土木工程概论_4土木工程中的力学和结构概念

MPa
⑵ 应变
土木工程结构受力后，构件将发生变形，我们将单位
长度上的变形量称之为应变：
ε = ΔL
L
ε , = Δb
b
ε表示构件的纵向线应变，ε，代表构件 的横向线应变。对于拉杆来说，ε为正， ε，为负；压杆则ε为负，ε，为正。
源自文库 弹性模量
当力作用一物体时，物体有变形。当这个力移去后，物体又恢 复原来的形状。物体所具有的这种特性，称之为弹性。
高层建筑外墙的温度裂缝
内外柱 高差达 几十毫 米
水泥路面在温差作用下 起拱达90cm
钢结构构件在 焊接时产生的 作用也属温差 作用
⑵ 外加变形作用
这种作用以地基不均匀 沉陷为典型。
土木工程结构构筑在地基 上，地基土受力后总会产生不 均匀沉陷，过大的不均匀沉陷 会引起结构产生不小的内力， 甚至可使结构开裂或倒塌。
三角形 分布荷载作用
（3） 偶然荷载
在使用期间不一定出现，一旦 出现，其值很大且持续时间很短的 荷载。如地震作用、爆炸力、台风、 船只或漂流物等。
美 撞国 击世 起贸 火中 倒心 塌大
厦
百佛 米山 桥九 面江 坠大 入桥 江被 中撞
地震释放的能量以地震波的形式传到地面，引起结构振动。 结构由地震引起的振动称为地震反应，振动过程中作用在结构上 的惯性力就是“地震荷载”。
比萨斜塔就是 由于地基不均 匀沉陷而成为 世界著名建筑！
⑶ 惯性作用
以地震作用为典型。
地震引起的地面运动会使土木工程结构在
水平和竖向产生加速度反应。这种加速度反应 值与土木工程设施本身质量的乘积就形成了地
震施加给结构的力，即地震作用。
底在 北 层惯 川 彻性 县 底力 底 垮作 框 塌用 建
下筑
地面运动时 建筑物的相应运动
地震震级和地震烈度是两 个不同概念，震级表示一次地 震释放的能量的大小，烈度表 示某地区遭受地震影响的强度。
地震对结构施加的 影响属间接作用， 应把结构承受的
“地震荷载”称为 地震作用。
震源、地震波、 震中、震中距的关系
2 间接作用（间接荷载）
除直接施加在结构上的外力（即荷载）外，还有一种因间接 施加影响引起结构受力的作用。作用也使结构内部产生内力和变 形。它们也以三类形式出现。
拉伸
压缩
弯曲
剪切
扭转
⑴ 应力
为度量结构构件所发生内力的大小，我们将作用于单 位面积上的内力强度称之为应力：
σ= p
A
按照荷载作用的形式不同， 应力又可分为拉伸压缩应力、弯 曲应力和扭转应力。同截面垂直 的称为正应力或法向应力，同截 面相切的称为剪应力或切应力
σ表示正应力或法向 应力，τ代表剪应力
或切应力。应力的单 位是：N/mm2，即
降
地 震 荷 载 （ 作 用 ）
结
构 安 装 引 起 的 作 用
机 焊器 接振 引动 起引 的起 作的 用作
用
撞 击 引 起 的 作 用
爆 炸 力 引 起 的 作 用
静载
动载
3 应力、应变、弹性模量
土木工程结构受力后，其构件将产生内力（平衡状态）和变形 （其长度、形状将发生改变）。在产生拉力、压力、剪力、弯矩和 扭矩内力的同时结构构件会出现5种基本变形的形式。
– 转动平衡：对同一点所有力矩 之和为0，即转动效应之和为0 。
– 移动平衡：对同一物体所有力 之和为0，即处于不移动的静止 状态。
力：是一种物体间有方向的相互作用；这种相互作用 有使物体改变原来形状或改变运动方向的效应；力是既有 量值又有方向的矢量。
力矩：是力对物体产生绕某一轴转动作用的物理量， 其大小等于力与力臂（力的作用线到该轴的垂直距离）的 乘积；力矩在土木工程中习称弯矩。
⑴ 约束变形作用
这种作用以温差作用
为典型
约束
如一根钢梁，当环境
气温为00C 时长度为
20m，当环境气温升 高至350C时，钢梁会 在内力作用下伸长
土木工程中的构件因昼夜 温差、季节性温差，每时每刻 都在改变着形状和尺寸，当这 种改变受到约束时，就会使结 构受到内力效应。
建筑物的温度裂缝
现代高层房屋必须考虑这种温差 内力效应。
土木工程结构就是通过 5种 内力的基本作用，将施加在结构 上的力传递给地球（基础下的土 层），基础给予结构的则是作用 在结构基础上的反力。
4.3、荷载、作用和效应
直接施加在土木工程结构上的外力是由荷载引起的。 如果地球没有引力，自然界没有风吹、雨雪，荷载就 不会存在，土木工程也就不需要结构。土木工程结构要有 能抵御自然或人为的作用力的能力，因此，了解作用在结 构上的荷载有那些，其性质如何非常重要。
独木桥是最简单的例子，所有土木工程设施的结构， 无论大小、重轻、厚薄（大如大桥、小如小木屋）都 处于外力、内力和内力作用下的平衡状态。它承受的 内力无非是下列5种以及它们的组合
土木工程结构的5种内力特征：
受剪
发生剪切变形
在土木工程中：
拉力以＋N表示； 压力以－N表示；
弯矩以M 表示； 剪力以V 表示； 扭矩以MT 表示。
地震作用是一种惯性 力，它的大小与土木工程 的质量、地震烈度和结构 的动力特性相关。地震作 用以水平方向为主。
5.12大地震北川县垮塌的建筑物和道路
长期以来，我们习惯上将所有引起结构产生效应的
原因统称为“荷载”。
按照国际通行做法和现行国家 标准，“作用”泛指使结构产生内 力、变形的所有原因，包括直接作 用和间接作用；而“荷载”仅等同 于施加于结构上的直接作用。
作用与作用效应的基本概念
作用：是指能使结构产生 效应的各种原因的总称。
作用分为直接 作用和间接作 用。
作用效应：作用在结构上产生的内力和变形的总称。
能使结构产生作用效应的原因有两种：一种是施加在结构上
集中力和分布力，如结构自重，作用于楼面的人群、家具、设备， 作用于桥面的车辆、人群，施加于结构物上的风压力、水压力、土 压力等，它们都是直接施加于结构上（直接作用），工程界习称为 “荷载”；另一种是施加于结构上的外加变形或约束变形，如地震、 基础沉降、材料收缩和徐变、温度变化引起结构产生作用效应，它 们都是间接作用于结构（间接作用） 。
风载有三个“不一样”： 不同地区不一样（沿海、 内陆）；同一地区不同时 间不一样；同一房屋不同 高度、不同部位不一样。
北京郊区某 5m高单层 房屋迎风面
风载
0.22kN m 2
同处一区 的18层高 层建筑
0.7kN m 2
集中荷载作用
均匀分布荷载作用
集中荷载的单位一般
为KN，均布荷载的 单位一般为KN/m 或KN/m2
位移，不发生过大的不均匀沉陷，不使人感到晃动等）；
⑶ 在正常维护下具有足够的耐久性能（如有抵抗酸类、盐类
等物质的侵蚀能力）；
⑷ 在偶然事件发生时能保持必需的稳定性（如有很好的抗地
震的能力）。
⑴和⑷是安全性，⑵是适用性，⑶是
持久性。“安全、适用、持久”三者
缺一不可，但安全第一。
4.3 结构的失效
结构设计应遵循的原则：
材料在弹性状态，荷载与变形
成正比。
p2= Δ2 p1 Δ 1
其应力与应变也成正比例关系， 其比例系数 E 称为弹性模量。
σ ε
=E
当结构材料继续承受更大荷载时，移去荷载，有残余变形，变 形不能恢复原状。称结构材料进入塑性阶段。
P3 P2 Δ 3 − Δ 2 P2 P1 Δ 2 − Δ 1
材料进入塑性状态，荷载与 变形不成正比。
第4章 土木工程中的 力学和结构概念
4.1、力、力矩、平衡 4.2、外力、内力和反力 4.3、荷载、作用和效应 4.4、结构和结构失效 4.5、土木工程结构的设计方法
主讲老师:丁腾飞
土木工程要解决的问题之一是建造抵御 自然或人为作用力的空间和通道，就必然会 遇到大量的力学和结构问题。本章阐述土木 工程中一些最基本的力学与结构概念。
S R
-- S 为荷载施加在结构的作用效应； -- R 为结构的抗力。
当结构或从属于 它的构件不能满足上 述基本功能要求，称 为结构失效。
结构失效的常见表现形式
※ 破坏--结构或构件截面抵抗能力不足以承受作用效应的现
象，如拉断、压碎、弯折等。
※ 失稳--结构或构件因长细比过大而在不大的作用力下突然
⑶ 为安全可靠的目的，在结构设计中必须做到：
① 结构承受荷载后的内力（±N、M、V、MT）≤结构的承载力；
② 结构承受荷载后的变形（挠度、侧移、沉陷）≤变形的允许值。
4.2 结构的功能要求
⑴ 能承受正常施工和使用时可能出现的各种作用力（如拉力、
压力、剪力、弯矩、扭矩等）；
⑵ 在正常使用时具有良好的工作性能（如不发生过大的侧向
0 ~ P2
4.4、结构和结构失效
4.1 结构的定义和要求
⑴ 结构的定义：土木工程设施中的结构是一个在空 间和通道中用各种基本构件组合建成的有功能特征的机 体，为土木工程设施的持久使用和美观需求服务，对生 财产提供安全保障。
它是一个由构件组合成 的整体，是一个有功能特征 的机体，是一个有丰富应用 价值的载体，是一个被建造 的实体。
但目前道路、桥梁、隧 道设计的行业标准中， 尚未引进“作用”代替 “荷载”，仍沿用“荷 载”一词表述引起结构 产生效应的直接作用和 间接作用。
荷载和作用的分类
地球物理因素
人为因素
重力
气象
地质
构 配 件 自 重
使 用 荷 载
雪 荷 载
风 荷 载
温 差 引 起 的 作 用
地 引基 起不 的均 作匀 用沉
体育场结构的三维模型
⑵ 土木工程结构的要求
● 在应用上，要充分满足空间和通道的多项使用要求； ● 在安全上，要完全符合承载、变形、稳定的持久需要； ● 在造型上，要能够与环境、规划和建筑艺术融为一体； ● 在技术上，要力争体现科学、技术和工程的新发展； ● 在建造上，要合理用材、节约能源，与施工实际紧密结合。
结 构 模 型 大 赛
建筑结构计算机建模
4.1 力、力矩和平衡
• 力（Force）是一种物体间有方向的作用，有大 小方向。可用矢量表示。
• 重力：物体重量产生的作用力，方向指向地球 中心，作用点在该物体的中心。
• 力矩和平衡的概念 • Alexander Calder提出的装置
– 力矩（Moment，土木中称弯矩 ）：力×距离
平衡：力矩既可顺时针方向转动，也可按逆时针方向 转动，当两个方向转动效应之和为零时，称物体处于平衡 状态。
4.2、外力、内力和反力
对任何一个土木工程的结构而言，力有外力、内力 和反力之分。
人体、重物的重力 和木桥自重是外力
桥身两端固定处 思考：全桥弯曲下垂，说明桥身承 承受反力 有内力，桥身的上下承受什么力
屋面、桥面以及
建筑物内的固定 装置等。
楼板
大梁
（2） 活载（可变荷载）：
指在使用期间施加在结构上、其值可随时间变化或 移动的荷载。
① 使用活载：包括楼面活载、屋面活载。 可移动
设备
作用在工程结构 人群 上的活载有多种 类型，如：使用 活载、移动的设
备及车辆活载、 风载、雪载等。
家具
家具
家具
可移动 设施
倘若桥的两端曾可能被 锯过又接了起来，当人拿着 重物走上去，桥身必然像被 剪切般地下落。现在桥身没 有被锯，受力后完好无损， 说明桥身还承受有剪切力。
桥身承受扭曲
桥身承受剪切
再如果将重物放在桥 的一侧，全桥还将受 到扭曲。
这些拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭曲就是桥身承受内力
的结果。人和重物能静止地位于桥上，说明它的外力、反力和内 力作用处于平衡状态。
1 荷载（直接作用）
荷载是直接以力的形式作用于结构，
如结构自重、行人或车辆的重量、风压力、 土压力、水压力等。
荷载是指 直接作用 在结构上 的外加力。
⑴ 恒载（永久荷载）
指使用期间永久施加在结构上,其值不随时间变化
的荷载。
墙体及 内装饰
内隔断
窗
作用在工程结构 上的恒载类型主
要有：结构自重
门
楼面
、墙面、地面、
弹性模量是材料抗弹性变形 的一个指标，其值越大，即材料 的刚度越大。
结构承受荷载为0→P2时，结构构件处于弹性状态；
结构承受荷载为P2→P3时，结构构件处于塑性状态；
结构承受荷载超过P3， 将达其极限应力时，结构
构件处于破坏失效状态。
＞P3
P2 ~ P3
不同的结构材料弹、塑性是不 同的。有塑性的材料称为塑性材 料，如钢材、砼等，这类材料一旦 出现塑性有发生破坏的预兆；反之 称为脆性材料如石材、玻璃等。
② 车辆活载：主要是铁路或公路
车辆的荷载，包括工业厂房的行车（俗 称天车）。
工业厂房的行车
桥梁上的汽车荷载
T1、T2、T3、T4——汽车轴重； a、a1、b1、b2、c——车轴间距离
车辆活载 是一种移 动式荷载
③ 风载： 风是由大气压 力不等引起的 空气运动。
由风的运动而施加在墙面或 W 结构上的压力称为风载。