土木工程(专业)概论(罗福午)4土木工程中的力学和结构概念.ppt

4.1 力、力矩和平衡 力（Force）是一种物体间有方向的作用，有大小方向。可用矢量表示。 重力：物体重量产生的作用力，方向指向地球中心，作用点在该物体的中心。 力矩和平衡的概念 Alexander Calder提出的装置 力矩（Moment，土木中称弯矩）：力×距离 转动平衡：对同一点所有力矩之和为0，即转动效应之和为0。 移动平衡：对同一物体所有力之和为0，即处于不移动的静止状态。 成正比。 Δ 2 Δ 1 = p 2 p1 ⑶ 弹性模量 当力作用一物体时，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。 材料在弹性状态，荷载与变形 其应力与应变也成正比例关系， 其比例系数 E 称为弹性模量。 = E σ ε 当结构材料继续承受更大荷载时，移去荷载，有残余变形，变 形不能恢复原状。称结构材料进入塑性阶段。 1 Δ 3 ? Δ 2 Δ 2 ? Δ 1 ≠ P3 ? P2 P2 ? P 材料进入塑性状态，荷载与 变形不成正比。 弹性模量是材料抗弹性变形 的一个指标，其值越大，即材料 的刚度越大。 结构承受荷载为0→P2时，结构构件处于弹性状态； 结构承受荷载为P2→P3时，结构构件处于塑性状态； ＞P3 P2 ~ P3 0 ~ P2 结构承受荷载超过P3， 将达其极限应力时，结构 构件处于破坏失效状态。 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、砼等，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。 4.4、结构和结构失效 4.1 结构的定义和要求 ⑴ 结构的定义：土木工程设施中的结构是一个在空 间和通道中用各种基本构件组合建成的有功能特征的机 体，为土木工程设施的持久使用和美观需求服务，对生 财产提供安全保障。 它是一个由构件组合成 的整体，是一个有功能特征 的机体，是一个有丰富应用 价值的载体，是一个被建造 的实体。 体育场结构的三维模型 ⑵ 土木工程结构的要求 ● 在应用上，要充分满足空间和通道的多项使用要求； ● 在安全上，要完全符合承载、变形、稳定的持久需要； ● 在造型上，要能够与环境、规划和建筑艺术融为一体； ● 在技术上，要力争体现科学、技术和工程的新发展； ● 在建造上，要合理用材、节约能源，与施工实际紧密结合。 ⑶ 为安全可靠的目的，在结构设计中必须做到： ① 结构承受荷载后的内力（±N、M、V、MT）≤结构的承载力； ② 结构承受荷载后的变形（挠度、侧移、沉陷）≤变形的允许值。 4.2 结构的功能要求 ⑴ 能承受正常施工和使用时可能出现的各种作用力（如拉力、 压力、剪力、弯矩、扭矩等）； ⑵ 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，不发生过大的不均匀沉陷，不使人感到晃动等）； ⑶ 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）； ⑷ 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）。 ⑴和⑷是安全性，⑵是适用性，⑶是 持久性。“安全、适用、持久”三者 缺一不可，但安全第一。 4.3 结构的失效 结构设计应遵循的原则： S ≤ R -- S 为荷载施加在结构的作用效应； -- R 为结构的抗力。 当结构或从属于 它的构件不能满足上 述基本功能要求，称 为结构失效。 结构失效的常见表现形式 ※ 破坏--结构或构件截面抵抗能力不足以承受作用效应的现 象，如拉断、压碎、弯折等。 ※ 失稳--结构或构件因长细比过大而在不大的作用力下突然 发生作用力平面外的极大变形的现象，如柱子压屈、梁在平面外扭 曲等。 ※ 发生影响正常使用的变形--梁板的过大挠度或过宽裂 缝，柱、墙的过大侧移，结构有过大倾斜或过大的沉陷等。 ※ 倾覆--结构或结构的一部分失去平衡而倾倒或移动的现象。 ※ 结构材料丧失耐久性--钢材锈蚀、砼受腐蚀、砌体遭冻 融、木构件被虫蛀蚀等化学、物理、生物现象。 A柱抗拉能力 不足被拉断 B柱长细比 过大被压屈 上部结构抗侧移 能力不足被拉裂 某 高 层 建 筑 上部结构抗剪能 力不足被剪断 4.5、土木工程结构的设计方法 5.1 结构工程师的任务 ⑴ 土木工程设计的分工 规划师负责工程 的选址、开发强 度和空间环境。 建筑师负责工程 的布局、造型， 满足