第九讲土木工程的力学和结构概念 1、外力、内力和反力 2、荷载、作用和效应 3、结构和结构失效 4、土木工程结构的设计方法
土木工程要解决的问题之一是建造抵御 自然或人为作用力的空间和通道，就必然会 遇到大量的力学和结构问题。本章阐述土木 工程中一些最基本的力学与结构概念。 结构模型大赛 "n 建筑结构计算机建模
1外力、内力和反力 力：是一种物体间有方向的相互作用：这种相互作用 有使物体改变原来形状或改变运动方向的效应；力是既有 量值又有方向的矢量。 力矩：是力对物体产生绕某一轴转动作用的物理量 其大小等于力与力臂（力的作用线到该轴的垂直距离)的 乘积；力矩在土木工程中习惯称为弯矩。 平衡：力矩既可顺时针方向转动，也可按逆时针方向 转动，当两个方向转动效应之和为零时，称物体处于平衡 状态
对任何一个土木工程的结构而言，力有外力、内力 和反力之分。 人体、重物的重力 和木桥自重是外力 弯曲 压缩 1 1-1 拉伸 R 桥身两端固定处 思考：全桥弯曲下垂，说明桥身承 承受反力 有内力，桥身的上下承受什么力？
倘若桥的两端曾可能被 想象被锯处 锯过又接了起来，当人拿着 重物走上去，桥身必然像被 剪切般地下落。现在桥身没 ☒ 有被锯，受力后完好无损， 说明桥身还承受有剪切力。 下 桥身承受剪切 再如果将重物放在桥 扭曲 的一侧，全桥还将受 到扭曲。 桥身承受扭曲
这些拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭曲就是桥身承受内力 的结果。人和重物能静止地位于桥上，说明它的外力、反力和内 力作用处于平衡衡状态。 独木桥是最简单的例子，所有土木工程设施的结构 无论大小、重轻、厚薄（大如大桥、小如小木屋）都 处于外力、内力和内力作用下的平衡状态。它承受的 内力无非是下列5种以及它们的组合。 土木工程结构的5种内力特征： F(+N) F(-F F(+N) F(-N 受拉 受压 发生拉伸变形（拉长） 发生压缩变形（缩短）
受弯 发生弯曲变形（上部 受剪 F(V VE (V 压缩，下部拉伸) 发生剪切变形 在土木工程中： 受扭 发生扭曲变形 拉力以+表示 压力以-表示； 土木工程结构就是通过5种 弯矩以M表示； 内力的基本作用，将施加在结构 剪力以V表示； 上的力传递给地球（基础下的土 扭矩以Mr表示。 层)，基础给予结构的则是作用 在结构基础上的反力
2荷载、作用和效应 直接施加在土木工程结构上的外力是由荷载引起的。 如果地球没有引力，自然界没有风吹、雨雪，荷载就 不会存在，土木工程也就不需要结构。土木工程结构要有 能抵御自然或人为的作用力的能力，因此，了解作用在结 构上的荷载有那些，其性质如何非常重要。 作用与作用效应的基本概念 作用分为直接 作用：是指能使结构产生 作用和间接作 效应的各种原因的总称。 用
作用效应：作用在结构上产生的内力和变形的总称。 能使结构产生作用效应的原因有两种：一种是施加在结构上 集中力和分布力，如结构自重，作用于楼面的人群、家具、设备 作用于桥面的车辆、人群，施加于结构物上的风压力、水压力、土 压力等，它们都是直接施加于结构上（直接作用)，工程界习称为 “荷载”；另一种是施加于结构上的外加变形或约束变形，如地震、 基础沉降、材料收缩和徐变、温度变化引起结构产生作用效应，它 们都是间接作用于结构（间接作用） 2.1荷载（直接作用) 荷载是指 直接作用 荷载是直接以力的形式作用于结构 在结构上 如结构自重、行人或车辆的重量、风压力、 的外加力。 土压力、水压力等
()恒载（永久荷载） 指使用期间永久施加在结构上，其值不随时间变化 的荷载。 内隔断 窗 墙体及 内装饰 作用在工程结构 上的恒载类型主 要有：结构自重 楼面 、墙面、地面、 屋面、桥面以及 建筑物内的固定 装置等。 楼板 大梁