1、第十一章 结构的计算简图,学习目标：,1了解结构的概念、构件的基本类型及荷载的分类； 2掌握结构计算简图的概念及结点、支座、荷载的计算简图； 3了解平面杆系结构的分类。,第一节 结构及其类型,第一节 结构及其类型,一、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，简称为结构。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，都是工程结构的典型例子。狭义的结构往往指的就是杆系结构，而通常所说的建筑力学就是指杆系结构力学。,二、结构的类型结构的类型，也就是实际结构物计算简图的类型。（一）按照空间观点，结构可分为：1.平面结构 组成结构的所有杆件的轴线和作
2、用在结构上的荷载都在同一平面内的结构。2.空间结构 组成结构的所有杆件的轴线或荷载不在同一平面内的结构。实际工程中的结构都是空间结构，但大多数结构在设计中是被分解为平面结构来计算的。不过在有些情况下，必须考虑结构的空间作用。,（二）按照儿何观点，结构可分为杆系结构、板壳结构、实体结构1.杆系结构 长度方向的尺寸远大于横截面尺寸的构件称为杆件。由若干杆件通过适当方式连接起来组成的结构体系称为杆系结构。如果组成结构的所有各杆件的轴线都位于某一平面内，并且荷载也作用于此同一平面，则这种结构称为平面杆系结构，否则便是空间杆系结构。,2.板壳结构 厚度方向的尺寸远小于长度和宽度方向尺寸的结构。其中：表面
3、为平面的称为板(如图11-2(a)所示)，表面为曲面的称为壳(如图11-2(b)所示)。例如一般的钢筋混凝土楼面均为平板结构，一些特殊形体的建筑如悉尼歌剧院的屋面就为壳体结构。,3.实体结构 长、宽、厚三个方向尺寸相近的结构。如挡土墙(如图11-3(a)所示)、建筑物基础等、设备基础(如图11-3(b)所示)、重力式堤坝。,在建筑工程领域内，杆系结构是应用最为广泛的一种结构形式，几乎在所有工程的结构设计中都含有杆系结构的设计，故结构力学将杆系结构作为主要研究对象。通常所说的结构力学指的就是杆系结构力学。,三、结构、构件的基本要求（一）强度要求（二）刚度要求（三）稳定性要求,第二节 荷载的分类,
4、第二节 荷载的分类,一、按荷载作用的范围分类 （一）分布荷载是指满布在结构某一表面上的荷载，可分为均布荷载和非均布荷载两种。,（二）集中荷载作用在结构上的荷载一般总是分布在一定的面积上，当分布面积远小于结构的尺寸时，则可认为此荷载是作用在结构的一点上，称为集中荷载。,二、按荷载作用的时间长短分类（一）恒载恒载是指作用在结构上的不变荷载，即在结构建成以后，其大小和位置都不再发生变化的荷载，例如，构件的自重和土压力等（二）活载活荷载是指在施工和建成后使用期间可能作用在结构上的可变荷载。所谓可变荷载，就是这种荷载有时存在、有时不存在，它们的作用位置及范围可能是固定的(如风荷载、雪荷载、会议室的人群重
5、力等)，也可能是移动的(如吊车荷载、桥梁上行驶的车辆、会议室的人群等)。,三、按荷载作用的性质分类（一）静荷载静荷载是指荷载从零慢慢增加至最后的确定数值后，其大小、位置和方向就不再随时间而变化，这样的荷载称为静荷载。如结构的自重、一般的活荷载等。（二）动荷载动荷载是指荷载的大小、位置、方向随时间的变化而迅速变化，称为动荷载。在这种荷载作用下，结构产生显著的加速度，因此，必须考虑惯性力的影响。如动力机械产生的荷载、地震力等。以上是从三种不同角度将荷载分为三类，但它们不是孤立无关的，例如，结构的自重，它既是恒载，又是分布荷载，也是静荷载。,第三节 结构的计算简图,一、确定计算简图的原则实际工程结构
6、是很复杂的，必须进行简化，否则分析计算将十分困难。将实际结构进行简化的过程，称为力学建模，简化后可以用于分析计算的模型，称为结构计算简图。确定计算简图的一般原则是： 1.尽可能简单既要忽略次要因素，使计算工作尽量简化，又要使计算结果有足够的精确性。2.尽可能符合实际计算简图应尽可能反映实际结构的主要受力、变形等特性,需要说明的是，对于同一结构，计算简图不是惟一不变的。计算简图的选择与结构的重要性、设计阶段、计算问题的性质有关，随着人们认识水平的提高，科学水平的进步及计算目的、手段不同，同一结构也可能出现不同的计算简图。,二、平面杆件结构的简化确定结构的计算简图时，应从结构体系、材料、支座、荷载
7、四个方面进行简化。（一）结构体系的简化结构体系的简化包含了体系、杆件及结点的简化。实际结构一般均为由各部件连接的空间结构，以承受来自各方面的荷载。但一般来说，均可忽略一些次要的空间约束而将实际空间结构简化为平面结构，使计算大大简化。对组成结构的各杆件而言，截面上的应力可由截面内力来确定。故在计算内力时，杆件(无论直杆还是曲杆)用其轴线表示，杆件间的连接区域在计算中均简化为结点。,1.铰结点铰结点的特点是与铰结点相连接的各杆件在连接处可以相对转动，但不能相对移动，同时假定不存在转动摩擦，铰结点能传递力，但不能传递力矩。这种理想情况在实际结构中并不存在，但螺栓、铆钉、榫头的连接处，其刚性不大，而变
8、形、受力特征与此近似，可作为铰结点处理。,2.刚结点刚性结点的特点是与刚结点相连接的各杆件在连接处既不能相对转动，也不能相对移动，刚结点既能传递力，也能传递力矩。如现浇钢筋混凝土框架结点或其他连接方法使连结点的刚性很大，即属于此种情况。,（二）材料性质的简化常用的建筑材料有钢材、木材、混凝土、钢筋混凝土、砖、石等，在结构受力分析时，为简化计算，一般均可将这些材料假定为均匀、连续、各向同性、完全弹性或弹塑性体。此时材料的物理参数为常量，使计算大为简化。但要注意上述假定对象对金属材料，在一定受力范围内是适合的，但对其他材料都只能是近似的，特别是木材的顺纹与横纹方向的物理性质是不同的，在应用计算结果
9、时给予适当考虑。,（三）支座的简化支座是支承结构或构件的各种装置。它具有两方面作用：一是限制位移(限制结构朝某方向移动或转动)；二是传递力(将上部结构或构件的力传递给下部结构或构件)。,1.活动铰支座如图11-9(a)。其特点是：支座只约束结构的竖向移动，不约束其水平移动和转动；只有竖向约束反力。活动铰支座可简化为一根竖向支杆，如图11-9(b)。一般实际结构中，对自由放于其他构件上的构件，如放于墙上的梁等，其支座可简化为此种支座形式。,按约束效用区分，平面结构的支座一般可分为以下几类。,2.固定铰支座如图11-10(a)。其特点是：支座除了约束结构或构件竖向移动外，还要约束结构或构件水平移动
10、，但不约束其转动；支座反力除竖向约束反力外，还有水平约束反力。固定铰支座可简化为交于一点的两根支杆，如图11-10(b)。实际结构中，如柱子插入预制杯形基础内，若柱子与杯口之间用沥青麻丝填实，则可简化为此种支座形式。,3.定向支座如图11-11(a)。其特点是支座约束结构的转动和垂直于其支承面的移动，它可沿其支承面移动；支座反力为一约束力矩和垂直于支承面的约束反力。定向支座可简化为两根平行支杆，如图11-11(b)。,4.固定支座如图11-12(a),其特点是：支座约束结构的任何移动及转动；支座反力有水平和竖向的约束反力，及约束力矩。固定支座可简化为既不平行亦不交于一点的三根支杆，见图11-1
11、2(b),5.弹性支座如图11-13(a)。其特点是：支座主要约束结构的某种位移，同时其本身又要产生一定的位移；其约束反力与位移有关。在实际结构中，井字楼盖的交叉梁系之间及桥梁结构的纵梁支承于横梁上均属于此种情况。,在实际结构中，如果支承体的刚度远大于被支承体的刚度，则应将支座视为刚性支座，不考虑支座本身变形，按前四种支座形式简化。如果支承体的刚度与被支承体的刚度相近，则应将支座视为弹性支座，考虑支座本身变形，按第五种支座形式简化。另外支座不是绝对的，应视分析对象而定，若只分析结构中的某一构件，则支承该构件的构件即为其支座；若分析整个结构，则基础为其支座。,（四）荷载的简化作用于结构上的荷载可
12、分为体积力与表面力。体积力为分布于物体体积内的力，与物体体积有关，如自重、惯性力等。表面力为作用于物体外表面的力，由物体之间的接触而传递，如土压力、水压力、人作用于楼板上的力等。在一般的结构受力分析中，由于杆件用其轴线代替，故不论体力还是表面力，均简化为作用于杆轴上的力。当荷载作用区域与结构本身的区域相比很小时，可简化为集中荷载，较大时，则简化为分布荷载。,三、平面杆系结构的分类本书所研究的主要是平面杆系结构，可按以下方式进行分类：（一）按计算特点分1.静定结构结构在荷载作用下，其反力和内力均可由静力平衡条件惟一确定的结构，如图11-15(a)。2.超静定结构结构在荷载作用下，其反力和内力须由
13、静力平衡条件和变形协调条件及物理条件(压力应变关系)共同确定的结构，如图11-15(b)。,（二）按结构组成及受力特征分1.梁杆轴通常为直线(也可能为曲线或折线)的一种受弯构件，可以是单跨或多跨。,2.拱杆轴通常为曲线，其力学特点是：在竖向荷载作用下有水平反力产生。由于水平反力可减小拱截面内的弯矩，拱体内力以受压为主。可作为大跨度结构的一种应用形式。,3.桁架由直杆组成，所有结点均为铰结点。在结点荷载作用下，各杆只受轴力作用。,4.刚架由直杆组成，全部或部分结点为刚结点，各杆内力以受弯为主。,5.组合结构是由梁与桁架或刚架与桁架组合而成的结构，结构中，梁式杆内力以受弯为主，而桁杆(二力杆)只承受轴力。,本章小结,本章小结,讨论了三个问题：结构构件的基本类型，荷载的分类，结构的计算简图，它们都是贯穿在全书的重要问题，但由于本章的内容属于简要介绍，目的是让学生对结构力学课程有个初步的感性认识，对结构力学的学习起到一个提示的作用，所以学习时，只要有一个基本的了解即可，以后逐步加深认识。,结构的计算简图是本章的重点，也是以后计算的出发点，学习时应对其选择原则，简化要点（特别是其中的结点和支座的简化要点）等给予特别的注意，为今后进行结构的受力和变形分析打下基础。,
