面向21世纪课程教材 Textbook Series for 21st Century 结构力学教程(I) 龙驭球包世华主编 龙驭球包世华匡文起袁驷编著 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS
序 教材建设是-项需要长期积累而又不断翻新的工作,既要锲而不舍、精 祉求精,又要善于探寨、有所创新。本书是在清华大学四十多年结构力学教 村建设和近儿年教学改革实践的基础上编写的,主要想在以下几个方面作 些新的尝试和安排: 由一本书扩充为三书鼎立。由于结构力学计算机化的进程日新月 斥,以及在计算机化的形势下结枃定性分析的能力培养日益显得更为重要 此除编写一本“结构力学教程¨侧重于经典结构力学的基本理论和基木方 丟外,还拟编写两本配套教材,即“程序结构力学”和“定性结构力学”,分别 则重于计算机方法和定性分析方法。三书鼎立,相互呼应,以期适应新世 纪、新形势的新要求 二、为计算机化提供新的巷础知识和新工具。在为矩阵位移法配置的 计算机程序方面,有 FORTRAN77程序, Fortran90程序。此外,还引入作 者教学和科研成果结构力学求解器》作为新工具,提高解算大型结构、复杂 结构的例题、习题的能力,开拓教学内容的广度和深度,利用动画显示,提高 对结构性能的感性认识。 、将虚功一能量方法貫通全书,提高理论水平。以前的结构力学教衬 也讲一点盧功一能量方法,但讲得太晚,太集中,学与用离得太远。针对这 种情况,本书改为“提前讲、分段讲、就近用”的作法,以便收到“由浅入深、分 散难点、学了就用、便于生根”的效果,从而进一步提高理论水平。计算机北 不仅不排斥力学理论,而是更加需要力学理论的指导,呼唤力学理论的 化 四、注意培养思维能力和科学素质。为了把力学方法上升到方法论的 高度,在书中专门写了四节: 方法论(1)——学习方法(第1章)。 方法论(2)——静定结杓部分(第6章)。 ●方法论(3)——一超静定结构部分(第12章)。 ●方法论(4)—-结构力学之道(最后一章) 号了指导学习和启发思考,专门写了两章“总论”,分别对静定结构和超静定
序 结构两大部分門容进行融会贯通的梳理和开阔视野的指点;几乎每-章都 专门写了“小结”和“思考与讨论”两节,引导读者跨进更广的思考空问 五、适当更新内容。除了删去和压缩比较陈旧的内容外,还注意扩大专 业覆盖面,新加悬索、空间结构等内容,适当个绍·-些科研成果,包括作者新 近的部分学术成果。 总的来说,“守本翻新”是本书的编写方针,守本,是指继续保持“打好 基础,脉络清晰,理论联系实际,符合认识规律”的编写风袼,翻新,是指进 行一些经过初步实践的新尝试,包括上面提到的五点。 本书内容各校可根据具体教学要求选冯,带*号者为选学、提高内容 本书稿请西安建筑科技大学刘铮教授和东南大学单建教授审阅,在审 阅中提了不少宝贵意见。清华大学雷钟和教授提供了本书部分思考题及习 题,张玉良副教授提供了 FORTRAN77程字的初稿。作者谨向他们表示衷 心的感谢 欢迎批评,恳请指丑: 作者 1999年冬于清华园
本书符号表说明 为了深入貫彻囯家技术监督局发布的国家标准(GB3100~3102-93) 《量和单位》,本书对结构力学符号和单位的传统用法作了调整,既保证了对 呙家柝准的认真实施,又考虑了教师和学生使用上的习惯与方便。 在实施国家标准的过程中、为保证国家标准和现有惯例的衔接,本书作 认真的考虑,现作如下说明,请读者注意。 囡家标准规苤的物理量、名称和符号,按国家标准使用,注重量的物 理属性。如,旧称剪应变(剪切角)γ,现改称切应变;又如,各种力(包括荷 载、反力和内力)都用F作为主符号,而将共特性以下标(上标)表示;等等。 2.对于在结构大学中广泛使用的广义力(包括力与力偶矩、力矩)和广 义位移(包括线位移与角位移),为了体现其广义性(有时还有未知性),考虑 到全书叙述的统一和表达的简洁、完整,本书仍峾用ⅹ(多余力未知力)、Δ 和δ(位移)、(支座位移)等广义物理量。至于它们在具体问题中对应的量 和相应单位,则视具体问题而定 3.在结构力学中经常应用“单位量”的概念,如单位力X=1,单位荷载 Fμ=1,单位位移Δ=1等。现以单位力X=1为例加以说明。单位力X=1 是一种简称,详细地记,是指数值为1而其量纲指数都为零(量纲并不为零 量纲为一)的特定广义力Ⅹ=1(这里,X与Y在数值上相等,但量纲不同。 Ⅹ是一个量纲一的量,以前称为无量纲量)、单位量的概念主要用于求比例 系数(或称影响系数)。仍以力￥引起某量M的情况为例,二者的比例系数 为M=。在线性阿题中,比例系数是一个重要约概念。 4.本教材中某些符号及有关公式运算中的单位表示,考患以往教材的 惯和结合工程实际运算的方便,作了必要的处理。具体情况在本教材的 相应处巳育说明
主要符号表 面积 振幅 应变能密度 B 应变余能密度 支座广义位移、粘滞阻尼系数 弯矩传递系数 临界阻尼系数 结间距离 弹性模量 EfHFF 矢髙、工程频率 集中荷载 荷载向量 水平推力 F,、Fy 水平(x)垂直(y)方向的分力 F 轴力 FA,、Fx 水平(x)、垂直(y)方向的分轴力 剪力 FFFFFFFF 截面左、右的剪力 固端剪力 欧拉临界荷载 临界荷载 极限荷载 可破坏荷载 可接受荷载 F+ 弹性力 惯性力 阻尼力
2 主要符号表 F 广义反力、反力合力 局部坐标系卜单元杆端力向量 整体坐标系下单元杆端力向量 FF上 局部坐标系下单元固端力向量 整体坐标系下单兀固端力向量 切变模量 (:x 线刚度 惯性矩 单位矩阵 ,k 刚度系数,切应力分布不均匀系数 局部坐标系下单元刚度矩阵 整体坐标系下单元刚度矩阵 结构飓度矩阵 质量 质量矩阵 力矩、力偶矩、弯矩 固端弯矩 极限弯矩 弹性极限弯矩 形函数矩阵 均布荷载集度 pPPpgR 广义佝载、广义力 单元结点荷载向量 结构结点荷载向量 均布荷载集度 半径 半径、反力影响系数 转动刚度 时间 TTU 周期、动能 坐标转换矩阵 应变能 水平位移 竖向位移、挠度、速度 应变余能
主要符号表 功计算自由度、弯曲截面系数 广义未知力、广义多余未知力 位移幅值向量、主振型向量、主振型矩阵 位移 影响线量值 线膨胀系数、初相角 动力系数 广义未知位移 位移向量 单元杆端位移向量 柔度系数、位移影响系数 线应变 力矩分配系数 曲率 弦转角 平均切应变 截面的转角、干扰力频率 阻尼比 强度极限 屈服应力 极限应力 圆频率
内容提要 本书是教育部“高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”的研究成果 面向21世纪课程教材和教育部[科力学“九五”规划教材,本书是在清华大学四十多 年结构力学教材建设和近年教学改革实践基础上,为高等学校土建、水利、道桥、力学等 专业结构力学课程编写的新教材 全书共16章,分为(Ⅰ)、(Ⅱ)两册。第(I)册共9章,主要内容包括静定结构部分 超静定结构部分等。第(Ⅱ)册共7章,主要内容包括矩阵位移法能量原理以及动力、稳 定极限荷载计算等专题部分。本书为第(I)册.并附有《结构力学求解器》软件光盘 张 本书贯彻“守本翻新”的方针、守本,是揩继续保持”打好基础,脉络清晰,理论联系 实际,符合认识规律”的编写风格、翻新,是指进行·些经过初步实践的新喾试;将经典 与现代方法融为…体,将虚功一能敏方法贯通全书,讲点方法论提高科学素质,更新内容 扩大专业覆盖面,引入结构力学计算机艚助分析计箅软件《结构力学求解器》作为新工 共
目 7 录 第章绪论 11结构力学的学科内容和教学要求 12结构的计算简图及简化要点 13杆件结构的分类 14荷载的分类…… 10 1-5方法论(1)一学习方法 11 第2章结构的几何构造分析 17 2-1几何构造分听的几个概念 -18 22平面几何不变体系的组成规律 22 23平面杆件体系的计算自由度 28 24空间杆件体系的几何构造分析 32 25在求解器中输入平面结构体系 36 §2-6用求解器进行平面体系的几何构造分析 42 27小结 46 $2-8思考与讨论 48 习题 50 第一部分静定结构 第3章静定结构的受力分析 57 3-1梁的内力计算的回顾 57 32静定多跨梁 64 33静定平面刚架 68 34静定空间刚架 79 §35静定平面桁架 83 36静定空间桁架 97 $3-7组合结构 ■ 103 38三铰拱 108
2 目录 39悬索结构 121 3:10用求解器确定截面单杆 127 311用求解器求解组合结构 131 312小结 134 313思考与讨论 135 习题 137 第4章静定结构总论 153 41隔体方法及其取顺序的优选 153 4·2几何构造分析与受力分析之间的对偶关系 157 43零线法…… 160 44刚体体系的虚功原理 162 §45静定结构的一般性质 172 4-6各种结构型式的受力特点 175 47用求解器求解一般静定结构 178 4-8小结 180 4-9思考与讨论 181 习题 182 第5影响线 186 51移动荷载和影响线的概念 186 §52静力法作简支梁影响线 188 5-3结点荷载作用下梁的影响线 192 54静力法作桁架的影响线 195 $55机动法作影响线 198 $5-6影响线的应用 203 $5-7铁路、公路的标准荷载制和换算荷载 212 58简支梁的包络图和绝对最大弯矩 219 5-9用求解器计算结构的影响线 223 5-10小结… 226 5-11思考与讨论 227 习题 228 第章结构位移计算与虚功能量法述 234 6-1应用虚力原理求刚体体系的位移 235 §6-2结构位移计算的一般公式 240 63荷载作用下的位移计算 247 64荷裁作用下的位移计算举例 251