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1、建筑力學,第一章：緒論,第1章 教學目標,了解建筑力學的基本概念 了解桿件變形的基本形式 了解靜力學的基本公理 了解建筑力學的研究任務 重點掌握對物體進行的受力分析,教學要求,,引言：建筑力學的任務是研究結構的幾何組成規(guī)律，以及在荷載作用下結構和構件的強度、剛度和穩(wěn)定性問題。其目的是保證結構按設計要求正常工作，并充分發(fā)揮材料的性能，使設計的結構既安全可靠又經(jīng)濟合理。,1.1基本概念,1.結構 建筑物中承受荷載而起骨架作用的部分稱為結構。 2.構件 組成結構的各單獨部分稱為構件。 3.桿件 長度遠遠大于橫截面的高度和寬度的構件稱為桿件。 桿件是組成桿系結構的構件。 建筑力學的研究對象就是桿系
2、結構。 4.剛體 剛體是指在力的作用下不變形的物體，或者在力的作用下其內(nèi)任意兩點間的距離不變的物體。實際上，任何物體受力作用都發(fā)生或大或小的變形，但在一些力學問題中，物體變形這一因素與所研究的問題無關，或?qū)λ芯康膯栴}影響甚微，這時，就可將物體視為剛體，從而使問題得到簡化。 5.變形固體,,（1）變性固體的概念 自然界中的任何物體在外力作用下，都要或大或小地產(chǎn)生變形。由于固體的可變形性質(zhì)，所以又稱為變形固體。嚴格地講，自然界中的一切固體均屬變形固體。 在建筑力系中，通常將物體抽象化為兩種計算模型，即剛體模型和理想變形固體模型。在一些力系問題中，變形與所研究的問題無關，或?qū)λ芯康膯栴}影響很小，
3、這時，我們就可以不考慮物體的變形，將物體視為剛體，從而使所研究的問題得到簡化。比如，在第2章中，我們研究的是物體在外力作用下的平衡問題，那么，就可以將物體看做是剛體。在另一些力系問題中，物體的變形是不可以忽略的主要因素，如不予考慮就得不到問題的正確解答。這時，我們將物體視為變形固體。從第3章開始，我們研究的物體都是變形固體了。,,2）變形固體的基本假設 a. 連續(xù)性假設 連續(xù)性是指材料內(nèi)部沒有空隙。 b. 均勻性假設 均勻性是指材料的力系性質(zhì)各處都相同。 c. 各向同性假設 認為材料沿不同的方向具有相同的力學性質(zhì)。 按照連續(xù)均勻、各向同性假設而理想化了的變形固體成為理想變形固體。采用理想變
4、形固體模型不但使理論分析和計算得到簡化，而且計算所得的結果，在大多數(shù)情況下能滿足工程精度要求。 工程中大多數(shù)構件在荷載作用下，其幾何尺寸的改變量與構件本身的尺寸相比都很微小，稱這類變形為“小變形”。由于變形很微小，所以在研究構件的平衡、運動等問題時，可忽略其變形，采用構件變形前的原始尺寸進行計算，從而使計算大為簡化。在材料力學中，是把實際材料看作均勻、連續(xù)、各向同性的可變形固體，且在大多數(shù)情況下局限在彈性變形范圍內(nèi)和小變形條件下進行研究。,,6.力的概念 力是物體間的相互作用，這種相互作用可以使物體的運動狀態(tài)或形狀發(fā)生改變。在我們的生產(chǎn)和生活中隨處可見，例如物體的重力、摩擦力、水的壓力等，人們
5、對力的認識從感性認識到理性認識形成力的抽象概念。 描述力對物體的作用效應由力的三要素來決定，即力的大小、力的方向和力的作用點。力的單位是牛頓(，簡稱牛)或者千牛頓(，簡稱千牛)，1N=1kg.m/s2, 1=103。 由力的三要素可知，力是矢量，記作，本教材中的粗體均表示矢量。 力系是作用在物體上的一組力。,,7.荷載 一般把結構所承受的力稱為外力，或稱為荷載，如風、雪、自重、水壓力、牽引力等，通常它們都是已知的力。按照荷載的作用范圍可將荷載分為集中荷載、分布荷載和集中力偶，可分別表示為、和。 8.力系的簡化 作用在物體上的一組力稱為力系，如果兩個力系使剛體產(chǎn)生相同的運動狀態(tài)，稱這兩個力系互為
6、等效力系，用一個簡單力系等效地代替一個復雜力系的過程稱為力系的簡化，若一個力與一個力系等效，則將這個力稱為該力系的合力，力系中的各力稱為此合力的分力。,,9.力系的平衡 平衡是指物體相對地面(慣性坐標系)保持靜止或作勻速直線運動的狀態(tài)，它是機械運動的特例。物體保持平衡狀態(tài)所應滿足的條件稱為平衡條件，它是求解物體平衡問題的關鍵，是靜力學的核心，也是本書學習的重點。,1.2 基本公理,靜力學公理是指人們在生產(chǎn)和生活實踐中長期積累和總結出來并通過實踐反復驗證的具有一般規(guī)律的定理和定律。它是靜力學的理論基礎，并且無需證明。常見的公理有： 公理1：力的平行四邊形法則 作用在物體上同一點的兩個力，可以合成
7、為一個合力，此合力的大小和方向由此二力矢量所構成的平行四邊形對角線來確定，合力的作用點仍在該點。如圖1.2(a)所示，為和的合力，即合力等于兩個分力的矢量和。 (1-1),,也可采用三角形法則確定合力，即二力依次首尾相接，其三角形的封閉邊即為該二力的合力，如圖1.2(b)所示。力的平行四邊形法則或三角形法則是最簡單的力系簡化法則，同時此法則也是力的分解法則。,公理2：二力平衡原理,,,,應當指出，三力平衡匯交定理的條件是必要條件，不是充分條件。同時它也是確定力的作用線的方法之一，即若剛體在三個力的作用下處于平衡，若已知其中兩個力的作用線匯交于一點，則第三力的作用點與該匯交點的連線
8、為第三個力的作用線，其指向再由二力平衡定理來確定。,,1.3 物體的受力分析,從運動的角度將所研究的物體分為兩類：一類是物體的運動不受它周圍物體的限制，這樣的物體稱為自由體，例如飛行中的飛機、炮彈、衛(wèi)星等，另一類是物體的運動受到它周圍物體的限制，這樣的物體稱為非自由體，例如建筑結構中的水平梁受到支撐它的柱子的限制，火車只能在軌道上行駛等。因此，我們將限制非自由體某種運動的周圍物體稱為約束，如上述的柱子是水平梁的約束，軌道是火車的約束。約束是通過直接接觸實現(xiàn)的，當物體沿著約束所能阻止的運動方向有運動或運動趨勢時，對它形成約束的物體必有能阻止其運動的力作用于它，這種力稱為該物體的約束力，即約束力是
9、約束對物體的作用，約束力的方向恒與約束所能阻止的運動方向相反。事實上約束力是一種被動力，與之相對應的力是主動力，即主動地使物體有運動或有運動趨勢的力稱為主動力，例如重力、拉力、牽引力等。 工程中大部分研究對象都是非自由體，它們所受的約束是多種多樣的，其約束力的形式也是多種多樣的，因此在建筑力學中，將物體所受約束的主要性質(zhì)保留，忽略次要因素，得到下面幾種工程中常見的約束及約束反力或約束力。,1.3.1約束及約束反力,2柔體約束,,,,,,,,1.3.2. 結構計算簡圖,1.結構的簡化 圖1.16（a）所示的單層廠房結構是一個空間結構。廠房的橫向是由柱子和屋架所組成的若干橫向單元。沿廠房的縱向，由
10、屋面板、吊車梁等構件將各橫向單元聯(lián)系起來。由于各橫向單元沿廠房縱向有規(guī)律地排列，且風、雪等荷載沿縱向均勻分布，因此，可以通過縱向柱距的中線，取出圖1.16（a）中陰影線部分作為一個計算單元（圖1.16（b））。將空間結構簡化為平面結構來計算。,,,,,,,1.3.3. 物體的受力分析及受力圖,在力學計算中，首先要分析物體受到哪些力的作用，每個力的作用位置如何，力的方向如何，這個過程稱為對物體進行受力分析，將所分析的全部外力和約束反力用圖形表示出來稱為受力圖。 正確地對物體進行受力分析和畫受力圖是力學計算的前提和關鍵，其步驟如下。,,a. 確定研究對象，將其從周圍物體中分離出來，并畫出其簡圖，稱
11、為畫分離體圖。研究對象可以是一個，也可以由幾個物體組成，但必須將它們的約束全部解除。 b. 畫出全部的主動力和約束力。主動力一般是已知的，故必須畫出，不能遺漏，約束力一般是未知的，要從解除約束處分析，不能憑空捏造。 c. 不畫內(nèi)力，只畫外力。內(nèi)力是研究對象內(nèi)部各物體之間的相互作用力，對研究對象的整體運動效應沒有影響，因此不畫。但外力必須畫出，一個也不能少，外力是研究對象以外的物體對該物體的作用，它包括作用在研究對象上全部的主動力和約束力，研究對象的運動效應取決于外力，與內(nèi)力無關，這一點初學者應當注意。 d. 要正確地分析物體間的作用力與反作用力，當作用力的方向一經(jīng)假定，反作用力的方向必須與之相
12、反。當畫由幾個物體組成的研究對象時，物體間的相互作用力是內(nèi)力，且成對出現(xiàn)，組成平衡力系，因此也不需畫內(nèi)力，若想分析物體間的相互作用力必須將其分離出來，單獨畫受力圖，內(nèi)力就變成了外力。,,【例1.1】 重為P的混凝土圓管，放在光滑的斜面上，并在A處用繩索拉住，如圖1.22(a)所示，試畫出混凝土圓管的受力圖。,,,,,,,1.4 桿件變形的基本形式,工程中的桿件所受的外力是多種多樣的，因此，桿的變形也是各種各樣的，但桿件變形的基本形式總不外乎以下四種： 1.軸向拉伸或壓縮變形 在一對方向相反、作用線與桿軸線重合的外力作用下，桿件的主要變形是長度的改變。這種變形形式稱為軸向拉伸（圖1.25a）或軸
13、向壓縮（圖1.25b）。 2.剪切變形 在一對相距很近、大小相等、方向相反的橫向外力作用下，桿件的橫截面 將沿外力作用方向發(fā)生錯動（圖1.25c）。這種變形形式稱為剪切。,,,3扭轉變形 在一對轉向相反、作用面垂直于桿軸線的外力偶作用下，桿的任意二橫截面將發(fā)生相對轉動，而軸線仍維持直線。這種變形形式稱為扭轉（圖1.3d）。 4.彎曲變形 在一對轉向相反、作用面在桿件的縱向平面（即包含桿軸線在內(nèi)的平面）內(nèi)的外力偶作用下，桿件將在縱向平面內(nèi)發(fā)生彎曲。這種變形形式稱為彎曲（圖1.3e）。 工程實際中的桿件可能同時承受不同形式的外力，常常同時發(fā)生兩種或兩種以上的基本變形，這種變形情況稱為組合變形。本書
14、將先分別討論桿件的每一種基本變形，然后再分析比較復雜的組合變形問題,1.5 建筑力學的研究任務,任何建筑物或機器設備都是由若干構件或零件組成的。建筑物和機器設備在正常工作的情況下，組成它們的各個構件通常都受到各種外力的作用。例如，房屋中的梁要承受樓板傳給它的重量、軋鋼機受到鋼坯變形時的阻力等。 要想使建筑物和機器設備正常地工作，就必須保證組成它們的每一個構件在荷載作用下都能正常地工作，這樣才能保證整個建筑物或機械的正常工作。為了保證構件正常安全地工作，對所設計的構件在力學上有一定的要求，這里歸納為如下三點。,1.強度要求,強度是指材料或構件抵抗破壞的能力。材料強度高，是指這種材料比較堅固，不易
15、破壞；材料強度低，則是指這種材料不夠堅固，較易破壞。在一定荷載作用下，如果構件的尺寸、材料的性能與所受的荷載不相適應，如機器中傳動軸的直徑太小，起吊貨物的繩索過細，當傳遞的功率較大、貨物過重時，就可能因強度不夠而發(fā)生斷裂，使機器無法正常工作，甚至造成災難性的事故，顯然這是工程上絕不允許的。,2.剛度要求,剛度是指構件抵抗變形的能力。構件的剛度大，是指構件在荷載作用下不易變形，即抵抗變形的能力大；是指構件在荷載作用下，較易變形，即抵抗變形的能力小。任何物體在外力作用下，都要產(chǎn)生不同程度的變形。在工程中，即使構件強度足夠，如果變形過大，也會影響其正常工作。例如，樓板梁在荷載作用下產(chǎn)生的變形過大，下
16、面的抹灰層就會開裂、脫落；車床主軸變形過大，則影響加工精度，破壞齒輪的正常嚙合，引起軸承的不均勻磨損，從而造成機器不能正常工作。因此，在工程中，根據(jù)不同的用途，使構件在荷載作用下產(chǎn)生的變形不能超過一定的范圍，即要求構件具有一定的剛度。,3.穩(wěn)定性要求,受壓的細長桿和薄壁構件，當荷載增加時，還可能出現(xiàn)突然失去初始平衡形態(tài)的現(xiàn)象，稱為喪失穩(wěn)定，簡稱失穩(wěn)。例如，房屋中受壓柱如果是細長的，當壓力超過一定限度后，就有可能顯著地變彎，甚至彎曲折斷，由此釀成嚴重事故。因此，細長的受壓構件，必須保證其具有足夠的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性要求就是要求這類受壓構件不能喪失穩(wěn)定。 對結構進行強度、剛度和穩(wěn)定性計算就是建筑力學研
17、究的主要內(nèi)容和任務。,本 章 小 結,1. 基本概念 可變性固體及其基本假設是建筑力學中非常重要的概念，在后續(xù)各章中的許多分析與推導都是建立在這些假設基礎上的。 2. 靜力學基本公理 力的平行四邊形法則是力系簡化的基本原理，要重點學習。其余3個公理在平衡計算和受力分析中都經(jīng)常用到，要熟練運用。 3. 約束和約束力 約束是指限制非自由體某種運動的周圍物體，約束力是約束對物體的作用，約束力的方向恒與約束所能阻止的運動方向相反。學習時應熟練掌握光滑面接觸約束、柔體約束、光滑鉸鏈約束、鏈桿約束、軸承約束、球鉸鏈約束等。,本章小結,4. 物體受力分析 物體的受力圖是描述物體全部受力情況的計算簡圖，它是
18、力學計算和結構設計的重要前提。畫受力圖應明確研究對象(即畫分離體圖)，畫出全部的主動力和約束力，對于物體而言，當研究對象發(fā)生變化時，應注意外力和內(nèi)力的區(qū)別，內(nèi)力是不能畫在受力圖上的，對此應特別引起注意。 5. 桿件變形的基本形式 拉(壓)、剪切、扭轉和彎曲是桿件的基本變形形式，工程中有許多變形是復雜的，或者說是由這些基本變形疊加而成的，也就是組合變形。對桿件的基本變形學好了，后面的組合變形就不難了。 6. 建筑力學的研究任務 結構的強度性、剛度性和穩(wěn)定性是建筑力學研究的主要內(nèi)容，根據(jù)構件的受力特征，三方面內(nèi)容的研究有所側重。,思 考 題,習 題,1-1如圖1.26所示，畫出各圖中用字母標注的物體的受力圖，未畫重力的各物體其自重不計，所有接觸面均光滑。,,,1-2如圖1.27所示，畫出其中標注字母物體的受力圖及系統(tǒng)整體的受力圖，未畫重力的各物體其自重不計，所有接觸面均光滑接觸。,,,Thank You !,
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