结构力学

1-1 结构力学的研究对象与任务

一、结构

由若干简单构件如杆件、板件等按一定规则组成，并能承受各种荷载作用的部分或整体。

如：工业厂房、民用房屋、桥梁、隧道、输电塔、电视塔、伸臂式吊臂和桁架式吊臂、水利水电工程中的水坝、闸门、支臂结构。

它们承受着由工作装置传来的荷载、结构自重、风力、水压力等荷载的作用，在外荷载的作用下，结构必须能保持其固有的几何形状而不发生破坏或产生超过某一容许范畴的大变形——结构需满足强度、刚度、稳定性要求。

二、结构的分类

1．杆件结构（又称为杆件体系，杆系结构）：

由若干杆件按照一定的方式连接起来组合而成的体系

杆件的几何特征——长度远远大于横截面的两个的尺寸（高、宽）

工程实例：闸门中的梁、桁架、钢电视塔

2．板壳结构：

厚度远远小于长、宽

平板结构：几何特征是平面形的(薄板结构、厚板结构)

钢筋混凝土楼板；

平门、横拉门、平面人字门面板

壳体结构：几何特征是曲面形的(薄壳结构、厚壳结构)

弧门面板、马鞍板

3．块体结构：

长、宽、高三个方向的尺寸相近(数量级相同)

几何特征是呈块状的，且内部大多为实体。

建筑物基础、重力堤坝、码头边坡处修建的挡土墙等

4．悬吊结构：

悬吊结构的几何特征与杆件结构相类似，主要由仅能承受拉力的细长线材，如钢索、铁索或其他缆索等柔性构件组成。

优点：节省材料，自重很轻，可以做成很大的跨度，

缺点：刚度比较小

适用于大跨度的轻型屋盖，大跨度的公路桥，跨越大山谷或大河流的轻便人行索轿，山间交通运输的架空索道、大型体育场建筑的顶盖等。

5．薄膜充气结构：

利用充气受压的薄膜都能承受一定的外力的规律，使薄膜和和加压的气体介质变成能承受荷载的结构。

按几何特征区分

敞开式充气结构：外形是敞开式的，如风筝、扬帆和降落伞等

封闭式充气结构：外形是封闭的，

气承式充气结构（用单层薄膜做成）

气垫式充气结构（用双层薄膜做成）

如游泳馆、运动场、展览馆、会议厅、剧场、餐厅、仓库、暖房等的顶盖，高空探测气球、充气账篷、充气扶梯、充气桥梁、气垫船艇等

6．网架结构：

网架结构是空间杆系结构，杆件主要承受轴力作用，截面尺寸相对较小；

这些空间交汇的杆件又互为支撑，将受力杆件与支撑系统有机结合起来，因而用料经济。网架结构的优点是用钢量小，整体性好，制作安装快捷，可用于复杂的平面形式，缺点是杆件数量多，维护大，不够简洁，高空安装工作量大。适用于各种跨度的结构，尤其适用于复杂平面形状。

1-2 结构的简化与计算简图的概念

一、计算简图

1．结构计算简图(结构计算模型)：

既能反映实际结构的主要受力特性、又便于计算的结构图形(力学模型)。

它是在力学计算中实际结构的代表。

实际结构一般很复杂，完全按照结构的真实情况去进行分析计算很难办到，大多不可能。

但从实用观点来看是没有必要的

——作一些简化、假设

(略去次要因素，保留其主要受力特性)——计算切实可行

2．选取结构计算简图的两个原则：

(1) 结构算简图必须能正确反映实际结构的主要受力特性，以确保计算结果的可靠性；

(2) 在满足算精度要求的条件下，结构计算简图应当尽量简单，使得计算方便可行。(内力计算得到最大可能的简化)

2．杆件的简化——杆件用其轴线表示，杆件的长度用结点间距离来计算，杆件自重近似地转移到轴线上去。

3．结点的简化

结点(节点)：各杆件相互连接处称为“结点”——杆件交点

结点形式(按各种连接的约束效用及其力学特性区分)：铰节点；刚节点; 混合节点(不完全铰节点)；定向节点。

4．支座的简化

支座：将结构与基础或支承部分相连接的装置

支座的作用：限制结构沿某一个或几个方向的运动，并产生相应的反作用力，使结构保持稳定平衡，并将结构上的荷载传递到基础或支承部分上去。

——支座是限制结构运动的外部约束

支座反力：支座对结构反作用力（约束反力/约束力/反力）

(3)

固定端支座——限制结构任何的移动或转动

几何特征：

结构与支座相连处既不能发生转动，又不能发生水平、竖向移动。

力学特性：

能产生三个反力：水平反力F x、竖向反力F y、反力偶M

(4) 定向支座——能限制结构转动

和沿一个方向移动，但可沿另一个方向自由移动。

力学特性：能产生两个反力：竖向反力F y、反力偶M

1．梁

一种受弯构件，其轴线通常为直线，也可以是折线或曲线

荷载垂直于梁轴，是一种以弯曲变形为主的结构，

在荷载作用下，梁只产生弯矩和剪力

梁可以是单跨的，也可以是多跨的

多跨静定梁：静定的多跨梁

连续梁：超静定的多跨梁

3．桁架

——全部由链杆和铰结点组成，荷载作用在结点上。

理想桁架的各杆只产生轴力和轴向变形

梁式桁架(支座性质与梁的支座相同)

拱式桁架(支座性质与拱的支座相同)

4．刚架（框架）

——由梁和柱等直杆全部或部分采用刚性连接组合而成的结构

平面刚架以弯曲变形为主，在荷载的作用下，通常产生弯矩、剪力、轴力三种内力

有单跨单层、多跨单层、单跨多层、多跨多层。

2．按荷载作用的时间长短分

恒(荷)载(永久荷载)：

长期或较长时间作用在结构上不变动的荷载

(结构自重、固定设备重量、重力坝自重、闸墩、水压力)

活(荷)载(临时荷载)：

短期或临时作用在结构上可变动的荷载

(桥梁上的车辆荷载、以及风载、雪载、人群)

活荷载按其作用在结构上的位置是否可变还可分为

定位活荷载：位置固定不变但大小或方向可变的活(荷)载

(水塔中水量、风载、雪载)

移动活荷载：位置可移动的荷载

(桥梁上的车辆、人群)