第一章绪论
1.1结构力学的研究内容
一、结构的概念
建筑物和工程设施中，起主要受力、传力及支承作用的骨架部分。
二、结构的分类
1、按构件的几何特征分为：杆系结构(空间或平面)；板壳(薄壁:薄板、薄壳)结构；实体结构。
(1) 杆系结构：由杆件组成。
几何特征：横截面<<长度
图1.1 杆系结构
<2>、板壳（薄壁：薄板、薄壳）结构
几何特征：厚度<<长度和宽度
图1.2 板壳结构
<3>、实体结构
几何特征：任何一个方向的尺寸都不能被忽略掉
图1.3 实体结构
2、按结构型式划分为：
砖混结构、框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构等；
3、从建筑材料划分：
砖石结构、混凝土结构、钢筋混凝土结构、钢结构、木结构、组合结构等；
4、从空间角度划分：
平面结构、空间结构等；
三、《结构力学》研究的对象
理论力学：刚体
材料力学：变形体(单个杆件：简支梁、悬臂梁、伸臂梁)
结构力学：变形体(平面杆系结构：多跨梁、桁架、刚架、组合结构、拱)
四、《结构力学》研究的内容
<1> 研究平面杆系结构在载荷等外因作用下产生的内力(强度计算)；
<2>研究平面杆系结构在载荷等外因作用下产生的变形(刚度计算)；
<3>分析平面杆系结构的稳定性；
<4>探讨平面杆系结构的组成规律及合理形式(几何构造分析)；
结构力学应用举例说明：
①设计思路
②钢筋混凝土悬臂梁，只考虑自重，钢筋应该配在上部，还是下部？为什么？
③脚手架(超静定桁架)的设计
1.2结构的计算简图
一、结构计算简图
在结构计算中，用以代替实际结构，并反应实际结构主要受力和变形特点的计算模型。
二、结构计算简图的简化原则
选取的原则是：1、要从实际出发2、要分清主次
既要尽可能正确反映结构的实际工作状态，又要尽可能使计算简化。
计算简图不是唯一的：根据不同的要求和具体情况，对于同一实际结构也可选取不同的计算简图。例如：初步设计阶段，可选取比较粗略的计算简图，施工图设计阶段，则可选取较为精确的计算简图；用手算时，可选取较为简单的计算简图，用电算时，则可选取较为复杂的计算简图。
三、实际杆件结构的简化
1、杆件体系的简化
实际工程结构都是空间结构，在大多数情况下，常可忽略一些次要的空间约束而将其分解为平面结构，使计算得到简化。本书主要讨论平面杆件结构的计算问题。
2、杆件(几何形式)的简化
无论是直杆或曲杆，均可以其轴线(截面形心的连线)代替杆件，而将杆轴线形成的几何轮廓来代替原结构。
3、约束的简化
体系运动时可以独立改变的座标的数目，称为该体系的自由度。
平面内一个点的自由度为2，如图1.15(a)所示；平面内一个刚片的自由度为3。
刚片：体系的几何组成分析不考虑材料的应变，任一杆件(或体系中一几何不变部分)均可看为一个刚体，一个平面刚体称为一个刚片。
减少自由度的装置称为约束(或联系)。可以减少1个自由度的装置是1个约束。
约束分内部约束和外部约束。支座为外部约束，节(结)点为内部约束。 ①支座的简化：
(1) 活(滑)动铰支座(轴支座、辊轴支座)
(2) 固定铰支座(不动铰支座)
(3) 固定支座
(4) 定向支座(滑动支座，双链杆支座)
(5) 弹性支座
其约束力的个数和方向如下图所示：
图1.7固端支座 图1.6 固定铰支座
图1.5滑动铰支座
(a) 点
(b) 刚片 图1.4 自由度
②连接结点的简化
结构中的结点也称之为内部约束，可简化为链杆、铰结点、刚结点、组合结点。
(链杆)
一个链杆可以提供一个约束。
(2) 铰结点：其变形特征和受力特点是，汇交于结点的各杆端可以绕结点自由转动；在铰结点处，只能承受和传递力，而不能传递力偶，如下图所示。
(c) (d)
图1.11 铰结点
A
(a) 单铰结点
(b) 复铰结点
图1.10 链杆(支杆) 图1.9弹性支座
图1.8定向支座
连接两个杆的铰结点叫做单铰(提供2个约束），连接两个及以上杆件的铰结点叫做复铰(连接n 个刚片的复铰可折算成(n -1)个单铰，提供2(n -1)个约束)。
(2) 刚结点：其变形特征和受力特点是：汇交于结点的各杆端之间不能发生相对转动；刚结点处不但能承受和传递力，而且能承受和传递力偶。
连接两个杆的刚结点叫做单刚结点(提供3个约束)，连接两个及以上杆件的刚结点叫做复刚节点，连接n 个刚片的复刚结可折算成(n -1)个单刚结，提供3(n -1)个约束）。
(3) 组合结点(又称不完全铰结点或半铰结点)：在同一结点上，部分刚结，部分铰结。
图1.13 组合结点 5、材料性质的简化
一般均假设为连续、均匀, 各向同性、弹性。
6、荷载的简化
①集中荷载：次梁 主梁(kN)；柱自重
②线荷载：梁的自重(kN/m)
③面荷载：板的自重(kN/m 2)
1.3 平面杆系结构的分类
不同的分类方法：
一、按结构坐标维度分类
平面杆系结构、空间杆系结构
二、按计算特性分类
1、静定结构：其杆件内力(包括反力)可由平衡条件惟一确定。
2、超静定结构：其杆件内力(包括反力)仅由平衡条件还不能惟一确定，而必须同时考虑变形条件才能惟一确定。
三、按结构的受力和变形特性分类
(a) 单刚结点
(b) 复刚结点 图1.12 刚结点
A
(1)梁-----梁是一种受弯构件，一般水平(或斜向)放置，其轴线通常为直线。可能单跨、多跨。内力一般有弯矩和剪力，以弯矩为主。
(2)刚架-----不同方向的杆件用结点(至少有一刚结点)连接构成，结点多为刚结点。刚架杆件内力一般有弯矩、剪力和轴力，以弯矩为主。所以又叫梁式构件。
(3)桁架-----由若干直杆在两端用铰结点连接构成。桁架杆件在结点荷载作用下，承受轴向变形，是轴向拉、压构件，只受轴力，均为二力杆。
(4)拱-----拱的轴线为曲线，且在竖向荷载作用下会产生水平反力(推力)。这使得拱内弯矩和剪力比同跨度、同荷载的梁的为小。其内力以压力为主。
(5)组合结构-----由梁式杆和桁架杆构成。常见的组合结构：排架。
(6)悬索结构-----悬索结构通常以仅能承受拉力的柔性缆索作为主要受力构件。
1.4荷载分类
一、按作用时间长短分类
恒载：永久作用在结构上。如结构自重、永久设备重量。
活载：暂时作用在结构上。如人群、风、雪(在结构上可占有任意位置的可动荷载)及车辆、吊车(在结构上平行移动并保持间距不变的移动荷载)。
二、按作用位置是否变化
固定荷载
移动荷载
三、按作用性质(是否考虑惯性力影响)
静力荷载：荷载由零加至最后值的加载过程中，结构始终保持静力平衡，即可忽略惯性力的影响。
动力荷载：要考虑惯性力影响，如地震作用。
四、按与结构的接触情况：
直接荷载、间接荷载
注：1、荷载(直接作用)：作用在结构上的主动力。
2、某些非荷载因素(间接作用)，如：制造(加工)误差、温度变化(材料变形)、基础沉降等也会在结构中产生内力、变形。
小结：
1、结构的定义
2、从实际结构到计算简图的简化：材料、结构体系、杆件、结点、支座、荷载
3、杆系结构分类及分类依据：按受力特征分为：梁、刚架、桁架、拱、组合结构。
第一章绪论 ？？？本章问题： A.什么是结构？ B.结构力学的研究对象？ C.结构力学的研究任务？ D.什么是结构的计算简图？ E.杆件间连接方式有哪几种？ F.结构与基础之间的连接方式有哪几种？ G.杆件结构的分类有哪些？ H.荷载的分类有哪些？ §1-1结构力学的学科内容和教学要求 一、研究对象：杆件结构 1、什么是结构：由若干杆件用各种结点连接而成的杆件体系，当能承担一定范围内任意荷载作用时，称为杆件结构，简称结构。即建筑物和工程设施中承受荷载而起骨架作用的部分。 如：①房屋中梁、柱②公路、铁路、桥梁、遂洞等 结构从几何角度分： 杆件结构－其横截面尺寸要比长度小得多； 板壳结构（薄壁结构）－其厚度尺寸要比长度和宽度小得多； 实体结构－长宽高尺寸相当。 2、什么是机构：不能承担任意荷载的系统称机构。它是机械工程等的研究对象。 结论：在土木等工程中应用的都是结构，但结构的组成方式不同将影响其力学性能（静定和超静定）和分析方法。因此，分析结构受力、变形之前，必须首先了解结构的组成。 实际结构中的构件在外界因素作用下都是可变形的，但在小变形的情形下，分析结 构组成时，其变形可以忽略不计，因而所有构件均将视为刚体。 二、研究任务 是根据力学原理研究在外力和其它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，以及结构的组成规律。包括： 1、讨论结构的组成规律和合理形式，以及结构的计算简图的合理选择。 2、讨论结构的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。 三、能力培养 1、分析能力：选择结构计算简图；力系平衡分析和变形几何分析；选择计算方法的能力。 2、计算能力：确定计算步骤；校核或定性判断；初步使用结构计算程序的能力。 3、自学能力：消化已学知识；摄取新知识的能力。 4、表达能力：作业要整洁、清晰、严谨。
第一章绪论 §1-1 结构力学的研究对象和任务 一、结构的定义:由基本构件（如拉杆、柱、梁、板等）按照合理的方式所组成的构件的体系，用以支承荷载并传递荷载起支撑作用的部分。 注：结构一般由多个构件联结而成，如：桥梁、各种房屋（框架、桁架、单层厂房）等。最简单的结构可以是单个的构件，如单跨梁、独立柱等。 二、结构的分类：由构件的几何特征可分为以下三类 1．杆件结构——由杆件组成，构件长度远远大于截面的宽度和高度，如梁、柱、拉压杆。2．薄壁结构——结构的厚度远小于其它两个尺度，平面为板曲面为壳，如楼面、屋面等。 3．实体结构——结构的三个尺度为同一量级，如挡土墙、堤坝、大块基础等。 三、课程研究的对象 ?材料力学——以研究单个杆件为主 ?弹性力学——研究杆件（更精确）、板、壳、及块体（挡土墙）等非杆状结构 ?结构力学——研究平面杆件结构 四、课程的任务 1．研究结构的组成规律，以保证在荷载作用下结构各部分不致发生相对运动。探讨结构的合理形式，以便能有效地利用材料，充分发挥其性能。 2．计算由荷载、温度变化、支座沉降等因素在结构各部分所产生的内力，为结构的强度计算提供依据，以保证结构满足安全和经济的要求。 3．计算由上述各因素所引起的变形和位移，为结构的刚度计算提供依据，以保证结构在使用过程中不致发生过大变形，从而保证结构满足耐久性的要求。 §1-2 结构计算简图
一、计算简图的概念：将一个具体的工程结构用一个简化的受力图形来表示。 选择计算简图时，要它能反映工程结构物的如下特征： 1．受力特性（荷载的大小、方向、作用位置） 2．几何特性（构件的轴线、形状、长度） 3．支承特性（支座的约束反力性质、杆件连接形式） 二、结构计算简图的简化原则 1．计算简图要尽可能反映实际结构的主要受力和变形特点 ，使计算结果安全可靠； ．．．．．．．．．．．．．． 。 2．略去次要因素，便于分析和计算 ．．．．．．． 三、结构计算简图的几个简化要点 1．实际工程结构的简化：由空间向平面简化 2．杆件的简化：以杆件的轴线代替杆件 3．结点的简化：杆件之间的连接由理想结点来代替 （1）铰结点：铰结点所连各杆端可独自绕铰心自由转动，即各杆端之间的夹角可任意改变。不存在结点对杆的转动约束，即由于转动在杆端不会产生力矩，也不会传递力矩，只能传递轴力和剪力，一般用小圆圈表示。 （2）刚结点：结点对与之相连的各杆件的转动有约束作用，转动时各杆间的夹角保持不变，杆端除产生轴力和剪力外，还产生弯矩，同时某杆件上的弯矩也可以通过结点传给其它杆件。（3）组合结点（半铰）：刚结点与铰结点的组合体。 4.支座的简化：以理想支座代替结构与其支承物（一般是大地）之间的连结 （1）可动铰支座：又称活动铰支座、链杆支座、辊轴支座，允许沿支座链杆垂直方向的微小移动。沿支座链杆方向产生一个约束力。 （2）固定铰支座：简称铰支座，允许杆件饶固定铰铰心有微小转动。过铰心产生任意方向的
第一章绪论 1、不论设计任何结构都要经过正确的计算，才能达到安全、经济和合乎使用要求的目的。 2、活动铰支座、铰支座、固定支座和定向支座 3、杆件结构的结点，通长可分为铰结点、刚结点、组合结点三种。 4、铰结点上的铰结端可以自由相对转动，因此，受荷载作用时：铰结点上个杆间夹角可以改变，与受荷前的夹角不同；各杆的铰结端不产生弯矩。铰结点：被连接的杆件在连接处不能相对移动，但可以相对转动，可以传递力，但不能传递力矩。木屋架的结点比较接近与铰结点。 5、刚结点上各杆的刚结端不能相对转动，即认为刚结点是一个刚体，各杆均刚结与此刚体上，因此，受荷后：刚结点上各杆间的夹角不变，各杆的刚结端旋转同一个角度；各杆的刚结端一般产生弯矩。 刚结点：被链接的杆件在连接处既不能相对移动，又不能相对转动，既可以传递力也可以传递力矩。现浇混凝土结点通常属于这类情形。 6、若在同一个结点上，某些杆间相互刚结，而另一些杆间相互铰结，则称为组合结点或半铰结点。 7、铰结点上的铰称为完全铰或全铰。 组合结点上的铰则称为非完全铰或半铰。 8、实际结构情况复杂，往往不能考虑所有因素去做严格计算，而需去掉次要因素，以简化图式来代替，这种用以计算的简化图式，叫做结构的计算简图或计算模型。 9、确定计算简图的原则是：保证设计上需要的足够精度；使计算尽可能简单。 10、常见杆件结构类型梁（多跨静定梁、连续梁）、拱、桁架、钢架。
第二章平面体系的几何组成分析 1、在不考虑材料应变的条件下，几何形状和位置都不能改变的体系称为几何不变体系。 在原来位置上可以运动，而发生微量位移后不能继续运动的体系，叫做 瞬变体系。 可以发生非微量位移的体系称为常变体系。 常变体系和瞬变体系统称为可变体系，均不能作为建筑结构，只有几何不变体系才能用作建筑结构。 由于瞬变体系能产生很大的内力，所以不能用作建筑结构。 2、自由度：是体系运动时可以独立改变的几何参数的数目。即确定体系位置所需的独立坐标的数目。 3、点的自由度：在平面内点的自由度等于2. 4、刚片：几何不变的平面物体叫刚片。它可以是一个杆，也可以是由若干个杆组成的几何不变部分。一个刚片的自由度等于3. 5、约束：是能减少自由度的装置。常见的约束有链杆和铰。 6、链杆：是两端以铰与别的物体相联的刚性的杆，一个链杆相当于一个约束。链杆可以不是直杆而是曲杆、折杆，它们同样也可以使两铰间距不变，起到杆件两端点连接成直杆的约束作用。 7、单铰：联结两个刚片的铰叫做单铰。单铰相当于两个约束。 8、联结两刚片的两链杆的交点为虚铰。 9、复铰：联结3个或3个以上的刚片的铰称为复铰。联结N个刚片的复铰相当于（N-1）个单铰。 10、一个几何不变体系，如果去掉任何一个约束就变成可变体系，则称为无多余约束的几何不变体系。无多余约束的几何不变体系的组成规则：
第一章绪论 1.1结构力学的研究内容 一、结构的概念 建筑物和工程设施中，起主要受力、传力及支承作用的骨架部分。 二、结构的分类 1、按构件的几何特征分为：杆系结构(空间或平面)；板壳(薄壁:薄板、薄壳)结构；实体结构。 (1) 杆系结构：由杆件组成。 几何特征：横截面<<长度 图1.1 杆系结构 <2>、板壳（薄壁：薄板、薄壳）结构 几何特征：厚度<<长度和宽度 图1.2 板壳结构 <3>、实体结构 几何特征：任何一个方向的尺寸都不能被忽略掉
图1.3 实体结构 2、按结构型式划分为： 砖混结构、框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构等； 3、从建筑材料划分： 砖石结构、混凝土结构、钢筋混凝土结构、钢结构、木结构、组合结构等； 4、从空间角度划分： 平面结构、空间结构等； 三、《结构力学》研究的对象 理论力学：刚体 材料力学：变形体(单个杆件：简支梁、悬臂梁、伸臂梁) 结构力学：变形体(平面杆系结构：多跨梁、桁架、刚架、组合结构、拱) 四、《结构力学》研究的内容 <1> 研究平面杆系结构在载荷等外因作用下产生的内力(强度计算)； <2>研究平面杆系结构在载荷等外因作用下产生的变形(刚度计算)； <3>分析平面杆系结构的稳定性； <4>探讨平面杆系结构的组成规律及合理形式(几何构造分析)；
结构力学应用举例说明： ①设计思路 ②钢筋混凝土悬臂梁，只考虑自重，钢筋应该配在上部，还是下部？为什么？ ③脚手架(超静定桁架)的设计 1.2结构的计算简图 一、结构计算简图 在结构计算中，用以代替实际结构，并反应实际结构主要受力和变形特点的计算模型。 二、结构计算简图的简化原则