大学精品课件：012土木工程中的力学基本概念 (1).ppt

1、土木工程概论土木工程概论 第第12章章 土木工程中的土木工程中的 力学基本概念力学基本概念 土木工程概论土木工程概论 12.1 荷荷 载载 土木工程概论土木工程概论 土木工程要解决的第二个问题是工程结构要有能抵土木工程要解决的第二个问题是工程结构要有能抵 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。上的荷载有那些，其性质如何非常重要。 作用在工程结作用在工程结 构上的恒载类构上的恒载类 型主要有：型主要有： 1.1.恒载：恒载： 指持久存在指持久存在 着的力着的力 荷载：作用在 结构上的力 3.1 荷载

2、土木工程概论土木工程概论 一般情况恒载由构 件的具体尺寸和材料的 重度计算 3.1 荷载 2.2.活载活载 可移动的 外加力 作用在工程结作用在工程结 构上的活载类构上的活载类 型主要有：型主要有： 土木工程概论土木工程概论 静载：荷载作用不变或静载：荷载作用不变或 作用变化缓慢。作用变化缓慢。 动载：荷载作用急剧、动载：荷载作用急剧、 快速变化。如撞击力、落快速变化。如撞击力、落 重等。重等。 注意：动载对房屋的作用注意：动载对房屋的作用 效应比它们作为静载的绝效应比它们作为静载的绝 对值要大。对值要大。 3.3.静载、动载、周期和风载静载、动载、周期和风载 土木工程概论土木工程概论 土木工

3、程概论土木工程概论 当风施加于房屋的当风施加于房屋的 作用力在比房屋周作用力在比房屋周 期短的时间内消失期短的时间内消失 周期和风载：周期和风载： 风载可分为动载、静载。风载可分为动载、静载。 反之，若风的作用在反之，若风的作用在 比房屋周期长的时间比房屋周期长的时间 内消失，就是静载。内消失，就是静载。 高层建筑房屋周期长，高层建筑房屋周期长， 低层房屋周期短。低层房屋周期短。 土木工程概论土木工程概论 影响风载的因素： 因地区而异（沿海、内陆）； 同一地区因时间而异； 因房屋高度而异。 土木工程概论土木工程概论 北京郊区某5m 高单层房屋迎 风面风载 2 22. 0mkn 同处一幢 18层

4、高层 建筑 2 7 . 0mkn 土木工程概论土木工程概论 4.4.地震、震级、烈度、地震荷载地震、震级、烈度、地震荷载 地震：以地面发生不同强烈程度的振动为特征的一种地震：以地面发生不同强烈程度的振动为特征的一种 物理现象物理现象 震源震源 震中震中 震中距震中距 土木工程概论土木工程概论 震级：表示地震级：表示地 震的强度，用释震的强度，用释 放出来的能量大放出来的能量大 小衡量。小衡量。 国际上通用的是 Richter震级。 标准地震仪测得 的最大水平位移 幅值（m） 一次里氏一次里氏 5 5级地级地 震所释放的能量震所释放的能量 为：为： erg 19 102 相当于相当于2 2万万t

5、T.N.T.tT.N.T.炸药，炸药， 每增加一级，释放的能每增加一级，释放的能 量增加量增加31.531.5倍倍 AM 10 log 土木工程概论土木工程概论 地震烈度地震烈度 地震在某一个具体地区引起的振动强度。与震级 是两个不同的概念。震中区烈度最大。根据震时人、 地、物主要宏观标志划分为12度。 地震荷载：地震荷载： 地震对土木工程的作用力。地震引起的地面运动 会使房屋在竖向或水平方向产生加速度反应，其加速 度反应值与土木工程本身质量的乘积，就形成地震对 房屋的作用力。 土木工程概论土木工程概论 土木工程概论土木工程概论 约束 mL20 5.5.由温差和地基不均匀沉降引起的内力由温差和

6、地基不均匀沉降引起的内力 温差的影响 如 一 根 长 20 米 的 钢 梁 土木工程概论土木工程概论 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 房屋结构受到内力 效应。 土木工程概论土木工程概论 内外柱相差 几十毫米 外柱 现代高层房屋必须现代高层房屋必须 考虑这种温差内力考虑这种温差内力 效应。效应。 土木工程概论土木工程概论 由地基不均匀沉降引起的内力效应由地基不均匀沉降引起的内力效应 6.6.其他荷载其他荷载 如结构安装、焊接、振动、撞击、爆炸等作用力。如结构安装、焊接、振动、撞击、爆炸等作用力。 土木工程概论土木工程概论 土木工程概论土木

7、工程概论 荷载在结构上产生的内力（弯矩、扭矩、剪荷载在结构上产生的内力（弯矩、扭矩、剪 力、压力和拉力等）和变形（挠度、扭转、力、压力和拉力等）和变形（挠度、扭转、 弯曲、拉伸、压缩和裂缝等）成为荷载效应。弯曲、拉伸、压缩和裂缝等）成为荷载效应。 能使土木工程结构产生效应（结构或构件的能使土木工程结构产生效应（结构或构件的 内力、应力、位移、应变和裂缝等）的各种内力、应力、位移、应变和裂缝等）的各种 原因的总称，成为结构上的荷载。原因的总称，成为结构上的荷载。 土木工程概论土木工程概论 集中荷载 均匀分布荷载 大 坝 三角形分布荷载 土木工程概论土木工程概论 12. 应力、应变和弹性应力、应变

8、和弹性 土木工程概论土木工程概论 作用于单位面积上的内力强度称之为应力： 一、应力一、应力 A p 土木工程概论土木工程概论 拉力拉力 压力压力 弯矩弯矩 剪力剪力 扭力扭力 土木工程概论土木工程概论 L L 二、应变二、应变 单位长度的变化量 土木工程概论土木工程概论 当有力作用一物体时，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。 三、弹性三、弹性 土木工程概论土木工程概论 11 p 土木工程概论土木工程概论 32 PP ？ 材料在弹性材料在弹性 状态荷载与状态荷载与 变形成正比变形成正比 1 2 1 2 p p 土木工程概论土木工程概论 当结构

9、材料当结构材料 荷载承受更大荷荷载承受更大荷 载时，移去荷载，载时，移去荷载， 有残余变形，变有残余变形，变 形不能恢复原状。形不能恢复原状。 四、塑性四、塑性 12 23 12 23 PP PP 土木工程概论土木工程概论 承受荷载较小时处于弹 性状态； 较大时处于塑性状态； 超过极限应力时处于破 坏失效状态。 2 0P 32 PP 3 P 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、混 凝土等，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。 土木工程概论土木工程概论 12. 3 3 结构的失效结构的失效 土木工程概论土木工程概论 1 1

10、、作用效应、抵抗能力和基本功能、作用效应、抵抗能力和基本功能 1）作用效应作用效应：房屋结构因承受着各种作用力而产生的拉伸、压 缩、弯曲和剪切变形。 外荷载施加在房屋结构的外荷载施加在房屋结构的 作用效应通常用作用效应通常用S S 表示表示 结构的抗力通常用结构的抗力通常用R R 表示表示 2 2）抵抗能力）抵抗能力：指由材料、截面及其连接方式所构成的抗拉能力、 抗压能力、抗弯能力、抗剪等能力，以及结构所能经受的变形、 位移或沉降量。 3）结构设计应遵循的原则 RS 土木工程概论土木工程概论 2 2、建筑结构要满足的基本功能、建筑结构要满足的基本功能 能承受正常施工和使用时可能出现的各种作用力

11、（例如能承受正常施工和使用时可能出现的各种作用力（例如 拉力、压力、弯矩、剪力等）；拉力、压力、弯矩、剪力等）； 在正常使用时具有良好的工作性能（如不发生过大的侧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，不使人感到晃动）；向位移，不使人感到晃动）； 在正常维护下具有足够的耐久性能（如有抵抗酸类、盐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）；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）；地震的能力）； 土木工程概论土木工程概论 3 3、结构的失效、结构的失效 RS

12、 当结构或从属于它的构件不能满足上述基本功能要求即当结构或从属于它的构件不能满足上述基本功能要求即 房屋结构失去效能，即失效或称破坏。其表现形式：房屋结构失去效能，即失效或称破坏。其表现形式： 破坏破坏 - 如拉断、压碎等。如拉断、压碎等。 失稳失稳 - 如柱子压屈等。如柱子压屈等。 发生影响正常使用的变形发生影响正常使用的变形 - 构件裂缝、侧移、不均匀构件裂缝、侧移、不均匀 沉降过大等。沉降过大等。 倾覆倾覆 - 结构失去平衡而倾倒。结构失去平衡而倾倒。 材料丧失耐久性材料丧失耐久性 - 材料锈蚀、腐蚀、冻融、蛀蚀等。材料锈蚀、腐蚀、冻融、蛀蚀等。 土木工程概论土木工程概论 某高层某高层 房屋房屋 A柱保证要柱保证要 有足够的抗有足够的抗 拉能力拉能力