土木工程概论4土木工程中的力学和结构概念

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1、第4章土木工程中的力学和结构概念4.1、力、力矩、平衡4.2、外力、内力和反力4.3、荷载、作用和效应4.4、结构和结构失效4.5、土木工程结构的设计方法主讲老师:丁腾飞土木工程要解决的问题之一是建造抵御自然或人为作用力的空间和通道，就必然会遇到大量的力学和结构问题。本章阐述土木工程中一些最基本的力学与结构概念。结构模型大赛建筑结构计算机建模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AlexanderCalder提

2、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。力：是一种物体间有方向的相互作用；这种相互作用有使物体改变原来形状或改变运动方向的效应；力是既有量值又有方向的矢量。力矩：是力对物体产生绕某一轴转动作用的物理量，其大小等于力与力臂（力的作用线到该轴的垂直距离）的乘积；力矩在土木工程中习称弯矩。平衡：力矩既可顺时针方向转动，也可按逆时针方向转动，当两个方向转动效应之和为零时，称物体处于平衡状态。思考：全桥弯曲下垂，说明桥身承有内

3、力，桥身的上下承受什么力桥身两端固定处承受反力对任何一个土木工程的结构而言，力有外力、内力和反力之分。人体、重物的重力和木桥自重是外力4.2、外力、内力和反力桥身承受扭曲倘若桥的两端曾可能被锯过又接了起来，当人拿着重物走上去，桥身必然像被剪切般地下落。现在桥身没有被锯，受力后完好无损，说明桥身还承受有剪切力。桥身承受剪切再如果将重物放在桥的一侧，全桥还将受到扭曲。这些拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭曲就是桥身承受内力的结果。人和重物能静止地位于桥上，说明它的外力、反力和内力作用处于平衡状态。独木桥是最简单的例子，所有土木工程设施的结构，无论大小、重

4、轻、厚薄（大如大桥、小如小木屋）都处于外力、内力和内力作用下的平衡状态。它承受的内力无非是下列5种以及它们的组合土木工程结构的5种内力特征：土木工程结构就是通过5种内力的基本作用，将施加在结构上的力传递给地球（基础下的土层），基础给予结构的则是作用在结构基础上的反力。受剪发生剪切变形在土木工程中：拉力以＋N表示；压力以－N表示；弯矩以M表示；剪力以V表示；扭矩以MT表示。4.3、荷载、作用和效应直接施加在土木工程结构上的外力是由荷载引起的。如果地球没有引力，自然界没有风吹、雨雪，荷载就不会存在，土木工程也就不需要结构。土木工程结构要有能抵御自

5、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。作用与作用效应的基本概念作用分为直接作用：是指能使结构产生效应的各种原因的总称。作用和间接作用。1荷载（直接作用）荷载是直接以力的形式作用于结构，如结构自重、行人或车辆的重量、风压力、土压力、水压力等。作用效应：作用在结构上产生的内力和变形的总称。能使结构产生作用效应的原因有两种：一种是施加在结构上集中力和分布力，如结构自重，作用于楼面的人群、家具、设备，作用于桥面的车辆、人群，施加于结构物上的风压力、水压力、土压力等，它们都是直接施加于结构上（直接作用），工程界

6、习称为“荷载”；另一种是施加于结构上的外加变形或约束变形，如地震、基础沉降、材料收缩和徐变、温度变化引起结构产生作用效应，它们都是间接作用于结构（间接作用）。荷载是指直接作用在结构上的外加力。⑴恒载（永久荷载）指使用期间永久施加在结构上,其值不随时间变化的荷载。作用在工程结构上的恒载类型主要有：结构自重、墙面、地面、屋面、桥面以及建筑物内的固定装置等。楼板大梁楼面内隔断墙体及内装饰窗门（2）活载（可变荷载）：指在使用期间施加在结构上、其值可随时间变化或移动的荷载。作用在工程结构上的活载有多种类型，如：使用活载、移动的设备及车辆活载、风载、雪载

7、等。①使用活载：包括楼面活载、屋面活载。家具家具家具人群可移动设备可移动设施桥梁上的汽车荷载T1、T2、T3、T4——汽车轴重；a、a1、b1、b2、c——车轴间距离车辆活载是一种移动式荷载②车辆活载：主要是铁路或公路车辆的荷载，包括工业厂房的行车（俗称天车）。工业厂房的行车W③风载：风是由大气压力不等引起的空气运动。由风的运动而施加在墙面或结构上的压力称为风载。风载有三个“不一样”：不同地区不一样（沿海、内陆）；同一地区不同时间不一样；同一房屋不同高度、不同部位不一样。风载0.22kNm2同处一区的18层高层建筑0.7kNm2北京郊区某5m

8、高单层房屋迎风面均匀分布荷载作用三角形分布荷载作用集中荷载作用集中荷载的单位一般为KN，均布荷载的单位一般为KN/m或KN/m2（3）偶然荷载在使用期间不一定出现，