土木工程概论 第3章 土木工程基本结构形式

第3章 土木工程基本结构形式
பைடு நூலகம்-1
板、梁和柱
• 板、梁主要是承受弯矩，因此称为受弯构件； 柱主要承受压力，因此称为受压构件。 • 梁和板两段支撑在支座上以承受荷载，一端为 不动铰，一端为活动铰（如图）这即为计算简 图，这种支撑称为简单支撑或简支。 • 柱承受荷载可能是轴心压力（荷载沿构件轴 线），但更多情况下是偏心受压，这时称构件 为偏心受压构件。同样地，作用拉力时，也存 在轴心受拉和偏心受拉的情况。偏心受拉和偏 心受压构件统称为偏心受力构件。
梁、板、柱是土木工程中的基本构件
3-2
拱
拱结构是人类在生活实践中发现的，它 最初的形成源于自然。世界上有很多天然 拱：
• 贵州省黎平县天然石拱桥是世界上最大的天然拱， 宽138m，长350m，跨长118.92m • 美国犹他州天然石拱桥宽67m,跨长84 .73m
• 拱的受力机理：每两块砌体之间靠压力传 力，直至传至底脚，由基础反力R来维持整 个结构的平衡。
拱的分类： • 三铰拱：（静定结构）中间铰不承受弯矩，铰每
边支座的斜向推力与荷载合力必须通过这个铰。
• 双铰拱：（超1次静定结构）最大弯矩在跨中 • 无铰拱：（超3次静定结构）支座处不但产生水
平推力，还产生弯矩。
• 连续拱 如果拱的轴线设计的合理，完全可以做 到使得拱值承受压力而不承受弯矩，此时 的拱轴线叫做合理拱轴线，对整个结构是 有利的。如，承受均布荷载时，合理拱轴 线是二次抛物线。
• 拱的受力特点：在竖向荷载作用下支座会 产生水平推力。这也是区别拱和拱形梁的 关键之处。 • 公式3-1~3-3及其3-7、3-8图 • 由公式可知:拱形梁的内力完全可以由静力 平衡条件求得，而拱的内力则还需考虑边 界条件（变形和支撑）才能求出。 • 由静力平衡条件可以确定全部内力的结构 称为静定结构；还必须考虑变形条件才能 确定全部内力的结构，称为超静定结构。
公式
ql q 2 0 ql M x = x − x , V x = − qx …… 1） （ 2 2 2 q ∇ …… 2） H = （
0
δ
0 N x = V x sin θ + H cos θ …… ） （3 0 V x = V x cos θ − H sin θ
0 Mx = Mx −Hy
• • • • •
二 钢架 当柱和梁整体连接，则形成刚接。 图3-21 (a)为单层刚架,(b)为复式刚架 在多层框架中，当柱子连需延长，而梁铰 接在柱上，则构成多层铰接框架，有时也 做成铰接和刚接同时采用的组合框架
• 刚架受力时，一般按照平面结构考虑，但 有些框架具有明显的三维受力特征。 • 当房屋两端设有永久性山墙，屋盖与结构 有可靠联系，即使在均布水平风载下，水 平框架体系将发生侧移，但山墙处侧移仍 为零，其他框架受山墙约束而影响，侧移 依次减小，其中间侧移最大，这一 作用称 为空间作用。 • 水平框架体系的跨度与房屋宽度有关，宽 度不能太小，如果长度过大时也可不考虑 空间作用；而且，少数哦排架承受荷载 （吊车）时，即使无山墙，通过屋盖刚性 也应考虑一定的空间作用
桁架分为：铰接桁架和刚接桁架 一 铰接桁架（由许多三角形杆状物组成） 桁架历史
• 北宋（1101~1125年） 张择端的《清明上河图》 由三角形机构制成的拱架木桥； • 国外最早的桁架是1570年意大利人巴雷提出的王 柱式桁架，但并未受到重视； • 1758年瑞士人Ulric Grubenmann在莱茵河上建造 了一座跨长为52m的木料桁架桥; • 最早的全铁桁架桥是1840年在美国Wendell Bellman所建造，其中拉杆为熟铁，压杆为生铁。
• 当构件所受弯矩不作用在截面对称轴的平 面内时，为斜向受弯构件，这时在两个对 称轴方向都作用有弯矩，所以又称为双向 受弯构件。 • 当受压或受拉构件还同时作用有两个方向 的弯矩时，即为双向偏心受压或双向偏心 受拉。 • 此外，还有还有受扭构件，但单纯受扭的 构件并不常见，大多数场合下受扭构件同 时还承受弯矩和剪力。
3-4 框架
• 在房屋建筑中，由梁或屋架和柱连接而成 的结构称为框架。框架有 铰接和刚接两种 （但是在工程结构中很难严格界定），前 者为排架，后者为刚架，桥梁中常采用钢 架结构。 一 排架 • 在装配式钢筋混凝土单层工业厂房，屋面 承重结构与柱的连接是按铰接考虑的，即 梁柱节点出不可能共同旋转，而是各自自 由，因此只能视为铰接，这种框架称为排 架。
3-3
桁架
• 在桁架中，对上下部杆件分别称为上下弦杆，两 弦中间的杆件称为腹杆。桁架承受荷载后，上弦 讲受压，下弦受拉，腹杆以受拉或受压的形式承 受剪力。 • 无论是拉力还是压力，都称为直接内力，材料只 吃呢感受直接应力的强度是较高的，因此桁架的 荷载应设计成作用在节点处。如果节间承受荷载 杆件还会产生弯矩，成为偏心受力构件。 • 桁架作为屋盖一般用于较大跨度，屋盖一般由多 片横向桁架组成。为了增强屋盖的整体刚度各片 桁架之间设有支撑（上下弦水平支撑、竖向支撑、 柱间支撑）。
• 二 刚接桁架 • 当钢板桥梁跨度很长时，腹板用料占很大 比重，如果讲腹板挖成空格，则形成空腹 桁架。 • 刚接桁架在非荷载因素（地基沉降、温度 变化等）下也会产生自应力，另外，刚接 桁架节点必须予以加强以保证在荷载下变 形时构件内的相对转角为零。 • 铰接桁架中的铰也不是完全活动的，都会 有一定的约束，产生一定的次应力，但一 般次应力不大，计算时不予考虑。