.1结构力学的研究对象和任务1第一章 绪论 本章介绍结构的概念及其分类，结构力学的研究对象和任务，结构计算简图的概念，平面杆件结构的简化与分类，荷载的简化与分类。第一章 绪论 本章介绍结构的概念及其分类，结构21.1结构力学的任务1.1.1结构力学的研究对象 1.1.2结构力学的基本任务 1.1结构力学的任务1.1.1结构力学的研究对象 31.1.1结构力学的研究对象1、结构的概念 土木工程中的各类建筑物在使用过程中都要受到荷载的作用，在建筑物中承受和传递荷载而起骨架作用的部分或体系称为结构。最简单的结构可以是一根梁或一根柱。但往往一个结构是由多个简单结构所组成，这些简单结构又称为构件。1.1.1结构力学的研究对象1、结构的概念 41.1.1结构力学的研究对象 图1.1所示为由屋架、柱子、吊车梁、屋面板及基础等组成了工业厂房结构。图1.2所示为桥梁图1.1图1.21.1.1结构力学的研究对象 图1.1所示为由屋架、51.1.1结构力学的研究对象图1.2所示为桥梁，图1.3所示为蓄水池和图1.4所示为挡土墙等，都是结构的典型例子。图1.3图1.41.1.1结构力学的研究对象图1.2所示为桥梁，图1.361.1.1结构力学的研究对象2、结构的分类 工程中常见的结构按其几何特征可分为以下三类：(1)杆件结构由杆件组成的结构称为杆件结构。杆件的几何特征是它的长度远大于其横截面的宽度和高度。图1.5所示钢筋混凝土屋架就是一个杆件结构。图1.51.1.1结构力学的研究对象2、结构的分类 图1.571.1.1结构力学的研究对象2、结构的分类(2)板壳结构由薄板或薄壳组成的结构称为板壳结构。薄板和薄壳的几何特征是它们的长度和宽度远大于其厚度。当构件为平面状时称为薄板；当构件具有曲面状时称为薄壳。板壳结构也称为薄壁结构。图1.3所示蓄水池就是由平板和柱壳组成的板壳结构；图1.6(a)、(b)所示屋顶分别是三角形折板结构和长筒壳结构。图1.61.1.1结构力学的研究对象2、结构的分类 图1.681.1.1结构力学的研究对象2、结构的分类(3)实体结构如果结构的长、宽、高三个尺度为同一量级，则称为实体结构。例如挡土墙(图1.4)、堤坝和块形基础等都是实体结构。除了上面三类结构外，在工程中还会遇到悬索结构、充气结构等其他类型的结构。在土木工程中，杆件结构是应用最为广泛的结构形式。按照空间特征，杆件结构又可分为平面杆件结构和空间杆件结构两类。凡组成结构的所有杆件的轴线都位于同一平面内，并且荷载也作用于该平面内的结构，称为平面杆件结构。否则称为空间杆件结构。实际结构多属于空间的，但在计算时，根据其实际受力特点，有许多可简化为平面结构来处理(例如，图1.1中的厂房结构)。结构力学的主要研究对象是杆件结构。本书只限于研究平面杆件结构。1.1.1结构力学的研究对象2、结构的分类 91.1.2结构力学的基本任务 结构力学的基本任务包括以下两个方面：1)研究结构的几何组成规律和合理形式，以确保在预定荷载作用下，结构能维持其原有的几何形状。2)研究结构的内力和位移计算，以便对结构进行强度、刚度和稳定性计算。1.1.2结构力学的基本任务 结构力学的基本任务包括以下两个101.2杆件结构的计算简图杆件结构的计算简图 1.2.1结构的计算简图1.2.2平面杆件结构的简化1.2杆件结构的计算简图 1.2.1结构的计算简图111.2.1结构的计算简图工程中结构的实际构造比较复杂，其受力及变形情况也比较复杂，完全按照结构的实际工作状态进行分析往往是困难的。因此在进行力学计算前，必须先将实际结构加以简化，分清结构受力、变形的主次，抓住主要因素，忽略一些次要因素，将实际结构抽象为既能反映结构的实际受力和变形特点又便于计算的理想模型，称为结构的计算简图。本书后面所称的结构都是指其计算简图 1.2.1结构的计算简图工程中结构的实际构造比较复杂，其121.2.2平面杆件结构的简化 1.杆件的简化杆件的简化2.结点的简化结点的简化3.支座的简化支座的简化4.荷载的简化荷载的简化1.2.2平面杆件结构的简化 1.杆件的简化131.2.2平面杆件结构的简化 1.杆件的简化杆件的简化杆杆件件用用其其轴轴线线表表示示。直直杆杆简简化化为为直直线线；曲杆简化为曲线。曲杆简化为曲线。1.2.2平面杆件结构的简化 1.杆件的简化141.2.2平面杆件结构的简化 2.结点的简化结点的简化结构中各杆件间的相互联接处称为结点。结点可简化为以下两种基本类型：(1)铰结点铰结点铰结点的特征是所联各杆都可以绕结点自由转动，即在结点处各杆之间的夹角可以改变。例如，在图1.7(a)所示木结构的结点构造中，是用钢板和螺栓将各杆端联结起来的，各杆之间不能有相对移动，但允许有微小的相对转动，故可作为铰结点处理，其简图如图1.7(b)所示。图1.71.2.2平面杆件结构的简化 2.结点的简化图1.7151.2.2平面杆件结构的简化 2.结点的简化结点的简化(2)刚结点刚结点刚结点的特征是所联各杆不能绕结点作相对转动，即各杆之间的夹角在变形前后保持不变。例如图1.8(a)为钢筋混凝土结构的结点构造图，其简图如图1.8(b)所示。当一个结点同时具有以上两种结点的特征时，称为组合结点，即在结点处有些杆件为铰接，同时也有些杆件为刚性联接图1.9(a)、(b)。图1.8图1.91.2.2平面杆件结构的简化 2.结点的简化图1.8图1.161.2.2平面杆件结构的简化 3.支座的简化支座的简化把结构与基础或支承部分联接起来的装置称为支座。平面结构的支座根据其支承情况的不同可简化为活动铰支座、固定铰支座、固定端支座图1.10(a)、(b)、(c)和定向支座图1.11(a)。前三种支座在理论力学中已介绍过，此处不再赘述。图1.101.2.2平面杆件结构的简化 3.支座的简化图1.10171.2.2平面杆件结构的简化 3.支座的简化支座的简化定向支座能限制杆件的转动和垂直于支承面方向的移动，但允许杆件沿平行于支承面的方向移动。其支座反力为垂直于支承面的反力FN和反力偶矩M图1.11(b)。当支承面与杆轴线垂直时，定向支座的反力为水平方向图1.11(c)。图1.111.2.2平面杆件结构的简化 3.支座的简化图1.11181.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化荷载的简化作用于结构上的荷载通常简化为集中荷载和分布荷载。下面举例说明结构的简化过程和如何选取其计算简图。【例1.1】试选取图1.12(a)所示单层工业厂房的计算简图。【解】1)结构体系的简化。该单层工业厂房是由许多横向平面单元图1.12(b)，通过屋面板和吊车梁等纵向构件联系起来的空间结构。由于各个横向平面单元相同，且作用于结构上的荷载一般又是沿厂房纵向均匀分布的，因此作用于结构上的荷载可通过纵向构件分配到各个横向平面单元上。这样就可不考虑结构整体的空间作用，把一个空间结构简化为若干个彼此独立的平面结构来进行分析、计算。1.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化191.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化荷载的简化2)构件的简化。立柱因上下截面不同，可用粗细不同的两段轴线表示。屋架因其平面内刚度很大，可简化为一刚度为无限大的直杆。3)结点与支座的简化。屋架与柱顶通常采用螺栓联结或焊接，可视为铰结点。立柱下端与基础联结牢固，嵌入较深，可简化为固定端支座。4)荷载的简化。由吊车梁传到柱子上的压力，因吊车梁与牛腿接触面积较小，可用集中力F1、F2表示；屋面上的风荷载简化为作用于柱顶的一水平集中力F3；而柱子所受水平风力，可按平面单元负荷宽度简化为均布线荷载q。经过上述简化，即可得到厂房横向平面单元的计算简图，如图1.12(c)所示。1.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化201.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化荷载的简化 图1.121.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化图1.12211.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化荷载的简化【例1.2】图1.13(a)为一水利工程钢筋混凝土渡槽，试选取其计算简图。【解】在进行纵向计算时，可把槽身视为支承在支架上的简支梁，所受的荷载为均布的水重和自重，梁的截面为U形，计算简图如图1.13(b)所示。在进行横向计算时，则用两个垂直于纵向轴线的平面从槽身中截出单位长度的一段，计算简图为U形刚架，如图1.13(c)所示。所受荷载为水压力，底部的水压力为均匀分布，两侧则为三角形分布。由于每段槽身都是整个槽身的一部分，所以每段槽身上的竖向荷载靠整个槽身截面上的竖向剪力来支承，也就是靠该段渡槽的两侧截面内的竖向剪力来支承，图1.13(c)中的支座实际上代表两侧壁板的竖向剪力所起的支承作用。1.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化221.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化荷载的简化图1.131.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化图1.13231.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化荷载的简化选取较合理的结构计算简图，不仅需要有丰富的实践经验，还需要有较完备的力学知识，才能分析主、次要因素的相互关系，对于一些新型结构往往还需要借助模型试验和现场实测才能确定出较合理的计算简图。对于工程中一些常用的结构型式，其计算简图经实践证明都比较合理，因此可以直接采用。1.2.2平面杆件结构的简化 4.荷载的简化241.3平面杆件结构的分类平面杆件结构按其受力特征可分为以下几种类型：(1)梁梁梁是一种以弯曲变形为主的构件，其轴线通常为直线。梁可以是单跨的或多跨的(图1.14)。图1.141.3平面杆件结构的分类平面杆件结构按其受力特征可分为以251.3平面杆件结构的分类(2)刚架刚架是由直杆组成，其结点全部或部分为刚结点的结构(图1.15)。刚架各杆主要承受弯矩，也承受剪力和轴力。图1.151.3平面杆件结构的分类(2)刚架图1.15261.3平面杆件结构的分类(3)拱拱拱的轴线多为曲线，其特点是在竖向荷载作用下能产生水平支座反力(图1.16)。这种水平支座反力可减少拱横截面上的弯矩。图1.161.3平面杆件结构的分类(3)拱图1.16271.3平面杆件结构的分类(4)桁架桁架是由直杆组成，其所有结点都为铰结点的结构(图1.17)。在平面荷载作用下各杆主要产生轴力。图1.171.3平面杆件结构的分类(4)桁架图1.17281.3平面杆件结构的分类(5)组合结构组合结构 组合结构是由桁架和梁或刚架组合在一起而形成的结构(图1.18)。其特点是一部分杆件只承受轴力，而另一部分杆件则同时承受弯矩、剪力和轴力。图1.181.3平面杆件结构的分类(5)组合结构 图1.18291.4结构上的荷载及其分类主动作用于结构上的外力称为荷载。在进行结构计算之前，首先要确定结构所受的荷载。如果将荷载估计过大，则设计的结构会过于笨重，并造成浪费；反之，若将荷载估计过低，则设计的结构将不能保证安全。因此，荷载的确定在结构设计中是非常重要的工作。荷载按其不同特征可进行如下分类：1.4结构上的荷载及其分类主动作用于结构上的外力称为荷载301.4结构上的荷载及其分类1.按荷载作用时间的久暂分类按荷载作用时间的久暂分类1)恒载。恒载是指永久作用于结构上的荷载。如结构的自重以及固定在结构上的永久性设备的重力等。2)活载。活载是指施工或使用期间临时作用于结构上的荷载。如列车荷载、吊车荷载、人群的重力、风载、雪载等。1.4结构上的荷载及其分类1.按荷载作用时间的久暂分类311.4结构上的荷载及其分类2.按荷载作用的性质分类按荷载作用的性质分类1)静力荷载。静力荷载是指其大小、方向和作用位置不随时间变化或变化非常缓慢的荷载。在这样的荷载加载过程中，结构不引起明显的加速度，因此可以略去惯性力的影响。静力荷载又称静荷载。2)动力荷载。动力荷载是指其大小、方向可随时间迅速变化的荷载。这样的荷载在加载过程中将使结构产生显著的运动，因此需要考虑加速度和惯性力的影响。动力荷载又称动荷载。恒载和一些位置不变且加载速度比较缓慢的荷载可视为静力荷载。冲击荷载、突加荷载以及机器运动引起的荷载、地震时地面运动对建筑物引起的动力作用等都属于动力荷载的范围。1.4结构上的荷载及其分类2.按荷载作用的性质分类321.4结构上的荷载及其分类3.按荷载的分布范围分类按荷载的分布范围分类1)集中荷载。集中荷载是指其分布面积远小于结构尺寸的荷载。因此在分析、计算时可认为集中荷载是作用在结构的某一个点上。如汽车的轮压，可视为作用于桥梁上的集中荷载。2)分布荷载。分布荷载是指连续分布在结构上的荷载。当分布荷载在结构上均匀分布时，称为均布荷载；分布不均匀的，称为非均布荷载。如等截面梁的自重可视为均布荷载，而水对水池侧壁的压力则视为非均布荷载。1.4结构上的荷载及其分类3.按荷载的分布范围分类331.4结构上的荷载及其分类4.非荷外界因素非荷外界因素结构除了承受上述荷载作用外，还可能受到其他外界因素的影响，如温度的改变、支座的移动、材料的收缩等，这些非荷外界因素有可能使结构产生变形或内力。因此，在对结构进行分析、计算时，必须考虑这些因素对结构产生的影响。1.4结构上的荷载及其分类4.非荷外界因素34思考题1.1何为结构？结构可分为哪几类？结构力学的研究对象是哪类结构？1.2结构力学的基本任务是什么？1.3为什么要选取结构的计算简图？选取计算简图应遵循什么原则？1.4平面杆件结构从哪几个方面进行简化？1.5从受力和变形方面考虑，刚结点和铰结点各具有什么特点？1.6支座有几种形式？分别存在何种约束反力？1.7平面杆件结构可分为哪几种类型？1.8结构上的荷载分为哪几类？怎样理解非荷外界因素对结构的影响？思考题1.1何为结构？结构可分为哪几类？结构力学的研究对象35