上海交通大学：《土木工程探秘与实践 Civil Engineering_Exploration and Practice》课程教学资源（讲义）第九讲 土木工程的力学和结构概念

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