课程名称：结构力学（1） 课程编号：0297011 课程学分：2 适用专业：土木工程 结构力学（1） STRUCTURAL MECHANICS（1） 教学大纲 一、课程性质与任务 结构力学是土木工程专业的一门主要技术基础课，属必修课性质。在学习理论力学和材料力学的基础上，通过本课程的学习，使学生进一步掌握杆件结构的计算理论和计算方法，了解各类结构的受力性质。为学习有关专业课程以及进行结构设计和科学研究打好力学基础，培养学生具有结构分析与结构计算方面的能力。课程的教学目的为： 1. 使学生具备系统的结构力学知识，为学习有关专业课程，为今后从事结构设计、施工和科研工作打好理论基础。 2. 提高学生的计算能力，使学生对结构计算的一般问题能够较为熟练地进行计算，对大型结构的计算问题能应用计算机进行计算。 3. 培养学生的分析能力和科学作风，使其具有自学高层次理论书籍和阅读建筑结构技术资料的能力。 二、课程教学基本内容 1. 绪论 结构力学的研究对象及任务。结构的计算简图及简化要点。杆件结构分类，荷载分类。 2. 平面体系的几何组成分析 几何组成分析的目的，平面几何不变体系的基本规律及其应用，瞬变体系的特征。自由度概念。*平面体系自由度公式。 3. 静定梁和静定平面刚架 静定梁（包括多跨静定梁）和刚架的组成。分段叠加法，静定梁和静定刚架的内力计算和内力图的绘制。 4. 三铰拱 拱的受力特点。三铰拱的数解法。三铰拱合理拱轴的概念。 5. 静定平面桁架 桁架的特点、组成和分类。用结点法和截面法计算桁架的内力。结点法及截面法的联合应用。组合结构的特点和计算。 静定结构的一般性质 6. 静定结构的影响线 移动荷载和影响线的概念。用静力法作静定梁影响线。*结点荷载作用下的影响线。*静定桁架影响线。用机动法作静定梁的影响线。 影响量的计算。最不利荷载位置。简支梁的内力包络图。 *简支梁的绝对最大弯矩。 7. 虚功原理与结构位移计算 虚功原理。虚位移原理与单位位移法。虚力原理与单位荷载法。位移计算的一般公式。 荷载作用下静定结构的位移计算。图乘法。静定结构由于温度改变、支座移动引起的位移计算。 互等定理。 8. 力法 超静定结构的概念。超静定次数的确定。 力法的基本原理。基本体系与基本未知量。力法的典型方程及物理意义。 用力法计算超静定结构。对称性的利用。温度改变及支座移动下超静定结构的计算。 *超静定结构的位移计算。最后内力图的校核。 9. 位移法 位移法的基本原理。等截面直杆的刚度方程。荷载作用下超静定刚架的计算。对称性利用，位移法的基本体系。典型方程及其物理意义。*温度改变及支座移动下的计算。 10. 渐近法 力矩分配法的基本原理。分配系数与传递系数。荷载作用下连续梁和无侧移刚架的计算。*有侧移刚架的计算。 *多层多跨刚架的近似计算。超静定结构的特性。 超静定结构的影响线 11. 矩阵位移法 矩阵位移法的基本概念。单元局部坐标系与结构整体坐标系，局部坐标系与整体坐标系的单元刚度矩阵。结构的总刚度矩阵。等效结点荷载。矩阵位移法的计算步骤及示例。 结构计算程序及其应用。 12. 结构的动力计算 动力计算的意义。动力荷载的分类。动力计算的任务。动力计算的原理和方法。弹性体系的自由度。 单自由度体系的自由振动与受迫振动。阻尼对振动的影响。 多自由度体系的自由振动，振型的正交性。 多自由度体系的受迫振动，*振型分解法。 利用能量法计算自由振动。 *13. 结构的极限荷载 基本概念。静定梁的弹塑性分析。极限弯矩和塑性铰。超静定梁的极限荷载。刚架的极限荷载。 *14. 结构的稳定计算 稳定计算的意义。确定临界荷载的静力法与能量法。弹性支承杆的稳定。 用位移法确定刚架的临界荷载。 三、课程教学基本要求 在保证基本要求的前提下，根据专业教学大纲的变更，在教学内容，教学环节和教学时数上可有一定的小调整。大纲中把课程内容分为基本部分和扩充部分。“*”部分的内容为扩充部分，可根据情况加以选用。学生学完本课程后，应达到如下的要求： 1. 掌握平面几何不变体系的基本组成规则及其应用。 2. 灵活运用隔离体平衡的方法。熟练掌握静定梁和刚架内力图的作法以及刚架内力的解法，掌握静定桁架的内力计算方法，会进行组合结构和拱内力的计算。了解静定结构的力学特性。 3. 理解变形体虚功原理的内容及其应用，熟练掌握在荷载作用下静定结构的位移计算方法。理解静定结构在温度变化及支座移动影响下的位移计算方法。了解互等定理。 4. 理解影响线的概念。掌握静力法作静定梁的内力影响线。会用机动法作影响线，会利用影响线求移动荷载作用下结构的最大内力。 5. 掌握力法的基本原理和用力法计算超静定结构在荷载作用下的内力。会计算超静定结构在支座移动和温度变化作用下的内力。了解计算超静定结构的位移的方法，了解超静定结构的力学特性。 6. 掌握位移法的基本原理和梁、刚架在荷载作用下的内力计算方法。 7. 掌握用力矩分配法计算连续梁和无侧移刚架。 8. 掌握矩阵位移法计算杆件结构的原理和计算方法。 9. 掌握动力分析的基本方法。掌握单自由度及两个自由度体系的自由振动与在简谐荷载作用下受迫振动的计算方法。了解阻尼的作用。了解频率的近似计算方法。 *10. 理解极限弯矩、极限荷载的概念和比例加载时判定极限荷载的一般定理，会计算超静定梁的极限荷载。 四、本课程与其它相关课程的联系与分工 结构力学的先修课为高等数学，线性代数，理论力学，材料力学及FORTRAN语言。 与结构力学有密切关系的课程是理论力学，材料力学和弹性力学。 理论力学为结构力学提供一般的力学原理。结构力学将这些原理应用于结构计算。在几个具体问题上分工如下： 1. 关于桁架。理论力学只简单地讲述桁架的结点法和截面法，主要从应用平衡方程的角度来讲，做少量简单桁架习题。结构力学则结合桁架的几何组成分析深入讨论结点法，截面法及其联合应用，把桁架作为一种重要的结构形式来讲，要求熟练掌握桁架的计算方法。 2. 关于虚功原理，理论力学讲刚体体系虚位移原理，结构力学则讲述变形体虚功原理及其应用。 3. 关于振动问题，理论力学讨论刚体体系的振动，限于单自由度和简谐荷载；结构力学讨论弹性体系的振动，推广到多自由度和一般荷载，并讨论阻尼对振动的影响。 材料力学和结构力学都利用简化假设讨论变形体系的强度，刚度和稳定。材料力学主要讲述单个杆件的计算，结构力学讲述杆件体系的计算。在几个具体问题上可分工如下： 1. 关于能量原理，材料力学讲述应变能和余能，势能原理和余能原理，卡氏定理。结构力学讲述变形体系的虚功原理，计算位移的单位荷载法及图乘法，互等定理。 2. 关于超静定问题，材料力学可结合最简单的问题引进超静定的概念，结构力学系统地讨论超静定结构的各种解法。 弹性力学使用较严格的方法讨论弹性体的力学问题，能解的问题较少，结构力学使用简化假设讨论杆件体系的力学问题。弹性力学讲弹性体的有限单元法，结构力学讲杆件结构的矩阵分析方法。 结构力学的后续课程为各种结构及施工专业课。结构力学知识在有关专业课程中得到应用，结构力学只讲述结构计算的原理和方法，在荷载上只作简单的说明，在材料上只考虑匀质材料。设计规范的应用、实际荷载情况和实际材料性质的讨论，则是专业课程的内容。计算简图的概念和选择计算简图的基本原则在结构力学中要作初步的讨论，结合细部构造和具体情况确定计算简图的问题，在专业课程中要继续予以讨论。 五、实践性教学内容的安排与要求 矩阵位移法部分要求能使用杆件结构的计算程序进行结构计算，安排计算机上机6—10学时。同时，一般安排课外上机4—6学时。 六、本课程在课外练习方面的要求 课内外学时比：1:2.5 课外作业：为达到课程教学基本要求，本课程要求学生在课外完成一定量的习题，习题在课程学习中有重要作用。通过习题，首先要求学生掌握主要的计算原理和计算方法，并学会应用这些原理和方法解决具体问题。其次要提高学生的计算能力，培养科学作风和书写表达能力。采取的形式主要是课后布置习题，按中等学生水平给出，大体是每次课后习题为２－5题，总量不超过150题。要求独立完成，计算准确，书写整齐。另外，有一次计算机上机大作业。 七、本课程使用现代化教学手段方面的要求 本课程中由于有使用程序方面的要求，故在上机时，需每人配备计算机一台。在可能的条件下开发和使用计算机辅助教学软件。课堂教学使用多媒体、录象机、投影仪等设备。 八、教材及参考书： 教 材：杨弗康、李家宝主编，《结构力学》，高等教育出版社，1998年4月第四版。 参考书： 龙驭球主编，《结构力学教程》，高等教育出版社，2001年1月第一版。 王焕定等编，《结构力学》，高等教育出版社，2000年2月第一版。 九、本课程成绩考查方法、评定标准及其他说明 1. 本大纲是根据国家教委工科力学指导委员会公布试行的《结构力学课程教学基本要求（多学时）》，结合北方工业大学土木工程专业的实际情况制定的。 2. 结构力学课程（总112学时）分两个学期完成。结构力学（1）在总学时内占32学时，结构力学（2）在总学时内占80学时。根据选用教材不同，（1）、（2）两门课中内容的先后次序可做相应的调整。 3. 本课程的考核主要采用考试形式，其中结构力学（1）采用闭卷形式，结构力学（2）为一纸开卷。试卷采用教育部工科力学指导委员会结构力学与弹性力学指导小组组织编写、由高教出版社出版的《结构力学试题库》。笔试部分不包括矩阵位移法中的结构计算程序和上机，这部分内容的考核成绩由上机报告和口试情况决定。 结构力学（1）考试采用百分制，其中平时成绩占总成绩的20%，期末考试占总成绩的80%。结构力学（2）考试采用百分制，因为有实践性教学环节，故其中平时成绩占总成绩的30%，期末考试占总成绩的70%。 4. 本大纲“课程教学基本要求”一项中，对各篇章（节）内容的具体掌握程度分为三层次，“熟练掌握”“掌握”为第一层次，“理解”“会”为第二层次，“了解”为第三层次。 十、学时分配（总112学时） 章节 内 容 总学时 讲授课时 辅导 实践性环节  第一章 绪论 2 2 0 0  第二章 平面体系的机动分析 4 3 1 0  第三章 静定梁和静定平面刚架 8 6 2 0  第四章 三铰拱 2 2 0 0  第五章 静定平面桁架 6 4 2 0  第六章 静定结构的影响线 8 6 2 0  第七章 虚功原理和结构位移计算 10 8 2 0  第八章 力法 12 10 2 0  第九章 位移法 10 8 2 0  第十章 渐近法 6 4 2 0  第十一章 矩阵位移计算 18 10 2 6  第十二章 结构的动力计算 16 13 3 0   机动(包括1次测验和2次总复习) 10 10      合计 112 86 20 6   注：以上学时分配不包括带（*）内容的学时 大纲撰写人： 杨其伟 大纲审阅人： 何爱军 学科负责人： 杨其伟 学院负责人： 胡应平 制（修）订日期：2004年05月