建筑力學

（第一章緒論）

寧夏大學

李宏波建筑學

建筑學是研究建筑及人類生活環境的一項綜合科學和藝術。是一門以學習如何設計建筑為主，同時學習相關基礎技術課程的學科。建筑學的主體課程包括建筑設計初步、建筑設計、美術、建筑力學、建筑物理、建筑設計原理、素描、色彩、造型基礎、建筑構造、中國建筑史、風景園林規劃設計、城市規劃原理、古建筑保護與測繪、室內設計、中外建筑歷史等。建筑力學是為建筑學專業的學生開設的一門理論性、實踐性較強的技術基礎課，旨在培養學生應用力學的基建筑力學基本原理，分析和研究建筑結構和構件在各種條件下的強度、剛度、穩定性等方面問題的能力。建筑力學建筑家梁思成，中國著名的建筑學家和建筑教育家反對“半個人的世界”梁思成認為建筑是人類文化的綜合體，他對文化的理解并非狹義的限于某些學科，而是涉及到更廣更深的領域。他主張建筑師必須有廣泛深厚的文化修養，建筑師的認識領域要廣，要有哲學家的頭腦、社會學家的眼光、工程師的精確與實踐、心理學家的敏感、文學家的洞察力；他強調教育要“理工與人文結合”，只懂得工程而缺少人文修養的人只能算半個人，他反對“半個人的世界”。橋梁大家

茅以升土木工程學家、橋梁專家、工程教育家。上世紀30年代，他主持設計并組織修建了錢塘江公路鐵路兩用大橋，成為中國鐵路橋梁史上的一個里程碑，是積極倡導土力學學科在工程中應用的開拓者。在工程教育中，始創啟發式教育法，堅持理論聯系實際，致力教育改革，為我國培養了一大批科學技術人才。拱結構

南京無梁殿

1381年修建磚石拱券

羅馬競技場徑向拱+環向拱公元75–80年建造空間結構穹頂結構

羅馬萬神殿古羅馬早期建造，跨度43.5m

巴黎陳列廳

1959建成鋼筋混凝土薄殼平面呈三角形,每邊長218m，矢高48m網格結構桿件通過鉸接節點按一定幾何規律連接而成的空間結構稱為網格結構。平者為網架，曲者為網殼

網架結構上海師范學院球類房，平面31.5m40.5m北京首都體育館，99m112.2m網殼結構1993，福崗體育館：直徑222m，最大球面殼可開啟結構

懸索結構體育場館1953，美國雷里體育館，鞍形正交索網，第一座索網建筑。1961，北京工人體育館，直徑94m。1983，加拿大卡爾加里體育館，直徑135m。雷里體育館膜結構丹佛國際機場侯機樓——張拉膜結構平面尺寸67mX305m17個連成一排的雙支柱帳篷式單元組成

上海體育場——骨架支承膜結構

1997年竣工看臺挑篷為鋼骨架支承膜結構，覆蓋面積36100m2

，容8萬人組合結構

索穹頂結構—漢城體育館索桿預應力張拉整體穹頂，支承于周邊受壓環梁索桿膜混合體系—倫敦千年穹頂桅桿塔柱，鋼纜繩，膜面。跨度320m。漢城體育館建筑力學

教材

《建筑力學》（第三版）

周國瑾主編，同濟大學出版社參考書

《建筑力學》

劉成云，機械工業出版社

《建筑力學》

孫俊，重慶大學出版社

《結構力學》

包世華，武漢工業大學出版社

《工程力學》

范欽珊，高等教育出版社第1章緒論（2學時）第2章力的性質、力矩、力偶（4學時）第3章平面力系的合成與平衡（8學時）第4章空間任意力系（自學）第5章軸向拉伸與壓縮（6學時）第6章扭轉（4學時）第7章平面體系的幾何組成分析（4學時）第8章靜定結構的內力分析（8學時）第9章梁的應力（8學時）第10章梁的變形（3學時）第13章壓桿穩定（2學時）

建筑力學學時：51

建筑力學

目的：具有初步對建筑工程力學問題的簡化能力；具有一定的力學分析與計算能力；掌握建筑結構和構件在荷載或其它作用下的工作狀況，為后繼有關課程和從事專業技術工作打下基礎。本課程的基本要求

掌握物體受力分析方法、物體平衡條件。掌握材料和構件的力學性能，正確進行構件的強度、剛度和穩定性設計；掌握結構的組成規律和合理形式，以及結構計算簡圖的合理選擇；掌握結構內力和變形的計算方法，進行結構的強度和剛度驗算。C、按時獨立完成作業

——鼓勵討論，嚴禁抄襲！A、多思考多提問，概念萬分清楚B、適當做筆記，多動筆練習√×一定要自己做！關于學習方法

關于本課程的成績評定考核方式：期末閉卷考試結構評分制：平時成績占30％卷面成績占70％平時成績=出勤+作業+課堂表現

緒論內容以及要求：學時：4§1-1建筑力學的性質和主要內容（了解）§1-2基本概念（掌握）§1-3建筑力學研究的對象、任務及特點（了解）§1-4荷載分類(了解）§1-5約束和約束反力（重點掌握）§1-6結構的計算簡圖（掌握）§1-7桿系結構的分類（了解）§1-8變形固體及其基本假設（理解）§1-9桿件的幾何特性與基本變形形式（掌握）§1-1建筑力學的性質和主要內容

建筑力學是土建類專業學生重要的技術基礎課。工程靜力學（理論力學靜力學部分）材料力學建筑力學結構力學理論力學

研究剛體，研究力與運動的關系。材料力學

研究變形體，研究力與變形的關系。主要研究對象---桿件。結構力學：研究變形體，研究力與變形的關系。主要研究對象---桿系——桿狀結構體系。材料力學和結構力學研究的變形體是彈性變形體。§1-2基本概念結構：土木工程中，承受和傳遞載荷并起骨架作用的部分稱為結構。構件：結構的組成部分統稱為構件。如圖中的柱子、基礎屋架等。桿件：長度比其他兩個方向的尺寸大得多的構件。桿系結構：由細長桿組成的系統。薄壁桿：它的幾何特征是長、寬、厚三個尺寸都相差很懸殊，即l>>b>>t。基本概念薄壁結構：由薄板或薄殼組成的系統。其幾何特征是寬而薄，即a>>t，b>>t。平面形狀的稱為板，曲面形狀稱為殼。實體結構：三個方向的尺寸大約為同量級的結構。板殼實體基本概念剛體：在外力作用下不發生形變的物體(理想假設)。變形固體：在外力作用下發生微小變形的物體。強度：構件抵抗破壞的能力。剛度：構件抵抗變形的能力。穩定性：構件保持其原有平衡狀態的能力。基本概念§1-3建筑力學研究的對象、內容和任務一、建筑力學研究對象桿狀結構及桿系結構。二、建筑力學的研究內容研究建筑結構及構件在荷載作用或其它因素（支座移動、溫度變化等）作用下的工作狀況，可歸納為以下方面：力系簡化和力系平衡強度問題剛度問題穩定性問題研究幾何組成規則1、力系簡化和力系平衡理論力學（靜力學部分）內容——將研究對象視為剛體。剛體——在外力作用下不發生變形的物體。2、強度問題研究建筑結構及構件抵抗破壞的能力——強度。

強度失效：在外力作用下物體發生嚴重的塑性變形或斷裂，從而喪失正常的使用。研究內容

強度、強度失效強度--抵抗破壞的能力。破壞：明顯的塑性變形斷裂強度問題2007年6月15日上午5時許，廣東，325國道九江大橋被一艘運輸船撞擊橋墩，造成200多米橋面坍塌

強度問題剛度：抵抗變形的能力。剛度失效：在外力作用下產生明顯的彈性變形。3、剛度問題

結構剛度不夠變形過大，超出規定范圍，雖然不破壞但也會影響正常工作和使用。

剛度問題4穩定性問題、穩定性失效穩定性：保持穩定的平衡狀態的能力。穩定性失效：構件在外力作用下平衡形式發生突然轉變。

穩定性問題

5、研究幾何組成規則

保證結構各部分不發生相對運動。高層建筑與大型橋梁

樓高

420.5m

共88層

金茂大廈大型橋梁承力柱橋面拉桿纜索江陰長江大橋

簡言之，就是解決工程中必然會遇到的安全性與經濟性之間的矛盾。三、建筑力學的任務

是通過研究結構的強度、剛度、穩定性；材料的力學性能；結構的幾何組成規則，在保證結構既安全可靠又經濟節約的前提下，為構件選擇合適的材料、確定合理的截面形狀和尺寸提供計算理論及計算方法。四、建筑力學的分析方法

建筑結構分析方法：包括理論分析、實驗分析和數值分析三個方面。理論分析實驗分析計算結構實際結構計算模型實驗模型

建筑力學是一門力學的分支課程，在學習是要注重對基本概念的理解，同時要學習力學的基本研究方法，提高分析問題和解決問題的能力。

重視力學分析和工程實際相聯系；重視分析能力、計算能力、自學能力、表達能力、創新能力的培養。§1-4荷載分類

建筑力學中將作用在物體上的力分為：主動力（荷載）和約束力（約束反力）

主動力（荷載）：使物體運動或有運動趨勢的力。約束力：阻礙物體運動的力。荷載的概念

一、按作用時間長短分為恒載和活載1、恒載：長期作用在結構上的不變荷載，如結構自重，土壓力等。2、活載：暫時作用在結構上的可變荷載，如車輛荷載、風荷載等。荷載的分類

在工程中，作用在結構上的荷載是多種多樣的。為了便于力學分析，需要從不同的角度，將它們進行分類。橋面板作用在鋼梁的力恒載汽車通過輪胎作用在橋面上的力活載二、按性質可分為靜荷載和動荷載

靜荷載：指無加速度、非常緩慢地施加到結構上的荷載，其大小、位置和方向不隨時間變化或變化極為緩慢。緩慢加載，就不會產生沖擊；無加速度，則可略去慣性力的影響。

動荷載：動荷載的大小、位置和方向都有可能隨時間迅速地變化。在動荷載作用下必然產生沖擊和顯著的加速度，必須考慮沖擊力和慣性力的影響。三、按分布情況可分為集中荷載和分布荷載

集中荷載：分布范圍很小，可近似認為作用在一點的荷載；線分布荷載：沿直線或曲線分布的荷載（單位：KN/m）；面分布荷載：沿平面或曲面分布的荷載（單位：N/m2）；體分布荷載：沿物體內各點分布的荷載（單位：N/m3）。

工程中，荷載的分布情況往往比較復雜，在很多情況下，都可簡化為沿直線和平面均勻分布的荷載進行分析計算。分布荷載橋面板作用在鋼梁的力集中荷載汽車通過輪胎作用在橋面上的力增加知識靜力學基本原理公理：是人類經過長期實踐和經驗而得到的結論，它被反復的實踐所驗證，是無須證明而為人們所公認的結論。公理1

二力平衡公理作用在剛體上的兩個力，使剛體保持平衡的必要和充分條件是：這兩個力大小相等，|

F1

|=|

F2

|；

方向相反，F1

=–F2

；

作用線共線；

作用于同一個物體上。靜力學說明：①對剛體來說，上面的條件是充分必要的；②對變形體來說，上面的條件只是必要條件；③二力體：只在兩個力作用下平衡的剛體叫二力體。如果剛體是一個桿件，則成為二力桿。二力桿

靜力學在已知力系上加上或減去任意一個平衡力系，并不改變原力系對剛體的作用。推論1：力的可傳性

作用于剛體上的力，可沿其作用線移到同一剛體內的任一點，而不改變該力對剛體的效應。因此，對剛體來說，力作用三要素為：大小，方向，作用線。公理2加減平衡力系原理靜力學剛體受三力作用而平衡，若其中兩力作用線匯交于一點，則另一力的作用線必匯交于同一點，且三力的作用線共面。

（必共面，在特殊情況下，力在無窮遠處匯交——平行力系。）公理3力的平行四邊形法則

作用在物體上同一點的兩個力，可合成為一個合力。此合力也作用于該點，合力的大小和方向，由這兩力矢為鄰邊所構成的平行四邊形的對角線確定。推論2：三力平衡匯交定理

靜力學公理4作用力和反作用力定律作用力與反作用力總是同時存在。兩力的大小相等、方向相反，沿著同一直線，分別作用在兩個相互作用的物體上。[證]∵為平衡力系，∴

也為平衡力系。又∵二力平衡必等值、反向、共線，∴三力必匯交，且共面。[例]

吊燈靜力學公理5剛化原理變形體在某一力系作用下處于平衡，如將此變形體變成剛體（剛化為剛體），其平衡狀態保持不變。

公理5告訴我們：處于平衡狀態的變形體，可用剛體靜力學的平衡理論；剛體的平衡條件是變形體平衡的必要條件，而非充分條件。§1-5約束和約束反力

一、約束的概念自由體：若物體在任何方向上的運動均不受限制，那么這樣的物體就可以稱為自由體。約束體：對物體的運動起限制或阻礙作用的其他物體稱為約束體，簡稱為約束。約束與被約束是相對的，決定于所研究的主要對象是什么。例如地基就是柱子的約束、柱子則是梁約束；又如枕木是軌道的約束、軌道則是車的約束。

約束反力：約束作用于被約束物體上的力就稱為約束反力，簡稱為反力。特點：1、約束反力的方向總是與約束所能限制的運動方向相反。

2、約束反力是被動力。其產生和存在決定于主動力的存在和作用方式。

3、約束反力的大小由平衡關系和平衡條件來確定。約束反力二、約束的類型特點：約束只能限制物體沿柔索伸長方向的運動，柔索約束反力的作用點在柔索與物體的連接點、方向沿著柔索并背離被約束的物體(只提供拉力）。1、柔性繩索約束

纜索FR柔性約束

2、光滑表面約束(光滑指摩擦不計)FR光滑面約束

光滑表面約束特點：約束反力作用在接觸點處，方向沿公法線，指向被約束物體。2、光滑表面約束3、固定鉸支座

它是由固定基座、銷釘和桿件構成。類似于軸承約束，銷釘軸只能限制桿件在垂直于銷釘軸線平面內的移動，但不能限制桿件繞銷釘軸線的轉動。固定鉸支座AFAyFAx3、固定鉸支座

木梁端部與混凝土中的錨栓連接現澆鋼筋混凝土柱預制鋼筋混凝土柱滾珠(柱)軸承

FRyFRx

相對于固定鉸鏈支座的雙向約束，可動鉸支座只在一個方向上產生制約，而在另一個方向上可以移動。

4、可動鉸支座或輥軸支座輥軸FR(實際約束中FR方向也可以向下)4、可動鉸支座或輥軸支座

5、鉸鏈連接（中間鉸）

鉸鏈連接就是將兩物體分別鉆上直徑相同的圓孔并用銷釘或鉚釘、螺栓連接起來，這樣兩個物體只能繞著銷釘的軸線自由轉動，但不能相對移動。鉸鉸銷釘銷釘(鉸鏈)FRyFRx特點：不允許約束與被約束物體之間有任何形式的相對運動，被約束物體既不能移動也不能轉動。

6固定端約束(插入端）

混凝土柱的端部嵌入基礎杯口內足夠的深度，用細石混凝土澆注填實。6固定端約束(固定支座）如圖所示混凝土梁的端部嵌入墻體足夠的深度或與混凝土柱體整體澆注而成。7定向支座

在固定端約束中，若某一個方向的移動不受限制，這種支座稱為定向支座。

兩端用光滑鉸鏈與其他構件連接且不考慮自重的剛性桿稱為鏈桿。鏈桿對物體的約束力必沿鉸鏈中心的連線。8、鏈桿約束ABNANBACBDEABCllh用鉸鏈連接的桿FR§1-6結構的計算簡圖

一、結構計算簡圖用一簡化的理想模型代替實際結構。簡化的理想模型稱為結構的計算簡圖。這種簡化的結構應能反映原結構的主要受力和變形特點。二、在選取結構計算簡圖時應遵循原則

(1)既要忽略次要因素，又要盡可能地反映結構的主要受力情況；

(2)使計算工作盡量簡化，而計算結果又要有足夠的精確性。三、簡化方法對實際結構主要從三個方面進行簡化：結構的簡化、支座的簡化及荷載的簡化。1、結構的簡化（1）桿件簡化：桿件用其縱軸線來表示。直桿——直線；曲桿——曲線（2）結點簡化：鉸結點和剛結點結點：在結構中，桿件與桿件相連接處稱為結點(或節點)。§1-6結構的計算簡圖

鉸結點：其特征是各桿可以繞結點中心自由轉動。木屋架的結點構造圖鋼筋混凝土梁中的一種連接

§1-6結構的計算簡圖

剛性結點：其特征是當結構發生變形時，結點處各桿端之間夾角保持不變。如：鋼筋混凝土框架，柱和梁是剛性連接§1-6結構的計算簡圖

2、支座的簡化支座可根據實際構造和約束情況，對照上一節所述的內容進行簡化。

預制鋼筋混凝土柱§1-6結構的計算簡圖

3、荷載的簡化均布荷載、集中荷載和力偶等。§1-6結構的計算簡圖

橋式吊車吊車橫梁電葫蘆吊車橫梁簡化均布載荷

集中力

§1—7桿系結構的分類一、結構分類結構分類，也就是指對結構計算簡圖的分類。

1、按照空間觀點，結構可分為平面結構和空間結構。平面結構：組成結構的所有桿件的軸線和作用在結構上的荷載都在同一平面內。

空間結構：組成結構的所有桿件的軸線或荷載不在同一平面內的結構稱為空間結構。2、按照幾何觀點，結構可分為：（1）桿系結構（2）薄壁結構（3）實體結構。

§1—7桿系結構的分類二、平面桿系結構1、梁梁是一種常見的結構，其軸線常為直線，是受彎桿件，有單跨的和多跨連續的形式，如圖所示。§1—7桿系結構的分類1、梁按支承方式，可分為：簡支梁懸臂梁外伸梁§1—7桿系結構的分類2、剛架剛架是由直桿組成，各桿主要受彎曲變形，結點大多數是剛性結點，也可以有部分鉸結點。§1—7桿系結構的分類3、拱

拱的軸線是曲線，在豎向荷載作用下，不僅產生豎向反力，而且還產生水平反力。在一定條件下可以使拱以壓縮變形為主，使拱的各截面主要產生軸力，如圖所示。§1—7桿系結構的分類4、桁架

桁架由直桿組成，各結點假設為理想鉸結點，荷載作用在結點上，各桿只產生軸力。如圖為常用的屋架，就是一種三角形桁架。

§1—7桿系結構