结构力学-龙驭球复习.doc

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第一章绪论

一、教学内容

结构力学的基本概念和基本学习方法。

二、学习目标

·了解结构力学的基本研究对象、方法和学科内容。

·明确结构计算简图的概念及几种简化方法，进一步理解结构体系、结点、支座的形式和内涵。

·理解荷载和结构的分类形式。

在认真学习方法论——学习方法的基础上，对学习结构力学有一个正确的认识，逐步形成一个行之有效的学习方法，提高学习效率和效果。

三、本章目录

§1-1结构力学的学科内容和教学要求

§1-2结构的计算简图及简化要点

§1-3杆件结构的分类

§1-4荷载的分类

§1-5方法论

（1）——学习方法

（1）

§1-6方法论

（1）——学习方法

（2）

§1-7方法论

（1）——学习方法（3）

§1-1结构力学的学科内容和教学要求

1.结构

建筑物和工程设施中承受、传递荷载而起骨架作用的部分称为工程结构,简称结构。

例如房屋中的梁柱体系，水工建筑物中的闸门和水坝，公路和铁路上的桥梁和隧洞等。

从几何的角度，结构分为如表1.1.1所示的三类:

表1.1.1结构的分类

分类名称

特点

实例

杆件结构

由杆件组成的结构，是结构力学的研究对象

梁、拱、刚架、桁架

板壳结构

又称壁结构，几何特征是其厚度要比长度和宽度小得多

房屋中的楼板和壳体屋盖

实体结构

长、宽、厚三个尺度大小相仿

水工结构中的重力坝

2.结构力学的研究内容和方法

结构力学与理论力学、材料力学、弹塑性力学有着密切的关系。

理论力学着重讨论物体机械运动的基本规律，而其他三门力学着重讨论结构及其构件的强度、刚度、稳定性和动力反应等问题。

其中材料力学以单个杆件为主要研究对象，结构力学以杆件结构为主要研究对象，弹塑性力学以实体结构和板壳结构为主要研究对象。

学习好理论力学和材料力学是学习结构力学的基础和前提。

结构力学的任务是根据力学原理研究外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形，结构的强度、刚度、稳定性和动力反应，以及结构的几何组成规律。

包括以下三方面内容：

（1）讨论结构的组成规律和合理形式，以及结构计算简图的合理选择；

（2）讨论结构内力和变形的计算方法，进行结构的强度和刚度的验算；

（3）讨论结构的稳定性以及在动力荷载作用下的结构反应。

结构力学问题的研究手段包含理论分析、实验研究和数值计算，本课程只进行理论分析和数值计算。

结构力学的计算方法很多，但都要考虑以下三方面的条件：

（1）力系的平衡条件或运动条件。

（2）变形的几何连续条件。

（3）应力与变形间的物理条件（本构方程）。

利用以上三方面进行计算的，又称为“平衡-几何”解法。

采用虚功和能量形式来表述时候，则称为“虚功-能量”解法。

随着计算机的进一步发展和应用，结构力学的计算由过去的手算正逐步由计算机所代替，本课程的特点是将结构力学求解器集成到网络中，主要利用求解器进行计算和画图。

3.课程教学中的能力培养

（1）分析能力

·选择结构计算简图的能力：

将实际结构进行分析，确定其计算简图。

·进行力系平衡分析和变形几何分析的能力：

对结构的受力状态进行平衡分析，对结构的变形和位移状态要进行几何分析。

这两方面的分析能力是结构分析的两个看家本领，要在反复运用中加以融会贯通，逐步提高，力求达到能正确、熟练、灵活运用的水平。

·选择计算方法的能力：

要了解结构力学中的各种计算方法的特点，具有根据具体问题选择恰当的计算方法的能力。

（2）计算能力

·具有对各种结构进行计算或确定计算步骤的能力。

·具有对计算结果进行定量校核或定性判断的能力。

·初步具有应用计算机计算的能力。

做题练习是学习结构力学的重要环节。

不做一定量的习题就很难对基本概念和方法有深入的理解和掌握，也很难培养较好的计算能力。

（3）自学能力

自学包含两个方面：

消化已学知识、摄取新的知识。

§1-2结构的计算简图及简化要点

实际结构往往是很复杂的,进行力学计算以前，必须加以简化，用一个简化的图形来代替实际结构，这个图形称为结构的计算简图。

一、简化的原则

（1）从实际出发——计算简图要反映实际结构的主要性能。

（2）分清主次，略去细节——计算简图要便于计算。

二、简化的要点

1.结构体系的简化

一般的结构都是空间结构。

但是，当空间结构在某一平面内的杆系结构承担该平面内的荷载时，可以把空间结构分解成几个平面结构进行计算。

本课程主要讨论平面结构的计算。

当然，也有一些结构具有明显的空间特征而不宜简化成平面结构。

2.杆件的简化

在计算简图中，结构的杆件总是用其纵向轴线代替。

3.杆件间连接的简化

结构中杆件相互连接的部分称为结点，结点通常简化为铰结点或刚结点。

铰结点是指相互连接的杆件在连接处不能相对移动，但可相对转动，即：

可传递力，但不能传递力矩。

刚结点是指相互连接的杆件在连接处不能相对移动，也不能相对转动，既可传递力，又能传递力矩。

4.结构与基础间连接的简化

结构与基础的连接区简化为支座。

按受力特征，通常简化为：

（1）滚轴支座：

只约束了竖向位移，允许水平移动和转动。

提供竖向反力。

在计算简图中用支杆表示。

（2）铰支座：

约束竖向和水平位移，只允许转动。

提供两个反力。

在计算简图中用两根相交的支杆表示。

（3）定向支座：

只允许沿一个方向平行滑动。

提供反力矩和一个反力。

在计算简图中用两根平行支杆表示。

（4）固定支座：

约束了所有位移。

提供两个反力也一个反力矩。

5.材料性质的简化

在土木、水利工程中结构所用的建筑材料通常为钢、混凝土、砖、石、木料等。

在结构计算中，为了简化，对组成各构件的材料一般都假设为连续的、均匀的、各向同性的、完全弹性或弹塑性的。

上述假设对于金属材料在一定受力范围内是符合实际情况的。

对于混凝土、钢筋混凝土、砖、石等材料则带有一定程度的近似性。

至于木材，因其顺纹和横纹方向的物理性质不同，故应用这些假设时应予注意。

6.荷载的简化

作用在实际结构上的荷载形式比较多，简化比较复杂，但根据其分布情况大致可简化为集中荷载和分布荷载两大类。

§1-3杆件结构的分类

结构的分类实际上是计算简图的分类。

1.梁

梁是一种受弯构件，其轴线通常为直线，既可以是单跨，也可以是多跨（图1-1a、b）。

图1-1a

图1-1b

2.拱

拱是一种杆轴为曲线且在竖向力作用下，会产生水平反力的结构（图1-2a、b）。

图1-2a

图1-2b

3.桁架

桁架是由若干个直杆组成,所有结点都为铰结点（图1-3）。

图1-3

图1-4

4.刚架

刚架由直杆组成，其结点通常为刚结点（图1-4）。

5.组合结构

组合结构是桁架和梁或刚架组合在一起的结构（图1-5）。

图1-5

§1-4荷载的分类

一、按作用时间的久暂

荷载可分为恒载和活载。

恒载是长期作用与结构上的不变荷载，如结构的自重、安装在结构上的设备重量等，这种荷载的大小、方向、作用位置是不变的。

活载是建筑物在施工和使用期间可能存在的可变荷载，如吊车荷载、结构上的人群、风、雪等荷载。

二、按荷载的作用范围

荷载可分为集中荷载和分布荷载。

荷载的作用面积相对于总面积是微小的，作用在这个面积上的荷载，可以简化为集中荷载。

分布作用在一定面积或长度上的荷载，可简化为分布荷载，如风、雪、自重等荷载。

三、按荷载作用的性质

荷载可分为静力荷载和动力荷载。

静力荷载的数量、方向和位置不随时间变化或变化极其缓慢，不使结构产生显著的加速度，因而可以忽略惯性力的影响。

动力荷载是随时间迅速变化或在短暂时间内突然作用或消失的荷载，使结构产生显著的加速度。

车辆荷载、风荷载和地震荷载通常在设计中简化为静力荷载，但在特殊情况下要按动力荷载考虑。

四、按荷载位置的变化

荷载可分为固定荷载和移动荷载。

作用位置固定不变的荷载为固定荷载。

如风、雪、结构自重等。

可以在结构上自由移动的荷载称为移动荷载。

如吊车梁上的吊车荷载、公路桥梁上的汽车荷载就是移动荷载。

荷载的确定，常常是比较复杂的，荷载规范总结了设计经验和科学研究的成果，供设计时应用。

但在不少情况下，设计者要深入现场，结合实际情况进行调查研究，才能对荷载作出合理的确定。

§1-5方法论

（1）——学习方法

（1）

学习要讲究方法，要学会，更要会学。

下面是在结构力学的教学和科研过程中产生的一些想法,主要从加、减、问、用和创新五个方面展开讨论。

一、会加

1.勤于积累

摄取和积累知识是培养能力的基础，也是研究创新的基础。

“才须学也。

非学无以广才，非志无以成学”（诸葛亮）。

要有集腋成裘、积土成山的志趣。

2.融会贯通

要把知识连成一片，互相沟通，左右联系，前后呼应，融会贯通。

在数学语言和力学语言之间要会翻译：

把抽象的数学公式翻译成具体生动的物理概念；把直观的力学思路翻译成严密的数学程序。

3.用心梳理

积累知识要用心梳理，使之条理化，成为一个脉络清晰、有主有次、有目有纲的知识网。

4.落地生根

把别人的、书本上的知识变成自己的，化他为己，这样的知识才是牢靠的，生了根的。

把新学来的知识融化在自己已有的知识结构上，把“故”作为“新”的基地，使“新”在“故”上生根发芽成长。

二、会减

1.概括的能力

把一章内容概括成三言两语，对一门课理出它的主要脉络，写人能勾出特征，画龙会点睛。

2.简化的能力

盲目简化——不分主次，乱剪乱砍。

合理简化——分清主次，剪枝留干。

选取结构计算简图是结构力学的基本功。

不会简略估算、定性判断，是很危险的。

3.统帅驾驭的能力

学习积累的知识，要形成一个知识系统，要培养提纲挈领、统帅全局的能力,达到纲举目张、灵活驾驭的目的。

4.弃形取神的能力

在力学学习和科学研究中要培养由表入里、弃形取神的能力：

·个别到一般：

舍弃千差万别的个性和特殊性，摘取其中的共性和普遍性。

·具体到抽象：

舍弃不同问题的具体性，提炼为一般原理的抽象性。

·现象到规律：

舍弃现象的表面形态，洞察出深藏的本质和内在的规律。

·温故到创新：

拆除旧观念的篱笆，标新立异，另辟新路，开拓新途径和新领域。

§1-6方法论

（1）——学习方法

（2）

三、会问

1.多问出智慧

学习中要多问，多打几个问号。

“？

”像一把钥匙，一把开启心扉和科学迷宫的钥匙。

2.要会问

学习中提不出问题是学习中最大的问题。

发现了问题是好事，抓住了隐藏的问题是学习深化的表现。

3.要追问

重要的问题要抓住不放，要层层剥笋，穷追紧逼，把深藏的核心问题解决了，才能达到“柳暗花明”的境界。

4.要问自己

四、会用

学而时习之，学习=学+习。

什么是“习”，通常把“习”理解为复习；更准确些，应把“习”理解为用，理解为实践。

“用”是“学”的继续、深化和检验。

与“学”相比，“用”有更丰富的内涵：

·多面性：

把知识应用于解决各式各样的问题，把单面的知识化为多方面的知识。

·综合性：

处理问题时，要综合应用多种方法和知识。

分门别类地学，综合优选地用。

·反思性：

正面学，反面用。

计算是由因到果，校核时由果到因。

·跳跃性：

循规蹈矩地学，跳跃式地用。

·灵活性：

用能生巧。

·牢固性：

反复用过的知识是牢固的，久经难忘。

·悟性：

学习可以获得言传的知识，应用可以体验难以言传的悟性。

·检验性：

学来的知识是真懂、半懂还是不懂，考几道题就分辨出来了。

针对涉及工程计算的一些学科的情况，还要对“习题”和“校核”两个具体问题作些议论。

1.习题

做题练习,是学习工程计算学科的重要环节。

不作一定数量的习题,就很难对基本概念和方法有深入的理解,也很难培养较好的计算能力。

做题也要避免各种盲目性。

举例如下：

·不看书，不复习，埋头做题，这是一种盲目性。

应当在理解的基础上做题，通过做题来巩固和加深理解。

·贪图求快，不求甚解，这是另一种盲目性。

·只会对答数，不会自己校核和判断，这也是一种盲目性。

·做错了题不改正，不会从中吸取教训，这又是一种盲目性。

2.校核

计算的结果要经过校核。

“校核”是“计算”中应有之义。

没有校核过的计算书是未完成的计算书。

出错是难免的。

重要的是要会判断、抓错和改错。

判断是对计算结果的真伪性和合理性作出鉴定。

抓错是分析错误根源，指明错在何处。

改错是提出改正对策，得出正确答案。

改错不易，抓错、判断更难。

关于判断和校核可分为三层：

细校、粗算和定性。

另法细校：

细校是指详细的定量的校核，不是重算一遍而是提倡用另外的方法来核算。

毛估粗算：

粗算是指采用简略的算法对计算结果进行毛估，确定其合理范围。

粗算是要能分清主次、抓大放小，对大事不糊涂。

其做法有：

选取简化计算模型，在公式中忽略次要的项，检查典型特例，考虑问题的极限情况，等等。

定性判断：

定性判断是根据基本概念来判断结果的合理性，而不是进行定量的计算。

力学中常用的例子有：

·采用量纲分析，判断所列方程是否有误。

·根据物理概念，看答案的数量级和正负号是否对头。

·根据误差理论，估计误差的范围。

·根据互等定理，看计算结果是否合理。

·根据上下限定理，看计算结果是否出格。

·在渐进法和迭代法中，判断结果是否收敛。

·对称结构计算，检查结果的对称性。

·当参数变化时，看结果的相应变化是否合理。

·在近似算法中，判断所得结果是偏于安全还是偏于不安全，并采用“前者宽，后者严”的不同标准。

不细算而能断是非，断案如神，既快又准，这是总工程师应具备的看家本领，也是每个工程师和有心人应及早学会的本领。

这种本领来源于扎实的理论和经验的积累。

计算机引入结构力学后，增加了我们进行大型计算，分析大型结构的能力。

但是，计算机并不排斥力学理论，而是要求我们更深更活地掌握力学理论。

§1-7方法论

（1）——学习方法（3）

五、创新

科学精神的精髓是求实创新。

创新：

推陈出新，破旧立新，有推有出，有破有立。

创新并不神秘，把知识向前推进一步，向更广、更深、更精、更神的方向迈出一步，都是创新的一步。

创新意识要贯穿在整个学习过程中，在加、减、问、用各个方面都要着眼于创新，有心于创新。

·加：

在继承中创新。

每项创新成果都吸收了前人的成果。

像牛顿那样站在巨人的肩上才能看得更远。

广采厚积是创新的基础。

·减：

在“去粗取精，弃形取神”的减法过程中要注意“去”和“弃”。

在“推陈出新、破旧立新”的创新过程中要注意“推”和“破”。

二者是相通的。

·问：

在已有的知识中发现疑点，感到困惑，是走向解惑和创新的起点。

创新是善问巧思的回报。

·用：

在应用和实践中对已有的知识进行检验，发现其中的不足而加以改正，这就是创新。

实践为创新提供了机遇。

创新不能违反客观规律。

在求实中创新，“出新意于法度之中”（苏轼）。

在客观规律的容许之下，创造力有充分的自由活动空间。

后语

把以上的议论归纳为五句话：

·加——广采厚积，织网生根。

·减——去粗取精，弃形取神。

·问——知惑解惑，开启迷宫。

·用——实践检验，多用巧生。

·创新——觅真理立巨人肩上，出新意于法度之中。

第二章几何构造分析

1.主要内容

一个体系要能承受荷载，首先它的几何构造应当合理，能够使几何形状和位置保持不变。

因此，在进行结构受力分析之前，先进行几何构造分析。

在几何构造分析中，最基本的规律是三角形规律。

规律本身是简单浅显的，但规律的运用则变化无穷。

因此，学习本章时遇到的困难不在于学懂，而在于灵活运用。

本章在全书中只是一个短小的前奏，只是从几何构造的角度讨论结构力学中的一个侧面，根本不涉及到内力和应变。

但是构造分析与内力分析之间又是密切相关的，本章内容将在后面许多章节中得到应用。

2.教学目的

理解自由度、可变体系与不变体系、瞬变体系、瞬铰的概念；

正确理解三角形规律，并能熟练应用三角形规律分析平面体系的几何构造；

掌握计算自由度的计算方法，能计算一般平面体系的自由度。

3.本章目录

·§2-1基本概念

·§2-2自由度计算

·§2-3几何不变体系的组成规律

·§2-4几何构造分析方法与实例

·§2-5求解器的应用

·§2-6小结

·§2-7习题

·§2-8测验

4.参考章节

《结构力学教程（Ⅰ）》，第2章、结构的几何构造分析，pp.17-54。

§2-1基本概念

1.教学要求

理解自由度、几何可变体系与几何不变体系、瞬变体系、瞬铰的概念。

2.本节目录

·1.几何不变体系和几何可变体系

·2.运动自由度S

·3.约束

·4.多余约束和非多余约束

·5.瞬变体系

·6.瞬铰和无穷远处的瞬铰

·7.思考与讨论

3.参考章节

《结构力学教程（Ⅰ）》，pp.18-22。

2.1.1几何不变体系和几何可变体系

几何不变体系：

体系的位置和形状是不能改变的（图2-1b）。

几何可变体系：

体系的位置或形状是可以改变的（图2-1a）。

以上讨论的前提：

不考虑材料的应变。

图2-1a

图2-1b

一般结构都必须是几何不变体系，而不能采用几何可变体系

2.1.2运动自由度S

S：

体系运动时可以独立改变的坐标的数目。

图2-2a

图2-2b

（平面内一个点有两个自由度）

（平面内一个刚体有三个自由度）

2.1.3约束

减少体系自由度的装置。

  图2-3a

图2-3b

图2-3c

  S由3个减少到2个

S由6个减少到4个

S由6个减少到3个

  一个支杆相当于一个约束

一个简单铰相当于两个约束

一个简单刚结相当于三个约束

2.1.4多余约束和非多余约束

不能减少体系自由度的约束叫多余约束。

能够减少体系自由度的约束叫非多余约束。

注意：

多余约束与非多余约束是相对的，多余约束一般不是唯一指定的。

图2-4a

图2-4b

   链杆1或2能减少点A的两个自由度，因此链杆1和2都是非多余约束。

  链杆1、2和3共减少点A的两个自由度，因此三根链杆中只有两根是非多余约束，有一个是多余约束。

一个体系中有多个约束时，应当分清多余约束和非多余约束，只有非多余约束才对体系的自由度有影响。

2.1.5瞬变体系

图2-5a

图2-5b

分析:

（1）当链杆1和2共线时，圆弧Ⅰ和Ⅱ在A点相切（图2-5a），因此A点可沿公切线方向做微小运动，体系是可变体系。

（2）当A点沿公切线发生微小位移后，链杆1和2不再共线（图2-5b），因此体系不再是可变体系。

本来是几何可变，经微小位移后成为几何不变的体系称为瞬变体系。

可以发生大位移的几何可变体系称为常变体系。

可变体系可进一步分为瞬变体系和常变体系。

（3）点A在平面内有两个自由度，增加两根共线链杆后，A点仍有一个自由度，因此链杆1和2中有一个是多余约束。

一般说来，瞬变体系中必然存在多余约束。

2.1.6瞬铰和无穷远处的瞬铰

两刚片间以两链杆相连，其两链杆约束相当（等效）于两链杆交点处一简单铰的约束，这个铰称为瞬铰或虚铰（如图2-6a）。

          图2-6a                  图2-6b                  图2-6c

图2-6a中，链杆1和2交于O点，刚片I可以发生以O为中心的微小转动。

图2-6b和图2-6c中，链杆1和2的交点在无穷远处，因此两根链杆所起作用的相当于无穷远处的瞬铰所起的约束作用，绕瞬铰的转动转化为沿两根链杆的正交方向上的平动。

在图2-6a、b、c各体系的相对运动过程中，瞬铰位置不断变化。

在几何构造分析中应用无穷远处瞬铰的概念时，可以采用射影几何中关于∞点和∞线的下列四点结论：

（1）每个方向有一个∞点（即该方向各平行线的交点）。

（2）不同方向上有不同的∞点。

（3）各∞点都在同一直线上，此直线称为∞线。

（4）各有限远点都不在∞线上。

2.1.7思考与讨论

1.有的文献把几何可变体系称为几何不稳体系，把几何不变体系称为几何稳定体系。

材料力学中把压杆屈曲问题称为弹性稳定性问题。

试对几何稳定性和弹性稳定性这几个不同概念加以比较。

2.“多余约束”从以下哪个角度来看才是多余的？

（a）从对体系的自由度是否有影响的角度看；

（b）从对体系的计算自由度是否有影响的角度来看；

（c）从对体系的受力和变形状态是否有影响的角度来看；

（d）从区分静定和超静定两类问题的角度来看。

§2-2自由度计算

1.教学要求

掌握实际自由度和计算自由度的计算方法。

2.本节目录

·1.实际自由度S和计算自由度W

·2.部件和约束

·3.平面体系的计算自由度W的求法

（1）

·4.平面体系的计算自由度W的求法

（2）

·5.思考与讨论

3.参考章节

1.《结构力学教程（Ⅰ）》，pp.28-32。

2.§2-1基本概念

2.2.1实际自由度S和计算自由度W

S=（各部件自由度总和a）－（非多余约束数总和c） ------- （2-1）

 S=1×2－2=0，

非多余约束数c=2，

多余约束数n=2，

但是复杂情况难以找全多余约束。

    图3-1

W=（各部件自由度总和a）－（全部约束数总和d）  -------- （2-2）

2.2.2部件和约束

1.部件可以是点，也可以是刚片

在几何构造分析时要注意刚片内部是否有多余约束。

图3-2a

图3-2b

图3-2c

图3-2d

一根链杆

一个铰

一个刚结

n=0

n=1

n=2

n=3

在计算体系的约束总数时也应当考虑刚片内部的多余约束。

2.约束可分为单约束和复约束

在几何构造分析时要将复约束简化为几个单约束。

图3-3a

图3-3b

（图中复铰相当两个单铰）

m=2,h=1

m=3,h=2

S=3×2-2×1=4

S=3×3-2×2=5

图3-4a

图3-4b

（图中复刚结相当两个单刚结）

m=2,g=1

m=3,g=2

S=3×2-3×1=3

S=3×3-2×3=3

一般说来，联结n个刚片的复铰（复刚结）相当于（n-1）个单铰（单刚结）。

图3-5a

图3-5b

（图中复链杆相当三个单链杆）

j=2,b=1

j=3,b=3

S=2×2-1=3

S=2×3-3=3

又，联结n个结点的复链杆相当于（2n-3）个单链杆。

2.2.3平面体系的计算自由度W的求法

（1）

1.刚片系

部件（约束对象）数：

刚片数m；

约束数：

单铰数h，简单刚结数g，链杆数b。

W=3m-2h-3g-b      ----------------------  （2-4）