第七章 土木工程中的力学和结构概念1Word格式文档下载.docx

1、3）外装饰，受风力作用而脱落；4）轻屋面，受风的作用会向上浮起甚至破坏。2.风荷载的基本理论气体的流动速度与压力成反比，迎风面受到压力作用，其他面由于风的流动而受到吸力，图 6-3 所示，风荷载对建筑物的作用：（1）迎风面风力为压力，侧风面随着与风载夹角的变化，风力逐渐有压力转变为吸力；（2）矩形、圆形、三角形等不同平面形状的建筑物，各个侧面所受的风力作用差异很大；（3）建筑物表面粗糙会加大风力的作用。（a） 气流对单层房屋的作用（b） 气流对高层房屋的作用图 6-3 风荷载对建筑物的作用3.风荷载的计算垂直于建筑物表面上的风荷载标准值 wk ，应按下式计算：wk = z z s wo（6-1

2、）式中2wk 风荷载标准值（kN/m）； z z高度处的风振系数，是考虑脉动风压对结构的不利影响，对于房屋高度低于 30m 或高宽比小于 1.5 的房屋结构，可不考虑此项影响，即 z =1.0； s 风荷载体型系数，对于矩形平面的多层房屋，；迎风面为+0.8，背风面为-0.5，其他平面见建筑结构荷载规范（GB50009-2001） z 风压高度变化系数，应根据地面粗糙类别按规范 GB50009-2001 确定。w0 基本风压（kN/m）按规范GB50009-2001 给出的全国基本风压分布图采用，但不得小于 0.30KN/m 。（二）地震作用地震强度通常用震级和烈度来反应。震级是表示一次地震本

3、身强弱程度和大小的尺度，以一次地震释放能量的多少来确定，一次地震只有一个震级。地震烈度是地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度，一次同样大小的地震，若震源深度、距震中的距离和土质条件等因素的不同，则对地面和建筑物的破坏也不相同，一般说来，距震中愈近，地震影响愈大，地震烈度愈高；离震中愈远，地震烈度就愈低。图 6-4 震源、震中、震中距、地震波关系示意图1976 年 7 月 28 日，在河北唐山发生了 7.8 级强烈地震，震中区烈度 11 度，唐山市区地震烈度为 10 度，天津市区为 89 度；2008 年 5 月 12 日，在四川汶川发生了 8.0 级的强烈地震，震中区烈

4、度为 11 度，毗邻的青川县为 10 度，陕西宁强县为 9 度。唐山大地震死亡人数达 24 万，造成直接经济损失达 100 亿，全市几乎全部毁灭；汶川大地震死亡人数近 7 万，造成直接经济损失 8451 亿。地震引起的地面运动会使建筑物在水平方向、竖直方向产生加速度，这种加速度的反应值与房屋本身质量的乘积，就形成地震对房屋的作用力，即地震作用。地震对房屋的破坏作用主要由水平方向的最大加速度反应引起，故地震作用多以水平方向作用在建筑物上为主。（三）由温差和地基不均匀沉降引起的内力房屋因昼夜温差和季节性温差，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，这也是一种

5、“内在的”作用。如图-5，图-6，图-7 所示。图-5 钢梁因温差引起的内力效应图-6 钢框架因温差引起的内力效应图-7 钢框架因地基不均匀沉降引起的内力效应地基不均匀沉降引起建筑物的裂缝是多种多样的，有些裂缝尚随时间长期变化，裂缝宽度有几厘米至数十厘米。一般情况下，地基受到上部结构的作用，引起地基的沉降变形呈凹形，这种沉降使建筑物形成中部沉降大，端部沉降小的弯曲，结构中下部出现正八字形裂缝；地基的局部不均匀沉降也会引起这样的裂缝。当地基中部有回填砂、石，或中部的地基坚硬而端部软弱时，或由于上部结构荷载相差悬殊时，建筑物端部沉降大于中部时，会形成斜裂缝。三、荷载的代表值在结构设计时，荷载的代表

6、值可分为：1.荷载的标准值荷载的标准值一般是指结构在其设计基准期为 50 年的期间内，在正常情况下可能出现具有一定保证率的最大荷载。它是荷载的基本代表值，当有足够实测资料时，荷载标准值由资料按统计分析加以确定，即：s k = s m + s s = s m （1 + s s ）（6-2）s k 荷载标准值；s m 荷载平均值； s 荷载标准值的保证率系数； s 荷载的变异系数， s = s / s m ； s 荷载的标准差。国际标准化组织（ISO）建议 s =1.645，即相当于具有 95%保证率的上限分位值，图 6-8 所示。当没有足够统计资料时，荷载标准值可根据历史经验估算确定。图 6-8

7、 荷载标准值的取值我国荷载规范对荷载标准值的取值方法为：恒荷载标准值，对结构自重，由于其变异性不大，可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定，对于某些自重变异性较大的材料和构件，自重的标准值应根据对结构的不利状态，取上限值或下限值；可变荷载标准值，应按荷载规范各章中规定采用。2.可变荷载的组合值可变荷载的组合值，是指几种可变荷载进行组合时，其值不一定都同时达到最大，因此需作适当调整。其调整方法为：除其中最大荷载仍取其标准值外，其他伴随的可变荷载均采用小于 1.0 的组合值系数乘以相应的标准值来表达其荷载代表值。这种调整后的伴随可变荷载，称为可变荷载的组合值，其值用可变荷载的组合值系数

8、与其相应可变荷载标准值的乘积来确定。3.可变荷载频遇值可变荷载频遇值是指结构上出现的较大荷载。它与时间有密切的关联，即在规定的期限内（如在结构的设计基准期内），具有较短的总持续时间或较少的发生次数的特性，使结构的破坏性有所减缓，因此，可变荷载的频遇值总是小于荷载的标准值。荷载规范规定：可变荷载频遇值是以荷载的频遇值系数与相应的可变荷载标准值的乘积来确定。4.可变荷载的准永久值可变荷载的准永久值是指在结构上经常作用的可变荷它与时间的变异性有一定的相关，即在规定的期限内，具有较长的总持续时间，对结构的影响有如永久荷载的性能。可变荷载准永久值是以荷载的准永久值系数与相应可变荷载标准值的乘积来确定。第

9、二节 反力和内力一、反力当物体沿着约束所能阻止的运动方向上有运动或有运动趋势时，对它形成约束的物体必有能阻止其运动的力作用于它，这种力称为该物体所受到的约束反力，即反力，约束反力的方向恒与约束所能阻止的运动方向相反，工程中常见的有柔体约束、光滑接触面约束、光滑圆柱形铰链约束、铰链支座约束等。1.柔体约束柔体约束只能限制物体沿柔体伸长的方向运动，而不能限制其他方向的运动，如图 6-9 所示。F TCF A F BF T2FT2ABO1O2GF T1FT1（c）（d）图 6-9 柔体约束2.光滑接触面约束当两物体接触面之间的摩擦很小，可以忽略不计时，则构成光滑接触面约束。如图 6-10 所示。公法

10、线切面公法线F NF NAF NBF NC3.光滑圆柱形铰链约束在两个物体上分别穿直径相同的圆孔，再将一直径略小于孔径的圆柱体（称为销钉）插入该两物体的孔中就形成圆柱形铰链。光滑圆柱形铰链约束的约束反力一般可将其分解为互相垂直的两个分力 Fx 、 Fy ，图 6-11 所示。1F y销钉F x4.铰链支座约束任何建筑结构（构件），都必须安置在一定的支承物上，才能承受荷载的作用，达到稳固使用的目的。在工程上常常通过支座将构件支承在基础或另一静止的构件上，这样支座对构件就构成约束，工程中常见的支座约束有固定铰支座、可动铰支座、固定支座三种。（1）固定铰支座建筑结构中通常把不能产生移动，只可能产生微

11、小转动的支座视为固定铰支座。其约束反力可以用相互垂直的两个分力表示，图 6-12 所示。杆支座（2）可动铰支座若在固定铰支座的下面与支承物之间放入可沿支承面滚动的滚轴就构成了可动铰支座，其约束反力见图 6-13 所示。 F N（e）（3）固定支座固定支座不允许结构发生任何方向的移动和转动，在实际结构中，凡嵌入墙身的杆件，若嵌入部分有足够的长度，以致使杆端不能有任何移动和转动时，该端就可视为固定支座，固定支座的约束反力可以用水平和竖向的反力Fx 和Fy 及反力偶M来表示，如图 6-14 所示。M F y二、内力物体因受外力而变形，其内部各部分之间相对位置发生改变而引起的相互作用就是内力。当物体不

12、受外力作用时，内部各质点之间存在着相互作用力，此也为内力，但在工程力学中所指的内力是指与外力和变形有关的内力，即随着外力的作用而产生，随着外力的增加而增大，当外力撤去后，其内力也将随之消失。所以，结构（构件）中的内力是与其变形同时产生的，内力作用的趋势则是力图使受力构件恢复原状，内力对变形起抵抗和阻止作用。在计算构件任一截面上的内力时，因内力为作用力和反作用力，图 6-15 所示，对整体而言不出现，为此必须采用截面法，将内力暴露才能计算。（a）用截面把构件截开 （b）左侧截面上的内力 （c）右侧截面上的内力图 6-16a 所示受力物体代表任一受力构件，为了显示和计算某一截面上的内力，可在该截面

13、处用一假想的平面将构件截为两部分并弃掉一部分，将弃掉部分对保留部分的作用以力的形式表示之，此力就是该截面上的内力。通常是将截面上的分布内力用位于该截面形心处的合力来代替，虽然内力的合力是未知的，但总可以用六个内力分量来表示，如图6-16b 所示。（a）受力构件（b）截面上的内力因构件在外力作用下处于平衡状态，所以截开后的保留部分也应该是平衡的，这样，根据下列两组平衡： X = 0Y = 0 Z = 0 mx = 0 m y = 0 mz = 0（6-3）可求出 N x 、 Qy 、 Qz 与 M x 、 M y 、 M z 等各内力分量，此时对图 6-16b 而言， N x 、 Qy 、 Qz

14、 与 M x 、 M y 、 M z 均相当于外力。截面上的内力并不一定同时存在上述六个分量，可能只存在其中的一个或几个。下面以轴向拉伸（或压缩）杆件和典型的受弯构件梁为例，分析其截面上的内力。1.轴向拉伸（或压缩）杆件的内力轴向拉（压）杆件是指在一对方向相反、作用线与杆件重合的外力作用下，将发生长度的改变（伸长或缩短）的杆件。设一等直杆在两端轴向拉力 F 的作用下处于平衡，求杆件截面 m-m 上的内力，图 6-17a 所示。为此假想一平面沿横截面 m-m 将杆件截分为、两部分，任取一部分（如部分），弃去另一部分（如部分）并将弃去部分对留下部分的作用以截开面上的内力来代替。对于留下部分来说，截

15、开面 m-m 上的内力 F N 就成为外力。由于整个杆件处于平衡状态，杆件的任一部分均应保持平衡，故其留下部分也应保持平衡。于是，杆件截面 m-m 上的内力必定是与其左端外力 F 共线的轴向力 F N ，图 6-17b 所示由平衡方程得 Fx= 0， FN F = 0 FN = F式中 F N 为杆件任一横截面 m-m 上的内力，其作用线也与杆的轴线重合，即垂直于横截面并通过形心，这种内力称为轴力，用 F N 表示。若取部分为留下部分，则由作用与反作用原理可知，部分在截开面上的轴力与前述部分上的轴力数值相等而指向相反，图 6-17c 所示。由以上分析可知，轴向拉伸（或压缩）杆件的内力仅有一个，

16、即轴力 F N 。2.梁截面上的内力等截面直杆在其包含杆轴线的纵向平面内，承受垂直于杆轴线的横向外力作用，杆的轴线在变形后成为曲线，这种变形称为弯曲，凡是以弯曲为主要变形的杆件，通称为梁。如图 6-19a 为所示受集中力 F 作用的简支梁，求其任一截面m-m 上的内力。图 6-19 集中荷载作用的简支梁为求得坐标为 x 的任一横截面 m-m 上的内力，取 A 点为坐标轴的原点，应用截面法沿横截面 m-m 假想地把梁截为两y部分，图 6-19b,c 所示。分析梁的左侧部分，因在这段梁上的作用有向上的支座约束反力 FA ，为满足沿 y 轴方向力的平衡条件，故在横截面 m-m 上必有一作用线与 FA

17、 平行而指向相反的内力，设内力为 FS ，则由平衡方程 F， FA FsFs = FAFS 称为剪力。由于外力 FA 与剪力 FS 组成一力偶，因而，根据左部分梁的平衡可知，横截面上必有一与其相平衡的内力偶。设内力偶的矩为 M，则由平衡方程 M， M FA x = 0M = FA x矩心 C 为横截面 m-m 的形心，内力偶矩 M 称为弯矩。左部分梁横截面 m-m 上的剪力和弯矩，实际上是右部分梁对左部分梁的作用，根据作用与反作用的原理，右部分梁在同一横截面 m-m 上的剪力和弯矩，在数值上应该分别与左部分梁剪力和弯矩相等，但指向和转向相反，图 6-19c 所示。由以上分析可知，受弯构件梁横截

18、面上的内力一般有剪力 FS 和弯矩 M。第三节 结构的定义和对结构的要求一、结构的定义为了使建筑物、构筑物在各种自然的与人为的作用下，保持其自身正常的工作状态，必须有相应的受力、传力体系，这个体系就是结构，图 6-20 所示。建筑结构是构成建筑物并为使用功能提供空间环境的支承体，承担着各种荷载；同时又是影响建筑构造、建筑经济和建筑整体造型的基本因素。具体讲，在土木工程中，承受荷载的建筑物和构筑物或其中的某些承重构件，都可称为结构。如常见建筑物的梁、柱、板；桥梁的桥墩、桥跨；水坝、堤岸等就是结构，而人们在日常活动中看不到的基础、地基也属于结构。有了结构，建筑物与构筑物就可以抵抗自然界与人为的各种

19、作用，因此结构必须是安全的。（a） 工业厂房（b） 桥梁图 6-20结构示意图结构在其使用期限内，要承受各种永久荷载和可变荷载，有些结构可能还要承受偶然荷载。除此之外，结构在其使用期限内，还将受到温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降等影响。在地震区，结构还可能承受地震作用。结构在上述各种因素的作用下，应具有足够的承载能力，不发生整体或局部的破坏或失稳。结构还应具有足够的刚度，不产生过大的挠度或侧移。二、结构的组成1.形成跨度的构件与结构建筑物内部要形成必要的使用空间，跨度是必不可少的尺度要求。常见的跨度构件是梁。板是梁水平侧向尺度的变异性构件，其原理、作用与梁基本相同，图 6-21 中的梁、板即为

20、形成跨度的构件。图 6-21 结构的组成2.垂直传力的构件与结构跨度构件的两端形成对于其他构件向下的压力作用，需要有其他构件承担并传递至地面，这就是垂直传力构件或结常见的垂直传力构件或结构是柱，如图 6-21 中的柱子即为垂直传力构件。墙是柱水平侧向尺度的变异性构件，其原理、作用与柱基本相同，但是具有较大侧向刚度。对于一些特殊结构，不能够简单的将其分解成为跨度构件与垂直构件，可能是由整体结构形成的，如拱。3.抵抗侧向力的构件与结构建筑物内部要有相应的构件或结构，来抵抗侧向力或者作用。常见的抵抗侧向力的构件是墙。楼板的侧向刚度也较大，但只能够将建筑物在板所在的平面内形成刚性联接体。除了墙以外，柱

21、与柱之间可以利用支撑来形成抵抗侧向变形的结构。4.承担和传递上部荷载的构件与结构基础是建筑物的组成部分，承受着建筑物的上部荷载，并将这些荷载传给地基，图 6-21 中的基础。基础要承担垂直力、水平侧向力、弯矩等复杂的作用。基础必须向地面以下埋置一定的深度，以确保建筑物的整体稳定性。地基是基础以下的持力土层或岩层。地基必须有足够的强度、刚度与稳定性。三、结构的基本要求房屋结构要根据房屋的用途、建筑材料、施工技术条件、地质、地形、自然气候条件、造型要求及技术经济指标等选定合理的结构方案。既要满足结构的强度、刚度、稳定性、耐久性和经济性的要求，又要考虑建筑艺术的要求，尽量使结构造型优美，与建筑融为一

22、体。对结构的基本要求包括平衡、强度、刚度、稳定性、耐久性等方面。1.平衡平衡的基本要求就是保证建筑物及其任一组成构件不致发生运动。这里指的运动不包括支座产生的微小位移，也就是说，有些运动是不可避免的和必要的，但又是可以被建筑物所允许的，这种允许的微小运动仍使建筑结构处于平衡的状态。2.强度强度是指结构或构件在荷载作用下，抵抗破坏的能力。强度的基本要求就是保证结构及其任一组成构件在荷载作用下保持完好状态，也就是说结构体系能够把房屋在施工和使用期间所承受的各种荷载，通过相应的结构构件传递到地基上，并保证建筑物在正常工作情况下的安全性。结构构件因强度不足造成破坏的实例如图 6-22 所示。（a） 柱

23、子强度不足造成的破坏（b） 梁强度不足造成的破坏图 6-22 结构因强度不足产生的破坏3.刚度刚度是结构或构件在外力作用下抵抗变形的能力。刚度的要求就是使结构及其任一组成构件在荷载作用下不致产生过大的变形而影响使用，其变形值应控制在规范所允许的范围内，图 6-23 为结构变形的示意图。刚度是衡量结构承受温度变化、地基不均匀沉陷和动力荷载时柔韧性的一个标志。图 6-23 结构变形的示意图房屋建筑对结构允许变形的规定是根据使用要求，按照规范规定确定的。如楼板的挠度限值是根据装饰与美观的要求确定，吊车梁的挠度限值是根据吊车行走坡度的要求确定的，高层建筑抗震缝限值是根据结构在遭受地震作用时，为避免结构

24、振动碰撞而规定的。4.稳定性结构受到外力作用，在力的传递过程中，除要求满足强度和刚度要求外，结构的整体与局部尚需满足稳定性的要求。结构的稳定性，分基础与结构本身两个方面。在基础方面，要防止地基不均匀沉降而引起的倾斜倒塌或在地基在水平力作用下的滑移。在结构方面有整体稳定性和局部稳定性的问题，结构施工中，要防止结构尚未形成整体时的失稳，如单层厂房排架柱施工和升板结构提升阶段的群柱失稳等。局部稳定是指结构本身的局部或结构中的杆件在受力时产生的屈曲现象，如压杆的失稳、梁受压翼缘的失稳、薄壁结构腹板的失稳等，特别在钢结构中要注意失稳现象，如图 6-24 所示。（a） 钢柱失稳（b） 钢梁失稳5.耐久性结

25、构在正常使用和正常维护条件下，在规定的使用期限内要有足够的耐久性。结构的耐久性问题已引起世界各国的高度重视，结构的耐久性可从两个方面即环境条件的腐蚀和受力状态对结构耐久性的影响考虑。解决环境条件的影响问题，目前采取的措施是选用耐环境腐蚀的材料、加大保护层、选用合理的形状和连接构件等。第四节 结构的极限状态和结构失效一、结构的极限状态结构能够满足功能要求而且能够良好的工作，称为结构的可靠或有效，反之则称结构不可靠或失效。区分结构可靠与失效状态的标志是极限状态。整个结构或结构的一部分超过某一特定状态时，如达到极限能力、失稳、变形过大、裂缝过宽等，就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功

26、能的极限状态。根据功能要求，结构极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。1.承载能力极限状态承载能力极限状态是指结构或构件达到最大承载力、疲劳破坏或不适于继续承载的变形时的状态。对于所有结构构件，均应进行承载力极限状态的计算，在必要时尚应进行构件的疲劳强度或结构的倾覆和滑移验算。2.正常使用极限状态正常使用极限状态是指结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值时的状态。对于在使用上或外观上需要控制变形值的结构构件，应进行变形的验算；对于在使用上要求不出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力的验算；对于允许出现裂缝的构件，应进行裂缝宽度的验算；同时应进行相应的耐久性设计，以保证结构的正常使用和耐久性的要求。二、结构的失效因各种荷载使房屋结构构件承受的拉力、压力、弯矩和扭矩等，及结构构件因承受着各种作用力而产生的拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转变形等统称为结构的作用效应，用 S 表示。结构抗力即结构构件抵抗其内力和变形的能力，是指由材料、截面及其连接方式所构成的抗拉能力、抗压能力、抗弯能力和抗扭能力，以及结构所能经受的变形、位移或沉陷量，用 R 表示。结构构件的工作