教学配套课件:建筑力学与结构(上册).ppt
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1、建筑力学与结构(上册)项目一实景教学 任务一建筑力学与建筑结构的认知 任务二实景参观下一页返回项目二力与力系的平衡及平衡力系的受力分析 任务一静力学基础知识的应用 任务二约束与约束反力的计算 任务三物体及物体系统的受力分析 任务四平面汇交力系的计算 任务五力矩与力偶矩的计算 任务六平面力系与物体系统平衡的计算上一页 下一页返回项目三杆件强度、刚度与稳定性的计算 任务一材料性质及拉、压杆强度的计算 任务二杆件剪切、扭转与弯曲的计算 任务三受压杆件稳定性的计算上一页 下一页返回项目四静定结构的内力与位移计算 任务一静定结构的内力计算 任务二静定结构位移的计算上一页 下一页返回项目五超静定结构的内力
2、计算 任务一力法 任务二位移法上一页返回项目一实景教学 任务一建筑力学与建筑结构的认知 任务二实景参观返回任务一建筑力学与建筑结构的认知 一、建筑结构的概念 建筑结构是由梁、板、墙、柱、基础等基本构件通过一定的连接方式所组成的能够承受并传递荷载和其他间接作用(如温度变化引起的收缩、地基不均匀沉降等)的体系(图-).建筑结构都是应用石、砖、混凝土、钢材、木材乃至合金材料、化学合成材料等在土层或岩层上建造的建筑物的骨架.优秀的建筑结构应具有以下特点:()在应用方面,满足空间和功能的需求.()在安全方面,符合承载和耐久的需要.()在技术方面,体现科技和工程的新发展.()在造型方面,与建筑艺术融为一体
3、.下一页返回任务一建筑力学与建筑结构的认知()在建造方面,合理用材并与施工实际相结合.二、建筑结构的三个基本分体系 建筑结构是由许多结构构件组成的一个系统,其中主要的受力系统称为结构总体系.结构总体系由基本水平分体系楼(屋)盖体系、基本竖向分体系以及基础体系三部分组成(图-).三、建筑力学的研究对象 一个建筑结构由许多构件组成,如图-所示.框架的主体承重结构是由基础、梁、板、柱形成的立体空间结构.在对此结构进行力学分析时,往往需选取其中的一榀框架,如图-(b)所示.实际计算时,还需进一步简化为结构的计算简图,如图-(c)所示.上一页 下一页返回任务一建筑力学与建筑结构的认知 四、建筑力学的主要
4、任务 建筑结构的构件都需要考虑承受多大荷载的问题,建筑力学就是研究结构和构件承载能力的学科.结构和构件的承载能力包括强度、刚度和稳定性.强度是指结构或构件抵抗破坏的能力.结构能安全承受荷载而不被破坏,就认为其满足强度要求.刚度是指结构或构件抵抗变形的能力.任何结构或构件在外力作用下都会产生变形,在工程上结构或构件的变形应限制在允许范围内.稳定性是指构件保持平衡状态稳定性的能力.有些构件在荷载大到一定数值时,会突然出现不能保持其平衡状态稳定性的现象,称为丧失稳定.这些构件必须通过稳定性的验算才能正常工作.上一页 下一页返回任务一建筑力学与建筑结构的认知 五、建筑结构的基本任务 建筑物通常由楼板、
5、屋顶、梁、墙体或柱、基础、楼(电)梯、门窗等几部分组成.其中,板、梁、墙体、柱、基础作为建筑物的基本结构构件,组成了建筑物的基本结构.在建筑物中,建筑结构的基本任务主要有以下三个方面:()服务于人类对空间的应用和美观要求.()抵御自然界或人为施加于建筑物的各种荷载或作用.()利用建筑材料并充分发挥其作用.上一页返回任务二 实景参观 任务描述 建筑结构的认知.任务分析 参观校园内的教学楼、实训楼、宿舍楼等,使学生能够正确判断建筑结构类型;能够正确拆分各类建筑结构的基本构件组成,并了解本课程的能力目标、知识目标、学习方法等.课程的知识、能力目标与岗位能力目标对应关系如图-所示.下一页返回任务二 实
6、景参观 学生通过本课程的学习,能熟知与之相关的基本概念,掌握建筑结构的基本知识和理论,学会结构设计的计算方法,了解现行规范对结构构件计算及构造的有关规定;熟悉结构计算的基本方法步骤,掌握建筑结构的基本构件及楼盖等的设计计算;能对结构构件进行截面设计、承载力复核,包括材料选择、结构方案、构件选型、配筋计算和构造等,并能运用所获得的基本理论知识解决一般工程中的结构问题.上一页返回图-返回图1-2返回图1-3返回图1-6返回项目二力与力系的平衡及平衡力系的受力分析 任务一静力学基础知识的应用 任务二约束与约束反力的计算 任务三物体及物体系统的受力分析 任务四平面汇交力系的计算 任务五力矩与力偶矩的计
7、算 任务六平面力系与物体系统平衡的计算返回任务一静力学基础知识的应用 一、刚体的概念 在任意的外力作用下,大小和形状保持不变的物体称为刚体.事实上,物体受力后都会产生不同程度的变形,但这些变形相对于物体的尺寸来讲非常微小,对研究平衡问题没有影响,可以忽略不计.在静力学中所研究的物体都可以看作是刚体.二、力的概念 力的概念是从劳动中产生的,并通过生产实践和日常生活不断加深认识.例如,在建筑工地人们拉车、弯钢筋时,肌肉紧张,就感受到用了“力”;吊车吊起构件时,构件同样受到吊车的拉力等.总之,力是物体间相互的机械作用,这种相互作用会改变物体的运动状态,产生外效应;同时使物体发生变形,产生内效应.下一
8、页返回任务一静力学基础知识的应用 既然力是物体与物体之间的相互作用,所以力不可能脱离物体而单独存在,有受力体时就必定有施力体.物体间相互接触时,可产生相互间的推、拉、挤、压等作用;物体间不接触时,也能产生力,如万有引力、电荷的引力和斥力等.实践证明:力对物体的作用效果取决于力的三要素,即力的大小、方向和作用点.力的大小 力的大小表明物体间相互作用的强弱程度.国际单位制中:力的单位是牛顿(N)或千牛顿(kN).kNN上一页 下一页返回任务一静力学基础知识的应用.力的方向 力的方向包含方位和指向两个含义.例如,重力的方向是“铅垂向下”,“铅垂”是方位,“向下”是指向.改变力的方向,当然会改变力的作
9、用效果.力的作用点 力的作用都有一定的范围,当作用范围与物体相比很小时,可以近似地看作是一个点.这种力又可称为集中力.力的三个要素中改变任何一个时,都会改变其对物体的作用效果.因此,在描述一个力时,必须全面表明这个力的三要素.力是矢量,故通常用带箭头的线段来表示.线段的长度(按比例)表示力的大小;线段与某直线或坐标轴的夹角表示力的方位,箭头表示力的指向;线段的起点和终点都可表示力的作用点.上一页 下一页返回任务一静力学基础知识的应用 如图-所示的力 F,选定的基本长度为 kN,按比例量出力 F 的大小是 kN,力与水平线夹角成 ,指向右上方,作用在物体的 O 点上.这样,一个力就描述清楚了.注
10、意,用字母表示力矢量时,需用黑体 F,普通体 F只表示力矢的大小.实际工程中,有时力的作用范围较大,不能看作是一个点,就属于分布力,又称分布荷载.分布荷载大多是均匀的,又称均布荷载.均匀分布在狭长的范围时,简称为均布线荷载,用 q 表示,单位为 N/m;均匀分布在较大的平面时,简称为均布面荷载,用 p 表示,单位为 N/m.q 和 p 是分布力的荷载集度,指单位长度或单位面积上作用荷载的密集程度,即均布荷载的大小.如图-所示.上一页 下一页返回任务一静力学基础知识的应用 三、静力学公理 静力学公理是人类在长期的生产和生活实践中,经过反复观察和试验,总结出来的普遍规律.它阐述了力的一些基本性质,
11、是研究静力学的基础.作用与反作用公理 两物体间的作用力与反作用力,总是大小相等、方向相反,且沿同一直线,并分别作用在这两个物体上.这个公理概括了两个物体间相互作用的关系.力总是成对出现的,有作用力必定有反作用力,且总是同时产生又同时消失.如图-所示,物体 A 对物体 B 施作用力 F,同时,物体 A 也受到物体 B 对它的反作用力 F ,且这两个力大小相等、方向相反、沿同一作用线.上一页 下一页返回任务一静力学基础知识的应用.二力平衡公理 作用在同一刚体上的两个力,使刚体平衡的充分与必要条件是:这两个力大小相等、方向相反,且作用在同一直线上,如图-所示.若一根不计自重的直杆只在两点受力作用而处
12、于平衡,则此二力必共线,这种杆称为二力杆,如图-所示.加减平衡力系公理 在作用于刚体的力系中,加上或减去任意一个平衡力系,不会改变原力系对刚体的作用效果.平衡力系对刚体的作用效果为零,所以在刚体的原力系上加上或去掉一个平衡力系,不会改变刚体的运动状态.上一页 下一页返回任务一静力学基础知识的应用 推论一 力的可传性原理 作用于刚体上的力可沿其作用线移动到刚体内任意一点,而不改变原力对刚体的作用效果.证明过程如图-(a)、(b)、(c)所示(图中 F F F ).力的平行四边形公理 作用于物体上同一点的两个力,可以合成为一个合力,合力也作用于该点,合力的大小和方向由这两个力为邻边构成的平行四边形
13、的对角线来确定,如图-(a)所示.这个公理说明力的合成是遵循矢量加法的,这也是复杂力系合成(简化)的基础.当两个力共线时,便可用代数加法.上一页 下一页返回任务一静力学基础知识的应用 两个共点力可以合成为一个合力,结果是唯一的.相反,一个力分解为两个分力时,却有无数的答案.因为以一个力的线段为对角线,可以做出无数个平行四边形,如图-所示.推论二 三力平衡汇交定理 一刚体受共面且不平行的三个力作用而平衡时,这三个力的作用线必汇交于一点.证明:()设有三个共面且不平行的力 F 、F 、F 分别作用于一刚体上的 B、C、A 三点而平衡,如图-所示.上一页 下一页返回任务一静力学基础知识的应用()应用
14、力的可传性原理,将力 F 和 F 移到两力作用线的交点 O,并按力的平行四边形公理合成为合力 F R,F R 也作用于 O 点.这样,刚体上只受到 F R 和 F 两个力 的作用.()由二力平衡公理可知,F 必定与合力 F R 共线.因此,F 也通过 F 与 F 的交点O.于是,三力汇交.利用三力平衡汇交定理,可确定物体在共面但不平行的三个力作用下平衡时,其中某一未知力的方向.上一页返回任务二 约束与约束反力的计算 一、几种常见的约束及其反力.柔体约束 柔软的绳索、链条、皮带等用于阻碍物体的运动时,都称为柔体约束.柔体约束只能限制物体沿柔体中心线离开柔体的运动,而不能限制其他方向的运动.因此,
15、柔体约束的反力是通过接触点,沿柔体中心线且背离物体的拉力,常用 F T 表示,如图-所示.光滑接触面约束 一物体与另一物体接触,当接触面之间的摩擦力很小,可以忽略不计时,就是光滑接触面约束.这种约束只能阻碍物体沿接触表面公法线并指向物体方向的运动,不能限制沿接触面公切线方向的运动.因此,光滑接触面约束对物体的约束反力是:通过接触点,沿接触面的公法线且指向物体的压力,常用 F N 表示,如图-所示.下一页返回任务二 约束与约束反力的计算.圆柱铰链约束 圆柱铰链简称铰链或铰.其由一个圆柱形销钉插入两个物体的圆孔中构成,且销钉和圆孔的表面都是光滑的,如图-所示.门窗用的合页是铰链的实例.销钉只能限制
16、物体在垂直于销钉平面内任意方向的相对移动,而不能限制物体绕销钉的转动.当物体相对于另一物体有运动趋势时,销钉与圆孔内壁便在某点接触,约束反力通过销钉中 心 和 接 触 点,由 于 接 触 点 的 位 置 不 能 确 定,故 约 束 反 力 的 方 向 未 知,如图-(a)所示.所以,圆柱铰链的约束反力是:垂直于销钉轴线并通过销钉中心,但方向未定.圆柱铰链的简图如图-(b)所示.圆柱铰链的约束反力可用一个大小与方向均未知的力表示,也可用两个相互垂直的未知分力来表示,如图-(c)、(d)所示.上一页 下一页返回任务二 约束与约束反力的计算.链杆约束 两端用铰链与物体连接且中间不受其他力的直杆,称为
17、链杆约束.如图-(a)所示的支架,斜杆 BC 即为横杆 AB 的链杆约束.链杆只能限制物体沿链杆轴向的运动,而不能限制其他方向的 运 动.所 以,链 杆 约 束 的 反 力 是:沿 链 杆 的 中 心 线,但 指 向 未 定,如图-(b)所示.二、支座及其反力 工程中将结构或构件支承在基础或另一静止构件上的装置称为支座,支座也是约束.支座对构件的约束反力称为支座反力.建筑工程中常见的三种支座分别为:固定铰支座(铰链支座)、可动铰支座和固定端支座.上一页 下一页返回任务二 约束与约束反力的计算.固定铰支座 如图-所示是固定铰支座的结构简图.用圆柱铰链把结构或构件与支座底板连接,并将底板固定在基础
18、或静止的结构物体上,就构成固定铰支座.其计算简图如图-(a)所示.这种支座可以限制构件在垂直于销钉的平面内任意方向的移动,而不能限制构件绕销钉的转动,可见其约束性能与圆柱铰链相同.所以,固定铰支座对构件的支座反力也通过铰链中心,但方向不定,支座反力如图-(b)、(c)所示.如图-所示为桥梁上比较理想的固定铰支座,而在房屋建筑中这样的支座很少.通常将限制构件移动,而允许产生微小转动的支座,都视为固定铰支座.例如,将屋架通过连接件焊接支承在柱子上;预制钢筋混凝土柱插入杯形基础,用沥青麻丝填实等(图-),均可视为固定铰支座.上一页 下一页返回任务二 约束与约束反力的计算.可动铰支座 图-(a)所示为
19、可动铰支座的结构简图.在固定铰支座下面加几个辊轴支承于平面上,就构成可动铰支座.其计算简图如图-(b)所示.这种支座只能限制构件沿垂直于支承面方向的移动,而不能限制构件绕销钉转动和沿支承面方向的移动.其约束特性与链杆相近.所以,可动铰支座对构件的支座反力通过铰链中心,且垂直于支承面,指向未定.反力可能指向构件,也可能背离构件,支座反力如图-(c)所示.在工程上,钢筋混凝土梁通过混凝土垫块支承在砖墙上,就可视为梁搁置在可动铰支座上,如图-所示.上一页 下一页返回任务二 约束与约束反力的计算.固定端支座 将构件与支承物完全连接为一个整体,构件既不能沿任意方向移动,也不能转动,这种支座称为固定端支座
20、,其构造简图如图-(a)所示,计算简图如图-(b)所示.由于这种支座既限制构件的移动,也限制构件的转动.所以,它的支座反力包括水平力、竖向力和一个阻止转动的约束反力偶,其支座反力如图-(c)所示.有关力偶的内容,将在以后的学习中详细说明.在实际工程中,插入地基中的电线杆、嵌固在墙壁内的阳台挑梁等,其根部的约束均可视为固定端支座.上一页返回任务三 物体及物体系统的受力分析 一、单个物体的受力图 画单个物体受力图的方法和步骤如下:()明确研究对象,把该物体从周围约束中脱离出来,画脱离体图.()画出已知的主动力,原图中已画出的力,可以是集中力,也可是分布力.没有画出重力的物体,便可以不计,不必画蛇添
21、足.()画出未知的约束反力,在解除约束处画上与约束类型相对应的约束反力.约束反力的指向可以确定时,需画出实际方向;指向不能确定时,可先假设.下一页返回任务三 物体及物体系统的受力分析 二、物体系统的受力图 物体系统即指多个物体,其受力图的画法与单个物体基本相同,只是研究对象可能是整体或某一个个体.画整体的受力图时,同单个物体;画系统中某一个个体的受力图时,需注意拆开处相应的约束反力,并应符合作用力与反作用力公理.通过以上各例的分析,可以归纳出画受力图时的几点注意事项:()明确研究对象.确定要画哪个物体的受力图,是单个物体,还是整体.()约束反力与约束一一对应.每解除一个约束,就有与它相对应的约
22、束反力作用于研究对象;约束反力的方向要依据约束的类型来画,不能根据主动力的方向来简单推断.上一页 下一页返回任务三 物体及物体系统的受力分析()注意作用与反作用的关系.在分析两物体之间的相互作用时,要符合作用与反作用的关系.作用力的方向一旦确定,反作用力的方向就必须与其相反.在整体的受力图中,两物体之间的作用与反作用力是内力,不必画出.()同一约束反力在不同的受力图中,假定的指向必须一致.上一页返回任务四 平面汇交力系的计算 一、平面汇交力系合成的几何法 两个汇交力的合成,可由平行四边形法则或三角形法则来完成.对于多个汇交力的合成,只是两力合成的简单重复.具体来讲,就是连续应用三角形法则,逐个
23、合成每个力,从而求出多个汇交力的合力.如图-(a)所示,求 F 、F 、F 和 F 的合力时,先用三角形法则求出 F 和 F 的合力 F (AC),再求出 F 和 F 的合力 F (AD),最后求出 F 和 F 的合力 F R(AE),就得到这四个力的合力了,如图-(b)所示.这一过程可以概括为:连续使用三角形法则,将各力首尾相接,得到一条矢量折线,而合力就是从最初的起点指向最末的终点,这样多边形就被合力闭合.合力即为力多边形的闭合边.这种求合力的方法称为力的多边形法则.图-(c)中的 F R 与原力系图-(a)等效.下一页返回任务四 平面汇交力系的计算 上述求合力的多边形法则,是通过几何作图
24、来完成的,故又称为几何法.应用力的多边形法则求合力时,按照不同的合成顺序,可以得到形状不同的力多边形,但力多边形的闭合边不变,即合力不变.作图时应将各力按照选定的比例、准确的角度绘制,以确保结果的精确度.力的多边形法则推广到求平面中任意几个力的合力时,可表示为 F R F F F F n 即平面汇交力系合成的结果是一个合力,合力的大小和方向等于原力系中各力的矢量和,其作用点是原力系各力的汇交点.上一页 下一页返回任务四 平面汇交力系的计算 二、平面汇交力系平衡的几何条件 平面汇交力系可以合成为一个合力 F R,即 F R 与原力系等效.如果力的多边形中的最后一个力的终点与第一个力的起点重合,则
25、意味着合力 F R ,即力的多边形自行封闭.如图-所示.此时的物体处于平衡状态,该力系为平衡力系.反之,欲使平面汇交力系平衡,必须使其合力等于零.所以,平面汇交力系平衡的必要和充分条件是:该力系的合力等于零.用公式表示为 F R F 平面汇交力系平衡的几何条件为:力的多边形自行闭合.利用这一几何条件,可以求解平面汇交力系中的两个未知量.上一页 下一页返回任务四 平面汇交力系的计算 三、平面汇交力系合成的解析法 平面汇交力系的几何法直观、简捷,但其精确度难以保证,在力学中应用较多的还是解析法.所谓解析法就是通过列代数表达式来求解力的方法,又称数解法.解析法以力在坐标轴上的投影计算为基础.力在坐标
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