结构力学
Structural Mechanics
一、课程基本信息
学 时：72
学 分：4.5
考核方式：考试、平时成绩占总成绩40%
中文简介：
本课程是土木工程专业、水利水电工程专业必修的一门重要的专业基础课。主要介绍杆件结构的几何组成规律，内力和位移计算的基本理论、基本方法，各类结构的受力特性。掌握本学科的知识，能解决一般结构的力学计算问题，同时又为学习结构设计原理和其它专业课打好基础。其任务是使学生在理论力学和材料力学的基础上进一步掌握杆系结构的基本计算原理和分析方法，了解不同杆系结构的受力性能和变形特点，培养结构分析计算的能力，为学习有关专业课程及进行结构设计打下基础。本课程是土木工程专业核心课程之一，为后续混凝土结构设计和毕业设计提供有力的力学基础和解题技巧。
二、教学目的与要求
结构力学是土木、水利类专业的一门主要专业基础课。本课程主要介绍杆件结构的几何组成规律，内力和位移计算的基本理论、基本方法，各类结构的受力特性。
要求学生在学习理论力学和材料力学等先修课程的基础上，系统掌握平面杆系结构在各种外界因素作用下，内力和位移的计算原理和计算方法，了解各类结构的受力特性并提高学生的自学能力、分析能力、计算能力。
第一章 绪论
(一)目的与要求
1. 了解结构力学的任务，与其他课程间的关系及常见杆件结构类型。
2. 领会结构计算简图的概念和确定计算简图的原则。
3. 掌握杆件结构的支座分类、结点分类、荷载分类。
(二)教学内容
1.主要内容
结构和结构的分类，结构力学的任务，结构的计算简图与杆件结构分类，荷载的分类。
2.基本概念和知识点
基本概念：活载，铰结点、刚结点、组合结点
知识点：结构的计算简图选择原则、简化要点，结点和支座的变形和受力特性。
3.问题与应用
（1）结构力学的任务是什么？
（2）结点和支座的变形和受力特性是怎样的？
考核要求：
(三)实践环节与课后练习
本章为叙述性文字，主要是了解、掌握一些基本概念，没有练习题。
第二章 平面体系的机动分析
（一）目的与要求
1. 领会几何不变体系、几何可变体系和刚片、自由度、约束、瞬铰、多余约束等概念。
2. 掌握无多余约束的几何不变体系的几何组成规则，熟练掌握常见体系的几何组成分析（包含0-3个无穷远虚铰）。
3. 掌握体系几何组成分析中自由度的计算及应用。
4. 领会结构的几何特性与静力特性的关系。
（二）教学内容
1.主要内容
自由度、约束、瞬铰、多余约束等概念, 体系自由度计算公式，平面几何不变体系的组成规则，瞬变体系的特性，静定、超静定结构的几何组成。
2.基本概念和知识点
基本概念：自由度、约束、瞬铰、多余约束
知识点：应用平面几何不变体系的组成规则分析平面杆系的几何组成，复杂平面杆系的几何分析。
3.问题与应用
（1）什么是刚片？什么是链杆？链杆能否作为刚片？刚片能否当作链杆？
（2）试述几何不变体系的三个基本组成规则，为什么说它们实质上只是同一个规则？
(三) 实践环节与课后练习
课后习题：1-19
第三章 静定梁与静定刚架
（一）目的与要求
1. 熟练利用隔离体平衡条件求单跨梁、多跨静定梁的反力、内力并绘制内力图。
2. 掌握简支斜梁反力、内力的计算及内力图绘制。
3. 熟练掌握分段叠加法画弯矩图。
4. 考察静定平面刚架的几何组成及型式（悬臂刚架、简支刚架、三铰刚架、多层多跨刚架），恰当地选取隔离体和平衡方程，掌握静定平面刚架的反力计算。
5. 熟练掌握静定平面刚架内力的计算和内力图的绘制，熟练利用平衡关系、弯矩剪力荷载间微分关系、单跨梁内力图、分段迭加法绘制内力图。
6. 掌握已知刚架弯矩图，绘制剪力图、轴力图。
7. 熟练利用平衡关系、弯矩剪力荷载间微分关系校核内力图。
（二）教学内容
1.主要内容
截面法计算指定截面的内力，利用微分关系作内力图，分段迭加法画弯矩图，简支斜梁的计算，多跨静定梁的组成特点及计算。静定平面刚架的特点、几何组成及型式，反力的计算，内力的计算和内力图的绘制，内力图的校核。
2.基本概念和知识点
基本概念：单跨梁、多跨静定梁
知识点：分段迭加法画弯矩图；多跨静定梁反力、内力的计算及内力图绘制；静定平面刚架内力的计算和内力图。
3.问题与应用
（1）怎样利用微分关系作内力图？
（2）怎样分段叠加法作弯矩图？
（三）课后练习
本章相当重要，课后习题很多，具体见课本48页。
第四章 静定拱
（一）目的与要求
1. 了解三铰拱的组成和类型、三铰拱受力特点，合理轴线的概念。
2. 掌握三铰拱的反力和内力的计算方法。
（二）教学内容
1.主要内容
三铰拱的组成和类型，三铰拱的反力和内力，三铰拱的受力特点，合理轴线。
2.基本概念和知识点
基本概念：三铰拱、合理轴线
知识点：三铰拱的反力和内力计算，三铰拱截面剪力和轴力的计算。
3.问题与应用
求三铰拱水平推力或拉杆拉力；求三铰拱指定截面内力。
（三）课后练习
1.拱的受力情况和内力计算与梁和刚架有何异同？
2.在非竖向荷载下怎样计算三铰拱的反力和内力？
第五章 静定平面桁架
（一）目的与要求
1. 了解桁架的特点和组成分类。
2. 熟练掌握结点法、截面法求桁架内力，掌握联合法求桁架内力。
3. 掌握组合结构的计算。
（二）教学内容
1.主要内容
桁架的特点和组成分类，结点法、截面法和联合法求桁架内力，组合结构的内力计算。
2.基本概念和知识点
基本概念：桁架、结点法、截面法
知识点：特殊杆内力判断，结点法、截面法和联合法求桁架内力，组合结构的内力计算，复杂桁架内力计算，组合结构中梁式杆的弯矩图。
3. 问题与应用
（1）怎样用联合法求桁架中指定杆件内力？
（2）组合结构的内力怎样计算？
（三）课后练习
1.如何根据桁架的几何构造特点来选择计算顺序？
2.在结点法和截面法中，怎样避免解联立方程？
3.课后习题选做部分。
第六章 结构位移计算
（一）目的与要求
1. 理解变形体虚功原理的内容及其应用。
2. 熟练掌握在荷载作用下静定结构的位移计算方法。
3. 掌握静定结构在温度变化、支座移动情况下的位移计算方法。
4. 了解互等定理。
（二）教学内容
1.主要内容
位移计算的目的；变形体系的虚功原理；结构位移计算的一般公式；静定结构在荷载作用下的位移计算；图乘法；静定结构由于温度变化及支座移动下的位移计算；线弹性结构的互等定理。
2.基本概念和知识点
基本概念：虚功原理、图乘法
知识点：静定结构在荷载作用下的位移计算，图乘法
3. 问题与应用
（1）何谓线弹性结构？它必须满足哪些条件？
（2）图乘法的应用条件及主要点是什么？
（三）课后练习
课后习题选做。
第七章 力法
（一）目的与要求
1. 熟练掌握力法基本结构的确定、力法典型方程的建立、方程中系数和自由项的计算、最终弯矩图的绘制。领会典型方程的物理意义。
2. 熟练掌握荷载作用下力法解刚架，掌握力法解铰结排架、桁架、组合结构，了解力法解两铰拱等其他超静定结构的计算。
3. 掌握支座位移、温度改变下力法解刚架、铰结排架、桁架。
4. 会利用对称性条件简化力法计算，熟练掌握“半边结构”的取法。
5. 掌握超静定结构位移计算。
6. 掌握利用变形条件校核最终弯矩图。
（二）教学内容
1.主要内容
超静定结构和超静定次数，力法的基本结构、基本未知量、及其物理意义，利用对称性简化力法计算，超静定结构位移的计算。
2.基本概念和知识点
基本概念：超静定、力法
知识点：根据力法基本方程物理意义列各类结构在各种外界因素作用时的基本方程并计算内力和位移，对称结构取“半边结构”；支座移动时的力法计算，计算超静定结构位移时基本结构的选择，力法解两铰拱。
3. 问题与应用
（1）怎样利用结构对称性计算超静定刚架？
（2）超静定结构位移计算怎样计算？
（三）课后习题
1.力法解超静定结构的思路是什么？
2.试比较用力法计算超静定梁和刚架、桁架、组合结构及排架的异同。
3.课后选做大部分习题巩固理论。
第八章 位移法
（一）目的与要求
1. 熟练掌握位移法基本结构的确定、未知量的选择、位移法典型方程的建立、系数及自由项的计算、最终弯矩图的绘制。
2. 领会典型方程的物理意义。
3. 掌握利用弯矩图绘制剪力图和轴力图。
4. 要求记住一些常用到的杆端力。
5. 掌握利用对称条件简化计算的方法。
6. 在位移法中只要求会算荷载作用，不要求会算支座位移和温度改变的作用。了解用直接平衡法建立位移法方程。
（二）教学内容
1.主要内容
等截面直杆的形常数和载常数，位移法的基本未知量、基本体系、典型方程，固端弯矩，等截面直杆转角位移方程与杆端弯矩表达式，用直接平衡法建立位移法方程，对称性的应用。
2.基本概念和知识点
基本概念：位移法、转角位移
知识点：位移法解连续梁、超静定刚架和排架的内力，复杂刚架线位移未知量的选择。
3. 问题与应用
（1）位移法的基本思路是什么？为什么说位移法是建立在力法的基础之上的？
（2）力法与位移法在原理和步骤上有何异同？
综合应用：用位移法计算连续梁、超静定刚架和排架；对称性的应用；用位移法计算有刚性梁的结构；剪力分配法。
（三）课后习题
课后习题选做。
第九章 渐近法
（一）目的与要求
1. 熟练掌握用力矩分配法计算连续梁和无侧移刚架。
2. 掌握无剪力分配法的应用。
（二）教学内容
1.主要内容
单结点无线位移承受结点力偶刚架的力矩分配，力矩分配法，多结点力矩分配法的力学模型，转动刚度、分配系数、传递系数，无剪力分配法。
2.基本概念和知识点
基本概念：转动刚度、传递系数、无剪力分配法
知识点：力矩分配法解连续梁和无侧移刚架的内力，无剪力分配法的应用，无剪力分配法。
3. 问题与应用
（1）说明力矩分配法每一步骤的物理意义。
（2）剪力分配法的适用条件是什么？为什么称为剪力分配法？考核要求：
（三）课后习题
课后习题选做。
第十章 矩阵位移法
（一）目的与要求
1.掌握单元刚度矩阵和单元等效结点荷载矩阵的形成；掌握已知结点位移求单元杆端力的求解方法。熟练掌握结构整体刚度矩阵元素的物理意义和集成过程及结构综合结点荷载的集成过程。
2.熟练掌握用矩阵位移法计算连续梁；掌握用矩阵位移法计算刚架。
3.平面刚架单元的单元刚度矩阵不要求背记，考试时给出。但须注意不同坐标系下某些元素符号的不同。一些常用的单元固端力要求记住．考试时不给出。
（二）教学内容
1.主要内容
矩阵位移法基本思想，结构离散化，平面刚架单元的刚度矩阵（局部坐标系、整体坐标系），坐标转换矩阵，单元定位向量，单元集结构整体刚度矩阵，等效结点荷载，结构整体荷载列阵，先处理法。
2.基本概念和知识点
基本概念：矩阵位移法
知识点：连续梁和刚架的矩阵位移法求解，刚架的矩阵位移法方程的建立。
3. 问题与应用
（1）试述矩阵位移法与传统位移法的异同。
（2）能否用结构的原始刚度方程求解节点的位移？
（三）课后习题
课后习题选做。
第十一章 影响线及其应用
（一）目的与要求
1. 领会影响线的概念，领会影响线与内力图的区别。
2. 熟练掌握用静力法绘制单跨静定梁支座反力和内力的影响线、 结点荷载作用下梁的影响线，掌握用静力法绘制梁式桁架影响线。
3. 熟练掌握用机动法绘制单跨静定梁、多跨静定梁支座反力和内力的影响线。
4. 掌握连续梁支座反力、内力影响线形状的确定。
5. 掌握影响量的计算。
6. 掌握可动均布荷载的最不利布置、移动荷载最不利位置的确定。
（二）教学内容
1.主要内容
影响线的概念，静力法、机动法作各类结构的反力与内力的影响线，影响线的应用。
2.基本概念和知识点
基本概念：影响线、静力法
知识点：影响线的概念，静力法、机动法作梁的反力与内力的影响线。荷载最不利位置的确定，弯矩影响线与弯矩图的区别，静力法作桁架的影响线。
3. 问题与应用
（1）怎样用静力法作单跨静定梁支座反力和内力的影响线？
（2）怎样用机动法绘制单跨静定梁的影响线？
（三）课后练习
1.什么是影响线？影响线上任一点的横坐标与纵坐标各代表什么意义？
2.机动法作影响线的原理是什么？
三、教学方法与手段
传统教室授课为主，网络教学为辅，课堂讨论，网上讨论，分组讨论，一定要弄懂每章节知识点体系，解题思路，归纳解题步骤，做一定量的习题正确演绎。
四、教学内容及目标
教学内容 |
教学目标 |
学时 分配 |
第一章 绪论 |
|
3 |
1、结构力学的研究对象和任务 |
理解 |
|
2、结构力学的发展简史 |
理解 |
|
3、荷载的分类 |
理解 |
|
4、结构的计算简图 |
掌握 |
|
5、支座和结点的类型 |
掌握 |
|
6、结构的分类 |
了解 |
|
重点与难点: |
结构的计算简图 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
理解课后思考题 |
第二章 平面体系的机动分析 |
|
6 |
1、概述 |
了解 |
|
2、平面体系的计算自由度 |
掌握 |
|
3、几何不变体系的基本组成规则 |
掌握 |
|
4、瞬变体系 |
掌握 |
|
5、机动分析示例 |
掌握 |
|
6、三刚片体系中虚铰在无穷远处的情况 |
掌握 |
|
7、几何构造与静定性的关系 |
理解 |
|
重点与难点: |
几何不变体系的基本组成规则 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
会快准狠进行平面体系的机动分析 |
第三章 静定梁与静定刚架 |
|
9 |
1、单跨静定梁 |
掌握 |
|
2、多跨静定梁 |
掌握 |
|
3、静定平面刚架 |
掌握 |
|
4、少求或不求反力绘制弯矩图 |
掌握 |
|
5、静定结构的特性 |
理解 |
|
重点与难点: |
静定平面刚架的内力图的绘制 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第四章 静定拱 |
|
3 |
1、概述 |
了解 |
|
2、三铰拱的计算 |
理解 |
|
4、三铰拱的合理拱轴线 |
理解 |
|
重点与难点: |
三铰拱的合理拱轴线 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第五章 静定平面桁架 |
|
9 |
1、平面桁架的计算简图 |
理解 |
|
2、结点法 |
掌握 |
|
3、截面法 |
掌握 |
|
4、截面法和结点法的联合应用 |
掌握 |
|
5、常用梁式桁架的比较 |
理解 |
|
6、组合结构的计算 |
掌握 |
|
重点与难点: |
截面法和结点法的联合应用；组合结构的计算 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第六章 结构位移计算 |
|
9 |
1、概述 |
了解 |
|
2、变形体系的虚功原理 |
理解 |
|
3、位移计算的一般公式 单位荷载法 |
掌握 |
|
4、静定结构在荷载作用下的位移计算 |
掌握 |
|
5、图乘法 |
掌握 |
|
6、静定结构温度变化时的位移计算 |
掌握 |
|
7、静定结构支座移动时的位移计算 |
掌握 |
|
8、线弹性结构的互等定理 |
理解 |
|
重点与难点: |
单位荷载法的理解与应用；图乘法找面积和形心 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第七章 力法 |
|
9 |
1、概述 |
了解 |
|
2、超静定次数的确定 |
理解 |
|
3、力法的基本概念 |
掌握 |
|
4、力法的典型方程 |
掌握 |
|
5、力法的计算步骤和示例 |
掌握 |
|
6、对称性的利用 |
理解 |
|
7、超静定结构的位移计算 |
掌握 |
|
8、最后内力图的校核 |
理解 |
|
9、温度变化时超静定结构的计算 |
掌握 |
|
10、支座移动时超静定结构的计算 |
掌握 |
|
13、超静定结构的特性 |
理解 |
|
重点与难点: |
对称性的利用；温度变化时超静定结构的计算；支座移动时超静定结构的计算 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第八章 位移法 |
|
6 |
1、概述 |
了解 |
|
2、等截面直杆的转角位移方程 |
掌握 |
|
3、位移法的基本未知量和基本结构 |
掌握 |
|
4、位移法的典型方程及计算步骤 |
掌握 |
|
6、对称性的利用 |
理解 |
|
重点与难点: |
对称性的利用 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第九章 渐近法 |
|
6 |
1、概述 |
了解 |
|
2、力矩分配法的基本原理 |
掌握 |
|
3、用力矩分配法计算连续梁和无侧移刚架 |
掌握 |
|
4、无剪力分配法 |
掌握 |
|
5、剪力分配法 |
掌握 |
|
重点与难点: |
无剪力分配法；剪力分配法 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第十章 矩阵位移法 |
|
3 |
1、概述 |
了解 |
|
2、单元刚度矩阵 |
掌握 |
|
3、单元刚度矩阵的坐标变换 |
掌握 |
|
4、结构的原始刚度矩阵 |
掌握 |
|
重点与难点: |
单刚、总刚 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
第十一章 影响线及其应用 |
|
9 |
1、概述 |
了解 |
|
2、用静力法作单跨静定梁的影响线 |
理解 |
|
3、间接荷载作用下的影响线 |
理解 |
|
4、用机动法作单跨静定梁的影响线 |
掌握 |
|
5、多跨静定梁的影响线 |
掌握 |
|
6、桁架的影响线 |
掌握 |
|
7、利用影响线求量值 |
掌握 |
|
8、铁路和公路的标准荷载制 |
理解 |
|
9、最不利荷载位置 |
掌握 |
|
10、换算荷载 |
掌握 |
|
11、简支梁的绝对最大弯矩 |
掌握 |
|
12、简支梁的包络图 |
掌握 |
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13、超静定结构影响线作法概述 |
理解 |
|
14、连续梁的均布活载最不利位置及包络图 |
理解 |
|
重点与难点: |
利用影响线求量值；最不利荷载位置；简支梁的绝对最大弯矩；简支梁的包络图 |
衡量学习是否达到目标的标准: |
独立完成课后习题 |
五、推荐教材和教学参考资源
1、推荐教材
李廉锟 主编.结构力学（第五版）. “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材.北京：高等教育出版社2010-07
2、参考书
（1）龙驭球、包世华主编.结构力学Ⅰ基本教程. 北京：高等教育出版社，2006-12
（2）朱慈勉主编.结构力学(上册)第三版. 北京：高等教育出版社，2016-8
大纲修订人：徐兆娟 修订日期：2017-12-31
大纲审定人： 审定日期：
