結(jié)構(gòu)力學(xué)-第7章力法課件

第七章力法§7-2超靜定次數(shù)的確定§7-3力法的基本概念§7-4力法的典型方程§7-6對稱性的利用§7-7超靜定結(jié)構(gòu)的位移計算§7-8最后內(nèi)力圖的校核§7-9溫度變化時超靜定結(jié)構(gòu)的計算§7-10支座位移時超靜定結(jié)構(gòu)的計算§7-11用彈性中心法計算無鉸拱§7-12兩鉸拱及系桿拱§7-5力法的計算步驟和示例§7-1概述§7-13超靜定結(jié)構(gòu)的特性§7-1概述超靜定結(jié)構(gòu)：用平衡條件不能確定全部反力和內(nèi)力的結(jié)構(gòu)。圖a所示梁僅由平衡條件無法確定豎向反力。其幾何構(gòu)造特征是具有一個多余聯(lián)系。多余未知力：多余聯(lián)系中產(chǎn)生的力。如圖b中的X1。可將任一豎向支座鏈桿作為多余聯(lián)系。圖a所示桁架僅由平衡條件無法確定桿件內(nèi)力。其幾何構(gòu)造特征是具有兩個多余聯(lián)系?？蓪筛睏U作為多余聯(lián)系如圖b。常見的超靜定結(jié)構(gòu)類型超靜定拱§7-1概述超靜定剛架超靜定桁架求解超靜定結(jié)構(gòu)的條件（1）平衡條件：受力狀態(tài)滿足平衡方程（2）幾何條件：結(jié)構(gòu)的變形和位移符合支承約束條件和各部件之間的變形連續(xù)條件（3）物理條件：變形或位移與力之間的物理關(guān)系從靜力分析看：超靜定次數(shù)=多余未知力的數(shù)目從幾何構(gòu)造看：超靜定次數(shù)=多余聯(lián)系的數(shù)目（1）去掉或切斷一根鏈桿，相當(dāng)于去掉一個聯(lián)系。§7-2超靜定次數(shù)的確定（2）拆開一個單鉸，相當(dāng)于去掉兩個聯(lián)系。（3）切開一個剛結(jié)點，或去掉一個固定端，相當(dāng)于去掉三個聯(lián)系。（4）剛結(jié)改為單鉸聯(lián)結(jié)，相當(dāng)于去掉一個聯(lián)系。21次超靜定§7-2超靜定次數(shù)的確定圖a所示結(jié)構(gòu)，在拆開單鉸、切斷鏈桿、切開剛結(jié)處后，得到圖b所示靜定結(jié)構(gòu)6次超靜定同一超靜定結(jié)構(gòu)，可以用不同方式去掉多余聯(lián)系，如圖c、d所示靜定結(jié)構(gòu)對于有較多框格的結(jié)構(gòu)，一個封閉無鉸的框格，其超靜定次數(shù)等于3。16次超靜定9次超靜定§7-3力法的基本概念基本未知量—多余聯(lián)系上的多余未知力圖a所示梁是一次超靜定結(jié)構(gòu)。把支座B作為多余聯(lián)系去掉得到圖b中的靜定結(jié)構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)—去掉多余聯(lián)系后得到的靜定結(jié)構(gòu)基本體系—基本結(jié)構(gòu)作用原荷載和多余未知力基本體系圖c表示X1單獨作用在基本結(jié)構(gòu)上，B點沿X1方向的位移，沿X1方向為正。圖d表示荷載q單獨作用在基本結(jié)構(gòu)上，B點沿X1方向的位移。1=11+1P=0原結(jié)構(gòu)B點沿X1方向的位移1=0。力法基本方程可寫為§7-3力法的基本概念δ11—表示X1=1時，B點沿X1方向的位移，Δ11=δ11X1。

11+1P=0繪出基本結(jié)構(gòu)在X1=1、荷載q作用下的彎矩圖，如圖a、b?？傻茂B加法繪彎矩圖圖a是三次超靜定結(jié)構(gòu)，去掉固定支座A，得如圖b所示的基本結(jié)構(gòu)?！?-4力法的典型方程位移條件：A處不能有任何位移。1=0，2=0，3=0和F分別作用于基本結(jié)構(gòu)時A點沿X1方向的位移分別為A點沿X2方向的位移分別為A點沿X3方向的位移分別為位移條件可寫為§7-4力法的典型方程

n次超靜定結(jié)構(gòu)，有n個多余未知力，有n個已知位移條件，可建立n個方程。當(dāng)n個已知位移條件都為0時，方程為力法典型方程主系數(shù)，恒大于0。副系數(shù)，自由項柔度系數(shù)柔度方程圖a所示剛架為兩次超靜定，去掉鉸支座B，得基本體系如圖b§7-5力法的計算步驟和示例基本體系由B點的位移條件，建立力法典型方程為求系數(shù)和自由項§7-5力法的計算步驟和示例代入典型方程解得疊加法作彎矩圖在荷載作用下，超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力只與各桿的剛度相對值有關(guān)，與其剛度絕對值無關(guān)。同一材料組成的結(jié)構(gòu)，內(nèi)力與材料性質(zhì)無關(guān)。力法的計算步驟（1）確定超靜定次數(shù)，去掉多余聯(lián)系，得到靜定的基本結(jié)構(gòu)，以多余未知力代替相應(yīng)多余聯(lián)系。（2）根據(jù)多余聯(lián)系處的位移條件，建立力法的典型方程。（3）作基本結(jié)構(gòu)各單位內(nèi)力圖和荷載內(nèi)力圖，計算系數(shù)和自由項。（4）解算典型方程，求出各多余未知力。（5）由平衡條件或疊加法求得最后內(nèi)力?！?-5力法的計算步驟和示例例7-1試分析圖a所示兩端固定梁。EI=常數(shù)。解：取簡支梁為基本結(jié)構(gòu)，基本體系如圖b所示?！?-5力法的計算步驟和示例基本體系典型方程為各彎矩圖如圖c、d、e、f。因故可得兩端固定的梁在垂直于梁軸線的荷載作用下，不產(chǎn)生水平反力。典型方程變?yōu)椤?-5力法的計算步驟和示例求各系數(shù)和自由項（只考慮彎矩影響）代入典型方程解得最后彎矩圖如下圖§7-5力法的計算步驟和示例例7-2試用力法計算圖a所示超靜定桁架的內(nèi)力。設(shè)各桿EA相同。解：這是一次超靜定結(jié)構(gòu)，切斷上弦桿用X1

代替，基本體系如圖b所示?；倔w系位移條件：桿件切口兩側(cè)軸向相對位移為0。典型方程為各內(nèi)力圖如圖c、d?！?-5力法的計算步驟和示例各桿最后內(nèi)力按疊加法計算如圖。也可將上弦桿去掉用X1代替，基本體系如圖a所示。典型方程為典型方程的物理意義：基本結(jié)構(gòu)在F和X1共同作用下，結(jié)點3、4所產(chǎn)生的水平相對線位移等于原結(jié)構(gòu)的相對線位移。注意：系數(shù)δ11中不包含34桿件。§7-5力法的計算步驟和示例例7-3圖a為一加勁梁，橫梁I=1×10-4m4，鏈桿A=1×10-3m2，

E=常數(shù)。試求梁的彎矩圖和各桿的軸力，并討論改變鏈桿截面A時的內(nèi)力變化。解：這是一次超靜定組合結(jié)構(gòu)，切斷豎向鏈桿用X1代替，基本體系如圖b所示?；倔w系位移條件：切口處相對軸向位移為0。典型方程為各內(nèi)力圖如圖c、d。梁只計彎矩影響。§7-5力法的計算步驟和示例由位移計算公式解得最后內(nèi)力梁的彎矩、各桿軸力如圖e。與沒有鏈桿時比較最大彎矩值減少了80.7%

§7-5力法的計算步驟和示例由位移計算公式A減小時：δ11增大，X1絕對值減小，梁的正彎矩值增大負(fù)彎矩值減小。A→0時：梁的彎矩圖與簡支梁彎矩圖相同。A增大時：梁的正彎矩值減小負(fù)彎矩值增大。A→∞時：梁的中點相當(dāng)于有一剛性支座，梁的彎矩圖與兩跨連續(xù)梁的彎矩圖相同。如圖f?！?-5力法的計算步驟和示例例7-4圖a所示為裝配式鋼筋混凝土單跨單層廠房排架結(jié)構(gòu)的計算簡圖，其中左、右柱為階梯形變截面桿件，橫梁為

EA=∞的二力桿。試用力法求其彎矩圖。豎桿E為常數(shù)。解：排架為一次超靜定結(jié)構(gòu)，切斷二力桿用X1代替，基本體系如圖b所示。基本體系典型方程為各內(nèi)力圖如圖c、d?！?-5力法的計算步驟和示例計算系數(shù)和自由項。解得彎矩圖如圖e。疊加法作彎矩圖§7-6對稱性的利用對稱的意義：（1）結(jié)構(gòu)的幾何形狀和支承情況對稱（2）各桿的剛度（EI、EA等）也對稱圖a為一對稱結(jié)構(gòu)，有一個對稱軸。將對稱軸穿過的截面切開，得到一個對稱的基本結(jié)構(gòu)如圖b。正對稱的力：對稱軸兩側(cè)的力大小相等，沿對稱軸對折后作用點和作用線重合且指向相同。反對稱的力：對稱軸兩側(cè)的力大小相等，沿對稱軸對折后作用點和作用線重合且指向相反。X1、X2是正對稱的，X3是反對稱的。1、選取對稱的基本結(jié)構(gòu)§7-6對稱性的利用繪出基本結(jié)構(gòu)各單位彎矩圖如圖a、b、c。圖a、b是正對稱的，圖c是反對稱的?？傻玫湫头匠毯喕癁橹话龑ΨQ的X1、X2

只包含反對稱的X3§7-6對稱性的利用當(dāng)結(jié)構(gòu)作用正對稱荷載時，如圖a。MP圖是正對稱的，如圖b。只存在正對稱的X1、X2，最后彎矩圖是正對稱的，形狀如圖c。注意：剪力圖是反對稱的。§7-6對稱性的利用當(dāng)結(jié)構(gòu)作用反對稱荷載時，如圖a。MP圖是反對稱的，如圖b。只存在反對稱的X3，最后彎矩圖是反對稱的，形狀如圖c。注意：剪力圖是正對稱的?！?-6對稱性的利用對稱結(jié)構(gòu)在正對稱荷載作用下：彎矩圖和軸力圖是正對稱的，剪力圖是反對稱的；反力與位移是正對稱的。對稱結(jié)構(gòu)在反對稱荷載作用下：彎矩圖和軸力圖是反對稱的，剪力圖是正對稱的；反力與位移是反對稱的?！?-6對稱性的利用例7-5試分析圖a所示剛架。設(shè)EI=常數(shù)。解：荷載是反對稱的，只有反對稱的多余未知力，取對稱的基本體系如圖b。基本體系作各彎矩圖如圖c、d?！?-6對稱性的利用由圖乘法代入典型方程疊加法作彎矩圖2、未知力分組及荷載分組§7-6對稱性的利用圖a所示對稱剛架作用非對稱荷載?；倔w系如圖b?；倔w系為利用對稱性，將未知力進(jìn)行分組?；験1為一對正對稱的未知力組。Y2為一對反對稱的未知力組。§7-6對稱性的利用將求解未知力X1、X2的問題轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠼鈨蓪ξ粗MY1、Y2。如圖a。作Y1=1、Y2=1的彎矩圖，如圖b、c。圖b為正對稱的、圖c為反對稱的。典型方程簡化為Y1、Y2為廣義力，典型方程的物理意義也轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的廣義位移條件。第一式代表A、B兩點同方向的豎向位移之和為0。第二式代表A、B兩點反方向的豎向位移之和為0?！?-6對稱性的利用對稱結(jié)構(gòu)作用一般非對稱荷載時，可以將荷載分解為正、反對稱兩組，如下圖。正對稱荷載作用只有正對稱的多余未知力，反對稱荷載作用只有反對稱的多余未知力，兩者疊加即為原結(jié)構(gòu)的解。3、取一半結(jié)構(gòu)計算（利用對稱性）§7-6對稱性的利用（1）奇數(shù)跨對稱結(jié)構(gòu)作用正對稱荷載如圖a，C截面只有豎向位移，有彎矩和剪力，截取一半剛架如圖b。作用反對稱荷載如圖c，C截面不能有豎向位移，只有剪力，截取一半剛架如圖d?！?-6對稱性的利用（2）偶數(shù)跨對稱結(jié)構(gòu)作用正對稱荷載如圖a，C結(jié)點不能有任何位移，截取一半剛架如圖b。作用反對稱荷載如圖c，將中間柱視為兩根剛度為I/2的豎桿組成，在頂點與梁剛結(jié)。如圖e。由于荷載是反對稱的，兩柱中間的橫梁C處只有剪力。如圖f。剪力FSC對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形無影響。簡化的一半剛架如圖d?！?-6對稱性的利用解：結(jié)構(gòu)是一個三次超靜定結(jié)構(gòu)，有兩個對稱軸?？扇?/4結(jié)構(gòu)分析，計算簡圖如圖b?；倔w系如圖c。取極坐標(biāo)系，單位彎矩和荷載彎矩分別為：例7-6試計算圖a所示圓環(huán)的內(nèi)力。EI=常數(shù)?！?-6對稱性的利用各彎矩圖如圖a、b。

位移計算時略去軸力、剪力及曲率影響，只計彎矩一項。則：可得§7-7超靜定結(jié)構(gòu)的位移計算結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)及彎矩圖如圖a。試求CB桿中點K的豎向位移△Ky。虛設(shè)力狀態(tài)及彎矩圖如圖b。

為作出圖b，需要解算一個2次超靜定結(jié)構(gòu)。比較麻煩！§7-7超靜定結(jié)構(gòu)的位移計算由力法計算超靜定結(jié)構(gòu)可知：在荷載及多余未知力共同作用下，基本結(jié)構(gòu)的受力和位移與原結(jié)構(gòu)完全一致。求超靜定結(jié)構(gòu)的位移可以用求基本結(jié)構(gòu)的位移代替。虛擬狀態(tài)如圖c、d。由圖c由圖d§7-7超靜定結(jié)構(gòu)的位移計算

計算超靜定結(jié)構(gòu)位移步驟（1）計算超靜定結(jié)構(gòu)，求出實際狀態(tài)的內(nèi)力。（2）任選一種基本結(jié)構(gòu)，虛擬力狀態(tài)。（3）計算所求位移?！?-8最后內(nèi)力圖的校核平衡條件校核彎矩圖校核：如圖a，取E點為隔離體，如圖b。應(yīng)滿足即剪力圖和軸力圖校核：可取結(jié)點、桿件或結(jié)構(gòu)的一部分為隔離體，考察是否滿足：和§7-8最后內(nèi)力圖的校核位移條件校核

圖a為剛架的最后彎矩圖。檢查A處的水平位移是否為0，虛擬力狀態(tài)并作彎矩圖如圖b。利用圖a與圖b圖乘，得滿足位移條件§7-8最后內(nèi)力圖的校核對于具有封閉無鉸框格的剛架如圖a，取圖b所示的虛擬力狀態(tài)，檢查K截面相對轉(zhuǎn)角是否為0。上式表明，在任一封閉無鉸的框格上，彎矩圖的面積除以相應(yīng)剛度的代數(shù)和等于0?！?-9溫度變化時超靜定結(jié)構(gòu)的計算圖a所示靜定梁，當(dāng)溫度改變時，梁可以自由地變形不受任何阻礙。圖b所示超靜定梁，當(dāng)溫度改變時，梁的變形受到兩端支座的限制，因而產(chǎn)生支座反力及內(nèi)力。圖c所示剛架，溫度改變?nèi)鐖D。取圖d所示基本體系?；窘Y(jié)構(gòu)在外因和多余未知力共同作用下，去掉多余聯(lián)系處的位移與原結(jié)構(gòu)的位移相符。§7-9溫度變化時超靜定結(jié)構(gòu)的計算式中系數(shù)的計算與以前相同，與外因無關(guān)。自由項為基本結(jié)構(gòu)由于溫度變化引起的位移，計算式為典型方程為最后彎矩為對于剛架位移計算公式為對多余未知力Xi方向的位移校核式為§7-9溫度變化時超靜定結(jié)構(gòu)的計算例7-7圖a所示剛架外側(cè)溫度升高25℃，內(nèi)側(cè)溫度升高35℃，試?yán)L制其彎矩圖并計算橫梁中點的豎向位移。EI=常數(shù)，截面對稱于形心軸，高度h=l/10，材料的線膨脹系數(shù)為α。解：這是一次超靜定剛架，基本體系如圖b。典型方程為虛擬力狀態(tài)及內(nèi)力圖如圖c§7-9溫度變化時超靜定結(jié)構(gòu)的計算解典型方程得溫度變化時，超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與各桿剛度的絕對值有關(guān)。求橫梁中點豎向位移虛擬力狀態(tài)及內(nèi)力圖如圖b。最后彎矩為彎矩圖如圖a。§7-10支座位移時超靜定結(jié)構(gòu)的計算圖a所示靜定梁，當(dāng)支座B發(fā)生豎向位移時不會受到任何阻礙。結(jié)構(gòu)只隨之發(fā)生剛體位移，不產(chǎn)生彈性變形和內(nèi)力。圖b所示超靜定梁，當(dāng)支座B發(fā)生豎向位移時將受到AC梁的牽制，使各支座產(chǎn)生反力，梁產(chǎn)生內(nèi)力。§7-10支座位移時超靜定結(jié)構(gòu)的計算圖a所示剛架，當(dāng)支座B由于某種原因發(fā)生圖示位移。基本體系如圖b。典型方程為系數(shù)的計算同前。自由項代表基本結(jié)構(gòu)由于支座移動引起的位移，計算式為§7-10支座位移時超靜定結(jié)構(gòu)的計算多余未知力分別等于1時的彎矩圖如圖c、d、e。最后彎矩為位移計算為Xi方向位移條件校核式為或為已知值§7-10支座位移時超靜定結(jié)構(gòu)的計算例7-8圖a所示兩端固定的等截面梁A段發(fā)生了轉(zhuǎn)角，試分析其內(nèi)力。解：取基本體系如圖b。因X3=0，典型方程為多余未知力分別等于1時的彎矩圖如圖c、d?？傻谩?-10支座位移時超靜定結(jié)構(gòu)的計算最后彎矩為如圖e校核：檢查B支座轉(zhuǎn)角是否為0。虛擬力狀態(tài)及彎矩圖如圖f。位移計算為§7-10支座位移時超靜定結(jié)構(gòu)的計算例7-9圖a所示連續(xù)梁EI=常數(shù)，B處為彈性支座，彈簧剛度

k=10EI/l3。試作其彎矩圖并求D點的豎向位移。解：（1）取基本體系一如圖b。典型方程為相應(yīng)彎矩圖如圖c、d?？傻米詈髲澗貫槿鐖De§7-10支座位移時超靜定結(jié)構(gòu)的計算（2）取基本體系二如圖f。典型方程為相應(yīng)彎矩圖如圖g、h?？傻脧澗貓D同e（3）求D點豎向位移，虛擬狀態(tài)彎矩圖如圖i?！?-11用彈性中心法計算無鉸拱常用超靜定拱型式超靜定拱：彎矩分布比較均勻，夠造簡單，工程中應(yīng)用較多。無鉸拱兩鉸拱§7-11用彈性中心法計算無鉸拱計算超靜定拱：需事先確定拱軸線方程和截面變化規(guī)律。常用的拱軸線形式：懸鏈線，拋物線，圓弧，多心圓等。超靜拱合理拱軸線：忽略軸向變形影響時，與相應(yīng)三鉸拱相同?？紤]軸向變形時：超靜定拱產(chǎn)生彎矩，但數(shù)值不大，可進(jìn)行修改調(diào)整。超靜定拱拱截面：變截面，等截面。無鉸拱截面：拱址處彎矩大，截面常設(shè)計成由拱頂向拱址逐漸增大的形式。拱橋設(shè)計中的經(jīng)驗公式（7-8）IC：拱頂截面二次矩，n：拱厚變化系數(shù)。IK：拱址處截面二次矩，：拱址處拱軸切線傾角。n愈小，拱厚變化愈激烈。n的范圍：0.25~1。n=1時截面面積A近似為當(dāng)拱高f<l/8時可近似為常數(shù)§7-11用彈性中心法計算無鉸拱§7-11用彈性中心法計算無鉸拱圖a所示無鉸拱是三次超靜定結(jié)構(gòu)。利用對稱性取基本體系如圖b。如何做？將圖a所示無鉸拱沿拱頂截面切開，再切口糧邊沿對稱軸方向引出兩個剛度無窮大的剛臂，如圖c。剛臂本身是不變形的，保證切口兩邊截面無任何相對位移，此結(jié)構(gòu)與原無鉸拱的變形一致，可以代替原無鉸拱?！?-11用彈性中心法計算無鉸拱取基本體系如圖d，這是兩個帶剛臂的懸臂曲梁。利用對稱性，適當(dāng)選擇剛臂的長度，可以使典型方程中全部系數(shù)都為0。符號規(guī)定坐標(biāo)原點：剛臂端點O；坐標(biāo)方向：x軸向右為正，y軸向下為正；彎矩：拱內(nèi)側(cè)受拉為正；剪力：繞隔離體順時針方向為正；軸力：壓力為正?！?-11用彈性中心法計算無鉸拱多余未知力分別為1作用時，如圖a、b、c。§7-11用彈性中心法計算無鉸拱令沿拱軸線作寬度為1/EI的圖形（如圖）。ds/EI代表圖中的微面積，ys即為這個圖形面積的形心坐標(biāo)。圖形的面積與EI有關(guān)—稱為彈性面積圖，其形心稱為彈性形心。彈性中心法：把剛臂端點引到彈性中心上，將X2、X3置于主軸方向上，使全部系數(shù)都等于0。可得剛臂長度yS為§7-11用彈性中心法計算無鉸拱典型方程簡化為三個獨立方程由于拱的曲率對計算結(jié)果影響很小，可用直桿計算公式求系數(shù)和自由項，多數(shù)情況可忽略軸向變形和剪切變形的影響。如下表fhcδ22δ33△2P，

△3Pf<l/5M，F(xiàn)NMMf>l/5hc>l/10M，F(xiàn)N，F(xiàn)SM，F(xiàn)SHc<l/10MM計算系數(shù)和自由項時需考慮影響的內(nèi)力§7-11用彈性中心法計算無鉸拱拱頂截面高度hc<l/10，f<l/5時，f>l/5時，δ22中的軸力影響項可略去?！?-11用彈性中心法計算無鉸拱當(dāng)時有可得用數(shù)值積分法即總和法計算任一截面內(nèi)力按疊加法求得基本結(jié)構(gòu)荷