第一节 静力学基本概念

一、力

1.力的定义

在长期生活和实践中人们建立了力的概念：力是物体间相互的机械作用，这种作用使物体运动状态发生变化或使物体产生变形。前者称为力的运动效应，后者称为力的变形效应。例如，人们用手推着小车使小车由静止开始运动；用汽锤锻打工件，工件在锻锤作用下会发生变形等。

力的作用是相互的，以手拉弹簧，弹簧会伸长为例：弹簧能够伸长是由于人用力拉弹簧使其变形，同时人的手也能感觉到弹簧对自己的反作用力。因此，一个物体受到力的作用，必定有别的物体对它施加了这种作用，即受力物体和施力物体是相对而言的。物体间相互机械作用的形式多种多样，可以归纳为两类：一类是物体直接接触的作用，如压力、摩擦力等；另一类是通过场的作用，如万有引力对物体的吸引力、电场对物体的电磁力等。尽管物体间相互作用的形式和物理本质有所不同，但是机械作用效应是相同的，力使物体运动状态改变，称为运动效应或外效应；力使物体的形状发生变化，称为变形效应或内效应。静力学主要研究物体的外效应。

2.力的三要素

实践表明，力对物体的作用效应完全取决于力的三要素：力的大小、方向和作用点。力的大小表示物体间相互机械作用的强弱程度；力的方向指力的方位和指向，表示方向性是物体间的相互作用的一个特点；力的作用点表示力在物体上的作用位置。三个要素中有任何一个改变时，力的作用效应也会随之改变。要准确地表示出一个力就必须把它的大小、方向、作用点都准确地表示出来。

3.力的表示方法

力具有大小和方向，所以力是矢量，需服从矢量的平行四边形法则，在图上可以用带箭头的线段表示力的三要素。线段的长度代表力的大小，线段的方位和箭头的指向代表力

图1 1

的方向；线段的始端或终端表示力的作用点。通过力的作用点并沿着力的方向的直线（一般用虚线表示），称为力的作用线。如图11所示，带箭头的线段表示力F，其长度代表F的大小，点A为F的作用点，沿AB方向的直线为力的作用线。

通常用黑体字母F表示力的矢量，而普通字母F表示力的大小，这是标量。

4.力的单位

在国际单位制（SI）中，力的单位是牛[顿]（N）或千牛[顿]（kN），1kN=1000N。

二、力系

通常作用在物体上的力有若干个，把这若干个力总称为一个力系。工程中，按作用线的分布情况，力系中各力作用线位于同一平面的，称为平面力系；各力作用线不位于同一平面的，称为空间力系。按力的作用线所在的位置，分为平面力系和空间力系；按其作用线的相互关系，分为平行力系、汇交力系和一般力系。

如果物体在某个力系作用下处于平衡状态，则这个力系称为平衡力系。平衡力系所必须满足的条件称为平衡条件。

如果两个力系分别作用于一个物体时，其效应相同，则称这两个力系互为等效力系。如果一个力与一个力系等效，则称此力为该力系的合力，而该力系中的各力称为此力的分力。在不改变作用效果的前提下，用一个简单力系等效替代复杂力系的过程，称为力系的简化。

三、荷载

荷载是直接作用于结构上的主动外力，是引起结构内力和变形的重要原因。作用于结构或构件上的荷载类型很多，具体分类如下。

1.恒载和活载

按作用的时间长短，荷载可分为恒载和活载。恒载是作用于结构上的大小、方向与时间无关，不发生变化的荷载，如自重等。活载是作用于结构上的位置和大小均为可变的荷载，如流动的人群、桥面上跑动的汽车、可移动的设备等。

2.集中荷载和分布荷载

按作用的区域大小，荷载分为集中荷载和分布荷载。当荷载作用于结构上面积很小时，可以认为荷载集中作用在结构上的一点，称为集中荷载或集中力。当荷载的作用范围不可忽略，连续分布在结构上时，称为分布荷载或分布力，如线荷载、面荷载。

分布荷载的集中程度用集度q表示。体分布力中q的单位为牛[顿]/米³ （N/m³）；面分布力中q的单位为牛[顿]/米² （N/m²）；而土木工程中常见的分布力是按线性分布的，称为线分布力，对应的q的单位为牛[顿]/米（N/m）。集度q为常数的分布荷载属均布荷载，集度q为变量的分布荷载属非均布荷载。

3.静力荷载和动力荷载

按作用是否产生动力效应，荷载可分为静力荷载和动力荷载。当荷载作用在结构上变

化速度缓慢，不会引起结构产生明显加速度时，这种荷载称为静力荷载。当荷载作用在结构上，其大小和作用方向均随时间而变，引起结构产生明显的加速度，且不能忽略其惯性力时，这种荷载称为动力荷载。

除了上述外力的直接作用外，结构还会受到一些间接作用，如温度变化、支座移动、地震等，它们都会使结构产生内力和变形。广义上讲，这些作用都可视为荷载。