理解结构力学：看懂那些结构简图之荷载

2020-5-27 10:40| 发布者: weixin| 查看: 405| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 相较于梁、柱、支座这些可视的物件而言，力要抽象的多，我们不妨先从实际出发，来“感受”一下所谓的荷载概念。

经过前面的内容，我们已经能够理解单纯的一个结构如何被化简到纸上（理解结构力学：看懂那些结构简图）。那么，必然面临的一个问题就出现了，那就是力如何进行简化。

确实，相较于梁、柱、支座这些可视的物件而言，力要抽象的多，我们不妨先从实际出发，来“感受”一下所谓的荷载概念。

01、现实中的荷载

我们先假想一个立方体，这个立方体在几何特性来说有两个重要的特征，一是体积，二是表面积。

对于构件承受的荷载而言，也可大致分为两类，一是体积力，二是表面力。

那么，什么是体积力？静力学分析的层次来讲，体积力就是处在这个世界中，万事万物都会收到的力——重力，如果考虑动力学部分，比如结构受到地震作用，那么结构的惯性产生的力也是体积力。

而表面力不难理解，那些靠接触结构表面传递的荷载就是表面力，比如水对大坝产生的水压力，土对挡土墙产生的土压力，汽车对路面产生的轮压力等。

了解到真实的荷载分类后就会发现一个问题，以上的力不管是关于体积还是表面积而言都是三维空间下的描述，而我们之前作出的结构简图都是二维的，三维下的力不能不做处理的直接与二维结构简图结合分析，自然的，力也需要进行简化。

02、力学简图中的荷载

因为力学简图中，所有的梁体、杆件都被抽象成了一根直线，因此，所有的力也只能作用在轴线上，如果某荷载的作用面相对结构自身表面而言很小，那么就可以将这个荷载抽象成一集中力。比如汽车过桥时，车轮对桥面的荷载就可以抽象为集中力（作局部力学问题分析除外）。

将其力学简图表达如下（上面部分为力学简化，下面部分表示车轮分布）：

那如果上部荷载遍布或部分作用于轴向长度方向上，那么这样的力我们就要将它们抽象成均布荷载。比如下完大雪后房顶的积雪产生的雪荷载，再比如公路的安全护栏也可抽象成均布荷载。

对于这类荷载的力学简图我们表达如下：

03、“特殊”点的情况

现在我们知道了一般简化原则以及如何进行荷载表达，那么对于一些相对稍微特殊点的问题的应对就变得尤为重要。比如集中力的大小该如何在图中体现出来，这点和所有物理学的原则一致，箭头的方向代表力的方向，箭头所指的点代表力点作用点，箭线点长度代表力点大小。

那么均布荷载呢？其实原则是一致的，均布荷载可以看成是很多集中力汇总的宏观效果，如果结构上部的均布荷载不一致（比如雪在房顶如果堆积后经人为扫雪而不均匀等），那么均布荷载表示简图中的箭尾连线就既可能是一条斜线，也可能是一条曲线了。

至此，我们就已经能将一个实际结构，从结构到受力简化到纸上了，下面举一个例子。

04、一个实际例子

这是一水电站的高压水管被一系列支托承托的示意图，若是只对温度伸缩接头到右侧固定台部分的水管作分析，这样的工程实际问题，我们如何将其进行力学简化呢？

首先，自然是结构简化。这是一个典型的连续梁结构，读者可以将右侧的固定台看作是固定端支座（自重很大，既限制移动，也限制转动），其余的支托看作可动铰支座（此部分内容可在支座这篇文中阅读）。然后，水压力是均匀的施加在水管壁上的，于是可以将其所受自重以及水压力抽象为均布荷载。整合以上内容，可将其力学简图表达如下：

如此，一个实际问题就被力学化了，至于如何进行分析将会是后面结构力学重点研究的内容了。

来源：头条号新叔的科学日常

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