微课 :学习指导

课件 :模块 1PPT 

知识目标 : 
1.
掌握工程力学的研究对象、工程力学的基本任务 ,了解学习工程力学的意义和方法 ; 

2.
掌握结构或构件的强度、刚度和稳定性的含义 ; 

3.
掌握按照不同标准对荷载的分类 ,了解荷载的概念 ; 

4.
理解刚体和变形固体的概念 ,掌握变形固体的基本假定 ;

5.
掌握结构简化的基本原则 ,了解构件的实验模型。


能力目标 : 
1.能够正确认识工程力学的研究对象 ,能够区分结构和构件 ; 

2.
能够正确理解工程力学的任务 ,能够理解工程力学的基本结构或构件的强度、刚度和稳定性 ; 

3.
能够区分不同分类标准下的荷载类别 ; 

4.
能够区分刚体和变形体 ; 



5.
能够将实际结点准确地简化为理想结点 ,能够准确地绘制结构的计算简图。



本模块主要介绍工程力学的研究对象、任务与基本概念 ,使学生具备对高次超静定结构准确地进行受力分析及绘制物体内力图的能力。本模块主要分为 4个学习任务 ,学生应沿着如下流程进行学习 :
工程力学的研究对象与任务 →荷载的分类 →刚体和变形固体的概念 →结构的计算简图与实验模型。

本模块是工程力学的入门介绍、基础准备 ,应激发学生的学习兴趣 ,这对以后的教学至关重要。因此 ,在教学过程中 ,应该采用 “教、看、学、做”一体化进行教学 ,利用多媒体课件和仿真动画 ,多引进日常生活中与力学结合比较紧密的实例进行授课 ,将来源于生活的力学还原回生活中 ,同时给学生布置覆盖上课所学知识点的一定数量的习题 ,让学生通过对课后习题的练习 ,掌握所学的知识点 ,提高自身的计算能力。 

1.工程力学的研究对象与任务 
1

微课 :工程
1.1土木工程与力学力学的研究
1.对象与任务
用建筑材料建造房屋、道路等建筑物或构筑物的生产活动和工程技术称为土木工程。
力学是研究客观物质机械运动规律的科学。机械运动是指物体之间或物体内部各部分之间相对位置的变动 ,包括物体相对于地球的运动、物体的变形等。如果物体相对于地球保持静止或做匀速直线平移 ,则物体处于平衡状态。
土木工程是力学重要的发展源泉和应用园地之一 ,力学是土木工程重要的理论基础。 

1.工程力学的研究对象
1.2
人类为了生存和生活 ,建造了各种各样的建筑物和构筑物 ,制造了各种各样的机械 ,而在对建筑物、构筑物和机械进行设计时 ,应进行力学分析与相应的计算以保证安全。因此 ,建筑工程及其他土木工程技术人员学好工程力学是十分重要的。
工程上把建筑物、构筑物或机械中承力、传力、起骨架作用的体系称为结构,把组成结构体系的部件称为结构的构件。图 1-1所示为一幢正在施工的房屋建筑中的部分柱、梁、板,这些柱、梁、板构成了建筑的主要承力、传力体系,起到支撑骨架的作用。图1-2所示为一座拱桥 ,拱桥是一种构筑物 ,其主视频 :中外体结构由三大部分组成 ,最下面部分是拱圈 ,中间部分是支柱 ,最上面部分是著名建筑物桥梁和桥面板 ,即拱圈、支柱、桥梁和桥面板组成了拱桥结构。图片欣赏


图1-1梁、板、柱结构图1-2拱桥
图1-3(a)所示为建设工地上用于把货物装到运输设备中的汽车式装载机,图1-3(b)所示为建设工地上用于土方开挖的挖掘机 ,它们都是由许多构件组成 ,这些构件构成了机器的结构体系。
工程力学课程的主要研究对象是建筑物、构筑物或施工机械结构系统中拓展 
:鸟巢简介的杆件结构和其构件。

图1-3建筑机械

1.3工程力学的任务
1.
结构和构件必须具备安全、适用、耐久的功能。例如 ,支承教室楼盖的钢筋混凝土梁在使用期内务必安全。结构和构件抵抗破坏的能力称为承载力。材料抵抗破坏的能力称为强度。
在荷载作用下 ,楼盖梁如果弯曲变形过大 ,就会引起表面灰层的开裂、脱落,影响正常使用。工程中必须保证梁抵抗变形的能力 ,同时将变形限制在允许的范围内。结构和构件抵抗变形的能力称为刚度。图1-4所示为现浇钢筋混凝土梁的模板支设情况 ,模板的支设必须保证模板在浇注混凝土时具有足够的刚度。竖向支承模板的顶撑为细长直杆 ,承受压力 ,存在能否保持直线平衡性的问题。根据图 1-5所示的小实验显示 ,当压力增加到一定大小时 ,

视频 :压杆稳定 

动画 :6000年前的住房
压杆会突然变弯而丧失承载 ,不能构件保持原有平衡形态的能力 ,称为丧失稳定性。

图1-4现浇钢筋混凝土梁的模板支设情况图1-5压杆的稳定性
可以采用优质材料 ,改变截面的形状 ,增大截面的尺寸 ,增强约束等来提高构件的强度、刚度和稳定性。这涉及工程造价的问题。使学生学会如何选择既经济又安全适用的构件 ,是本课程的任务之一。改善结构的受力形式也能做到既经济又安全适用 ,因此 ,学习结构的合理形式也是本课程的一项任务。为了完成上述任务 ,需要学习相关的力学概念、结构的力学模型、几何组成分析方法、受力分析方法等内容。


1.工程力学的主要研究方法和课程的学习方法
1.4
本课程贴近工程实际 ,本书以图片的形式列举了大量土木工程结构和构件的实例。注意学习将实际结构和构件简化为力学模型 (计算简图和实验模型 )的方法 ,并在分析中培养建立力学模型的能力。
在依据计算简图进行理论分析时 ,注意学习和应用等效、平衡等力学的基本方法 ,注意用受力分析、强度分析、刚度分析、稳定性分析等方法解决实际中的简单力学问题。生活中处处蕴含着力学问题 ,因此本书中精选了一些生活实例。在分析这些实例时 ,注意力学现象的分析 ,探究其力学原理。本课程设置的力学小实验用来模拟工程、生活中的力学现象。教学课件按本书的模块编排 ,主动阅读教学课件有助于理解抽象的力学理论及认知过程的完整性。
本课程的学习类似于数学的学习 ,要想学好必须完成足够数量的练习题 ,包括实验与讨论和习题。只有通过足够数量练习题的训练 ,才能够充分理解和领悟力学的奥妙 ,才能进一步强化与巩固所学的知识。
本课程的学习能为后续专业课程的学习打下基础 ,同学们应认真学习力学的基本概念、基本理论 ,认真完成每章课后的实验与讨论、习题 ,并在学习过程中形成严谨、敬业的工作作风。 


1.荷载的分类 
2
2.荷载的概念
1.1
荷载通常是指作用在结构上的主动力。图1-6所示为水利工程中的挡水坝,它所受到的荷载有坝的自重 ,上、下游水压力 ,上游淤沙压力 ,风浪压力 ,坝底浮托力和渗透压力等 ,在地震时还有地震惯性力。图1-7所示为公路桥 ,其主梁所受到的荷载就有桥面板和主梁的自重、桥上汽车或拖拉机的重量、人群重量、风压力和雪压力等。微课 :荷载


图1-6挡水坝图1-7公路桥

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作用在坝身或者桥梁上的自重、水压力、土压力、风压力及人群、货物的重量 ,吊车轮压、桥上汽车或拖拉机的重量等 ,它们在结构荷载规范中统一称为直接作用 ;另外还有间接作用,如地基沉陷、温度变化、构件制造误差、材料收缩、地震作用等 ,它们同样可以使结构产生内力和变形。
合理地确定荷载是结构设计中非常重要的工作。因此 ,在结构设计中要慎重考虑各种荷载 ,应根据国家标准《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)来确定荷载值。

2.荷载的分类
1.2
在土木工程中 ,荷载一般按其不同的特点分类如下。 

微课 :荷载的
1.按荷载作用时间的长短分类 分类 
(1)永久 
(或恒 )荷载。永久 (或恒 )荷载是指在结构使用期间 ,其值不随时间变化 ,或其变化值与平均值相比可以忽略不计的荷载 ,如屋面板、梁、楼板、基础等各部分构件的自重。 

(2)可变 
(或活 )荷载。可变 (或活 )荷载是指在结构使用期间 ,其值随时间变化 ,且变化值与平均值相比不可忽略不计的荷载 ,如楼面活荷载、屋面积灰荷载、雪荷载、风荷载及施工或检修时的荷载等。 

(3)
偶然荷载。偶然荷载是指在结构使用期间不一定出现 ,而一旦出现 ,其值很大且持续时间很短的荷载 ,如爆炸力、撞击力等。 

2.按荷载作用的范围分类 

(1)
集中荷载。若荷载的分布面积远小于结构的尺寸 ,为了计算简便起见 ,可以假定荷载集中作用在一点上 ,这种荷载称为集中荷载 ,单位是 N或 kN。例如 ,车轮的轮压、屋架或梁的端部传给柱子的压力。 


(2)分布荷载。凡分布在一定面积或长度上的荷载称为分布荷载 ,如风、雪、结构自重
等。分布荷载又分为均布荷载及非均布荷载两种 ,如图 1-8所示。分布在一定面积上的荷载称为分布面荷载 ,如图 1-8(所示 ,其单位是 N/m2或kN/m2。
a)
在进行构件或构件系统的设计时 ,往往还要将分布面荷载简化成为分布在构件轴线 (构件横截面形心的连线 )上的线荷载 ,单位是 N/m或 kN/m,如图 1-8(b)所示。例如 ,梁的自重可简化为沿梁长分布的线荷载。

图1-8分布荷载

3.按荷载作用的性质分类 
(1)
静力荷载。缓慢匀速地施加不致引起结构振动 ,因而可忽略其惯性力影响的荷载称为静力荷载。永久荷载和上述大多数可变荷载都属于静力荷载。 

(2)
动力荷载。凡能引起结构显著振动或冲击 ,必须考虑其惯性力影响的荷载称为动力荷载。例如 ,地震作用、海浪对海洋工程结构的冲击力、高耸建筑物上的风力等都是动力荷载。 


4.按荷载位置的变化情况分类 
(1)
固定荷载。凡荷载的作用位置固定不变的荷载称为固定荷载 ,如结构自重等。 

(2)
移动荷载。凡可以在结构上自由移动的荷载称为移动荷载 ,如吊车、火车等的轮压。


上面介绍了荷载及其分类 ,其实际荷载是很复杂的 ,还需深入学习《建筑结构荷载规范》 (GB50009—2012)才能对荷载和分类有一个全面的了解。
1.刚体和变形固体的概念 
3
3.刚体
1.1
微课 :刚体 
由于结构或构件在正常使用情况下产生的变形很小 ,而物体的微小变形对于研究物体的平衡问题影响很小 ,忽略微小变形可使所研究的问题得以简化 ,因此可以将物体视为不变形的理想体 ,即刚体。刚体是指在任何外力的作用下 ,大小和形状始终保持不变的物体。
3.变形固体 
1.2
1.变形固体的概念微课 
:变形固体 
工程中的构件均由固体材料 (如钢、混凝土 )制成。这些固体材料在外力作用下会发生变形称为变形固体。变形固体的变形通常可分为以下两种。 
(1)弹性变形 
:荷载解除后变形随之消失的变形。 

(2)塑性变形 
:荷载解除后变形不能随之消失的变形。在力学中 ,通常把构件简化为弹性变形体。构件所用材料的共同特点是在外力作用下均会发生变形。在研究构件的强度、刚度、稳


定性问题时 ,将物体看作弹性变形体。
2.变形固体的基本假设
在工程中主要研究弹性变形固体 ,为了方便研究 ,做了如下 3个基本假设。 
(1)连续性假设 
:假设固体在其所占有的空间内毫无空隙地充满了物质。 

(2)均匀性假设 
:假设材料的力学性能在各处都是相同的。 微课 
:变形固体

(3)各向同性假设 
:假设变形固体各个方向的力学性能都相同。的基本假设 



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1.结构的计算简图与实验模型 
4
1.1计算简图 
4.
1.结构的简化 
(1)将空间杆系结构简化为平面杆系结构。一般的杆系结构都是空间结构 ,如图 1-9(a)所示 ;然后将该平面杆系分离出来 ,按平面杆系结构分析计算 ,如图 1-9(b)所示。


动画 :单层工业厂房的组成

微课 :杆件结构的简化
图1-9单层厂房的计算简图

(2)
用杆件的轴线代替杆件 ,如图 1-9(c)和(d)所示。 

(3)在杆件结构中 
,杆件之间的连接区称为结点。
根据杆件的位移、受力特点 ,经常将实际的结点简化为理想化的结点。 



①铰结点。被连接的杆件在连接处可以相对转动 ,但不能相对移动。铰结节用小圆圈作为符号。
装配式钢筋混凝土门架的顶铰就是铰结点 ,如图 1-10(a)~(c)所示。工程中还根据被连接杆件的受力变形特点而将结点抽象为铰结点 ,如图 1-9(a)视频 :铰结点

与刚结点
和(c)所示。两端铰结 ,中间不受力的直杆称为链杆。 
②刚结点。被连接杆件在连接处既不能相对移动 ,又不能相对转动。刚结点用深色小块作为符号 ,也可用线段相接的形状表示 ,如图 1-10(b)和(d)所示。

图1-10装配门式刚架 
(4)用符号表示理想化的支座结构与基础或其他支承物的连接区称为支座。按照被连接杆件的位移受力特点 ,平面杆系结构的实际支座被简化为如下 3种理想化的支座。