《土木工程概论》课件-第11讲 土木工程中的力学和结构概念.docx

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1、土木工程概论第7章 土木工程中的力学与结构概念第11讲 土木工程中的力学和结构概念1 外力、内力和反力2 荷载、作用和效应3 结构和结构失效4 土木工程结构的设计方法邵邵阳阳学学院院 杨杨宗宗耀耀教教授授级级高高级级工工程程师师邵阳学院 土木专业土木工程概论第11讲 土木工程中的力学与结构概念【教学要求】了解力学的基本概念，了解工程结构荷载、作用和效应，了解工程结构的功能要求和结构失效，了解结构工程师的任务和结构设计方法。【教学重点】荷载、作用和效应；工程结构的功能要求；结构失效。【教学难点】荷载、作用和效应。邵阳学院 土木专业土木工程概论第11讲 土木工程中的力学与结构概念土木工程要解决的问

2、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。结构模型大赛建筑结构计算机建模邵阳学院 土木专业共45张 第1张土木工程概论第11讲 土木工程中的力学与结构概念1 外力、内力和反力力：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。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

3、态。邵阳学院 土木专业共45张 第2张土木工程概论1 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承受反力思考：全桥弯曲下垂，说明桥身承有内力，桥身的上下承受什么力邵阳学院 土木专业共45张 第3张土木工程概论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1 外力、内力和反力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。邵阳学院 土木专业共45张 第4张土木工程概论1 外力、内力和反力这些拉伸、压缩、弯曲、

4、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。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：邵阳学院 土木专业共45张 第5张土木工程概论1 外力、内力和反力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。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

5、力。邵阳学院 土木专业共45张 第6张土木工程概论第11讲 土木工程中的力学与结构概念2 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。作用与作用效应的基本概念作用：是指能能使使结结构构产产生生效效应应的的各各种种原原因因的的总总称称。作作用用分分为为直直接接作作用用和和间间接接作作用用。邵阳学院 土木专业共45张 第7张土木工程概论2 荷载、作用和效应作用效应：作作用用在在结结构构上上产产生生的

6、的内力和和变形的的总总称称。能能使使结结构构产产生生作作用用效效应应的的原原因因有有两两种种：一一种种是是施施加加在在结结构构上上集集中中力力和和分分布布力力，如如结结构构自自重重，作作用用于于楼楼面面的的人人群群、家家具具、设设备备，作作用用于于桥桥面面的的车车辆辆、人人群群，施施加加于于结结构构物物上上的的风风压压力力、水水压压力力、土土压压力力等等，它它们们都都是是直直接接施施加加于于结结构构上上（直直接接作作用用），工工程程界界习习称称为为“荷荷载载”；另另一一种种是是施施加加于于结结构构上上的的外外加加变变形形或或约约束束变变形形，如如地地震震、基基础础沉沉降降、材材料料收收缩缩和和

7、徐徐变变、温温度度变变化化引引起起结结构构产产生生作作用用效效应应，它它们们都都是是间间接接作作用用于于结结构构（间间接接作作用用） 。2.1 荷载（直接作用）荷荷载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。荷载是指直直接接作作用用在在结结构构上上的的外外加加力力。邵阳学院 土木专业共45张 第8张土木工程概论2.1 荷载(直接作用) 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。内隔断窗墙体及内装饰门楼面楼板大梁邵阳学院 土木专业作用在工程结构上的恒载类型主要有：结构自重、墙面、地面、屋面、桥面以及建筑物内的固定装置等。共45

8、张 第9张土木工程概论2.1 荷载(直接作用) 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。 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。人群家具家具可移动设施家具邵阳学院 土木专业共45张 第10张土木工程概论2.1 荷载(直接作用) 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车辆活载T1、T2、T3、T4汽车轴重；是一种移a、a1、b1、b2、c车轴间距离动式荷载邵阳学院 土木专业共45张 第11张土木工程概论2.1 荷

9、载(直接作用) 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。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。邵阳学院 土木专业共45张 第12张土木工程概论北京郊区某5m高单层房屋迎风面风载0.22kNm22.1 荷载(直接作用)同处一区的18层高层建筑0.7kNm2邵阳学院 土木专业共45张 第13张土木工程概论2.1 荷载(直接作用)邵阳学院 土木专业共45张 第14张土木工程概论2.1 荷载(直接作用)集中荷载作用均匀分布荷载作用集中荷载的单位一般三角形为KN，均布荷载的分布荷载

10、作用单位一般为KN/m或KN/m2邵阳学院 土木专业共45张 第15张土木工程概论2.1 荷载(直接作用) 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。美百佛米山撞国桥九击世面江起贸坠大火中入桥倒心江被塌大中撞厦邵阳学院 土木专业共45张 第16张土木工程概论2.1 荷载(直接作用)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”。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

11、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、震中距的关系邵阳学院 土木专业共45张 第17张土木工程概论2 荷载、作用和效应2.2 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。 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邵阳学院 土木专业共45张 第18张土木工程概论2.2 间接作用(间接荷载)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

12、和尺寸，当这种改变受到约束时，就会使结构受到内力效应。建筑物的温度裂缝邵阳学院 土木专业共45张 第19张土木工程概论现代高层房屋必须考虑这种温差内力效应。内外柱高差达几十毫高层建筑外墙的温度裂缝米2.2 间接作用(间接荷载)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邵阳学院 土木专业共45张 第20张土木工程概论2.2 间接作用(间接荷载) 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。比萨斜塔就是由于地基不均匀沉陷而成为世界著名建筑！邵阳

13、学院 土木专业共45张 第21张土木工程概论2.2 间接作用(间接荷载) 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。地面运动时建筑物的相应运动底在北惯川地震作用是一种惯性层性县彻力，它的大小与土木工程力底底作框的质量、地震烈度和结构垮用建的动力特性相关。地震作塌下筑用以水平方向为主。邵阳学院 土木专业共45张 第22张土木工程概论2.2 间接作用(间接荷载)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”。但目前道

14、路、桥梁、隧按照国际通行做法和现行国家道设计的行业标准中，标准，“作用”泛指使结构产生内尚未引进“作用”代替“荷载”，仍沿用“荷力、变形的所有原因，包括直接作载”一词表述引起结构用和间接作用；而“荷载”仅等同产生效应的直接作用和于施加于结构上的直接作用。间接作用。邵阳学院 土木专业共45张 第23张土木工程概论2 荷载、作用和效应荷载和作用的分类地球物理因素人为因素重力气象地质结焊机温地地构器撞震安接振击构差引基使荷装引动引配雪风引起不用载引起引起件荷荷起的均荷（起的起的自载载的作匀载作的作的作重作用沉用作用作用用降）用用静载动载爆炸力引起的作用邵阳学院 土木专业共45张 第24张土木工程概论

15、2 荷载、作用和效应2.3 应力、应变、弹性模量土木工程结结构构受受力力后后，其其构构件件将将产产生生内力（平衡状态）和和变形（其长度、形状将发生改变）。在在产产生生拉拉力力、压压力力、剪剪力力、弯弯矩矩和和扭扭矩矩内内力力的的同同时时结结构构构构件件会会出出现现55种种基基本本变变形形的的形形式式。拉伸压缩弯曲剪切扭转邵阳学院 土木专业共45张 第25张土木工程概论2.3 应力、应变、弹性模量 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： = Ap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

16、相切的称为剪应力或切应力。表示正应力或法向应力，代表剪应力或切应力。应力的单位是：N/mm2，即MPa邵阳学院 土木专业共45张 第26张土木工程概论2.3 应力、应变、弹性模量 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： =LL表示构件的纵向线应变，代表构件的横向线应变。对于拉杆来说，为正，为负；压杆则为负，为正。邵阳学院 土木专业共45张 第27张土木工程概论2.3 应力、应变、弹性模量 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。材料在弹性状态，荷载与变形成正比。p2=2p11其应力与应变

17、也成正比例关系，其比例系数 E 称为弹性模量。 = E邵阳学院 土木专业共45张 第28张土木工程概论2.3 应力、应变、弹性模量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 P23 2P P2121材料进入塑性状态，荷载与变形不成正比。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。邵阳学院 土木专业共45张 第29张土木工程概论2.3 应力、应变、弹性模量结构承受荷载为0P2时，结构构件处于弹性状态；结构承受荷载为P2P3时，结构构件处于塑性状态；结构承受荷载超过P3，P3将达其极限应力时，结构P2 P3构件处于破坏失效

18、状态。不同的结构材料弹、塑性是不 0 P2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。邵阳学院 土木专业共45张 第30张土木工程概论第11讲 土木工程中的力学与结构概念3 结构和结构失效3.1 结构的定义和要求 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。体育场结构的三维模型邵阳学院 土木专业共45张 第31张土

19、木工程概论3 结构和结构失效 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。 为安全可靠的目的，在结构设计中必须做到： 结构承受荷载后的内力（N、M、V、MT）结构的承载力； 结构承受荷载后的变形（挠度、侧移、沉陷）变形的允许值。邵阳学院 土木专业共45张 第32张土木工程概论3 结构和结构失效3.2 结构的功能要求 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、

20、剪力、弯矩、扭矩等）； 在正常使用时具有良好的工作性能（如不发生过大的侧向位移，不发生过大的不均匀沉陷，不使人感到晃动等）； 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）； 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）。和是安全性，是适用性，是持久性。“安全、适用、持久”三者缺一不可，但安全第一。邵阳学院 土木专业共45张 第33张土木工程概论3 结构和结构失效3.3 结构的失效结构设计应遵循的原则：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。邵阳学院 土木专业共45张 第

21、34张土木工程概论3.3 结构的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发生作用力平面外的极大变形的现象，如柱子压屈、梁在平面外扭曲等。 发生影响正常使用的变形-梁板的过大挠度或过宽裂缝，柱、墙的过大侧移，结构有过大倾斜或过大的沉陷等。 倾覆-结构或结构的一部分失去平衡而倾倒或移动的现象。 结构材料丧失耐久性-钢材锈蚀、砼受腐蚀、砌体遭冻融、木构件被虫蛀蚀等化学、物理、生物现象。邵阳学院 土木专业共45张 第35张土木工程概论3.3 结构的失效上部结构抗侧移能力不足被拉裂某高层建

22、筑A柱抗拉能力B柱长细比上部结构抗剪能不足被拉断过大被压屈力不足被剪断邵阳学院 土木专业共45张 第36张土木工程概论第11讲 土木工程中的力学与结构概念4 土木工程结构的设计方法4.1 结构工程师的任务 土木工程设计的分工规划师负责工程结构工程师负责的选址、开发强工程的承载、变度和空间环境。形、稳定的安全性需求。建筑师负责工程设备工程师负责的布局、造型，工程的给排水、满足各项功能性供热通风和电气使用要求。等配套设施。邵阳学院 土木专业共45张 第37张土木工程概论4.1 结构工程师的任务 结构工程师要解决的问题 确定结构承受的荷载，并合理选用结构材料； 正确选用结构体系和结构型式； 解决好结

23、构承载力、变形、稳定、抗倾覆等技术问题； 解决好结构的连接构造和施工方法问题。 结构工程师须具备的基本素质 接受过良好的土木工程学科和相关学科的教育，并训练有素； 对其它学科具备一定的知识； 不断地掌握土木工程有关最新技术并进行知识更新； 很好的交际技能，包括口头、撰写、绘图和数字化技能。邵阳学院 土木专业共45张 第38张土木工程概论4 土木工程结构的设计方法4.2 结构设计的方法 极限状态设计方法工程结构设计经历了容许应力法、破损阶段法、极限状态法和概率极限状态法四个阶段。我国目前的建筑和公路的结构设计方法都采用概率极限状态设计法。它以结构的失效概率或可靠指标来度量结构的可靠度，用分项系数

24、的设计表达式进行设计。结构的极限状态分为承载力极限状态和正常使用极限状态两类，整个结构或结构的某一部分达到结构的极限状态就不能满足安全、适用或耐久性要求。邵阳学院 土木专业共45张 第39张土木工程概论 土木工程的分阶段设计业主提出初步设计构思使用要求明确各项功能要求形成总体设计方案处理各设计工种的技术问题进行各设计工种的细部设计绘制施工图，完成总体设计交付施工，参与工程监理竣工验收，交付使用4.2 结构设计的方法初步设计阶段施工图阶段施工阶段邵阳学院 土木专业共45张 第40张土木工程概论4.2 结构设计的方法 建筑工程的结构设计步骤结构设计步骤一般分为结构模型的建立、结构荷载计算、构内力计

25、算和构件选择、施工图绘制四个阶段。 结构模型的建立建立结构模型前需对结构进行简化。如框架结构是空间结构，为简化计算，可取出其中的一榀框架将其简化为平面框架；梁和柱的截面尺寸相对于整个框架来说较小，可简化为杆件，梁和柱的连接节点可简化为刚性连接。经过如此简化后，复杂的框架结构即成为可用结构力学对其进行受力计算分析的简单模型。邵阳学院 土木专业共45张 第41张土木工程概论4.2 结构设计的方法 结构荷载计算荷载计算必须弄清楚该结构所受的荷载的种类和传力路线。建筑结构荷载种类：恒载、活载、积灰荷载、雪荷载、风荷载、地震荷载等。荷载传力路线：在框架结构中，荷载是由板传给次梁，次梁传给主梁，主梁传给框

26、架柱，柱传给基础，基础最后传给地基。将计算的各种荷载换算成线荷载并作用于框架的计算模型上。邵阳学院 土木专业共45张 第42张土木工程概论4.2 结构设计的方法 构件内力计算和构件选择内力计算前，先依据经验估算梁柱的截面尺寸，然后进行该模型的内力计算。内力计算方法我们将在结构力学课程中学到。计算出构件内力后，再依据内力进行梁柱配筋的计算和梁柱的稳定、变形的计算。这些计算方法我们将在砼结构、钢结构等课程中学到。这些课程的理论基础是理论力学、材料力学、结构力学三大力学。邵阳学院 土木专业共45张 第43张土木工程概论4.2 结构设计的方法 施工图纸的绘制构件的截面尺寸和配筋确定后，即可将其反映至施

27、工图纸上。如何绘制施工图纸？同学们将在画法几何和工程制图课程中学习。图纸是工程师的语言，施工图纸的绘制必须规范！在校期间可学习工程制图的相关国家标准、规范。邵阳学院 土木专业共45张 第44张土木工程概论4.2 结构设计的方法建筑结构施工图平面整体设计方法（平法）简介平法是把结构构件的尺寸和配筋等，按照平面整体表示方法制图规则，整体直接表达在各类构件的结构平面布置图上，再与标准构造详图相结合，即构成一套新型完整的结构设计图。改变了传统的将构件逐个从结构平面布置图中索引，再逐个绘制配筋详图的繁琐方法，是砼结构施工图的设计表示方法的重大改革。学习国家平法标准图可收到事半功倍的效果。邵阳学院 土木专

28、业共45张 第45张土木工程概论第7章 土木工程中的力学与结构概念思考题1、试述外力、内力和反力的关系和结构的5种内力特征。2、试述荷载、作用的共性和不同。3、试述施加在工程结构上的间接作用的三种型式。4、试述应力、应变、弹性、塑性的基本概念。5、试述土木工程结构的功能要求。6、试述结构失效的常见表现形式。7、结构设计中结构工程师要解决哪些问题？8、试以所在教学楼举例，结构承受有哪些荷载？邵阳学院 土木专业土木工程概论第7章 土木工程中的力学与结构概念参考资料1、张淑芬.理论力学.中国建筑工业出版社.2007.2、蒋沧如主编.理论力学.武汉理工大学出版社.第2版2004.3、袁海庆主编.材料力学.武汉理工大学出版社.第2版2004.4、宋仁.力学分析技巧与程序.中国建筑工业出版社.2006.5、王立雄等.建筑力学与结构.中国建筑工业出版社.2007.6、陆歆弘,蔡跃主编.房屋建筑力学与结构基础.中国建筑工业出版社.2008.7、蒋平主编.工程力学基础.高等教育出版社.第2版2009.邵阳学院 土木专业