1、1第一章 绪 论1-1 结构力学的研究对象和任务一、结构的定义:由基本构件（如拉杆、柱、梁、板等）按照合理的方式所组成的构件的体系，用以支承荷载并传递荷载起支撑作用的部分。注：结构一般由多个构件联结而成，如：桥梁、各种房屋（框架、桁架、单层厂房）等。最简单的结构可以是单个的构件，如单跨梁、独立柱等。二、结构的分类：由构件的几何特征可分为以下三类1杆件结构由杆件组成，构件长度远远大于截面的宽度和高度，如梁、柱、拉压杆。 2薄壁结构结构的厚度远小于其它两个尺度，平面为板曲面为壳，如楼面、屋面等。3实体结构结构的三个尺度为同一量级，如挡土墙、堤坝、大块基础等。 三、课程研究的对象 材料力学以研究单个
2、杆件为主 弹性力学研究杆件（更精确） 、板、壳、及块体（挡土墙）等非杆状结构 结构力学 研究平面杆件结构四、课程的任务1研究结构的组成规律，以保证在荷载作用下结构各部分不致发生相对运动。探讨结构的合理形式，以便能有效地利用材料，充分发挥其性能。 2计算由荷载、温度变化、支座沉降等因素在结构各部分所产生的内力，为结构的强度计算提供依据，以保证结构满足安全和经济的要求。3计算由上述各因素所引起的变形和位移，为结构的刚度计算提供依据，以保证结构在使用过程中不致发生过大变形，从而保证结构满足耐久性的要求。1-2 结构计算简图一、计算简图的概念：将一个具体的工程结构用一个简化的受力图形来表示。选择计算简
3、图时，要它能反映工程结构物的如下特征：1受力特性（荷载的大小、方向、作用位置）2几何特性（构件的轴线、形状、长度）3支承特性（支座的约束反力性质、杆件连接形式）二、结构计算简图的简化原则1计算简图要尽可能反映实际结构的主要受力和变形特点，使计算结果安全可靠；2略去次要因素，便于分析和计算。三、结构计算简图的几个简化要点1实际工程结构的简化：由空间向平面简化2杆件的简化：以杆件的轴线代替杆件 23结点的简化：杆件之间的连接由理想结点来代替（1）铰结点：铰结点所连各杆端可独自绕铰心自由转动，即各杆端之间的夹角可任意改变。不存在结点对杆的转动约束，即由于转动在杆端不会产生力矩，也不会传递力矩，只能传
4、递轴力和剪力，一般用小圆圈表示。（2）刚结点：结点对与之相连的各杆件的转动有约束作用，转动时各杆间的夹角保持不变，杆端除产生轴力和剪力外，还产生弯矩，同时某杆件上的弯矩也可以通过结点传给其它杆件。（3）组合结点（半铰）：刚结点与铰结点的组合体。4.支座的简化：以理想支座代替结构与其支承物（一般是大地）之间的连结 （1）可动铰支座：又称活动铰支座、链杆支座、辊轴支座，允许沿支座链杆垂直方向的微小移动。沿支座链杆方向产生一个约束力。（2）固定铰支座：简称铰支座，允许杆件饶固定铰铰心有微小转动。过铰心产生任意方向的约束力（分解成水平和竖直方向的两个力） 。如预制柱插入杯形基础，四周用沥青麻丝填实。
5、（3）固定支座：不允许有任何方向的移动和转动，产生水平、竖直及限制转动的约束力。（4）定向支座：又称滑动支座，允许杆件在一个方向上滑动，限制在另一个方向的运动和转动，提供两个约束力。四、结构计算简图示例1-3 平面杆件结构和荷载的分类一、平面杆件结构的分类（一）按结构的受力特点分类1梁：是一种受弯构件，轴线常为一直线（水平或斜向） ，可以是单跨梁，也可以是多跨连续梁，其支座可以是铰支座、可动铰支座，也可以是固定支座。2刚架：由梁和柱组成，具有刚结点。刚架杆件以受弯为主，所以又叫梁式构件。各杆会产生弯矩、剪力、轴力，但以弯矩为主要内力。3桁架：由若干直杆在两端用铰结点连接构成。桁架杆件主要承受轴
6、向变形，是拉压构件。支座常为固定铰支座或可动铰支座，当荷载只作用于桁架结点上时，各杆只产生轴力。4组合结构：由梁式构件和拉压构件构成。即结构中部分是链杆，部分是梁或刚架，在荷载作用下，链杆中往往只产生轴力，而梁或刚架部分则同时还存在弯矩与剪力，5拱：一般由曲杆构成，在竖向荷载作用下有水平支座反力。拱内不仅存在剪力、弯矩，而且还存在轴力。（二）按几何组成分类1静定结构：由静力平衡条件求解 2超静定结构：由静力平衡条件和结构的变形几何条件共同求出。 二、荷载的分类荷载是主动作用在结构上的外力，如结构自重、人群、水压力、风压力等。 3（一）按作用范围分类1.分布荷载：体荷载面荷载线荷载（均布、非均布
7、） 2.集中荷载：如吊车轮压、汽车荷载等（二）按作用时间分类1.恒载：永久作用在结构上。如结构自重、永久设备重量。2.活载：暂时作用在结构上。如人群、风、雪及车辆、吊车、施工荷载等。（三）按作用位置的变化情况分类1固定荷载：作用位置固定不变的荷载，如所有恒载、屋楼面均布活荷载、风载、雪载等。2移动荷载：在荷载作用期间，其位置不断变化的荷载，如吊车荷载、火车、汽车等。（四）按作用性质分类1静力荷载：荷载不变化或变化缓慢，不会是结构产生显著的加速度，可忽略惯性力的影响。2动力荷载：荷载（大小、方向、作用线）随时间迅速变化，使结构发生不容忽视的惯性力。例如锤头冲击锻坯时的冲击荷载、地震作用等。 1-
8、4 结构力学的学习方法一、课程定位：土建工程专业的一门主要技术基础课，在专业学习中有承上启下的作用二、学习方法1注意理论联系实际，为后续专业课的学习打基础2注意掌握分析方法与解题思路3注意对基本概念和原理的理解，多做习题第二章 平面体系的几何组成分析2-1 概 述一、研究体系几何组成的目的1. 前提条件：不考虑结构受力后由于材料的应变而产生的微小变形，即把组成结构的每根杆件都看作完全不变形的刚性杆件。2. 几何不变体系：在荷载作用下能保持其几何形状和位置都不改变的体系。几何可变体系：在荷载作用下不能保持其几何形状和位置都不改变的体系。注意：建筑结构必须是几何不变的。3研究体系几何组成的目的（1
9、）研究几何不变体系的组成规律，用以判定一结构体系是否可作为结构使用；（2）明确结构各部分在几何组成上的相互关系，从而选择简便合理的计算顺序；（3）判定结构是静定结构还是超静定结构，以便选择正确的结构计算方法。二、相关概念1刚片：假想的一个在平面内完全不变形的刚性物体叫作刚片。注：（1）在平面杆件体系中，一根直杆、折杆或曲杆都可以视为刚片，并且由这些构件组成的几何不变体系也可视为刚片。地基基础也可视为一个大刚片。4（2）刚片中任意两点间的距离保持不变，所以可由刚片中的一条直线代表刚片。2.自由度（1）自由度的概念：体系运动时，用以确定体系在平面内位置所需的独立坐标数。 （2）一个点：在平面内运动
10、完全不受限制的一个点有 2 个自由度。一个刚片：在平面内运动完全不受限制的一个刚片有 3 个自由度。注：由以上分析可见，凡体系的自由度大于零，则是可以发生运动的，位置是可以改变的，即都是几何可变体系。 3.约束（1）定义：又称联系，是体系中构件之间或体系与基础之间的联结装置。限制了体系的某些方向的运动，使体系原有的自由度数减少。也就是说约束，是使体系自由度数减少的装置。（2）约束的类型：链杆、铰结点、刚结点（图 1）链杆：一根单链杆或一个可动铰（一根支座链杆）具有个约束，如图（a） 。单铰结点：一个单铰或一个固定铰支座（两个支座链杆）具有 2 个约束,如图（b） 。单刚结点：一个单刚结点或一个
11、固定支座具有 3 个约束，如图（c） 。单约束：连接两个物体的约束叫单约束。复约束：连接 3 个（含 3 个）以上物体的约束叫复约束。1）复铰结点：若一个复铰上连接了 N 个刚片，则该复铰具有 2(N-1)个约束，等于(N-1)个单铰的作用。2）复刚结点：若一个复刚结点上连接了 N 个刚片，则该复刚结点具有 3(N-1)个约束，等于(N-1)个单刚结点的作用。（3）必要约束：使体系自由度数减少为零所需的最少约束。多余约束：体系上约束数目大于体系的自由度数目，则其差值就是多余约束。4.实铰与虚铰（1）实铰的概念：由两根直接相连接的链杆构成。（2）虚铰的概念：虚铰是由不直接相连接的两根链杆构成的。
12、虚铰的两根链杆的杆轴可以平行、交叉，或延长线交于一点。（3）虚铰的作用：当两个刚片是由有交汇点的虚铰相连时，两个刚片绕该交点（瞬时中心，简称瞬心）作相对转动。从微小运动角度考虑，虚铰的作用相当于在瞬时中心的一个实铰的作用。三、平面体系的自由度计算51.体系与基础相连时的自由度计算公式： W= 3m（3g + 2j + r）注：支座链杆数是把所有的支座约束全部转化为链杆约束所得到的。2.体系不与基础相连时的自由度计算公式体系不以基础相连，则支座约束 r =0，体系对基础有 3 个自由度，仅研究体系本身的内部可变度 V，可得体系自由度的计算公式为： W = V+3得 V= W3=3m（3g + 2
13、j）3例 1.求图示多跨梁的自由度。解： W= 3m（3g2jr）=33（224）=1因 W0，体系是几何可变的。例 2.求图示不与基础相连体系的自由度。解： 体系内部可变度V = 3m（ 3g + 2j ）3=37293=0故体系几何不变。3. 体系自由度的讨论（1）W0，自由度数目约束数目，体系几何可变（2）W=0，具有使体系几何不变所需的最少约束（3）W0，自由度数目约束数目，体系具有多余约束（可能是几何可变体系，也可能是超静定结构）注：W0 是体系几何不变的必要条件。2-2 无多余约束的几何不变体系的组成规则一、一点与一刚片1.规则一:一个点与一个刚片之间用两根不在同一条直线上的链杆相
14、连，组成无多余约束的几何不变体系。2.结论：二元体规则（1）二元体：两根不在同一条直线上的链杆联接一个新结点的装置。（2）二元体规则：在一已知体系中增加或减少二元体，不改变原体系的几何性质。注：利用二元体规则简化体系，使体系的几何组成分析简单明了。二、两刚片规则1.规则二：两个刚片用一个单铰和杆轴不过该铰铰心的一根链杆相连，组成无多余约束的几何不变体系。2.推论：两个刚片用不全交于一点也不全平行的三根链杆相连，组成无多余约束的几何不变体系。三、三刚片规则1.规则三：三个刚片用不全在一条直线上的三个单铰（可以是虚铰）两两相连，组成无多余约束的几何不变体系。1262.铰接三角形规则：平面内一个铰接
15、三角形是无多余约束的几何不变体系。注意：以上三个规则可互相变换。之所以用以上三种不同的表达方式，是为了在具体的几何组成分析中应用方便，表达简捷。四、瞬变体系的概念1.瞬变体系的几何组成特征：在微小荷载作用下发生瞬间的微小刚体几何变形，然后便成为几何不变体系。2.瞬变体系的静力特性：在微小荷载作用下可产生无穷大内力。因此，瞬变体系或接近瞬变的体系都是严禁作为结构使用的。注：瞬变体系一般是总约束数满足但约束方式不满足规则的体系，是特殊的几何可变体系。如上图 2（a） ，体系是几何不变的；图（b） （c）体系是几何瞬变的；图（d）是几何常变的。如上图 3(a)，体系仍是几何不变的，但有一多余约束；在
16、图 3(b)中，两链杆 1、2 在一条直线上，体系是几何瞬变的。五、几何组成分析举例几何组成分析的一般要领是：先将能直接观察出的几何不变部分当作刚片，并尽可能扩大其范围，这样可简化体系的组成，揭示出分析的重点，便于运用组成规则考察这些刚片间的联结情况，作出结论。下面提出几个组成分析的途径，可视具体情况灵活运用：（1）当体系中有明显的二元体时，可先依次去掉其上的二元体，再对余下的部分进行分析。如图 4 所示体系。（2）当体系的基础以上部分与基础间以三根支承链杆按规则二相联结时，可先拆除这些支杆，只就上部体系本7身进行分析，所得结果即代表整个体系的组成性质。如图 5 所示体系。 图 5（3）凡是只
17、以两个铰与外界相连的刚片，不论其形状如何，从几何组成分析的角度看，都可看作为通过铰心的链杆。如图 6 所示体系。图 4 图 6例 2.1 对下列图示各体系作几何组成分析。(简单规则的一般应用方法)。（1） 无多余约束的几何不变体系（2）无多余约束的几何不变体系（3） 有一个多余约束的几何不变体系（任一链杆均可视为多余约束）（4）图(a)三铰不共线为无多余约束的几何不变体系；图（b)三链杆延长交于一点是瞬变体系。例 2.2 对下列图示体系作几何组成分析。8图（a）为无多余约束的几何不变体系；图（b)为无多余约束的几何不变体系；图（c)是少一个约束的几何可变体系；图（d)为无多余约束的几何不变体系
18、。例 2.3 对下列图示体系作几何组成分析（说明刚片和约束的恰当选择的影响） 。图（a）三个虚铰不共线为无多余约束的几何不变体系；图（b)为无多余约束的几何不变体系。注意：三个刚片的三个单铰有无穷远虚铰情况1两个平行链杆构成沿平行方向上的无穷远虚铰。2三个刚片由三个单铰两两相连，若三个铰都有交点，容易由三个铰的位置得出体系几何组成的结论。当三个单铰中有或者全部为无穷远虚铰时，可由分析得出以下依据和结论：（1）当有一个无穷远虚铰时，若另两个铰心的连线与该无穷远虚铰方向不平行，体系几何不变；若平行，体系瞬变。（2）当有两个无穷远虚铰时，若两个无穷远虚铰的方向相互不平行，体系几何不变；若平行，体系瞬
19、变。（3）当有三个无穷远虚铰时，体系瞬变。图（a）为无多余约束的几何不变体系；图（b）为几何瞬变体系；9图（c）为几何瞬变体系。例 2.4 对下列图示体系作几何组成分析。图（a）为几何瞬变体系；图（b）为几何瞬变体系；图（c）为无多余约束的几何不变体系；图（d）为几何瞬变体系。例 2.4 对图示各体系作几何组成分析。图（a）为几何可变体系（少两个约束） ；图（b）为几何瞬变体系；图（c）为几何瞬变体系。第二章 小 结一、本章要求101了解几何不变、几何可变、瞬变体系、刚片、自由度、虚铰、约束及多余约束的概念；2重点理解并掌握平面几何不变体系的简单组成规则，并能灵活应用到对体系的分析中。二、组成
20、规则应用要点1组成规则中的四个要素：刚片个数、约束个数、约束方式、结论。2几何组成分析的要点是：紧扣规则。即把体系简化或分步取为两个或三个刚片，由相应的规则进行分析；分析过程中，规则中的四个要素均要明确表达，缺一不可。三、对体系作几何组成分析的一般途径1恰当灵活地确定体系中的刚片和约束体系中的单个杆件、折杆、曲杆或已确定的几何不变体系均可视为刚片。但若刚片只用两个铰与体系的其它部分连接时，则可用一根过两铰心的链杆代替，视其为一根链杆的作用。2如果上部体系与大地的连接符合两刚片的规则，则可去掉与大地的约束，只分析上部体系。3通过依次从外部拆除二元体或从内部（基础、基本三角形）加二元体的方法，简化体系后再作分析。4杆件和约束不能重复利用。
