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1、模块三 建筑力学基本知识教学目标 通过本模块的学习，要求掌握静力学的基本概念；理解受力分析的方法，并会画物体及物体系统的受力图；理解构件计算简图简化的方法，并能正确运用。学习重点 静力学的基本概念；常见的约束类型；杆件及杆件系统的受力图；构件的计算简图。能力目标能力目标相关知识相关知识权重权重了解建筑力学在建筑工了解建筑力学在建筑工程中的作用；掌握静力程中的作用；掌握静力学的基本概念；掌握受学的基本概念；掌握受力分析的基本方法；掌力分析的基本方法；掌握构件计算简图简化的握构件计算简图简化的方法方法建筑力学在建筑工程中的作用；力的概念、力的效应、力建筑力学在建筑工程中的作用；力的概念、力的效应、
2、力的平衡、静力学公理、力系、力矩、力偶、力的分解与合的平衡、静力学公理、力系、力矩、力偶、力的分解与合成成30%30%能够在实际工程中运用能够在实际工程中运用力学概念进行简单受力力学概念进行简单受力分析的能力分析的能力常见的约束与约束类型；受力分析的方法，受力图的画法常见的约束与约束类型；受力分析的方法，受力图的画法35%35%能正确的确定结构构件能正确的确定结构构件计算简图的能力计算简图的能力梁、板、柱的简化要求，支座形式及荷载的简化梁、板、柱的简化要求，支座形式及荷载的简化35%35%教学要求引例 实例一为两层砖混结构的办公楼，由楼面梁、预制板、砌体墙和钢筋混凝土基础等构件组成，这些构件相
3、互支承、形成受力骨架。楼面由预制空心板铺成，空心板支承在梁上，梁支承在墙上，墙体支承在基础上。如图3.1(a)所示为其构件布置示意图。图3.1(a)办公楼中某办公室结构布置示意图；实例二为两层现浇钢筋混凝土框架结构教学楼，由现浇的梁、板、柱和基础等构件组成，这些构件整体浇筑在一起。楼面是现浇的钢筋混凝土板，由框架梁支承着，柱支承着框架梁，柱固结于现浇钢筋混凝土基础内。如图3.1(b)所示构件布置示意图。图3.1(b)教学楼中某教室结构布置示意图分析说明 以上两个案例中各种构件之间、构件与构件上作用的家具、人群之间存在着各种力的关系，房屋结构只有正确合理的承担着各种力的作用，才能安全的工作。掌握
4、基本的建筑力学知识，这也是结构设计的第一步。3.1 静力学的基本知识3.1 静力学的基本知识3.1.1 静力学简介 静力学是研究物体在力作用下的平衡规律的科学。平衡是物体机械运动的特殊形式，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态都称为平衡。对于一般工程问题，平衡状态是以地球为参照系确定的。例如，相对与地球静止不动的建筑物和沿直线匀速起吊的物体，都处于平衡状态。力的概念1力1）力 力是物体之间相互的机械作用，这种作用的效果是使物体的运动状态发生改变（外效应），或者使物体发生变形（内效应）。既然力是物体与物体之间的相互作用，那么，力不能脱离物体而单独存在，
5、某一物体受到力的作用，一定有另一物体对它施加作用。在研究物体的受力问题时，必须分清哪个是施力物体，哪个是受力物体。2）力的三要素 实践证明，力对物体的作用效果取决于三个要素：力的大小、方向和作用点。如图3.2所示。描述一个力时，要全面表明力的三要素，因为任一要素发生改变时，都会对物体产生不同的效果。图3.2 力的图示（1）力的大小 力的大小表示物体间相互作用的强烈程度。为了度量力的大小，必须确定力的单位。在国际单位制里，力的常用单位为牛顿（N）或千牛顿（kN），1kN=1000N。（2）力的方向 力的方向包含方位和指向两个含义。例如，重力的方向是铅垂向下的，“铅垂”是力的方位，“向下”是力的指
6、向。（3）力的作用点 力的作用点是指力在物体上的作用位置。力的作用位置一般并不是一个点，而往往有一定的范围，但是，当力的作用范围与物体相比很小时，就可以近似看成一个点，而认为力集中作用在这个点上。作用在这一点上的力，称为集中力，工程中也称集中荷载。3）矢量 力是一个有大小和方向的物理量，所以力是矢量。力用一段带箭头的线段来表示。线段的长度表示力的大小；线段与某定直线的夹角表示力的方位，箭头表示力的指向；线段的起点或终点表示力的作用点。用字母表示力时，用粗黑体字 或 。而普通字母F只表示力的大小。特别提示 实例一中的预制板承受人群和家具的重力；梁承受着预制板传来的重力；实例一中的预制板承受人群和
7、家具的重力；梁承受着预制板传来的重力；外纵墙承受着梁传来的重力和外部的风力。这些力都有确定的大小、方向和外纵墙承受着梁传来的重力和外部的风力。这些力都有确定的大小、方向和作用点，它们都是矢量。作用点，它们都是矢量。特别提示 实例一中预制板支承在楼面梁上，板就是施力物体，梁就是受力物体；实例一中预制板支承在楼面梁上，板就是施力物体，梁就是受力物体；楼面梁支撑在墙上，梁就是施力物体，墙就是受力物体。楼面梁支撑在墙上，梁就是施力物体，墙就是受力物体。2.刚体 任何物体在力的作用下，都会发生大小和形状的改变，即发生变形。但在正常情况下，实际工程中许多物体的变形都是非常微小的，对研究物体的平衡问题影响很
8、小，可以忽略不计，这样就可以将物体看成是不变形的。在外力的作用下，大小和形状保持不变的物体，叫做刚体。例如，我们对办公楼中的梁进行受力分析时，我们就把该梁看成刚体，梁本身的变形可以忽略。特别提示 在静力学中，我们把所讨论的物体都看做刚体，但在讨论物体受到力的在静力学中，我们把所讨论的物体都看做刚体，但在讨论物体受到力的作用时是否会被破坏及计算变形时，就不能再把物体看成刚体，而应看做变作用时是否会被破坏及计算变形时，就不能再把物体看成刚体，而应看做变形体。例如，我们对案例一和案例二中的梁和板进行设计计算时，就要考虑形体。例如，我们对案例一和案例二中的梁和板进行设计计算时，就要考虑梁和板本身的变形
9、。梁和板本身的变形。3.力系 通常，一个物体所受的力不止一个而是若干个。我们把作用于物体上的一群力，称为力系。力系是工程力学研究的对象，因为所有的工程构件都是处于平衡状态，且由于一个力不可能使物体处于平衡状态，因此可以知道，工程构件都是受到力系作用的。汇交力系力系中各力作用线汇交于一点；平行力系力系中各力的作用线相互平行；一般力系力系中各力的作用线既不完全交于 一点，也不完全相互平行。按照各力作用线是否位于同一平面内，上述力系又可分为平面力系和空间力系两类。特别提示特别提示 实例一中办公楼的楼面梁本身有重实例一中办公楼的楼面梁本身有重力，还承受其上预制板传来的竖向力；梁力，还承受其上预制板传来
10、的竖向力；梁两端支承在墙上，墙对梁还有支承力，所两端支承在墙上，墙对梁还有支承力，所以对于梁来讲，梁所受的力不只一个，而以对于梁来讲，梁所受的力不只一个，而是多个，这些力就构成了力系。其他的房是多个，这些力就构成了力系。其他的房屋结构构件也都在力系的作用之下处于平屋结构构件也都在力系的作用之下处于平衡状态。衡状态。实例一中的楼面梁实例一中的楼面梁L1所承受的各个所承受的各个力组成了力系，如图力组成了力系，如图3.3所示。这些力都所示。这些力都作用在梁的的纵向对称平面内，所以该力作用在梁的的纵向对称平面内，所以该力系为平面力系。经过分析，可以发现这个系为平面力系。经过分析，可以发现这个平面力系中
11、的各个力的作用线又是相互平平面力系中的各个力的作用线又是相互平行的，所以该力系又可以称为平面平行力行的，所以该力系又可以称为平面平行力系。系。图3.3 梁 L1上各种力的分布情况3.1.3 静力学公理 静力学公理是人们在长期的生产和生活实践中逐步认识和总结出来的力的普遍规律。它阐述了力的基本性质，是静力学的基础。1.二力平衡公理 作用在同一刚体上的两个力，使刚体处于平衡状态的必要与充分条件是：这两个力大小相等，方向相反，作用线在同一直线上。此公理说明了作用在同一个物体上的两个力的平衡条件。【知识链接】如图如图3.4所示，在起重机上挂一静止所示，在起重机上挂一静止重物重物图图3.4(a)，重物受
12、到绳索拉力，重物受到绳索拉力T和重和重力力W的作用的作用图图3.4(b)，则这两个力大小，则这两个力大小相等、方向相反且作用在同一条直线上。相等、方向相反且作用在同一条直线上。只在两点受力的作用而处于平衡的只在两点受力的作用而处于平衡的构件称为二力构件构件称为二力构件,如图如图3.5所示。如果构所示。如果构件是一个直杆，则称为二力杆，如图件是一个直杆，则称为二力杆，如图3.6所示。所示。图3.4 平衡力 图3.5 二力构件图3.6 二力杆（a）（b）图3.7 二力作用下的变形体（a）（b）【知识链接】应当注意，只有当力作用在刚体上时应当注意，只有当力作用在刚体上时二力平衡公理才能成立，对于变形
13、体，二二力平衡公理才能成立，对于变形体，二力平衡条件只是必要条件，并不是充分条力平衡条件只是必要条件，并不是充分条件。例如，满足上述条件的两个力作用在件。例如，满足上述条件的两个力作用在一根绳子上，当这两个力使绳子受拉时，一根绳子上，当这两个力使绳子受拉时，绳子才能平衡，如图绳子才能平衡，如图3.7（a）所示。如受）所示。如受等值、反向、共线的压力就不能平衡了，等值、反向、共线的压力就不能平衡了，如图如图3.7（b）所示。）所示。图3.8 作用力与反作用力 此公理说明了两个物体间相互作用力的关系。这里必须强调指出：作用力和反作用力是分别作用在两个物体上的力，任何作用在同一个物体上的两个力都不是
14、作用力与反作用力。2.作用力与反作用力 作用力和反作用力总是同时存在，两力的大小相等、方向相反，沿着同一直线，分别作用在两个相互作用的物体上。若物体对物体有一个作用力，则同时物体对物体必有一个作用力。这两个力大小相等、方向相反、沿着同一直线，分别作用在这两个物体上。如图3.8所示，和为作用力和反作用力，它们分别作用在、两个物体上。3.加减平衡力系公理 在作用着已知力系的刚体上，加上或者减去任意平衡力系，不会改变原来力系对刚体的作用效应。这是因为平衡力系对刚体的运动状态没有影响，所以增加或减少任意平衡力系均不会使刚体的运动效果发生改变。推论推论 力的可传性原理 作用在刚体上的力，可以沿其作用线移
15、动到刚体上的任意一点，而不改变力对物体的作用效果。根据力的可传性原理可知，力对刚体的作用效应与力的作用点在作用线上的位置无关。因此，力的三要素可改为：力的大小、方向、作用线。【知识链接】如图如图3.9所示，在所示，在A点作用一水平力点作用一水平力 推车或沿同一直线在推车或沿同一直线在B点拉车，点拉车，对小车的作用效果是一样的。对小车的作用效果是一样的。图3.9 刚体上力的可传性图3.10 力在变形体上沿作用线移动（a）变形体受拉伸长（b）变形体受压缩短（a）（b）力的可传性原理只适用于刚体而不适用于变形体。当研究物体的内力、变形时，将力的作用点沿着作用线移动，必须使该力对物体的内力效应发生改变
16、。如图3.10（a）示，直杆AB为变形体，受到一对拉力的作用，杆件伸长。但若将两力分别沿其作用线移动到杆的另一端，如图3.10（b）示,此杆将缩短。【知识链接】4.力的平行四边形法则 作用于刚体上同一点的两个力，可以合成一个合力，合力也作用于该点，合力的大小和方向由这两个力为邻边所组成的平行四边形的对角线（通过二力汇交点）确定。如图3.11（a）所示。作用在刚体上的两个汇交力可以合成一个合力。反之，作用在刚体上的一个力也可以分解为两个分力。如图3.11（b）所示。按照三角公式可得下列关系：按照三角公式可得下列关系：两分力的大小为两分力的大小为：（3-1）图图3.11 力力的合成与分解的合成与分
17、解（a a）力的合成；（）力的合成；（b b）力的分解）力的分解推论：三力平衡汇交定理 若刚体在三个互不平行的力的作用下处于平衡状态，则此三个力的作用线必在同一平面且汇交于一点。如图3.12所示，物体在三个互不平行的力F F1、F F2和F F3作用下处于平衡，其中二力F F1、F F2可合成一作用于点A A的合力。据二力平衡公理，第三力F F3与F F必共线，即第三力F F3必过其他二力F F1、F F2的汇交点A A。图3.12 三力平衡汇交定理示意图3.1.4 力的合成与分解 1.力在坐标轴上的投影 由于力是矢量，而矢量运算中很不方便，在力学计算中常常是将矢量运算转化为代数运算，力在直角
18、坐标轴上的投影就是转化的基础。设力F F 作用在物体上某点A处，用 表示。通过力F F 所在平面的任意点0 0 作直角坐标系xoyxoy，如图3.13所示。图3.13 直角坐标系中力的投影投影方向规定：从投影的起点到终点的指向与坐标轴正方向一致时，投影取正号；从投影的起点到终点的指向与坐标轴正方向相反时，投影取负号。从图中的几何关系得出投影的计算公式为：（3-2）（3-3）反过来，力在直角坐标系的投影和已知，则可以求出这个力的大小和方向。由上图中几何关系可知：其中，其中，a a代表力与代表力与x x轴所夹的锐角；轴所夹的锐角；和和 的正负可按上面提到的规定的正负可按上面提到的规定直观判断得出。
19、直观判断得出。其中，其中，a a代表力与代表力与x x轴所夹的锐角轴所夹的锐角力力 的具体指向可由的具体指向可由 和和 的正的正负号确定。负号确定。【应用案例3-1】试分别求出图3.14中各力在x轴和y轴上投影。已知F F1=100N=100N,F F2=150N=150N,F F3=F F4=200N=200N，各力方向如图所示。特别提示 F F的分力的分力F Fx x与与F Fy y的大小与的大小与F F在对应的坐标轴上的投影在对应的坐标轴上的投影F Fx x和和F Fy y的绝对值相等，的绝对值相等，但力的投影与力的分力却是两个不同的概念。力的投影是代数量，由力但力的投影与力的分力却是两
20、个不同的概念。力的投影是代数量，由力F F可确可确定其投影定其投影F Fx x和和F Fy y，但是由投影，但是由投影FxFx和和FyFy只能确定力只能确定力F F的大小和方向，不能确定其的大小和方向，不能确定其作用位置；而力的分力是力沿该方向的分作用，是矢量，由分力能完全确定作用位置；而力的分力是力沿该方向的分作用，是矢量，由分力能完全确定力的大小、方向和作用位置。力的大小、方向和作用位置。解解:由公式可得出各力在由公式可得出各力在x x、y y轴上的投影轴上的投影为为F F1 1x x=F F1 1coscos45=1000.707=70.7N N F F1 1y y=F F1 1sins
21、in45 =1000.707=70.7N NF F2 2x x=-=-F F2 2coscos30=-=-1500.866=-=-129.9N NF F2 2y y=-=-F F2 2sinsin30=-=-1500.5=-=-75N N F F3 3x x =F F3 3coscos90=0F F3 3y y=-=-F F3 3sinsin90=-=-2001=-1=-200N NF F4 4x x=F F4 4coscos60=2000.5=100N NF F4 4y y=-=-F F4 4sinsin60=-=-2000.866=-=-173.2N N F3 30 60F2xyF1F4
22、45O 图3.142.合力投影定理 合力在坐标轴上的投影（，）等于各分力在同一轴上投影的代数和。（3-4）如果将各个分力沿坐标轴方向进行分解，再对平行于同一坐标轴的分力如果将各个分力沿坐标轴方向进行分解，再对平行于同一坐标轴的分力进行合成（方向相同的相加，方向相反的相减），可以得到合力在该坐标轴进行合成（方向相同的相加，方向相反的相减），可以得到合力在该坐标轴方向上的分力（方向上的分力（F FRxRx，F FR Ry y）。不难证明，合力在直角坐标系坐标轴上的投影）。不难证明，合力在直角坐标系坐标轴上的投影（F FR Rx x，F FR Ry y）和合力在该坐标轴方向上的分力（）和合力在该坐标
23、轴方向上的分力（F FR Rx x，F FR Ry y）大小相等，而投影）大小相等，而投影的正号代表了分力的指向和坐标轴的指向一致，负号则相反。的正号代表了分力的指向和坐标轴的指向一致，负号则相反。【应用案例3-2】分别求出图3.15中各力的合力在x x轴和y y轴上投影。已知F F1=20kNkN，F F2=40kNkN，F F3=50kNkN，各力方向如图所示。解:由公式（3-4）可得出各力的合力在x x、y y轴上的投影为:图3.1543F F1F F3F F2x xy yo应用举例应用举例图示固定环，受三根钢绳拉力图示固定环，受三根钢绳拉力F F1 1=500N=500N，F F2 2
24、=1kN=1kN，F F3 3=2kN=2kN，求固定，求固定环受钢绳作用的合力环受钢绳作用的合力F FR R 。解：解：1.1.建立坐标系，求力系合力的投影建立坐标系，求力系合力的投影 2.求合力求合力45F1F2F360 xy12.8FR建筑力学 高职高专 ppt 课件力矩和力偶1.力矩 从实践中知道，力对物体的作用效果除了能使物体移动外，还能使物体转动，力矩就是度量力使物体转动效应的物理量。【知识链接】用扳手拧螺母（如图3.16）、用钉锤拔钉子（如图3.17）及用手推门等都是物体在力的作用下产生转动效应的实例。图3.16用扳手拧螺母图3.17用钉锤拔钉子图3.18力对点之矩实践经验告诉我
25、们：力F F使物体绕某点O O的转动效应，不仅与力F F的大小成正比，而且还与力F F的作用线到O O点的垂直距离d d成正比。可见乘积Fd就可作为这种转动效应强度的度量（如图3.18）。力对物体的转动效应，除了反映它的强度外，还要反映其转向，就平面问题来说，可能产生两种转向相反的转动，即逆时针或顺时针方向的转动。对这两种情况，可采用正负号加以区分。用乘积FdFd加上正号或负号作为度量力F F使物体绕O O点转动效应的物理量，该物理量称为力F F对O O点之矩，简称力矩。O O点称为矩心，矩心O O到力F F的作用线的垂直距离d d称为力臂。力对O O点之矩通常用符号 表示。式（3-5）中：若
26、力使物体产生逆时针方向转动，取正号；反之，取负号。力对点的矩是代数量，即:力矩的单位是力与长度的单位的乘积。在国际单位制中，力矩的力矩的单位是力与长度的单位的乘积。在国际单位制中，力矩的单位为牛顿米（单位为牛顿米（NmNm）或千牛顿米（）或千牛顿米（kNmkNm）。）。（3-5）2.合力矩定理 在计算力对点的力矩时，往往是力臂不易求出，因而直接按定义求力矩难以计算。此时，通常采用的方法是将这个力分解为两个或两个以上便于求出力臂的分力，再由多个分力力矩的代数和求出合力的力矩。这一有效方法的理论根据是合力矩定理，即：有n个平面汇交力作用于点，则平面汇交力系的合力对平面内任一点之矩，等于力系中各分力
27、对同一点力矩的代数和。注意：应用合力矩定理可以简化力矩的的计算。在力臂已知或方便求解注意：应用合力矩定理可以简化力矩的的计算。在力臂已知或方便求解时，按力矩定义进行计算；在求力对某点力矩时，若力臂不易计算，按合力时，按力矩定义进行计算；在求力对某点力矩时，若力臂不易计算，按合力矩定理求解，可以将此力分解为相互垂直的分力，如两分力对该点的力臂已矩定理求解，可以将此力分解为相互垂直的分力，如两分力对该点的力臂已知，即可方便地求出两分力对该点力矩的代数和，从而求出已知力对该点的知，即可方便地求出两分力对该点力矩的代数和，从而求出已知力对该点的力矩。力矩。该定理不仅适用于平面汇交力系，而且可以推广到任
28、意力系。该定理不仅适用于平面汇交力系，而且可以推广到任意力系。（3-6）【应用案例3-3】如图3.19所示，P P1=400kNkN，P P2=200kNkN，P P3=300kNkN。试求各力对o o点的矩以及合力对o o点的矩。图3.19 解：解：P P1 1 对对O O点的力矩：点的力矩：P P2 2 对对O O点的力矩：点的力矩：P P3 3 对对O O点的力矩：点的力矩：上述三个力的合力对上述三个力的合力对O O点的力矩点的力矩:（）（）（）3.力偶1）力偶的概念 在力学中，由两个大小相等、方向相反、作用线平行而不重合的力F F 和 组成的力系，称为力偶，并用符号 来表示。力偶的作用
29、效果是使物体转动。在日常生活中，我们常可见到如汽车司机用双手转动方向盘，钳工用丝锥攻螺纹等都是力偶作用的实例。力偶中两力作用线间的垂直距离d d称为力偶臂，如图3.20所示。力偶所在的平面称为力偶作用面。图3.20 力偶示意图 式中，正负号的规定是：若力偶的转向是逆时针，取正号；反之，取式中，正负号的规定是：若力偶的转向是逆时针，取正号；反之，取负号。在国际单位制中，力偶矩的单位为牛顿米负号。在国际单位制中，力偶矩的单位为牛顿米(Nm)(Nm)或千牛顿或千牛顿(kNm)(kNm)。（3-7）2)力偶的性质（1）力偶在任一坐标轴上的投影等于零。由于力偶在任一轴上的投影等于零，所以力偶对物体不会产
30、生移动效应，只产生转动效应。力偶不能用一个力来代替，即力偶不能简化为一个力，因而力偶也不能和个力平衡，力偶只能与力偶平衡。（2）力偶对其作用面内任一点O O之矩恒等于力偶矩，而与矩心的位置无关。即（3）力偶的等效性力偶的等效性 在同一平面内的两个力偶，如果它们的力偶矩大小相等，力偶的在同一平面内的两个力偶，如果它们的力偶矩大小相等，力偶的转向相同，则这两个力偶是等效的。这一性质称为力偶的等效性。如图转向相同，则这两个力偶是等效的。这一性质称为力偶的等效性。如图3.213.21所示各力偶均为等效力偶。所示各力偶均为等效力偶。（3-8）图3.21 等效力偶根据力偶的等效性，可以得出两个推论。推论1
31、：力偶可以在其作用面内任意移转而不改变它对物体的转动效应。即力偶对物体的转动效应与它在作用面内的位置无关。推论2：只要保持力偶矩的大小、转向不变，可以同时改变力偶中的力和力偶臂的大小，而不改变它对物体的转动效应。在平面问题中，由于力偶对物体的转动效应完全取决于力偶矩的大小和力偶的转向，所以，力偶在其作用面内除可用两个力表示外，通常还可用一带箭头的弧线来表示，如图3.22所示。其中箭头表示力的转向，m m 表示力偶矩的大小。图3.22 力偶的表示方法3）平面力偶系的合成 在物体的某一平面内同时作用有两个或两个以上的力偶时，这群力偶就称为平面力偶系。力偶对物体的作用效应只有转动效应，而转动效应由力
32、偶的大小和转向来度量，因此，力偶系的作用效果也只能是产生转动，其转动效应的大小等于各力偶转动效应的总和。可以证明，平面力偶系合成的结果为一合力偶，其合力偶矩等于各分力偶矩的代数和。即：（3-9）【应用案例3-4】如图3.23所示，在物体的某平面内作用三个力偶。已知P P1=400N，P P2=200N，各力方向如图所示。图3.23解：此共面的解：此共面的3 3个力偶组成平面力偶系，它们合成的个力偶组成平面力偶系，它们合成的结果是一个合力偶。结果是一个合力偶。（）4.力的平移定理 由力的性质可知：在刚体内，力沿其作用线平移，其作用效应不改变。如果将力的作用线平行移动到另一个位置，其作用效应将发生
33、改变，原因是力的转动效应与力的位置是直接的关系。生活中用力开门的实际效应与力的大小、方向和位置都有关系。=图3.24 力的平移定理 力的平移定理：作用于刚体上的力力的平移定理：作用于刚体上的力，可以平移到刚体上任意一点，可以平移到刚体上任意一点O O，必须附加一个力偶才能与原力等效，附加的力偶矩等于原力，必须附加一个力偶才能与原力等效，附加的力偶矩等于原力对新作对新作用点用点O O的矩。的矩。应用力的平移定理可将一个力化为一个力偶。反之，也可将同应用力的平移定理可将一个力化为一个力偶。反之，也可将同一平面内的一个力一平面内的一个力 和一个力偶矩为和一个力偶矩为M的力偶合成一个合力。的力偶合成一
34、个合力。3.1.6 约束与约束反力1.约束与约束反力特别提示 实例二中的框架梁受到框架柱的支承而不致于下落，框架柱由于受到基础的限制而被固定；实例一中的楼面大梁受到墙的支承，空心板受到楼面大梁的支承等等，其支承均称为“约束”。在工程结构中，每一个构件都和周围的其他构件相互联系着，并且由于在工程结构中，每一个构件都和周围的其他构件相互联系着，并且由于受到这些构件的限制不能自由运动。一个物体的运动受到周围物体的限制时，受到这些构件的限制不能自由运动。一个物体的运动受到周围物体的限制时，这些周围物体称为该物体的约束，例如，前面所提到的柱就是梁的约束，基这些周围物体称为该物体的约束，例如，前面所提到的
35、柱就是梁的约束，基础是柱子的约束。础是柱子的约束。如果没有柱子的限制，梁就会掉下来。柱子要阻止梁的下落，就必须如果没有柱子的限制，梁就会掉下来。柱子要阻止梁的下落，就必须给梁施加向上的力，这种约束给被约束物体的力，称为约束反力，简称反力。给梁施加向上的力，这种约束给被约束物体的力，称为约束反力，简称反力。约束反力的方向总是与约束所能限制的运动方向相反。约束反力的方向总是与约束所能限制的运动方向相反。（3-5）在物体上，除约束反力以外，还有能主动引起物体运动或物体产生运动趋势的力，称为主动力。例如，重力、风力、水压力、土压力等都是主动力。主动力在工程中也称为荷载。一般情况下，物体总是同时受到主动
36、力和约束反力的作用。主动力通常是已知的，而约束反力则是未知的。因此，正确地分析约束反力是对物体进行受力分析的关键。1）柔体约束 用柔软的皮带、绳索、链条阻碍物体运动而构成的约束叫柔体约束。这种约束只能限制物体沿着柔体中心线使柔体张紧方向的移动，且柔体约束只能受拉力，不能受压力，所以约束反力一定通过接触点，沿着柔体中心线背离被约束物体的方向，且恒为拉力。如图3.25中的力T T。图3.25 柔体约束及其反力2）光滑接触面约束 当两物体在接触面处的摩擦力很小而可略去不计时，就是光滑接触面约束。这种约束不论接触面的形状如何，都不能限制物体沿光滑接触面的方向的运动或离开光滑面，只能限制物体沿着接触面的
37、公法线向光滑面内的运动，所以光滑接触面约束反力是通过接触点，沿着接触面的公法线指向被约束的物体，只能是压力，如图3.26中的F FN。图3.26 光滑接触面约束及其反力3）圆柱铰链约束 圆柱铰链简称铰链，它是由一个圆柱形销钉C C插入两个物体A A和B B的圆孔中构成，并假设销钉与圆孔的面都是完全光滑的，如图3.27(a)a)、(b)(b)所示。圆柱铰链约束只能限制物体在垂直于销钉轴线的平面内沿任意方向的相对移动，而不能限制物体绕销钉作相对转动。如图3.27(c)c)、(d)(d)所示。圆柱铰链的约束反力垂直于销钉轴线的平面内，通过销钉中心，而方向未定，可用F FA A来表示，如图3.27(e
38、)所示。在对物体进行受力分析时，通常将圆柱铰链的约束反力用两个相互垂直的分力来表示，如图3.27(f)f)，两分力的指向可以任意假设，是否为实际指向则要根据计算的结果来判断。图3.27 圆柱铰链约束及其反力4）链杆约束 两端用光滑销钉与其他物体连接而中间不受力的直杆，称为链杆。如图3.28(a)为建筑物中放置空调用三角架，其中杆BCBC，即为链杆约束。链杆约束计算简图如图3.28(c)c)所示。由于链杆只能限制物体沿着链杆中心线的运动，而不能限制其他方向的运动。所以，链杆的约束反力沿着链杆中心线，指向未定，如图3.28(b)b)、(d)(d)所示，图中反力的指向是假设的。图3.28 链杆约束及
39、其反力2.支座的简化和支座反力 工程上将结构或构件连接在支承物上的装置，称为支座。在工程上常常通过支座将构件支承在基础或另一个静止的构件上。支座对构件就是一种约束。支座对它所支承的构件的约束反力也叫支座反力。支座的构造是多种多样的，其具体情况也是比较复杂的，这样就需要加以简化，并归纳成几个类型，以便于分析计算。通过简化，建筑结构的支座通常分为固定铰支座、可动铰支座和固定端支座三类。图3.29 固定铰支座及其反力2）可动铰支座 如果在固定铰支座下面加上辊轴，则该支座成为可动铰支座，如图3.31(a)所示。可动铰支座的计算简图如图3.31(b)所示。这种支座只能限制构件垂直于支承面方向的移动，而不
40、能限制物体绕销钉轴线的转动，其支座反力通过销钉中心，垂直于支承面，指向未定。如图3.31(c)所示，图中反力的指向假定。图3.31 可动铰支座及其反力 如图如图3.32(a)a)所示，案例一中的楼面梁所示，案例一中的楼面梁L L1 1搁置在砖墙上，砖墙就是梁的支搁置在砖墙上，砖墙就是梁的支座，如略去梁与砖墙之间的摩擦力，则砖墙只能限制梁向下运动，而不能限座，如略去梁与砖墙之间的摩擦力，则砖墙只能限制梁向下运动，而不能限制梁的转动与水平方向的移动。这样，就可以将砖墙简化为可动铰支座，如制梁的转动与水平方向的移动。这样，就可以将砖墙简化为可动铰支座，如图图3.32(b)b)、(c)(c)所示。所示
41、。图3.32 楼面梁L1的支座简化3）固定端支座特别提示特别提示 实例二中固结于独立基础实例二中固结于独立基础JC2JC2的钢筋混凝土柱的钢筋混凝土柱KZ1KZ1，如图，如图3.333.33（a a）所示；案例）所示；案例一中屋面挑梁一中屋面挑梁WTL1WTL1和楼面挑梁和楼面挑梁XTL1XTL1等固结与墙中，如图等固结与墙中，如图3.333.33（c c）所示，它们的固）所示，它们的固结端就是典型的固定端支座。结端就是典型的固定端支座。固定端支座构件与支承物固固定端支座构件与支承物固定在一起，构件在固定端既不能定在一起，构件在固定端既不能沿任何方向移动，也不能转动，沿任何方向移动，也不能转动
42、，因此，这种支座对构件除产生水因此，这种支座对构件除产生水平反力和竖向反力，还有一个阻平反力和竖向反力，还有一个阻止转动的力偶。图止转动的力偶。图3.333.33（b b）和）和（d d）分别是柱和挑梁的固定端支）分别是柱和挑梁的固定端支座简图及支座反力。座简图及支座反力。图3.33 固定端支座及其反力3.1.7 受力图 在工程实际中，建筑结构通常是由多个物体或构件相互联系组合在一起的。如实例一的板支承在梁上、梁支承在墙体上、墙支承在基础上。因此，进行受力分析前，必须首先明确要对哪一种物体或构件进行受力分析，即要明确研究对象。为了分析研究对象的受力情况，又必须弄清研究对象与哪些物体有联系，受到
43、哪些力的作用，这些力是什么物体给它的，哪些是已知力，哪些未知力。为此，需要将研究对象从它周围的物体中分离出来。被分离出来的研究对象叫脱离体。在脱离体上画出周围物体对它的全部主动力和约束反力，这样的图形叫做受力图。受力图是对物体进行力学计算的依据，必须认真对待，熟练掌握。1.单个物体的受力图 在画单个物体受力图之前，先要明确对象，然后画出研究对象的简图，再将已知的主动力画在简图上，然后根据约束性质在各相互作用点上画出对应的约束反力。这样，就可得到单个物体的受力图。【应用案例3-5】（1）实例一中的楼面梁L1两端支承在墙上，试画出该梁的受力图。解：梁L1放置在墙体上如图3.34（a）所示。简化后，
44、如图3.34（b）所示，A A端为固定铰支座，B B端为链杆。根据支座形式，得到图3.34（c）所示受力图。图3.34 梁L1及其受力图 （2）如图3.35（a）中的杆ABAB重G,在C C处用绳索拉住，A A、B B处分别支在光滑的墙面及地面上。试画出杆ABAB的受力图。图3.35 杆AB的受力分析图解：以杆解：以杆ABAB为研究对象，将其单独画为研究对象，将其单独画出。作用在杆上的主动力是已知的重出。作用在杆上的主动力是已知的重力力G,G,重力重力G G作用在杆的中点，铅垂向下；光滑墙面的约束反力NA,通过接触点A A,垂直于杆并指向杆；光滑地面的约束反力NB，它通过接触点B B垂直于地面
45、并指向杆；绳索的约束反力是TC,作用于绳索与杆的接触点C C,沿绳索中心背离杆。杆ABAB的受力图如图3.35b所示。（3）水平梁AB在跨中C处受到集中力F的作用，A端为固定铰支座，B端为可动铰支座，如图3.36（a）所示。梁的自重不计，试画出梁AB的受力图。图3.36 杆AB的受力分析图 解解：（1）取AB梁为研究对象，解除A、B两处的约束，将它单独画出。（2）在梁的中点C处受到主动力F F 的作用。A端是固定铰支座，支座反力可用通过铰链中心A并且相互垂直的分力F FAx和F FAy表示。B端是可动铰支座，支座反力可用通过铰链中心且垂直于支承面的力F FB表示。梁AB的受力图如图3.36（b
46、）所示。另外，梁AB受共面不平行的三个力作用而平衡，也可以根据三力平衡汇交定理进行受力分析。已知F F、F FB相交于D点，则F FA也必沿A、D两点的连线通过D点，可画出受力图如图3.36（c）所示。2.物体系统的受力图 物体系统的受力图的画法与单个物体的受力图画法基本相同，区别只在于所取的研究对象可能是整个物体系统或物体系统中的某一部分或某一物体。画整个系统的受力图时，只须将物体系统看作为一个整体，就像对单个物体一样。此外，当需要画出物体系统中某一部分或某个物体的受力图时，要注意被拆开的约束处，须加上相应的约束反力，且约束反力是相互间的作用，也一定遵循作用力与反作用力公理。【知识链接】(1
47、)梁AC和CD用铰链C C连接，并支承在三个支座上，A处为固定铰支座，B和D处为可动铰支座，受已知力P的作用，如图3.37(a)所示。试画出梁AC和CD及整个梁AD的受力图。图3.37 多跨静定梁的受力图【知识链接】(2)三铰拱如图3.38(a)所示。处为铰链连接，和处都是固定铰支座。在拱上作用有荷载。若不计拱的自重，试画出拱、及整体的受力图。图3.38 三铰拱的受力图(a)三铰拱计算简图；(b)拱受力图；(c)拱受力图；(d)三铰拱受力图特别提示 综上所述，画受力图时应注意以下几点：（1）明确研究对象。首先要明确画哪个物体的受力图，然后把与它相联系的所有约束去掉，单独画出它的简图。（2）研究
48、对象受的力要全部画出。在建筑力学中，除重力外，物体之间都是通过直接接触才会出现相互作用的力。因此，凡是研究对象与其他物体连接之处，一般都受到力的作用，千万不要遗漏。（3）主动力照原样画出即可。约束反力是由约束的性质和类型确定的，什么样的约束，必定产生什么样的约束反力，不能根据主动力的方向简单推断。（4）注意作用力与反作用力关系。作用力的方向一旦确定，反作用力的方向必定与它相反，不能再随意假设。此外，在以几个物体构成的物体系统为研究对象时，系统中各物体间没有拆开的约束的约束反力不必画出来。（5）同一约束的反力，在各受力图中假设的指向必须一致。3.2 结构的计算简图 结构计算简图 在实际结构中，结
49、构的受力和变形情况非常复杂，影响因素也很多，完全按实际情况进行结构计算是不可能的，而且计算过分精确，在工程实际中也是不必要的。为此，在进行结构力学分析之前，应首先将实际结构进行简化，即用一种力学模型来代替实际结构，它能反映实际结构的主要受力特征，同时又能使计算大大简化。这样的力学模型叫做结构的计算简图。因此，力学所研究的并非结构实体，而是结构的计算简图特别提示特别提示 计算简图的选取非常重要，它直接影响计算工作量的大小以及分析计算简图的选取非常重要，它直接影响计算工作量的大小以及分析结构与实际受力情况之间的差异。计算简图选取不准确将会导致设计结结构与实际受力情况之间的差异。计算简图选取不准确将
50、会导致设计结果与实际不符，甚至造成工程事故。因此，我们对计算简图的选取应高果与实际不符，甚至造成工程事故。因此，我们对计算简图的选取应高度重视。度重视。1.结构计算简图的选择原则 （1）反映结构实际情况计算简图能正确反映结构的实际受力情况，使计算结果尽可能准确。（2）分清主次因素计算简图可以略去次要因素，使计算简化。计算简图的简化程度与结构构件的重要性、设计阶段、计算的复杂性及计算工具等许多因素有关。2.计算简图的简化方法 一般工程结构是由杆件、结点、支座三部分组成的。要想得出结构的计算简图，就必须对结构的各组成部分进行简化。1）结构、杆件的简化 一般的实际结构均为空间结构，而空间结构常常可分