工程力学与结构教学大纲.docx
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工程力学与结构教学大纲
《工程力学与结构》教学大纲
前言
一、本门课程的性质和教学目的
课程性质：
必修课
教学目的：
通过本课程的学习，使工程管理专业及相关专业的学生了解工程三大力学（理论力学，材料力学，结构力学）的基本理论以及解题基本方法，掌握工程结构基础知识。
能够把所学的工程技术知识灵活运用于工作之中，解决工作中的技术问题和管理问题。
二、本门课程的教学要求
本门课程的先修课程有建筑识图、建筑工程概论、和微积分等。
学习本课程的学生必须具有扎实的数学、物理学知识基础和专业知识基础。
在学习过程中，要注意理工科课程环环相扣的系统性和连贯性，必须认真听课并按时完成作业，以保证事半功倍的学习效果。
同时，在学习过程中，重点注意掌握解题的灵活多变和一通百通的学习方法。
三、推荐使用的教材和课外阅读书目
1．推荐使用的教材
（1）刘丽华等编，《建筑力学与建筑结构》，中国电力出版社2004.3版。
2．课外阅读书目
（1）重庆建筑大学，《理论力学》，高等教育出版社2001.4版
（2）干光瑜，《材料力学》，高等教育出版社2001.4版
（3）李家宝，《结构力学》，高等教育出版社2001.4版
（4）刘昭如，《房屋建筑构成与构造》，同济大学出版社，2005.10
四、本门课程教学的课时分配
本门课程的教学计划课时为54课时（3学分），建议教学课时按以下方案分配：
章节内容
课时分配
备注
第一章静力平衡
第二章静定结构的内力分析
第三章内力图
第四章应力与强度
第五章建筑结构
机动
10
14
14
6
6
4
每章均需配合完成相应作业及综合习题
课程教学内容与要求
第一章静力平衡
本章教学目的和要求
本章教学要求：
本章要求掌握下面几部分内容：
1.熟练地画出受力图
2.熟练应用力的平行四边形法则和三角形法则解题
3.掌握力矩、力偶矩的概念和解题方法
4.了解力的平移及其性质
5.掌握力系平衡计算，包括：
平面汇交力系，平面平行力系，平面任意力系，有主次之分和无主次之分的物体系统，力的重心位置及其计算。
本章教学重点：
本章重点是研究物体在受到各种已知外力的条件下，物体的支座（或称约束）反力与已知外力处于静力平衡状态的有关问题：
1.把比较复杂的已知外力变换成比较简单的、易于计算的形式。
这种变换必须保证不改变原来已知外力的性质和大小。
2.把被研究物体的支座代之以相应的支座反力（或称约束反力）。
这种代换不必须符合支座的实际状态。
支座反力一般是未知和待求的。
3.根据画出被研究物体的受力图，将步骤1和2的已知外力和未知的支座反力列出相应的静力平衡方程，从而求出未知的支座反力。
综上所述，求出被研究物体的支座反力是本章的主要目的。
第一节力和物体的支座反力
一.力和力系
1.力
2.力系
二.力的平行四边形法则
三.支座和支座反力
1.约束
2.支座
工程中几种常见的支座有：
（1）柔性支座
（2）光滑表面支座
（3）滚轴支座
（4）链杆支座
（5）固定铰支座
（6）可动铰支座
四.受力图
概念
画受力图的基本步骤：
第二节力矩与力偶
一、力矩
二、力偶
概念
要素
性质：
三.力和力偶的合成
例题
第三节力系的平衡
研究力系的平衡规律可以使我们从某些已知条件出发，求出另一些未知力的大小或方向。
这是研究力系平衡的主要目的。
一、力的投影
1.力矢
2.力的投影
二、力系的平衡及举例
1.平面汇交力系（共点力系）
概念
求解平面汇交力系平衡问题的方法和步骤：
（1）选择研究对象
（2）取分离体，画受力图
（3）选择合适的投影轴
（4）建立平衡方程并求解
2.平面任意力系
概念
3.平面平行力系
概念
例题
三、复杂物体系统的平衡
例题
第四节重心
重心是物理学中的概念，它是指一个物体质量的中心。
这里只是从建筑力学的角度来研究与重心有关的几个问题。
一.均布线荷载的重心位置
二.三角形线荷载的重心位置
本章小结：
本章应该着重理解和掌握如下一些概念和方法：
一.正确地画出受力图
二.正确地将研究对象上的已知外力进行简化
三.力系的平衡
习题分析
综合练习
第二章静定结构的内力分析
本章教学目的和要求
本章教学要求：
本章要求掌握内容如下：
1.熟记结构截面上内力的种类和正负规定
2.熟练掌握结构内力的求法，包括：
简支梁，悬臂梁，外伸梁，连续梁；一般刚架，有主次之分的刚架，无主次之分的刚架。
本章教学重点：
前面已经研究了结构物的支座反力与已知外力平衡的几个问题。
对于所研究的结构来说，实际上支座反力也是一种外力。
因此，上一章所研究的内容实际上是研究已知外力与未知外力之间的平衡。
在第一章，我们一般取结构物的整体为脱离体，画出受力图，建立相应的平衡方程。
从而将未知的支座反力求出来。
在本章，将在第一章的基础上，系统地研究结构内力。
1.取所研究的结构的一部分为脱离体，将与其相连的另一部分视为“支座”，从而画出所取部分的受力图。
这就是所谓结构的内力。
2.本章的“支座”反力——内力，是指弯矩、剪力、轴力，分别用英文字母M、V和N表示，这是与第一章的支座反力性质不完全相同的力学概念。
它们是结构内部相互产生的，属于内力。
3.本章所讨论的静定梁内力（V、M）和静定刚架内力（N、V、M）的计算，在以后的学习和实际工作中将经常遇到，是一个十分重要的基本技能。
因此，要求不仅要领会有关弯矩、剪力和轴力的概念，如定义、计算的方法，符号的规定等，还要通过深入浅出的练习，熟练掌握内力的求法。
第一节结构的内力综述
一.构件脱离体截面上内力和外力的平衡
1.内力的“支座”作用概念
2.内力的形成概念
二.求静定结构内力的方法
1.假想用一个平面去截构件的某一横截面，从而把构件分为两部分。
移去其中的一部分，保留另一部分为研究对象。
显然移去部分对保留部分实际上相当于“支座”，因此应该代之以“支座反力”。
这就是欲求的构件在该截面的内力。
2.根据保留部分已知外力和横截面处的未知内力，列出相应的平衡方程，从而求出未知内力。
3.在步骤1、2之前必须运用前面所学知识画出构件在未截开之前的整个体系的受力图，并运用相应的平衡方程使整个体系的支座反力成为已知。
这样在进行步骤3时就只有构件的未知内力待求了。
本章研究结构的受弯曲的内力时，所讨论的弯曲只限于“平面弯曲”情况，它是弯曲中最简单也是最普遍的形式，今后若无特别说明，均指平面弯曲。
应用“支座”概念，将内力视为“支座反力”的方法，可以很直观的求出某研究截面的内力。
第二节轴力、剪力和弯矩
一.定义
一般说来，建筑工程大量出现的梁、柱、行架和刚架的内力主要有轴力、剪力和弯矩三种。
1.轴力（N）
2.剪力（V）
3.弯矩（M）
二.轴力、剪力和弯矩的正、负号规定原则
1.对内力规定正、负符号的目的
2.内力的正、负号规定
（1）轴力的正、负号
（2）剪力的正、负号
（3）弯矩的正、负号
三.由荷载或外力直接求轴力N、剪力V和弯矩M大小的方法
1.轴力N
2.剪力V
3.弯矩M
四.由荷载或外力的方向直接决定某截面上内力的正、负号
前面对轴力N、剪力V和弯矩M的正负号规定，计算时也会感到不太方便，在此导出由外力方向来直接决定由该外力所产生的对应内力的正、负号规则：
1.轴力N的正、负号
2.剪力V的正、负号
3.弯矩M的正、负号
五.叠加原理
结构物受到的外力形式可能是多种多样的，也可能同时受到若干个外力的作用。
在复杂的外力作用情况下，结构的支座反力从结果上看却仅有一组与之对应，并且结构某一截面上也仅有一组内力与之对应。
那么，每一个外力单独作用时与支座反力的关系如何呢？
在此，我们介绍力学分析中的叠加原理。
叠加原理：
结构构件在若干种外荷载共同作用下的某一支座反力，等于各种外荷载单独作用时在同一支座所产生的支座反力的代数和。
这里有两点需要注意：
一是支座反力的特征，无论是外荷载共同作用还是单独作用，都必须符合支座反力的固有特征。
二是外荷载单独作用下，点的支座反力是各单独支座反力的代数和，而不是简单的相加。
叠加原理的运用是需要灵活把握的。
叠加原理同样可以用来求取内力。
第三节静定结构内力的求法
所谓静定结构，就是运用第一章所述的静力平衡方程可以求出结构的支座反力的这一类结构。
静定结构是相对于超静定结构而言的。
一.简支梁的内力求法举例
简支梁内力求法举例
二.悬臂梁的内力求法举例
悬臂梁内力求法举例
三.外伸梁的内力求法举例
外伸梁内力求法举例
四.静定刚架的内力求法举例
静定刚架内力求法举例
本章小结：
1.本章主要概括地介绍了外力作用下构件内部内力的来源，即主要是由于变形和反抗变形的结果。
2.求结构构件的内力（即M、V和N）是建筑结构设计中的核心问题之一，本章介绍了平面静定结构内力的求法，其基本方法是截面法。
将某欲求截面一侧的所有已知外力（包括支座反力）和该截面的未知内力看做一组平面任意力系，分别用平面任意力系的平衡方程去求解未知内力。
一般而言，构件截面内力将有三个，特殊情况下只有两个或一个。
视问题的具体条件而定。
截面法对求指定截面的内力比较适用。
3.求结构构件内力的另一基本方法是沿构件长度方向列出相应的内力方程，在这样的方程中，内力（M、V和N）表示为杆件长度的函数。
列内力方程的好处是，即可以求出某一指定截面的内力，又可以为画出工程中极端有用的内力图服务。
习题分析
综合练习
第三章内力图
本章教学目的和要求
本章教学要求：
本章要求熟练掌握以下内容：
1.结构内力图的画法规定
2.结构内力图的正、负号规定
3.使用简便方法或叠加法画出梁的内力图，包括：
（1）悬臂梁内力图
（2）简支梁内力图：
熟记简支梁三种典型受力情况（均布荷载，集中荷载，集中力偶）内力图的规律
（3）外伸梁内力图
（4）连续梁内力图：
会使用层次图分析基本部分和附属部分的受力情况。
4.使用简便方法画出刚架内力图，包括：
（1）一般刚架内力图
（2）有主次之分的刚架内力图
（3）无主次之分的刚架内力图
本章教学重点：
在一般情况下，梁和刚架的不同截面上的内力是不同的，即轴力、剪力和弯矩是随着截面位置而变化的。
由于在进行构件的强度计算时，需要知道各截面上轴力、剪力和弯矩中的最大值以及它们所在截面的位置，因此就必须知道轴力、剪力、弯矩随截面而变化的情况。
为了便于形象地看到内力的变化规律，通常是将轴力、剪力、弯矩沿构件长度的变化情况用图形来表示，这种表示轴力、剪力和弯矩变化规律的图形分别称为轴力图、剪力图和弯矩图。
轴力图、剪力图和弯矩图都是函数图形，其横坐标表示构件的截面位置，纵坐标表示相应截面的轴力、剪力、弯矩。
轴力图、剪力图、弯矩图的作法是：
先列出轴力、剪力、弯矩随截面位置而变化的函数式，再由函数式画成函数图形。
一.画内力图的具体步骤
1.建立直角坐标系
2.建立函数方程
3.在函数方程的基础上
4.由函数方程的性质判别出函数图形的大致形状
二.内力图的正、负号规定：
1.梁的内力图的正、负号
（1）剪力V：
（2）弯矩M：
2.刚架内力图的正、负号
（1）刚架中的横向杆件
（2）刚架中的竖向杆件
（3）习惯上，在画图中并不标出坐标系，而已心中有数。
第一节静定梁的内力图
一.悬臂梁
例题
二.简支梁
简支梁承受荷载分为三种典型情况：
1.承受均布荷载的简支梁
2.承受集中荷载的简支梁
3.承受集中力偶的简支梁
例题
三.外伸梁
外伸梁内力图的画法举例
四.画内力图的简便方法
所谓简便方法，就是利用外力与内力图的规律来画剪力图和弯矩图。
根据外力情况和内力图的规律，我们应该可以知道各段剪力图和弯矩图的形状。
因而，只要确定梁的几个控制截面并算出控制截面的剪力值和弯矩值，就可以画出各段的剪力图和弯矩图。
这样，绘制剪力图和弯矩图就变成求几个截面的剪力和弯矩的问题，而不需要列出剪力方程和弯矩方程，因而非常简便，此称为简便方法。
用简便方法画剪力图和弯矩图，远比分段列出内力表达式（剪力方程和弯矩方程）的方法简便、快速，应该熟练掌握。
简便方法画内力图的步骤：
1.根据梁上的外力情况将梁分段
2.根据各段梁上的外力情况，确定各段内力图的形状
3.根据各段内力图的形状，算出有关控制截面的内力值，逐段画出内力图。
需要指出的是，用列内力表达式的方法绘制内力图虽然不方便，但它是基本的方法，应该在掌握这种方法的基础上，进一步掌握简便方法。
例题
叠加法作剪力图和弯矩图
前面讲过，当梁上有几种（或几个）荷载作用时，梁的反力和内力可以这样计算：
先分别计算每种（或每个）荷载单独作用时的反力和内力，然后再将这些分别计算的结果代数相加，其结果等于这些荷载共同作用时的支座反力和内力。
这就是所谓叠加法。
绘制剪力图和弯矩图同样可以采用这种叠加法。
即当几种荷载共同作用时，可以把每种荷载单独作用的内力图进行叠加，从而得到几种荷载共同作用时的内力图。
注意，内力图的叠加不是内力图的简单合并，而是内力图的纵坐标代数相加。
例题
五.多跨静定梁
例题
第二节静定平面刚架的内力图
静定平面刚架是由梁和柱组成的平面结构。
刚架的内力是指各杆件中垂直于杆轴的横截面上的弯矩M、剪力V和轴力N，在计算静定刚架时，通常应该由整体或某些部分的平衡条件来求出各支座反力和各铰接处的约束力，然后逐杆绘制内力图。
应该指出的是，前述有关梁的内力图绘制方法，同样适用于刚架中的杆件。
一.一般刚架内力图的绘制
刚架受到荷载作用后，一般会产生三种内力：
弯矩M、剪力V和轴力N。
要求出刚架中任一截面的内力，如同计算梁的内力一样，有截面法将刚架从指定截面处截开，考虑其中一部分脱离体的平衡，建立平衡方程，解方程求出它们的内力。
因此，关于静定梁的弯矩和剪力计算的一般法则，同样适用于刚架。
内力计算法则：
例题分析
二.有主次之分的刚架内力图的绘制
例题分析
三.无主次之分刚架内力图的绘制
例题分析
本章小结
本章主要介绍了各种梁和刚架内力图的绘制方法。
归纳如下：
1.根据梁或刚架的平衡方程，求出支座反力（对于悬臂梁或外伸梁的悬臂部分的内力图，可以不必求出支座反力绘制内力图）
2.建立内力方程或用求内力的简便方法求出关键部位的内力
3.绘制内力图。
标明＋、－号和特征值。
例题分析
第四章应力与强度
教学要求：
通过本章学习，使学生了解正应力、剪应力及强度的基本概念和基本知识，掌握正应力、剪应力及强度的计算原理和简单计算，为建筑结构的学习打下基础。
教学内容：
前面三章研究了结构的内力和内力图，学会了结构最大内力值的求法，即弯矩图上的Mmax、剪力图上的Vmax、轴力图上的Nmax。
本章将研究结构应力和强度的概念和计算。
一.应力和强度的概念
（一）应力
1.正应力：
σ
2.剪应力：
τ
（二）强度：
材料抵抗破坏的能力。
（三）构件不被破坏的强度条件：
二.构件弯曲时的正应力
（一）形心
（二）中性轴
梁弯曲时横截面上任意一点的正应力计算公式：
σ＝M/I•y
其中：
M－截面弯矩值
I－截面惯性矩
Y－点距中性轴距离
三.截面的几何特征
（一）截面抵抗矩W
任何一种截面中最大正应力为M/W
W=I/ymax
（二）截面惯性矩I
对于矩形截面：
I中性轴¬＝bh¬¬¬¬¬¬¬3/12
例题：
四.梁的正应力强度计算
（一）公式推导
矩形截面：
W中性轴＝bh2/6
强度条件公式：
σmax=M/W≤[σ]
强度条件可以解决工程中三类常见问题：
1.强度校核：
Mmax/W≤[σ]
2.选择截面：
W=Mmax/[σ]
3.计算梁所能承受的最大荷载：
Mmax=W•[σ]
（二）计算
例题分析
五.梁的剪应力强度计算
（一）剪应力分布规律
（二）矩形截面剪应力强度条件
τmax＝1.5×V/A≤[τ]
（三）计算
例题分析
第五章建筑结构
教学要求：
通过本章的学习，要求学生
1.了解常用的钢筋混凝土楼盖类型；掌握单向板、双向板的定义；掌握楼盖结构布置的一般方法及其构造要求、计算简图的取用、换算荷载的计算；
2.了解单层厂房的结构型式；理解单层厂房结构的组成及荷载传递路线；了解屋盖结构的组成和主要受力构件的受力特点、型式及选用；
3.了解多层框架结构的组成与布置，了解框架结构设计的构造要求。
4.了解高层建筑的定义和高层建筑的发展史；理解高层建筑结构变形和受力特点；了解高层建筑结构的结构体系和布置原则
5.了解块体材料、砂浆的种类；理解块体材料、砂浆强度等级的划分；掌握砌体的抗压强度、破坏特征及主要影响因素；了解砌体的轴心抗拉强度、弯曲抗拉强度、抗剪强度。
教学内容：
第一节钢筋混凝土梁、柱、板基本构造
一.梁板一般构造
（一）建筑用钢材
（二）混凝土
（三）钢筋混凝土构件
1.构件种类：
2.预应力：
3.构件中钢筋型式及作用：
二.梁的构造要求
·梁的种类：
·受力性能：
·构造要求：
·钢筋配置
三.板的构造要求
·板的种类：
·受力性能：
·构造要求：
四.柱的构造要求
·柱的种类：
·受力性能：
·构造要求：
·钢筋配置
第二节钢筋混凝土楼盖
一、概述
常用钢筋混凝土楼盖的类型；单向板、双向板的定义。
二、现浇单向板肋梁楼盖
结构平面布置；计算简图；连续梁、板按弹性理论的内力计算；超静定结构塑性内力重分布的概念；连续梁、板按调幅法的内力计算；单向板肋梁楼盖的截面设计与构造。
三、双向板肋梁楼盖
双向板的受力特点和主要试验结果；双向板按弹性理论的内力计算；双向板按塑性铰线法的内力计算；双向板支承梁的设计。
第三节单层厂房
一、单层厂房的结构型式、结构组成和结构布置
·单层厂房的结构型式
·单层厂房的结构组成与传力路线
·单层厂房的结构布置
二、排架计算
·计算简图
·荷载计算
·剪力分配法计算等高排架
·内力组合
·单层厂房排架考虑整体空间作用的概念
三、牛腿
牛腿的分类；受力分析；设计；配筋构造。
四、柱下独立基础
柱下独立基础的形式；柱下扩展基础的设计、构造要求。
第四节多层框架结构
一、多层框架结构体系及布置
多高框架结构的组成；框架结构布置及变形缝处理。
二、框架结构内力与水平位移的近似计算方法
框架结构的计算方法；框架结构的计算简图；框架结构上的荷载和作用；竖向荷载作用下的分层计算法、水平荷载作用下的反弯点法及D值法；水平荷载作用下的结构侧移近似计算方法。
三、多层框架内力组合
内力组合的内容和步骤；控制截面的选取；最不利内力组合；竖向活荷载的最不利位置；荷载效应组合；梁端弯矩调幅。
四、无抗震设防要求的框架结构构件设计
构件设计的基本内容和方法；柱的计算长度；框架节点的构造要求
五、框架结构的抗震设计
延性结构概念和延性框架设计基本方法，包括框架梁、柱及节点配筋计算及构造。
第五节高层建筑结构
一、高层建筑定义和高层建筑的发展
高层建筑的定义；高层建筑的发展概况。
二、高层建筑结构体系与布置原则
高层建筑的竖向结构体系类型和优缺点；高层建筑结构布置的一般原则。
三、高层建筑结构上的作用，受力特点和相关要求
高层建筑结构上的荷载和作用，包括竖向荷载和水平荷载；高层建筑的受力特点、高层建筑的侧移限值、抗震等级、承载力设计表达式。
四、剪力墙结构设计
单榀剪力墙剪力分配；剪力墙的分类方法；整截面剪力墙及整体小开口剪力墙的内力与位移计算；双肢剪力墙的内力与位移计算；壁式框架的内力与位移计算；剪力墙截面设计。
五、框架-剪力墙结构
框架-剪力墙结构受力特点；框架-剪力墙结构的近似计算方法，包括铰结体系和刚接体系的内力和位移计算，计算图表的应用。
六、筒体结构
筒体结构的受力特点和计算方法。
第六节砌体结构
一、砌体材料及其力学性能
砌体的材料；砌体的种类；砌体的力学性能
二、砌体结构房屋的形式和内力分析
砌体结构房屋的结构布置；砌体房屋的静力计算方案；刚性方案结构的计算
三、无筋砌体受压构件
墙柱的高厚比验算；无筋砌体受压构件
四、砌体局部受压
五、砌体轴心受拉构件、受弯构件、受剪构件
六、网状配筋砖砌体
七、砌体结构中的过梁、挑梁及墙梁
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