00哈工大结构力学.pptx

土木工程学院土木工程学院结构力学学科组结构力学学科组HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 结构力学结构力学什么是结构力学什么是结构力学?The meaning of Structural Mechanics顾名思义，结构力学是研究顾名思义，结构力学是研究“结构结构”的的“力学力学”。力学力学研究结构合理形式及在研究结构合理形式及在外界条件作用下反应的外界条件作用下反应的规律性的学科。规律性的学科。结构结构用某种材料按一定方式用某种材料按一定方式组成旨在承受和传递荷组成旨在承受和传递荷载载荷的体系。载载荷的体系。IntroductionIntroduction2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院2/40由古至今远古人的穴居陋室远古人的穴居陋室现代太空站现代太空站人类为了生存和发展人类为了生存和发展建造了大量各式各样建造了大量各式各样的构筑物的构筑物2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院3/40人类活动的各个领域都有形形色色的结构人类活动的各个领域都有形形色色的结构商业大厦内景商业大厦内景公路大桥雄姿公路大桥雄姿静止的结构静止的结构2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院4/40直升机直升机 洲际客机洲际客机天上飞的结构天上飞的结构2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院5/40军车集锦军车集锦机车集锦机车集锦陆地跑的结构陆地跑的结构2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院6/40航空母舰航空母舰巡洋舰巡洋舰水上游的结构水上游的结构2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院7/40娱乐设施的结构娱乐设施的结构旋转车旋转车过山车过山车2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院8/40 结构无所不在结构无所不在结构无所不在结构无所不在2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院9/40物体的存在并不是为了受力，而是为了发挥某种物体的存在并不是为了受力，而是为了发挥某种“功能功能”（Function）。）。飞机要在蓝天翱翔飞机要在蓝天翱翔 汽车要在大地奔驰汽车要在大地奔驰 轮船要在海洋游弋轮船要在海洋游弋为了发挥它的功能，它们必须经受外力和内力，为了发挥它的功能，它们必须经受外力和内力，因此它们又必须是因此它们又必须是“结构结构”。结构由于受力过大而无法继续发挥功能时，就称为结构由于受力过大而无法继续发挥功能时，就称为“失效失效”(Faliure)，如果结构在预期的工作条件，如果结构在预期的工作条件下，正常使用，它就是具备下，正常使用，它就是具备“安全性安全性”(Safety)的的结构。结构。为了防止结构失效，保证其为了防止结构失效，保证其安全性就要研究结构力学！安全性就要研究结构力学！2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院10/40结构的受力特性和承载能力结构的受力特性和承载能力与结构的几何特征密切相关与结构的几何特征密切相关0-1 0-1 结构的分类结构的分类杆系结构杆系结构(structure of bar system)：构件的横截面尺寸构件的横截面尺寸长度尺寸；长度尺寸；板壳结构板壳结构(plate and shell structure)：构件的厚度构件的厚度表面尺寸表面尺寸；实体结构实体结构(massive structure)：结构的长、宽、厚三个尺寸相仿。结构的长、宽、厚三个尺寸相仿。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院11/400-2 0-2 结构力学的任务结构力学的任务控制控制通过控制理论和控制技术，智能化通过控制理论和控制技术，智能化地抵御外界作用下的结构反应。地抵御外界作用下的结构反应。分析分析结构在外因作用下的反应。通过分结构在外因作用下的反应。通过分析使设计的结构既经济合理，又安析使设计的结构既经济合理，又安全可靠。全可靠。识别识别通过系统的反馈信息，确定体系内通过系统的反馈信息，确定体系内在实质（系统识别）或外界作用在实质（系统识别）或外界作用（荷载识别）。（荷载识别）。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院12/40基本任务基本任务1.1.研究结构的研究结构的组成规律组成规律和和合理形式合理形式以及以及计算简图计算简图的合理选择；的合理选择；组成规律：组成规律：保证结构各部分之间不能发生相对保证结构各部分之间不能发生相对运动，以承担预定的荷载；运动，以承担预定的荷载；合理形式合理形式：为了充分发挥结构的性能，更有效：为了充分发挥结构的性能，更有效地利用材料，以达到安全、经济的地利用材料，以达到安全、经济的目的；目的；计算简图：计算简图：将实际结构变成理论模型将实际结构变成理论模型（Structural idealization)，便于研究和讨论。，便于研究和讨论。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院13/402.2.讨论结构内力和变形的计算原理和计算方法讨论结构内力和变形的计算原理和计算方法内力计算内力计算是为了保证结构强度和稳定性，使结是为了保证结构强度和稳定性，使结构安全经济；构安全经济；变形计算变形计算是为了保证结构不发生过大位移，满是为了保证结构不发生过大位移，满足使用要求足使用要求3.3.讨论结构的稳定性及在动荷载作用下的结构反讨论结构的稳定性及在动荷载作用下的结构反应规律，利用控制理论寻找恰当的控制方法。应规律，利用控制理论寻找恰当的控制方法。研研究究结结构构在在外外界界因因素素(如如荷荷载载、温温度度变变化化及及支支座座移移动动)的的影影响响下下，结结构构的的反反力力、内内力力和和位位移移的的计计算原理和方法。为结构设计提供理论依据。算原理和方法。为结构设计提供理论依据。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院14/40研究手段研究手段1.1.理论分析理论分析2.2.实验研究实验研究3.3.数值计算数值计算首先把实际结构简化为计算首先把实际结构简化为计算简图，再对计算简图进行理简图，再对计算简图进行理论分析。论分析。结构力学分析要综合考虑三个方面的条件：结构力学分析要综合考虑三个方面的条件：1.1.力系的平衡条件好运动条件；力系的平衡条件好运动条件；2.2.变形的几何连续条件；变形的几何连续条件；3.3.应力应力-应变间的物理条件。应变间的物理条件。将三个条件根据不同的具体情况结合起来就可以得将三个条件根据不同的具体情况结合起来就可以得到不同的计算方法。到不同的计算方法。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院15/40本课与其它课程的关系本课与其它课程的关系高等数学高等数学 作为分析工具作为分析工具理论力学理论力学 着重讨论物体的机械运动着重讨论物体的机械运动材料力学材料力学 以单杆作为对象，讨论应力以单杆作为对象，讨论应力-应变关系应变关系弹性力学弹性力学 以实体和板壳结构为研究对象以实体和板壳结构为研究对象结结构构力力学学 重重点点研研究究杆杆系系结结构构，它它为为钢钢混混结结构构、钢钢木木结结构构，水水工工结结构构和和桥桥梁梁结结构构等等专专业课提供力学基础和设计依据。业课提供力学基础和设计依据。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院16/40基本要求：基本要求：(1).注意与理论力学和材料力学的联系注意与理论力学和材料力学的联系(2).注意理论联系实际注意理论联系实际(3).注意分析方法和计算能力的培养注意分析方法和计算能力的培养(4).注意多练，认真做好作业，不盲目注意多练，认真做好作业，不盲目(5).注意自学能力的培养注意自学能力的培养2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院17/400-3 0-3 计算简图计算简图计算工程实际问题的过程计算工程实际问题的过程:力学模型的合理性直接决定计算结果的正确性，力学模型的合理性直接决定计算结果的正确性，因此因此模型的概念模型的概念和和建立力学模型的思想建立力学模型的思想是学习的一是学习的一个重点。计算简图的选用需要较深厚的力学概念，个重点。计算简图的选用需要较深厚的力学概念，并与工程实践相结合，以及实践的检验。需要通过并与工程实践相结合，以及实践的检验。需要通过物体间的接触与联接方式的简化来体会建模思想和物体间的接触与联接方式的简化来体会建模思想和建模过程。建模过程。实际对象实际对象 力学模型力学模型 数学模型数学模型 计算计算2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院18/40计算简图计算简图(computing model of structure)为了结构计算，需要对实际结构进行一些为了结构计算，需要对实际结构进行一些简化和假设，略去某些次要因素，保留其简化和假设，略去某些次要因素，保留其主要受力特征和变形特点，以简化图形代主要受力特征和变形特点，以简化图形代替实际结构，该图形称为替实际结构，该图形称为计算简图计算简图。选取结构的计算简图必要性、重要性：选取结构的计算简图必要性、重要性：实际结构错综复杂，面面俱到困难重重。实际结构错综复杂，面面俱到困难重重。适当简化合理选型，存本去末关键一环。适当简化合理选型，存本去末关键一环。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院19/40能反映结构的实际受力特点，保证计算精度和可靠性。能反映结构的实际受力特点，保证计算精度和可靠性。忽略次要因素，使计算切实可行。忽略次要因素，使计算切实可行。选取结构的计算简图的原则：选取结构的计算简图的原则：计算简图要它能反映工程结构物的如下特征：计算简图要它能反映工程结构物的如下特征：1 1受力特性（受力特性（荷载的大小、方向、作用位置荷载的大小、方向、作用位置）2 2几何特性（几何特性（构件的轴线、形状、长度构件的轴线、形状、长度）3 3支承特性（支承特性（支座的约束反力性质、杆件连接形式支座的约束反力性质、杆件连接形式）2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院20/40影响计算简图选取的主要因素影响计算简图选取的主要因素：结构性质结构性质 ：次要结构次要结构粗；重要结构粗；重要结构精；精；设计阶段设计阶段：初步设计初步设计粗；技术设计粗；技术设计精；精；计算性质计算性质：动力计算动力计算粗；静力计算粗；静力计算精；精；计算工具计算工具：简陋简陋粗；粗；先进先进精。精。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院21/40结构(Structure)简化：一般结构实际上都是空间结构，一般结构实际上都是空间结构，各部相连成为一空间整体，以承受各方向可能出现的各部相连成为一空间整体，以承受各方向可能出现的荷载。在多数情况下，常忽略一些次要的空间约束，荷载。在多数情况下，常忽略一些次要的空间约束，而将实际结构分解为平面结构。而将实际结构分解为平面结构。结构简化的几个主要方面结构简化的几个主要方面2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院22/40单层工业厂房单层工业厂房取一榀计算，并化为平面体系。取一榀计算，并化为平面体系。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院23/40杆件(Bar)简化：由杆的特征，截面应力可根据截面由杆的特征，截面应力可根据截面内力确定，而内力只沿杆长方向变化，因此杆的简图可用轴内力确定，而内力只沿杆长方向变化，因此杆的简图可用轴线代替。杆件连接点用结点表示；杆长用结点间的距离表示；线代替。杆件连接点用结点表示；杆长用结点间的距离表示；荷载作用点移到轴线上。荷载作用点移到轴线上。FP2FP12024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院24/40连接(Joints)简化：杆件间的连接区按约束程度简化成杆件间的连接区按约束程度简化成理想模型理想模型l铰铰 结结 点点 被连接的杆件在连接处不能移动但可转被连接的杆件在连接处不能移动但可转动。即可以传递力，但不能传递力矩动。即可以传递力，但不能传递力矩(桁架结构示意桁架结构示意)铰结点铰结点(Hinge Joints)2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院25/40l组合结点组合结点 被连接的杆件在连接处不能移动但部分被连接的杆件在连接处不能移动但部分杆可转动。杆可转动。l刚刚 结结 点点 被连接的杆件在连接区不能移动亦不可相被连接的杆件在连接区不能移动亦不可相对转动。即可以传递力，也可以传递力矩。对转动。即可以传递力，也可以传递力矩。刚结点刚结点(Rigid joints)2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院26/40支座(Supports)简化:结构与基础相联结的部分称支座，结构与基础相联结的部分称支座，结构所受荷载通过支座传递到基础和地基。结构所受荷载通过支座传递到基础和地基。可动铰支座可动铰支座可动铰支座可动铰支座(Roller supportRoller support)Fy2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院27/40固定铰支座固定铰支座固定铰支座固定铰支座(hinge supporthinge support)FyFx2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院28/40滑动支座滑动支座滑动支座滑动支座(定向支座定向支座定向支座定向支座)(guide supportguide support)FyM2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院29/40固定端支座固定端支座固定端支座固定端支座(fixed supportfixed support)细石混凝土填充细石混凝土填充FyMFx2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院30/40实际工程中，支承部实际工程中，支承部分有一定的弹性。在分有一定的弹性。在外荷载作用下支座产外荷载作用下支座产生变形，从而影响结生变形，从而影响结构的内力和变形，其构的内力和变形，其反力与结构支承端相反力与结构支承端相应的位移成正比应的位移成正比 弹性支座弹性支座弹性支座弹性支座(elastic support)(elastic support)2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院31/40 荷载(Loads)简化:荷载简化为作用在杆件轴线上。荷载简化为作用在杆件轴线上。作用面积不大：按集中荷载考虑；作用面积不大：按集中荷载考虑；作用面积较大：按分布荷载考虑；作用面积较大：按分布荷载考虑；相联作用给予的反作用力：力偶荷载；相联作用给予的反作用力：力偶荷载；最后化成三大作用：最后化成三大作用：线荷载线荷载、集中荷载集中荷载及及力偶荷载力偶荷载 材料(Materials)简化:将结构材料视为连续、均匀、各向同性、线弹性将结构材料视为连续、均匀、各向同性、线弹性或理想弹塑性、小变形。或理想弹塑性、小变形。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院32/40 1.1.梁梁(beam)实际是对计算简图进行分类，按结构的实际是对计算简图进行分类，按结构的受力特性受力特性和和连接特征连接特征划分。划分。受弯构件。承受横向荷载受弯构件。承受横向荷载0-4 0-4 杆系结构的类型杆系结构的类型qFP2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院33/40 2.2.拱拱(arch)轴线为曲线，力学特轴线为曲线，力学特征是在竖向荷载作用征是在竖向荷载作用下支座产生水平推力下支座产生水平推力2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院34/40由若干两端为理想由若干两端为理想铰的直杆连接而成铰的直杆连接而成体系。体系。3.3.桁架桁架(truss)2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院35/404.4.刚架刚架(rigid frame)由梁柱组成，具有由梁柱组成，具有刚结点，主要受弯刚结点，主要受弯2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院36/40 5.5.组合结构组合结构(composite structure)兼有刚架和桁架的兼有刚架和桁架的组合体组合体2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院37/40能使结构产生内力或变形的因素，统称能使结构产生内力或变形的因素，统称荷载荷载(loads)进行结构计算前，确定荷载大小很关键：若估计进行结构计算前，确定荷载大小很关键：若估计过大，消耗材料，增加造价；若估计过小，无法过大，消耗材料，增加造价；若估计过小，无法保证结构的安全。要做到既经济又安全，同时满保证结构的安全。要做到既经济又安全，同时满足刚度、强度和稳定性的要求。足刚度、强度和稳定性的要求。0-4 0-4 荷载分类荷载分类狭义荷载狭义荷载：主动作用在结构上的外力。自重、风、：主动作用在结构上的外力。自重、风、地震地震广义荷载广义荷载：外力、温度改变、支座沉降、制造误：外力、温度改变、支座沉降、制造误差、材料的收缩及松驰等差、材料的收缩及松驰等2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院38/40恒载恒载（Dead loading）：长期作用于结构的不变荷载，长期作用于结构的不变荷载，包括包括:结构的自重和土压力；结构的自重和土压力；按作用时间久暂分为按作用时间久暂分为活载活载（Living loading）：建筑物施工和使用期间可能建筑物施工和使用期间可能存在的荷载，包括：风载、雪载、吊车荷载、存在的荷载，包括：风载、雪载、吊车荷载、屋面荷载屋面荷载按空间位置的变异分为按空间位置的变异分为固定荷载固定荷载（Fixed load）位置上固定分布，或作用位置上固定分布，或作用位置不变的荷载位置不变的荷载,包括包括:结构自重、固定设结构自重、固定设备等备等可动荷载可动荷载（Moving load）位置上一定范围内可以位置上一定范围内可以任意分布，或作用位置可以移动的荷载，任意分布，或作用位置可以移动的荷载，包括：人群荷载、吊车荷载等包括：人群荷载、吊车荷载等2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院39/40按作用性质分为按作用性质分为静力荷载静力荷载（Static loading）略去惯性力的影响，略去惯性力的影响，大小方向作用点不随时间变化或变化极为大小方向作用点不随时间变化或变化极为缓慢，无加速度。缓慢，无加速度。动力荷载动力荷载（Dynamic loading）使结构产生不容忽使结构产生不容忽视的加速度，冲击、振动。视的加速度，冲击、振动。按荷载规范分为按荷载规范分为荷载规范荷载规范 总结了设计经验和科研成果，供设计时用。总结了设计经验和科研成果，供设计时用。End主要荷载主要荷载：指结构在正常使用条件下经常作用着的荷指结构在正常使用条件下经常作用着的荷载，如结构自重、车辆荷载；载，如结构自重、车辆荷载；附加荷载附加荷载：指不经常作用的荷载，如风压力、温度变指不经常作用的荷载，如风压力、温度变化等化等 2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院40/40桥梁在列车荷载作用下不至于破坏和产生过大的变形。桥梁在列车荷载作用下不至于破坏和产生过大的变形。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院41/40水坝在水压力的作用不能崩溃。水坝在水压力的作用不能崩溃。2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院42/40挡土墙在侧面土的压力下要保证不滑动、不倾覆挡土墙在侧面土的压力下要保证不滑动、不倾覆,地地基土应有足够的承载力基土应有足够的承载力2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院43/402024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院44/402024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院45/402024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院46/403、结构计算简图1、将杆件用其轴线轴线取代2、将杆件与杆件的连接点用结点结点符号取代3、将结构与地基之间的联系用支座支座取代4、荷载简化2024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院47/402024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院48/402024/8/28周三哈工大哈工大 土木工程学院土木工程学院49/40