建筑力学(第二版)第1章至第13章知识点节选

绪论部分
荷载：直接施加在结构上的力，在工程上统称荷载。

结构：在建筑物中承受和传递荷载而起骨架作用的部分。

构件：组成结构的每一个部分。

平衡状态：建筑的结构及组成结构的各构件，都相对于地面保持着静止状态，这种状态在工程上称为平衡状态。

要保证构件的正常工作，必须同时满足三个要求：
1）在荷载作用下构件不发生破坏，即应具有足够的强度
2）在荷载作用下构件所产生的变形在工程的允许范围内，即应具有足够的刚度
3）承受荷载作用时，构件在其原有形状下应保持稳定，即应具有足够的稳定性
※构件的强度、刚度和稳定性统称为构件的承载能力
建筑力学的任务是：研究和分析作用在结构（或构件）上力与平衡的关系，结构（或构件）的内力、应力、变形的计算方法以及构件的强度、刚度与稳定条件，为保证结构（或构件）既安全可靠又经济合理提供计算理论依据。

杆系结构：由杆件组成的结构。

建筑力学：是由研究建筑结构的力学计算理论和方法的一门科学。

第一章静力学的基本概念
力的定义：力是物体间的相互机械运动。

用一个带有箭头的有向线段来表示一个力（注意作用点的位置）
物体在受到力的作用后，产生的效应可以分成两种：
外效应，也称为运动效应，使物体的运动状态发生改变。

内效应，也称为变形效应，使物体的形状发生变化。

力的三要素：大小、方向、作用点
力的大小反应物体之间的相互机械作用的强弱程度
力的方向包含力的作用线在空间的方位和指向
力的作用点是指力在物体的作用位置
当接触面面积很小时，则可以将微小面积抽象为一个点，这个点称为力的作用点。

该作用力称为集中力；反之，如果接触面积较大而不能忽略时，则力在整个接触面上分布作用，此时的作用力称为分布力。

分布力的大小用单位面积上的力的大小来度量，称为荷载集度。

力是矢量，记作F
刚体：在外力的作用下，不发生形变的物体。

平衡：在外力作用下，物体相对于地球保持静止或匀速直线运动状态，我们就称物体在外力作用下保持平衡。

力系分类
汇交力系：力系中各力作用线汇交于一点
力偶系：力系中各力可以组成若干力偶或力系由若干力偶组成平行力系：力系中各力作用线相互平行
一般力系：力系中各力作用线既不完全交于一点，也不完全相互平行
等效力系：若某一力系对物体产生的效应，可以用另一个力系来代替，则这两个力系称为等效力系。

合力：当一个力与一个力系等效时，则称该力为此力系的合力。

分力：力系中的每一个力称作该力系合力的分力。

平衡力系：若刚体在某力系作用下保持平衡，则该力系称为平衡力系。

平衡条件：使刚体保持平衡时，力系所需满足的条件称为力系的平衡条件
二力平衡公理：（只适用于刚体）
作用于刚体上的两个力平衡的充要条件是这两个力大小相等，方向相反，作用线在一条直线上。

二力杆：在两个力的作用下保持平衡的杆件
※二力杆的两个力一定在两作用点的连线上等值作用（与杆件形状无关）
加减平衡力系公理：（只适用于刚体）
在作用于刚体上的已知力系上，加上或减去任意一个平衡力系，而不改变该力系对刚体的作用效应。

力的可传性原理：（只适用于刚体）
作用于刚体上某点的力，可沿其作用线移动到刚体内任意一点，而不改变该力对刚体的作用效应。

三力平衡汇交定理：（只适用于刚体）
一刚体受不平行的三个力作用而平衡时，此三力的作用线必共面且汇交于一点。

力的平行四边形法则：
作用于物体同一点的两个力，可以合成为一个合力，合力也作用于该点，其大小和方向由以两个分力为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。

作用力与反作用力公理：
两个物体间相互作用的一对力，总是大小相等，方向相反，作用线相同，并分别而且同时作用于这两个物体上。

约束：限制物体运动或运动趋势的装置。

约束反力：由约束发出的限制物体运动或运动趋势的力
※约束反力的方向总是与物体的运动或运动趋势的方向相反，作用点就在约束与被约束物体的接触点上。

主动力：凡是能主动引起如题运动或使物体有运动趋势的力，称作主动力。

（作用在工程结构上的主动力又称为荷载）
柔索约束：由柔软而不计自重的绳索等构成的约束。

第二章平面汇交力系
力多边形：由各分力和合力构成的多边形。

※在作里多边形时，按不同顺序画各分力，只会影响力多边形的形状，但不会影响合成的最后结果。

※平面汇交力系合成的最终结果是一个合力，合力的大小和方向等于力系中各分力的矢量和。

※平面汇交力系平衡的充要条件是：平面汇交力系的合力等于零※平面汇交力系平衡的充要几何条件是：力多边形自行闭合
※平面汇交力系平衡的充要解析条件是：力系中各分力在任意两个坐标轴上投影的代数和分别等于零
※力在坐标轴上的投影：有正负号规定的线段长度
第三章力矩与平面力偶系
※平面汇交力系的合力对平面内任一点之矩等于该力系中的各分力对同一点之矩的代数和。

力偶：大小相等、方向相反、作用线不重合的两个平行力
力偶臂：力偶的两个力作用线间的垂直距离
力偶作用面：力偶的两个力所构成的平面
力偶基本性质：
1.力偶没有合力，不能用一个力来代替
2.力偶在任一坐标轴上的投影代数和都为0
3.力偶对其作用面内任一点之矩都等于力偶矩，与矩心位置无关
4.同一平面内的两个力偶，如若它们的力偶矩的大小一致，方向相同，则这两个力偶等效，称为力偶的等效性
5.在保持力偶矩的大小和转向不变的条件下，力偶可在其作用面内任意移动，或者是任意改变力偶中的力的大小与力偶臂的长短，而不会改变力偶对物体的转动效应。

力偶的三要素：力偶矩的大小、力偶的转向、力偶作用面
平面力偶系平衡的充要条件是：力偶系中所有各力偶矩的代数和等于0
第四章平面一般力系
平面一般力系的定义：指各力的作用线位于同一平面内任意分布的力系
力的平移定理：作用在刚体上的力F，可以平移到同一刚体上的任一点O，但必须加一个力偶，其力偶矩等于原力F对新作用点O之矩
※力的平移定理是一般力系向一点简化的理论依据，也是分析力对物体作用效应的一个重要方法
※平面一般力系向作用面内任一点简化的结果，是一个力和一个力偶，这个力作用在简化中心（上文提到的点），它的矢量称为原力系的主矢，并等于原力系中各力的矢量和；这个力偶的力偶矩称为原力系对简化中心的主矩，并等于原力系中各力对简化中心之矩的代数和
※主矢不是原力系的合力，主矩也不是原力系的合力偶。

将主矢和主矩当成一个量来看待时，它们与原力系等效。

※当简化中心的位置发生改变，主矢不会变，主矩会改变
合力矩定理：平面内一般力系的合力对其作用面内任一点之矩等于力系中各力对同一点之矩的代数和
※平面一般力系平衡的充要条件：力系的主矢和力系对平面内任一点的主矩都等于0
※平面一般力系平衡的充要解析条件：力系中所有各力在任意选取的两个坐标轴中的每一轴上投影的代数和分别等于0，对平面内任一点之矩的代数和也等于0
（第四章未讲部分）
※静定问题：当系统中的未知力数量等于独立平衡方程数目时，则所有未知力都能由平衡方程求出，这样的问题称为静定问题※超静定问题：结构的未知力的数目多于平衡方程的数目，未知量就不能全部由平衡方程求出，这样的问题称为静不定问题或超静定问题
第五章材料力学的基本概念
变形固体：在外力的作用下，会产生变形的固体材料
弹性变形：当外力消除时，变形也随着消失，这种变形称为弹性变形
塑性变形：当外力消除后，变形不能全部消失而留有参与，这种不能消失的残余变形称为塑性变形
※一般情况下，物体受力后，既有弹性变形，又有塑性变形
理想弹性体：只有弹性变形的物体称为理想弹性体
弹性范围：只产生弹性变形的外力范围称为弹性范围
等截面直杆：杆各截面相同，且轴线为直线的杆
杆件变形的基本形式：
轴向拉伸和压缩：在一对大小相等、方向相反、作用线与杆轴线相重合的外力作用下，杆件将发生长度的改变（伸长或缩短）剪切：在一对垂直于杆件方向的大小相等、方向相反、作用线相距很近的外力作用下，杆件的横截面将沿外力方向错动
扭转：在一对大小相等、方向相反、位于垂直于杆轴线的两平面内的力偶作用下，杆的任意两横截面将绕轴线发生相对转动
弯曲：在一对大小相等、方向相反、位于杆的纵向平面内的力偶作用下，杆件的轴线由直线弯成曲线
组合变形：由两种或两种以上的基本变形组成的复杂变形
内力：由外力引起的杆件内部之间的相互作用力
应力：内力在某点处的集度
※截面法三步骤：截开、代替、列平衡方程
正应力/法向应力：垂直于截面的应力分量
切应力/切向应力（剪应力）：相切于截面的应力分量※应力的单位是Pa，常用单位是MPa或GPa
1Pa = 1N/m2
1kPa = 103Pa
1MPa = 106Pa = 1N/mm2
1GPa = 109Pa
※工程图纸上，常用“mm”作为长度单位，则
1N/mm2 = 106N/m2 = 106Pa = 1MPa ε= △μ/△χ
Ps：
外加建筑力学P63页下方的“第四节变形和应变”
第六章轴向拉伸和压缩
※产生轴向拉伸或压缩的杆件称为拉杆或压杆
轴力：作用线与杆件轴线相重合的内力。

用符号N表示，以拉伸为正，以压缩为负
轴力图：表明沿杆长各个横截面上轴力变化规律的图形
※画轴力图两点须知：
①在采用截面法之间，外力不得沿其作用线移动，因为外力移动后就改变了杆件的变形性质，内力也就随之改变
②轴力图、受力图应与原图各截面对齐，杆件水平放置时，正值画在杆件上侧，负值在下，杆件竖直放置时，正值左负值右
※轴向拉伸时，杆件横截面上各点处只产生正应力，且大小相等※拉应力为正，压应力为负
σ= N/A
σ：杆件横截面上的应力
N：杆件横截面上的轴力
A：杆件的横截面面积
※拉压杆的最大正应力发生在横截面上
※拉压杆的最大剪应力发生在与杆轴成45°的斜截面上
纵向线性变(ε)：通常将单位长度的纵向变形量称为纵向线性变，用ε表示
ε= △l/l（l是英文字母L的小写，属于Word文档的显示问题）△l：杆件的变形量
l：杆件的原长度
同理，杆件受到横向压缩后的公式为：ε’ = △d/d
d：杆件的横向尺寸
μ= |ε’/ε|（这个是绝对值符号）
μ：横向变形系数/泊松比
ε’：横向线应变
ε：纵向线应变
※另外：ε’ = —με，因为ε’与ε的正负号总是相反
△l = Nl/EA，虎克定律(只适用于弹性范围)
△l：杆件纵向的变形N：内力l：杆件的长度
E：弹性模量A：杆件的横截面面积EA：抗拉(压)刚度
σ= E×ε，虎克定律的另一种表达形式
※上式表明，当杆件应力不超过某一极限时，应力与应变成正比※σP：应力极限值，又称材料的比例极限，记作σP
拉伸过程的四个阶段（详见建筑力学P73-P74）
※可根据试件在拉断时塑性变形的大小，区分塑性和脆性材料※试件拉伸至断裂后所遗留下来的塑性变形的大小，常用来衡量材料的塑性性能
延展率计算公式：
δ= （l1—l）/l×100%
δ：延展率l：试件原长度l1：试件拉断后的长度
※δ≥5%为塑性材料，δ＜5%为脆性材料，低碳钢为20%~30% 截面收缩率计算公式：
ψ=（A1—A）/A×100%
各单位与上式同理，A为横截面，低碳钢的收缩率约在60%左右
冷作硬化：将材料预拉到强化阶段，然后卸载，当再加载时，比例极限和屈服极限得到提高，但塑性变形减少，我们把材料的这种特性叫做冷作硬化
冷拉：通过在常温下将钢筋预先拉长一定数值的方法来提高钢筋的屈服极限，这种方法称作冷拉（拉到超过屈服阶段，达到强化阶段结束）
名义屈服阶段，详见建筑力学P76上端
※衡量脆性材料强度的唯一指标是强度极限δ b
※对于塑性材料，当应力达到屈服极限时，将出现显著的塑性变形，会影响构件的使用，对于脆性材料，破坏前变形很小，当构件达到强度极限时，会引起断裂
许用应力/允许应力：即构件的最大工作应力不超过某一限值，将极限应力δ0缩小K倍，作为衡量材料承载能力的依据，称为许用应力，用[δ]表示，即：
[δ] =δ0/K
K：安全系数，数值大于1
※为了保证构件能安全工作，则杆内最大的工作应力不得超过材料的许用应力，即：
δmax = N/A≤[δ]
斜截面的正应力与剪应力：
δα= δcos2α
δsin2α
τα= 1
2
第七章剪切与扭转
剪应力公式：
τ= V/A
τ：剪应力A：剪切面面积V：剪切面上的剪力
※为保证构件不发生剪切破坏，就要求剪切面上的平均剪应力不超过材料的许用剪应力，即剪切时的强度条件为：
τ= V/A≤[τ]
[τ]：许用剪应力，由剪切试验测定
挤压力公式：
δC = F C / A C ≤[δC ]
[δC ]：许用挤压应力
F C：挤压面上的挤压力A C：挤压面的面积
剪切虎克定律：
τ= Gγ
τ：剪应力γ：剪应变G：剪变模量，常用单位为GPa
G = E / [2×（1+μ）]
E：弹性模量μ：泊松比
剪应力互等定理：在过一点相互垂直的两个平面上，剪应力必然成对存在，且数值相等，方向垂直于这两个平面的交线，且同时指向或同时背离这一交线。

这一规律称为剪应力互等定理
扭矩：圆轴横截面上的内力，单位常为N*m或kN*m
※扭矩的正负号用右手定则确认，以被切开的那一截面向外为正，四指与扭矩转动方向保持一致，当大拇指的指向是截面外侧时，扭矩为正，反之为负
※圆轴扭转时，横截面上的任意点只存在剪应力
剪应力与扭矩的关系：
τ= Mn*ρ/I P
ρ：剪应力点到圆心的距离I P：截面对形心的极惯性矩
实心圆轴截面的极惯性矩：
I P =π*D4/32
空心圆轴截面的极惯性矩（所谓空心圆轴就是一圆筒）：
I P =π*（D4－d4）/ 32
附图：
※※I P的常用单位为m4或mm4 ※※※
※在同一截面上，剪应力沿半径方向呈直线变化，同一圆轴上个点剪应力相等
圆轴的最大剪应力/最大切应力：即τMAX，越靠近圆轴外侧越大，在圆心处为0，在ρMAX = D/2处为最大值（即半径）
令W P = I P/（D/2）
则τMAX = Mn / Wp
Wp：抗扭截面系数，其单位为m3或mm3
实心圆截面：Wp =π*D3/16
空心圆截面：Wp =[π*D3/16 ]*(1－α4) （式中α=d/D）
第八章平面图形的几何性质
重心：不论物体在空间的方位如何，物体重力的作用线始终通过一个确定的点，这个点就是物体重力的作用点，称作物体的重心※均质物体的重心与重力无关
形心：均质物体的重力就是其几何中心，称为形心
求组合图形的形心坐标方法：
分割法：
Y坐标=（A1Y1+A2Y2）/ A1+A2
Z坐标=（A1Z1+A2Z2）/ A1+A2
补全法
Y坐标=（A1Y1－A2Y2）/ A1－16
Z坐标=（A1Z1－A2Z2）/ A1－16
（其中，Y1、Y2、Z1、Z2皆为各图形中心到对应的坐标轴的距离）
静矩：任意平面图形上所有微面积dA与其坐标y(或z)乘积的综合，称为该平面图形对z轴(或y轴)的静矩，用S z(或S Y)表示
※简单图形静矩：S z = A×Y S Y = A×Z（Y、Z为形心坐标）
※组合图形静矩：S z = A1Y1+A2Y2S Y = A1Z1+A2Z2
※静矩为代数量，它可为正，可为负，也可为0，常用单位为m3或mm3
※当某条坐标轴通过截面图形的形心时，其对应的静矩为0
惯性矩：任意平面图形上所有微面积dA与其坐标y(或z)平方乘积的综合，称为该平面图形对z轴(或y轴)的惯性矩，用I Z(或I Y)表示
※惯性矩恒为正值，常用单位为m4或mm4
※组合图形对某轴的惯性矩，等于组合图形的各简单图形对同一轴的惯性矩之和
单一图形对形心轴的惯性矩
矩形：I Z = bh3/ 12 I Y = hb3/ 12
圆形：I Z = I Y = πD4 / 64
环形：I Z = I Y = π(D4－d4) / 64
组合图形的惯性矩公式：
I = 两个图形对应的惯性矩+两个图形的“面积×图形中心到形心的这段距离的平方”分别计算所得的数值
第九章梁的弯曲
平面弯曲：梁的弯曲平面与外力作用平面相重合的弯曲
※梁发生弯曲时，横截面上同时存在剪力和弯矩
※在梁被弯曲的过程中，必有一层纤维面既不缩短也不伸长，这层纤维被称为中性层，中性层与横截面的交线称为中性轴。

各层纵向纤维的线应变沿截面高度应为线性变化规律。

梁弯曲时，横截面上的正应力沿截面高度呈线性分布规律变化。

梁弯曲时，横截面上任一点正应力的公式：
δ=（M×y）/ I X
M：横截面的弯矩y：所计算的应力点到中性轴的距离
I X：截面对中性轴的惯性矩
矩形截面梁的剪应力计算公式：
τ= VS*/I Z b
V：横截面的剪力I Z：整个截面对中性轴的惯性矩
b：需求剪应力处的横截面宽度
S*：横截面上需求剪应力点处的水平线以上(或以下)部分的面积对中性轴的静矩
※用上式计算时，V与S*均用绝对值代入
※在截面边缘处，剪应力为0，在中性轴上，剪应力最大，其值为：
τMAX = 3V/2bh = 1.5V/A（应用于矩形截面）
V/A：截面的平均剪应力
※在梁上产生最大正应力的截面称为危险截面
W Z：抗弯截面系数，等于I Z/y MAX
（高为h宽为b）矩形截面W Z：bh2 / 6
（直径为D）圆形截面W Z：πD3 / 32
应力状态：通过构件内某一点所有不同截面上的应力情况集合，称为一点处的应力状态。

※研究某一点处的应力状态时，往往围绕该点取一个微小的正六面体，称为单元体。

作用在单元体上的应力可认为是均匀分布。

※根据一点处的应力状态中各应力在空间的位置，可以将应力状态分为空间应力状态，平面应力状态和单向应力状态
剪应力互等定理：τX =τY
第十一章压杆稳定
稳定的平衡：在撤去干扰力以后，杆能自动回复到原有的直线平衡状态而保持平衡，这种原有的直线平衡状态称为稳定的平衡。

不稳定的平衡：即使撤去干扰力，杆仍然处于微弯形状，不能自动回复到原有的直线平衡状态，则原有的直线平衡状态为不稳定的平衡。

失稳：在受压直杆受到的轴向压力由小逐渐增大的过程中，压杆由稳定的平衡变为不稳定的平衡，这种现象称为压杆丧失稳定性或压杆失稳。

临界力：压杆由直线状态的稳定的平衡过渡到不稳定的平衡时所对应的轴向压力，称为压杆的临界压力或临界力。

※临界力即F cr，它与材料的惯性矩，弹性模量和材料长度有关
F cr =π2EI /l2 欧拉公式（第一个I是惯性矩，第二个I是压杆长）F cr =π2EI /（μl）2 欧拉公式变体（μl为折算长度，μ为长度系数）
※欧拉公式只适用于大柔度杆（又称细长杆），即λ≥λP（λ为压杆的临界应力）
λP =π√￣（E /δP），式中δP为比例极限
※柔度越大，越易失稳
i = √￣（I / A）i为压杆横截面的惯性半径
第十二章平面体系的几何组合分析
自由度：指确定体系位置所需要的独立坐标（参数）的数目
※体系几何不变的必要条件是自由度≤零
约束：减少体系自由度的装置称为约束
※链杆=一个约束，单绞=两个约束，刚结点=三个约束
多余约束：在体系中增加一个约束，而该体系的自由度并不因此为减少，此约束即多余约束。

※约束数目恰好够用的几何不变体系，称为无多余约束的几何不变体系。

瞬变体系：本来是几何不变的，经微小位移后又成为几何不变的体系，称为瞬变体系
三种原则：
二元体、两刚片定理（3约束）、三刚片定理（6约束）
※当连接大地的支点总数达到4个或4个以上时，必须将大地连同其中4个支点看作一个刚片来分析
第十三章静定平面桁架
桁架：由若干根直杆在其两端用铰连接而成的结构
※平面桁架计算简图的三假定
1.各杆的两端用绝对光滑而无摩擦的理想铰连接。

2.各杆轴均为直线，在同一平面内且通过铰的重心。

3.荷载均作用在桁架节点上，桁架中间无荷载。

※通常把按理想桁架算得的内力称为主内力（轴力），而把上述一些原因所产生的内力称为次内力（弯矩、剪力）。