建筑力学静力学课程教案.docx
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建筑力学静力学课程教案
湖南交通工程学院课程授课教案
授课内容
绪论
0.1建筑力学的研究对象
0.2建筑力学的主要任务和内容
第一章静力学基础
1.1力的概念及性质
教学目的与要求
了解工程力学的研究对象、掌握工程力学的任务和内容；掌握力的概念及性质
重点难点
力的概念及性质
参考资料
中国石油大学出版社
教学方法
讲述
教学手段
板书
教学过程
教学手段
方法设计
新课讲授
绪论
0.1建筑力学的研究对象
建筑力学是工程类专业的一门重要基础课，其研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。
工程专业则以工程中的结构和构件为研究对象，研究它们的受力平衡运动、变形等方面的基本规律，并掌握相关计算方法，为后续专业课程的学习奠定基础。
建筑物中能承受或传递荷载并起骨架作用的物体及体系叫作结构，结构的各个组成部分称为构件。
思考：
建筑由哪些构件组成？
根据几何形状的不同可将结构分为以下几类。
（1）杆系结构。
杆系结构由杆件组成。
组成结构的杆件其几何特征是横截面尺寸比长度小得多，如梁、柱、拱、桁架等。
（2）薄壁结构。
薄壁结构也称板壳结构，它是由厚度远比长度和宽度小得多的薄板或薄壳组成的结构，如屋面板、楼面板等。
（3）实体结构。
实体结构是长、宽、高三个方向尺寸相近的结构，如拱壳、块体（挡土墙、坝体）等。
0.2工程力学的主要任务和内容
0.2.1工程力学的主要任务
工程力学的任务是对结构进行受力分析，分析结构的几何组成规律，解决在荷载作用下结构的强度、刚度和稳定性问题，即解决结构和构件所受荷载与其自身的承载能力这一对基本矛盾。
0.2.2工程力学的主要内容
（1）工程静力学。
这是工程力学中重要的基础理论，主要包括物体的受力分析、力系的简化与平衡、结构的组成规律、静定结构的内力分析等。
（2）杆件的承载能力计算。
杆件的承载能力计算是结构承载能力计算的实质，主要包括基本变形杆件的内力分析和强度、刚度计算，压杆稳定和组合变形杆件的强度、刚度计算。
（3）结构的内力分析。
由此可按杆件承载力计算方法进行超静定结构的强度和刚度等计算，主要包括研究静定结构的位移计算和求解超静定结构内力的基本方法（力法、位移法、力矩分配法和矩阵位移法等）。
我们主要学习这本书的静力学部分。
第一章静力学基础
1.1力的概念及性质
1.1.1力的概念
力的概念产生于人类从事的生产劳动当中。
当人们用手握、拉、掷及举起物体时，由于肌肉紧张而感受到力的作用，这种作用广泛存在于人与物及物与物之间。
因此，我们将力定义为物体相互间的一种机械作用，它能使物体的运动状态或形状发生改变。
物体相互间的机械作用形式多种多样，可归纳为两类：
一类是物体相互间的直接接触作用，如弹力、摩擦力等；另一类是通过场的相互作用，如万有引力。
物体在受力后会产生外效应和内效应，外效应使物体的运动状态发生改变，内效应使物体的形状发生改变。
力有三要素：
大小、方向、作用点，国际单位为牛顿（N）或千牛顿（KN）。
力的工程单位为千克力kgf，1kgf=9.8N
1.1.2力的性质
力的三要素表明：
力是矢量，要用一条带有箭头的线段来表示（图1-1）。
课后小结
本次课我们主要了解了工程力学的研究对象、研究任务和研究内容，并重点讲解了力的概念及性质，希望同学们课后多加复习和理解，为后面的学习打好基础。
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授课内容
第一章力的概念及性质
1.2静力学基本公理
教学目的与要求
掌握静力学基本公理
重点难点
静力学基本公理
参考资料
中国石油大学出版社
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讲述
教学手段
板书
教学过程
教学手段
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新课讲授
第一章静力学基础
1.2静力学基本公理
1.2.1二力平衡公理
二力作用在同一刚体上，使刚体处于平衡状态的充要条件是：
这两个力的大小相等、方向相反，且作用线沿同一直线。
二力平衡是一切平衡力系的基础。
建筑结构中受二力平衡的杆件很多，钢筋受拉平衡，柱子受轴向压力平衡都属于这一类。
1.2.2力的平行四边形公理
作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力。
合力的作用点也在该点，合力的大小和方向，由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定。
该法则指出，两个力合成不能简单地求算术和，而要用平行四边形法则求几何和，即矢量和，它是力系简化的基础（图1-3）。
FR=F1+F2，“+”表示矢量相加。
正弦定理和余弦定理讲解
课后小结
本次课我们主要学习了静力学基本公理的二力平衡公理和平行四边形公理，希望同学们课后多加复习和理解。
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授课内容
第1章力的概念及性质
1.2静力学基本公理
教学目的与要求
掌握静力学基本公理
重点难点
静力学基本公理
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中国石油大学出版社
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1、力的可传性
图1-4（b）比1-4（a）增加了一对平衡力，且有F1=-F2=F（即三力的大小相同），作用线沿同一直线，根据加减平衡力系公理，显然图1-4（a）与图1-4（b）二力系为等效力系。
由于图1-4（b）中F2与F又可视为一平衡力系，将此平衡力系减去即成为图1-4（c）所示力系。
同理，图1-4（b）与图1-4（c）力系等效。
最终，图1-4（a）与图1-4（c）力系等效。
2、三力平衡汇交定理
不平行的三个力若平衡，该三力必汇交于一点且在同一平面内。
此定理证明如下：
若图1-5所示刚体上不平行的三个力F1，F2与F3处于平衡状态，根据力的平行四边形公理，考虑到力的可传性，显然F2与F3可合成为一个过交点D的力FR，此时三力平衡已变成为F1与FR的二力平衡。
根据二力平衡的条件，显然F1也必须通过F2与F3的交点D，因此三力若平衡必须交于一点。
由于FR与F2和F3在同一平面，且F1与FR在同一直线上，所以F1，F2和F3也必在同一平面内。
1.2.4作用于反作用公理
作用与反作用公理为：
两物体间相互作用的力总是大小相等，方向相反，沿同一直线，并分别作用在这两个物体上。
这一公理是研究结构受力分析特别是绘制隔离体受力图的基础。
该公理中需强调的是，作用力与反作用力一定是分别作用于两个物体，且有作用力必定有反作用力；没有反作用力必定没有作用力，两者总是同时存在，又同时消失。
思考：
作用与反作用力是否为一对平衡力？
鸡蛋打石头，为什么碎的是鸡蛋？
用手拍桌子，为什么手会痛？
课后小结
本次课我们主要学习了力的可传性、三力平衡汇交定理及作用力以反作用力公理，希望同学们课后多加复习及理解。
说明：
教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份。
重复班授课不另填写教案。
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第1章力的概念及性质
1.3荷载
教学目的与要求
理解荷载的概念、掌握荷载的简化
重点难点
荷载的简化
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1.3荷载
1.3.1荷载的概念
1.3.2荷载的分类
1、按作用时间分为永久性荷载、暂时性荷载
2、按作用范围分为集中性荷载和分布荷载
思考：
在建筑中，永久性荷载和暂时性荷载分别有哪些？
1.3.3荷载的简化
1、体分布荷载的简化
2、面分布荷载的简化
体分布荷载和面分布荷载的简化都是向线分布荷载进行转化，在计算时，要先将体分布荷载、面分布荷载转换成总的荷载后再计算。
思考：
体分布荷载、面分布荷载及线分布荷载三者之间有没有什么关系？
书上例题讲解
课后小结
课后复习
课后小结
本次课我们主要学习了荷载的概念及荷载的简化，希望同学们完成课堂上布置的作业，并加以复习。
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授课内容
第1章力的概念及性质
1.4约束及约束反力
教学目的与要求
理解约束的概念及约束反力的画法
重点难点
约束反力的画法
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1.4约束和约束反力
1.4.1柔性约束
由绳索、胶带、链条等形成的约束称为柔性约束。
这类约束只能限制物体沿柔索伸长方向的运动，只能受拉而不能受压，即只能限制物体沿绳索伸长方向的运动（限制离开约束），因此它对物体只有沿柔索方向的拉力，如图所示，常用符号为FT。
1.4.2光滑面约束
当两物体直接接触，并可忽略接触处的摩擦时，约束只能限制物体在接触点沿接触面的公法线方向约束物体的运动，不能限制物体沿接触面切线方向的运动，故约束反力必过接触点沿接触面法向并指向被约束体，简称法向压力，通常用FN表示。
图中（a）和（b）所示分别为光滑曲面对刚体球的约束和齿轮传动机构中齿轮轮齿的约束。
思考：
公法线方向是哪一个方向？
课后习题第一题画约束反力
1.4.3光滑铰链约束
铰链是工程上常见的一种约束。
它是在两个钻有圆孔的构件之间采用圆柱定位销所形成的连接，如图1-16所示。
门的活页、铡刀与刀架、起重机的动臂与机座的连接等，都是常见的铰链连接。
铰链连接限制杆件在平面内的任何移动，但不限制杆件绕铰链中心转动。
课后习题的第二题画约束反力
课后小结
本次课我们主要学习了柔性约束、光滑接触面约束及光滑铰链约束的约束反力画法，希望同学们在课后多加复习和练习。
说明：
教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份。
重复班授课不另填写教案。
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授课内容
第1章力的概念及性质
1.4约束及约束反力
教学目的与要求
掌握各类约束反力的画法
重点难点
各类约束反力的画法
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新课讲授
第1章力的概念及性质
1.4.4链杆约束
两端用光滑铰链与其他构件分别联结且中间不受力的直杆称为链杆，如图（a）所示的AB杆。
链杆约束的计算简图如图（b）所示。
由于链杆限制了构件与支座间沿杆轴线方向的相对移动，因此约束反力FA的作用线沿链杆轴线，指向待定，如图（c）所示。
1.4.5支座及其反力
1、固定铰支座
圆柱铰链连接的两个构件中，如果其中一个构件固定不动就构成了固定铰支座，如图（a）所示，其约束反力在垂直于铰链轴线的平面内，过销钉中心，方向不定，通常也用两个正交分力Fx与Fy表示，如图（b）所示。
（a）是桥梁上常用的理想固定铰支座。
2、可动铰支座
在固定铰支座的底座与支撑面之间装上滚轴所形成的装置，称为可动铰支座，如图（a）所示。
其计算简图如图（b）所示。
可动铰支座反力只有一个FAy，作用线垂直于支撑面，通过圆柱形销钉中心，通常为压力，如图（c）所示。
思考：
桥梁中的桥面应该怎样根据支座反力画其计算简图？
课后小结
课后复习和练习
说明：
教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份。
重复班授课不另填写教案。
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授课内容
第1章力的概念及性质
1.4约束和约束反力
1.5物体的受力分析与受力图
教学目的与要求
掌握给类无约束反力的画法、掌握物体的受力分析与受力图
重点难点
各类约束反力的画法及物体的受力分析与受力图
参考资料
中国石油大学出版社
教学方法
讲述
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教学过程
教学手段
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新课讲授
3、固定端支座
使被约束物体在约束端完全固定，既不能转动又不能移动的支座称为固定端支座。
其约束反力一般用三个反力分量来表示，即两个相互垂直的分力Fx、Fy和一个反力偶M，如图所示。
4、定向支座
定向支座又称滑动支座，其特点是只允许沿某一指定方向移动，因此其可以产生一个与移动方向垂直的反力和一个反力偶，方向待定，用字母R、M表示。
如图（a）为定向支座的示意图，像平板闸门的门槽、龙门架的滑道等均可视为定向支座。
1.5物体的受力分析与受力图
在受力分析时，首先应明确哪些物体是需要研究的，这些需研究的构件或结构被称为研究对象。
再将研究对象从结构系统中分离出来，单独画出该物体的简图，这一被单独分离出的研究对象称为隔离体。
恰当地选取研究对象，正确地画出构件的受力图是解决力学问题的关键。
画受力图的具体步骤如下。
（1）明确研究对象，画出分离体；
（2）在分离体上画出全部主动力；
（3）在分离体上画出全部约束反力。
书上例题1-1和1-2讲解，课后练习
课后小结
复习及课后作业5、8
说明：
教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份。
重复班授课不另填写教案。
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第2章平面力系的简化及平衡
2.1力系的分类
2.2平面汇交力系的简化及平衡
教学目的与要求
了解力系的分类，掌握平面汇交力系简化的方法
重点难点
平面汇交力系简化的方法
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2.1力系的分类
根据力作用线的分布情况，力系可分为平面力系与空间力系。
力系中各力的作用线都作用在同一平面上，该力系称为平面力系。
力系中各力的作用线呈空间分布，该力系称为空间力系。
平面力系又可分为平面汇交力系、平面平行力系和平面任意力系。
（1）平面汇交力系：
力系中各力的作用线在同平面内且相交于同一点。
（2）平面平行力系：
力系中各力的作用线在同平面内且互相平行。
（3）平面任意力系：
力系中各力的作用线共面，但既不完全平行、也不完全相交。
2.2平面汇交力系简化的方法
力系的简化又叫力的合成，是在等效作用的前提下，用最简单的结果来替代原力系的作用。
2.2.1几何法
如图2-4（a）所示，在刚体上作用一汇交力系，汇交点为刚体上的O点。
根据力的可传性原理，将各力沿作用线移至汇交点，成为共点力系，然后根据平行四边形法则，依次将各力两两合成，求出作用在O点的合力R。
实际上，也可以连续应用力的三角形法则，逐步将力系的各力合成，求出合力R，如图2-4（b）所示。
思考：
运用几何法对平面汇交力系进行简化，其简化结果如何？
书上例题2-1讲解
课后小结
课后复习
说明：
教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份。
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授课内容
第2章平面力系的平衡及简化
2.2平面汇交力系的简化及平衡
教学目的与要求
了解力系的分类，掌握平面汇交力系简化的方法
重点难点
平面汇交力系简化的方法
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中国石油大学出版社
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导入新课（5分钟）
2.2.2解析法
解析法就是利用合力投影定理，由分力的投影求出合力的投影，再求合力的大小和方向的方法。
1、力的投影
设一平面汇交力系由F1、F2、…、Fn组成，在力系的作用平面内建立平面直角坐标系xOy，依次求出各力在两坐标轴上的投影：
F1x、F2x、…、Fnx与F1y、F2y、…、Fny。
设合力在两个坐标轴上的投影分别为Rx、Ry，根据合力投影定理，它们与各分力在两个坐标轴上的投影满足下面的等式
Rx=F1x+F2x+…+Fnx=∑Fix
Ry=F1y+F2y+…+Fny=∑Fiy
由合力的投影可以求出合力的大小和方向
R的大小：
R的方向：
式中，α是合力R与坐标轴x所夹的锐角，∑Fix，∑Fiy分别是原力系中各力在x轴和y轴上投影的代数和。
总之，平面汇交力系的简化结果为一合力，合力的作用线通过力系的汇交点，合力的大小和方向等于各分力的矢量和，即
R=F1+F2+…+Fn=∑Fi
书上例题2-5、2-6讲解
课后小结
课后复习
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第2章平面力系的平衡及简化
2.2平面汇交力系的简化及平衡
教学目的与要求
平面汇交力系的平衡
重点难点
平面汇交力系的平衡
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教学手段
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导入新课（5分钟）
2.2.3平面汇交力系的平衡
而前面学习可知，平面汇交力系的简化结果是一个合力。
当这一合力等于零时，刚体处于平衡状态，所以平面汇交力系平衡的充分必要条件是该力系的合力等于零，即
R=∑F=0
思考：
若运用几何法对平面汇交力系进行简化，得到的结果如何？
课后练习第七题请同学回答
2.2.4平面汇交力系平衡的平衡方程及应用
根据平面汇交力系的平衡条件及合力投影定理，可以得到平面汇交力系的平衡方程为
∑Fix=0
∑Fiy=0（3-2）
式（3-2）说明，平面汇交力系的平衡方程是力系中的各力在两个坐标轴上的投影的代数和分别等于零。
书上例2-7讲解
课后小结
课后复习
说明：
教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份。
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第2章平面力系的平衡及简化
2.3平面力偶系
教学目的与要求
掌握力矩的计算方法和性质
重点难点
力矩的计算
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教学过程
教学手段
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先复习上次课内容
2.3力矩
思考：
第一章的学习中，我们了解了二力平衡，那么，我们开车的时候用大小相等的两个力转动方向盘，方向盘为什么会动了？
这就是我们这节课将要学习的内容：
力矩和力偶
2.3.1力矩
1、力对点之矩
以扳手拧紧螺丝为例来分析力对物体的转动效应。
如图1-7所示，作用于扳手一端的力F使扳手绕O点转动。
O点称为力矩中心，简称矩心。
扳手绕矩心的转动效应不仅与力F的大小有关，还与矩心O到力的作用线的距离d有关。
从矩心O到力F作用线的距离d称为力臂。
由力的作用线和矩心O所决定的平面称为力矩作用面。
在力学中用F的大小与d的乘积来度量力使物体绕矩心的转动效应，称为力F对O点之矩，以符号MO（F）表示。
即
MO（F）=±Fd
力使物体绕矩心逆时针转动为正，顺时针转动为负。
讨论:
1）力矩的大小和转向与矩心位置有没有关？
同一力对不同矩心的力矩是否相同？
2）力的大小等于零或力的作用线过矩心时，力矩为多大？
3）力的作用点沿其作用线移动时，力对点之矩变不变？
4）互相平衡的两个力对同一点之矩的代数和为多少？
书上例题2-8讲解
课后小结
课后复习
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第2章平面力系的平衡及简化
2.3平面力偶系
教学目的与要求
掌握力矩的计算方法和性质
重点难点
力矩的计算
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2.3平面力偶系
2.3.1力矩
2、力对轴之矩
如图所示，在力的作用下，物体绕矩心O转动也可以看成是物体绕过O点与力矩平面垂直的轴线的转动，所以，平面内力对O点之矩可以看成是空间力对z轴之矩。
力F对z轴之矩用符号Mz（F）表示。
Mz（F）=MO（F2）=±F2d
当力的作用线与转轴平行或相交时，力对轴之矩为零
3、合力矩定理
合力的投影与分力的投影间满足合力投影定理，合力对某点或某轴的力矩与分力对同一点或同一轴之矩也有类似的关系。
合力矩定理：
合力对平面内任意一点（轴）的力矩等于各分力对同一点（轴）的力矩的代数和。
即
MO（R）=∑MO（F）或Mz（R）=∑Mz（F）
书上例2-9、2-10讲解
问题：
1）对挡土墙使用一个斜向下的推力，要使其倾覆，图上的A、B、C三点，哪一个点开始先倒？
2）在求合力对矩心的力矩很困难的情况下，还有什么办法可以求力矩？
课后小结
课后复习
说明：
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第2章平面力系的平衡及简化
2.3平面力偶系
教学目的与要求
掌握力偶的定义、力偶的计算方法及性质
重点难点
力偶的计算
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2.3平面力偶系
2.3.2力偶
1、力偶的定义
在力学中，把大小相等、方向相反、作用线平行的两个力所组成的力系称为力偶，记为
。
力偶中两力作用线间的距离d称为力偶臂，力偶所在的平面称为力偶作用面，六中一个力的大小与力偶臂的乘积称为力偶矩，用符号M表示。
M=
Fd
跟力矩一样，力偶也会使物体发生转动，逆时针为正，顺时针为负。
讨论：
组成力偶的两个力是否属于二力平衡？
2、力偶的性质
问题：
1）组成力偶的两个力向任意轴的投影的代数和为多少？
力偶是否能与力等效？
2）力偶的两个力对其作用面内任意一点的力矩的代数和为多少？
与矩心位置有没有关系？
3）两个力偶要等效，需满足什么条件？
4）力偶是否可以在其作用面内任意移动？
力偶三要素：
力偶矩的大小、转向、力偶作用面
课后小结
课后复习
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第2章平面力系的平衡及简化
2.3平面力偶系
教学目的与要求
掌握力偶的合成及力偶系平衡的条件
重点难点
力偶平衡条件的应用
参考资料
中国石油大学出版社
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教学手段
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教学手段
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先复习上次课内容
2.3.2力偶
3、力偶的合成
作用在同一物体上的多个力偶组成的体系称为力偶系。
在力偶系的作用下，物体同样只产生转动效应。
即力偶系的合成结果仍为一力偶，合力偶的力偶矩等于各力偶的力偶矩的代数和：
M=M1+M2+…+Mn=∑Mi
思考：
若一个物体只有力偶系的作用，且处于平衡状态，则其处于平衡态的条件是什么？
讨论：
攻丝时，为什么要两手握扳手均匀用力？
双人皮划艇比赛时，为什么同组队员必须相互配合、协调用力？
4、力偶系的平衡
当力偶系的合力偶的力偶矩等于零时，原力偶系对物体不产生转动效应，物体处于平衡状态，故在力偶系作用下，物体处于平衡状态的条件为：
书上例题2-11、2-12讲解
问题：
例题2-11中，F1和F2、F3和F4分别对物体产生什么效应？
例题2-12中，要求解支座的约束反力，在力平衡方程无法求解的情况下，应该怎么办？
课后小结
课后复习+练习题第4题
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授课内容
第2章平面力系的平衡及简化
2.4平面一般力系
教学目的与要求
掌握力的平移定理
重点难点
力的平移定理
参考资料
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教学方法
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2.4平面一般力系
2.4.1力的平移定理
问题：
什么是平面一般
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