平面结构的几何组成
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结构力学(几何组成分析)详解
单铰－２个约束
刚结点－３个约束
四、多余约束 分清必要约束和非必要约束。
五、瞬变体系及常变体系
C
A
B
A C’
B
六、瞬铰 O . . O’
0 0' P
M 0 0
N1
N2
N3 Pr 0
N3
N3
Pr
A
B
C D
§2-2 几何不变体系的组成规律
讨论没有多余约束的,几何不变体系的组成规律。
j=8
b=12+4
Ｗ＝２×8－12－4＝0
单链杆：连接两个铰结点的链杆。 复链杆：连接两个以上铰结点的链杆。
连接 n个铰结点的复链杆相当于(2n-3)个单链杆。
j 7 b 3 3 5 3 14
W 2 7 14 0
三、混合体系的自由度
W (3m 2 j) (2h b)
(2,3)
1
2
3
5 4
6
(1,2)
1
2
3
(2,3)4
5 6
(1,2)
1
2
3
5 4
6
(2,3)
1
2
3 (1,2)
(2,3) 5
4
6
1
2
3 (1,3)
5 4 (1,2)
6
.
(2,3)
几何瞬变体系
补3 ：
.O1
Ⅰ
.O2
ⅡⅡ
Ⅲ
ADCF和BECG这两部分都是几何不变的，作为刚 片Ⅰ、Ⅱ，地基为刚片Ⅲ。而联结三刚片的O1、 O2、 C不共线，故为几何不变体系，且无多余联系。 返 回
[精品]平面体系的几何组成分析
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三、点、刚片、结构的自由度
四、约束（联系）
1、约束：凡能减少自由度的装置。
2、一根链杆相当于一个约束(图3）。
y
o
x
（图3）
y
o
x
x
y
3、一个简单铰相当于两个约束(图4）。
y
o
x
（图4）
y
o
x
x
y
4、联结n个刚片的复铰相当于(n-1)个简单铰，减少(n-1)×2个约束（图5）。
（图5）
F
A
B
C
实饺：几何可变
虚饺：几何瞬变
2、三根链杆相互平行
实饺
虚饺
三饺共线（瞬变）
三个刚片上用不在同一直线上的三个铰两两相联结，形成无多余约束的几何不变体系。
三、三个刚片间的联结（规则三）：
第四节 几何组成分析的方法、步骤和举例
一、方法 一般先考察体系的计算自由度，若W0，则体系为几何可变，不必进行 几何组成分析；若W0，则应进行几何组成分析。
三、举例
例题1
结论: 无多余约束几何不变体系
第五节 体系几何组成与静定性的关系
一、几何可变体系 一般无静力解答。
二、无多余联系的几何不变体系 静力解答唯一确定。
三、几何瞬变体系 其平衡方程或者没有有限值解答，或在特殊情况下，解答不确定。
四、具有多余联系的几何不变体系 静力解答有无穷多组解。
二、两个刚片之间的联结（规则二）：
两个刚片上用一个铰和一根不通过此铰的一根链杆相连结，形成无多余约束的几何不变体系（或：两个刚片上用三根不交于一点、也不全平行的三根链杆相连结 ，形成无多余约束的几何不变体系）。
特殊情况： 1、三根链杆交于一点
四、约束（联系）
1、约束：凡能减少自由度的装置。
2、一根链杆相当于一个约束(图3）。
y
o
x
（图3）
y
o
x
x
y
3、一个简单铰相当于两个约束(图4）。
y
o
x
（图4）
y
o
x
x
y
4、联结n个刚片的复铰相当于(n-1)个简单铰，减少(n-1)×2个约束（图5）。
（图5）
F
A
B
C
实饺：几何可变
虚饺：几何瞬变
2、三根链杆相互平行
实饺
虚饺
三饺共线（瞬变）
三个刚片上用不在同一直线上的三个铰两两相联结，形成无多余约束的几何不变体系。
三、三个刚片间的联结（规则三）：
第四节 几何组成分析的方法、步骤和举例
一、方法 一般先考察体系的计算自由度，若W0，则体系为几何可变，不必进行 几何组成分析；若W0，则应进行几何组成分析。
三、举例
例题1
结论: 无多余约束几何不变体系
第五节 体系几何组成与静定性的关系
一、几何可变体系 一般无静力解答。
二、无多余联系的几何不变体系 静力解答唯一确定。
三、几何瞬变体系 其平衡方程或者没有有限值解答，或在特殊情况下，解答不确定。
四、具有多余联系的几何不变体系 静力解答有无穷多组解。
二、两个刚片之间的联结（规则二）：
两个刚片上用一个铰和一根不通过此铰的一根链杆相连结，形成无多余约束的几何不变体系（或：两个刚片上用三根不交于一点、也不全平行的三根链杆相连结 ，形成无多余约束的几何不变体系）。
特殊情况： 1、三根链杆交于一点
结构力学第二章 平面体系的几何组成分析
普通机械中使用的机构有一个自由度，即只有一种运 动方式；
一般工程结构都是几何不变体系，其自由度为零。 凡是自由度大于零的体系就是几何可变体系。
精品课件
8
2-1 几何构造分析的几个概念 四、约束 约束是指限制物体或体系运动的各种装置，可以分为外部约 束和内部约束两种。
外部约束：体系与基础之间的联系，也就是支座； 内部约束：体系内部各杆之间或结点之间的联系，比如铰结 点，刚结点和链杆等。
用铰和基础相连的运动情况完全相同。
从瞬时微小运动来看，两根链杆所起的约
束作用相当于在链杆交点处的一个铰所起
I C
的约束作用，这个铰称为 瞬铰
A
在体系运动的过程中，瞬铰的位置随之变
1
2 化。
B
D 用瞬铰替换对应的两个链杆约束，这种约
束的等效变换只适用于瞬时微小运动。
精品课件
20
2-1 几何构造分析的几个概念
精品课件
31
2-2 平面几何不变体系的组成规律 四、体系的装配
1 从基础出发进行装配-【例2-1】
① A
② ④
⑤ C
⑥ ⑧
⑩ E
③ B ⑦D⑨
① A
② ④
③B
⑤ C
⑥ ⑧
⑩ E
⑦D ⑨
精品课件
32
2-2 平面几何不变体系的组成规律 四、体系的装配 1 从基础出发进行装配-【例2-2】
A
Ⅱ
B Ⅲ CⅣ D
A
2 3 固定一个结点的装配格式简单装配格式
B
I
C
A
A
II
II
固定一个刚片的装配格式
3
3
B
I
B C 12 I
一般工程结构都是几何不变体系，其自由度为零。 凡是自由度大于零的体系就是几何可变体系。
精品课件
8
2-1 几何构造分析的几个概念 四、约束 约束是指限制物体或体系运动的各种装置，可以分为外部约 束和内部约束两种。
外部约束：体系与基础之间的联系，也就是支座； 内部约束：体系内部各杆之间或结点之间的联系，比如铰结 点，刚结点和链杆等。
用铰和基础相连的运动情况完全相同。
从瞬时微小运动来看，两根链杆所起的约
束作用相当于在链杆交点处的一个铰所起
I C
的约束作用，这个铰称为 瞬铰
A
在体系运动的过程中，瞬铰的位置随之变
1
2 化。
B
D 用瞬铰替换对应的两个链杆约束，这种约
束的等效变换只适用于瞬时微小运动。
精品课件
20
2-1 几何构造分析的几个概念
精品课件
31
2-2 平面几何不变体系的组成规律 四、体系的装配
1 从基础出发进行装配-【例2-1】
① A
② ④
⑤ C
⑥ ⑧
⑩ E
③ B ⑦D⑨
① A
② ④
③B
⑤ C
⑥ ⑧
⑩ E
⑦D ⑨
精品课件
32
2-2 平面几何不变体系的组成规律 四、体系的装配 1 从基础出发进行装配-【例2-2】
A
Ⅱ
B Ⅲ CⅣ D
A
2 3 固定一个结点的装配格式简单装配格式
B
I
C
A
A
II
II
固定一个刚片的装配格式
3
3
B
I
B C 12 I
郑州大学结构力学考研真题2020年
郑州大学2020年土木工程考研结构力学真题971 一、分析平面结构的几何组成。
（要求写出分析步骤，15分）
二、作出如图所示结构的弯矩图、剪力图和轴力图。
（25分）
三、作出如图所示桁架的制作反力F yA的影响线，以及指定杆件a、b
的影响线。
（10分）
四、计算如图所示结构C点的竖向位移 CV。
（15分）
五、超静定刚架受到荷载和制作位移共同作用下，对于给定的基本结
构，建立力法基本体系和力法方程，并求解系数和自由项。
（不求解力法方程，25分）
六、采用位移法求解如图所示结构，并作出弯矩图。
（25分）
七、采用力矩分配法计算如图所示结构，并作出弯矩图（计算至
0.01kN.m，25分）
八、计算如图所示结构的自振周期和临界阻尼系数，并推出该体系的
运动微分方程。
（10分）。
平面体系几何组成分析的方法(静定的概念)(建筑力学)
当使用判定规则进行判定时，可以使用如下技巧，使问题简化： ①去二元体； ②地基可以当作特殊的刚片； ③扩大刚片法：将整个体系的几何不变部分看作刚片，并考察其与周 围部分的连接方式，逐步扩大刚片，减少杆件数目； ④刚片与链杆灵活转换：根据需要可以将链杆当作刚片使用，也可以 将刚片（包括地基）或几何不变部分当作链杆使用； ⑤巧用虚铰：链杆数目较多时，使用虚铰可以使体系简化。
例题分析
例1.分析图示体系的几何构造性。 解析：（1）计算自由度
W 4244 0
自由度为0，说明体系具有成为几何不变体系的最少约束数目。 进一步判断，依次去掉二元体DFE、BDC、BEC、BCA后，整个体系只剩下 地基了，为几何不变体系。由于去掉二元体并不改变原体系的几何构造性，因此 原体系也是几何不变体系。
二元体规则是非常好用的规则，特别是去二元体，可以大大简化体系 构件数目，使判断简化，其主要有以下几个技巧：
（1）根据需要进行链杆与刚片之间的转化，巧妙使用二元体； （2）当体系比较复杂时，可以先考虑其中的一个它部分之间的连接关系， 判定整个体系的几何构造性。
例题分析
例2.分析图示体系的几何构造性。 解析：（1）计算自由度
W 72 113 0
自由度为0，说明体系具有成为几何不变体系的最少约束数目。 体系没有二元体，但体系本身是有二元体的，去掉所有二元体，只剩下一个 杆件，所以体系本身几何不变，再考虑其与地基的连接方式，判定体系几何不变。
总结与技巧
示例
例1.分析图示体系的几何构造性。
解析：（1）计算自由度
W 7277 0
体系具有成为几何不变体系的最少约束数目，需进一步判断。 （2）依次去掉二元体FAB、IED、FBJ、IDC如图所示。 （3）三角形GCH看作刚片Ⅰ，地基看作特殊刚片Ⅱ。 （4）刚片Ⅰ、Ⅱ之间通过三根链杆相连，三链杆汇交
例题分析
例1.分析图示体系的几何构造性。 解析：（1）计算自由度
W 4244 0
自由度为0，说明体系具有成为几何不变体系的最少约束数目。 进一步判断，依次去掉二元体DFE、BDC、BEC、BCA后，整个体系只剩下 地基了，为几何不变体系。由于去掉二元体并不改变原体系的几何构造性，因此 原体系也是几何不变体系。
二元体规则是非常好用的规则，特别是去二元体，可以大大简化体系 构件数目，使判断简化，其主要有以下几个技巧：
（1）根据需要进行链杆与刚片之间的转化，巧妙使用二元体； （2）当体系比较复杂时，可以先考虑其中的一个它部分之间的连接关系， 判定整个体系的几何构造性。
例题分析
例2.分析图示体系的几何构造性。 解析：（1）计算自由度
W 72 113 0
自由度为0，说明体系具有成为几何不变体系的最少约束数目。 体系没有二元体，但体系本身是有二元体的，去掉所有二元体，只剩下一个 杆件，所以体系本身几何不变，再考虑其与地基的连接方式，判定体系几何不变。
总结与技巧
示例
例1.分析图示体系的几何构造性。
解析：（1）计算自由度
W 7277 0
体系具有成为几何不变体系的最少约束数目，需进一步判断。 （2）依次去掉二元体FAB、IED、FBJ、IDC如图所示。 （3）三角形GCH看作刚片Ⅰ，地基看作特殊刚片Ⅱ。 （4）刚片Ⅰ、Ⅱ之间通过三根链杆相连，三链杆汇交
结构力学之平面体系的几何组成分析
二、二刚片规则： 两个刚片用既不全平行也不全交于一点的 三根链杆相联，所组成的体系是几何不变 体系，且无多余约束。
O
ΙΙ
ΙΙΙ
推论： 两个刚片由一个铰和一根轴线不通过该铰的 链杆相联，所组成的体系是几何不变体系， 且无多余约束。
ΙΙ
C
A
B
例三、
C
A
分析图示体系的几何构造：
D
解法一： 1、找刚片：
依据材料概括晚清中国交通方式的特点，并分析其成因。
提示：特点：新旧交通工具并存(或：传统的帆船、独轮车， 近代的小火轮、火车同时使用)。 原因：近代西方列强的侵略加剧了中国的贫困，阻碍社会发 展；西方工业文明的冲击与示范；中国民族工业的兴起与发展；
政府及各阶层人士的提倡与推动。
[串点成面· 握全局]
（二）二元体规则：
增加或去掉二元体不改变原体系的几何
组成性质。
C
A
B
例五、 分析图示体系的几何构造：
解：
A
D
E
基本铰结三角形ABC符合 三刚片规则，是无多余约
B
束的几何不变体系；依次
C
F
G
在其上增加二元体A-D-C、
C-E-D、C-F-E、E-G-F后， 体系仍为几何不变体，且 无多余约束。
一、几何构造特性：
（一）无多余联系的几何不变体系称为静定 结构。
静定结构几何组成的特点是：
任意取消一个约束，体系就变成了
几何可变体系。
（二）有多余联系的几何不变体系称为超静 定结构。
特点： 某些约束撤除以后，剩余体系仍
为几何不变体系。
二、静力特性：
（一）静定结构： 在荷载作用下，可以依据
第十二章 平面结构体系的几何组成分析
若原体系几何不变(或可变)，则新增加一个 二元体后，新体系仍为几何不变(或可变)； 同样，在一个已知体系上拿掉二元体，也不
会影响原体系的几何不变性或几何可变性。
因此可将二元体规则叙述如下：在一个体系
上依次增加或减少二元体，原体系的几何可 变性保持不变。
第四节 几何组成分析举例
第四节 几何组成分析举例
=-3
应用此方法解本题时须注意：此时结点B为混合结点， 对于此类结点，计算单刚结点数时，可把铰接杆当作不存 在；而在计算铰结点数时，则把刚接各杆看作一个刚片。
所以，应用式(12-1)计算可得 W=3×m-3×g-2×h-b-r =3×9-3×6 -2×4-9 =-8
表明此体系具有8个多余约束。
三、瞬变体系
在对结构进行分析计算时，必须先分析体系的几 何组成，以确定体系的几何不变性。
几何组成分析的目的是：
（1）判别给定体系是否是几何不变体系，从而确 定它能否作为结构使用；
（2）研究几何不变体系的组成规则，以保证设计 出安全合理的结构；
（3）正确区分静定结构和超静定结构，为结构的 内力计算打下必要的基础
（二）自由度
体系的自由度是指确定体系空间位置所需的独立坐标 数，或者体系运动时可以独立改变的几何参数的数目，通 常记作S。
一个点在平面内自由运动时，它的位置用坐标X，Y完全 可以确定，则平面内一点的自由度等于2，如图12-3(a)所 示。
一个刚片在平面内自由运动时，它的位置
用其上任一点A的坐标x，y和过A点的任一 直线AB的倾角φ完全可以确定，则一个平面 刚片的自由度等于3，如图12-3(b)所示。
解法二：把体系内部看成是由7个刚片AB、BC、CD、DE、 EF、FA、EB，3个单铰F、B、D，3个单刚结点A、B、
结构力学第2章平面体系的几何组成分析
精品课件
例2-4-3
精品课件
分析图:
(a)
精品课件
(b)
(c)
精品课件
(d)
(e)
精品课件
说明：
1、通过本题中的两例可知，当上 部体系和大地之间的联系符合两刚 片规则时，体系几何组成分析的结 论只与上部体系的几何组成有关。 因此，当符合此条件时，可仅分析 上部体系。
精品课件
2、(a)所示体系先去掉与大地的支 座约束后，对上部体系可依次去掉 二元体213、453、563后，体系简化 成一铰接三角形，所以原体系是无 多余约束的几何不变体系。
结构力学
结构力学教研组 青岛理工大学工管系
精品课件
第二章 平面体系的几何组成分析
精品课件
§2.1 概述
本章研究平面杆系结构的基本 组成规律和合理形式。
精品课件
其目的在于:
❖ 了解和掌握结构的基本组成规律和
合理组成形式。正确区分各类体系， 判定结构；选择合理的结构形式。 ❖ 根据各类结构的几何组成，选择 正确的计算方法和简捷的解题途径。
几何不变体系
精品课件
(2)内部几何不变体系
若作为几何组成分析的结论， 内部几何不变体系指仅除大地 外的体系的整体。
精品课件
(a)
(b)
精品课件
(c)
(3)刚片
在平面问题中，刚性体化为平面 内的一个不会有变形的面，则称 这个面为刚片.刚片在其平面内， 任意两点间的距离都保持不变。
精品课件
(4)几何瞬变体系
对体系加载时，体系在瞬时内发 生微小位移，然后便成为几何不 变体系。这种体系叫作几何瞬变 体系（瞬变体系）
精品课件
(a)
精品课件
结构力学第2章平面体系的几何组成分析
➢ 在任意体系上依次增加，或依 次拆除二元体，原体系的自由度 数不变。
(a)
(b)
3、基本组成规则中约束方式 的影响
利用这两个规则的要点是规则中 的三个要素：
❖ 刚片及刚片数 ❖ 约束、约束数及约束的方式 ❖ 结论
两个刚片用三个链杆相连 的情况：
❖ 当三个链杆平行并且长度相等时， 是几何可变体系
两平行链杆构成一交点在无穷远的虚铰其作用相当于无穷远处的一个实铰的作用一个铰接三角形是无多余约束的几何不变体系或是刚片或是内部几何不变体系基本三角形规则基本三角形规则可用以下12两个简单组成规则等效
结构力学第2章平面体系的几何 组成分析
第二章 平面体系的几何组成分析
§2.1 概述
本章研究平面杆系结构的基本 组成规律和合理形式。
(b)
(c)
虚铰的典型运动特征为：瞬心
从瞬时运动角度来看，刚片1与刚 片2的相对运动，相当于绕两链杆 的交点处的一个实铰的转动。
(a)
(b)
➢ 两平行链杆构成一交点在 无穷远的虚铰，其作用相当于
无穷远处的一个实铰的作用 。
§2.3 平面几何不变体系的基 本组成规律
1.基本组成规律的产生 (a)
例2-4-6（多余约束）
分析图： (a)
说明：
对于有多余约束的几何不变体系， 可以用去掉约束的方法，使体系成 为无多余约束的几何不变体系，所 去掉的约束数就是原体系所具有的
多余约束数，这种方法叫拆除约束 法。
例2-4-7
分析图：
说明：
把四周用连续杆、刚结点及固定端 构成的体系叫封闭框。一个封闭框 是有3个多余约束的几何不变体系。
❖ 当三个链杆平行但长度不全相 等时，是几何瞬变体系
第二章_平面体系的几何组成分析
三、三刚片组成规则
规则三：三个刚片用不在同一直线上的三个 铰两两相联，则组成没有多余约束的几何不 变体系。如图所示。
A
A
O2 O1 O2 O3O1
O3
B
B
C
C
第二章 平面结构的几何构造分析
现在来讨论三刚片联结的特殊情况。如果两个刚
片之间是通过平行链杆联结，则其形成的虚铰将在无 穷远处。三个刚片之间的联结包括一对、两对和三对 平行链杆的情况。
合理，因B而不能限制瞬时运动B 的情况。 C
C
A
B
A'
第二章 平面结构的几何构造分析
二、两刚片组成规则
规则二：两个刚片用一个铰和不通过该铰 的一根链杆或用不交于一点也不互相平行 的三根链杆相联结，则组成没有多余约束 的几何不变体系。如图所示。
O
几何可变体系
O
R P
几何不变体系
A
C
A CE
B
D
变，实际上就是判别该体系 是否存在刚体运动的自由度。 y
所谓体系的自由度，是指体
系运动时可以独立变化的几
何参数的数目，也就是确定
xA
物体位置所需的独立坐标数
目。例如一个点在平面内自 由运动时，其位置要用两个 o
y x
坐标和来确定（右图），所
以一个点的自由度等于2。
第二章 平面结构的几何构造分析
如一个刚片在平面
1
2
A
1
3
2
第二章 平面结构的几何构造分析
体系中的约束有的对组成几何不变体 系来说是必须的，这种约束称为必要约束， 而必要约束之外的约束称之为多余约束。 每一个必要约束都可以使体系的自由度减 少1个，而多余约束并不减少体系的自由 度。
规则三：三个刚片用不在同一直线上的三个 铰两两相联，则组成没有多余约束的几何不 变体系。如图所示。
A
A
O2 O1 O2 O3O1
O3
B
B
C
C
第二章 平面结构的几何构造分析
现在来讨论三刚片联结的特殊情况。如果两个刚
片之间是通过平行链杆联结，则其形成的虚铰将在无 穷远处。三个刚片之间的联结包括一对、两对和三对 平行链杆的情况。
合理，因B而不能限制瞬时运动B 的情况。 C
C
A
B
A'
第二章 平面结构的几何构造分析
二、两刚片组成规则
规则二：两个刚片用一个铰和不通过该铰 的一根链杆或用不交于一点也不互相平行 的三根链杆相联结，则组成没有多余约束 的几何不变体系。如图所示。
O
几何可变体系
O
R P
几何不变体系
A
C
A CE
B
D
变，实际上就是判别该体系 是否存在刚体运动的自由度。 y
所谓体系的自由度，是指体
系运动时可以独立变化的几
何参数的数目，也就是确定
xA
物体位置所需的独立坐标数
目。例如一个点在平面内自 由运动时，其位置要用两个 o
y x
坐标和来确定（右图），所
以一个点的自由度等于2。
第二章 平面结构的几何构造分析
如一个刚片在平面
1
2
A
1
3
2
第二章 平面结构的几何构造分析
体系中的约束有的对组成几何不变体 系来说是必须的，这种约束称为必要约束， 而必要约束之外的约束称之为多余约束。 每一个必要约束都可以使体系的自由度减 少1个，而多余约束并不减少体系的自由 度。
2 平面体系的几何构造分析
11
④定向支座(滑动支座)
限制刚片A点在竖直方向的移动和转动，减少 两个自由度，相当于两个约束。
A
MA
A
MA
Fy A
Fy A
12
（2）刚片间的连接约束 ①链杆 简单链杆——仅连接两个结点的杆件称为 简单链杆。一根简单链杆能减少一个自由度， 故一根简单链杆相当于一个约束。
y
x
φ
x
x,
链杆约束
13
I 刚片I, III——用铰B连接 刚片II,III——用铰C连接
B III
A
II
C
25
例2-3:分析体系的几何组成。
刚片I, II——用铰C连接
刚片II,III——用铰B连接
刚片I, III——用铰A连接
该体系为几何不变,无多余约束。
26
例2-4:分析体系的几何组成。
刚片I, II——用铰C连接
20
例2-1:求该体系的计算自由度数。
解: W=3m-(2n+r) =3×4-（2×4+6） =-2<0 体系有两个多余约束。
21
例2-2:求该体系的计算自由度数。 解:
W=3m-(2n+r) =3×10-（2×13+4） =0 W=2J-(b+r)
=2×7-（2×10+4）
=0
22
练习:求该体系的计算自由度数。 解: W=3m-(2n+r) =3×9-（2×12+3） =0 W=2J-(b+r)
III 若铰A、B连线与形成瞬铰的链杆1、2平行， 则体系为瞬变。 若铰A、B连线与形成瞬铰的链杆1、2平行且 三者等长，则体系为常变。
29
结构力学-平面体系的几何组成分析知识重点及习题解析
《结构力学》平面体系的几何组成分析知识重点及习题解析一、基本概念1.1、几何不变体系若不考虑材料变形，在任意荷载作用下几何形状和位置均能保持不变的体系。
1.2、几何可变体系即使不考虑材料变形，在很小的荷载作用下，也会发生机械运动而不能保持原有几何形状和位置的体系。
1.3、瞬变体系原可发生形状或位置的改变，但经微小位移后即转化为几何不变的体系。
1.4、刚片平面杆件体系中的几何不变的部分，也可以是一根杆件或大地等。
1.5、虚铰连接两个刚片的两根链杆的作用相当于在其交点处的一个单铰，不过这个铰的位置随着链杆的转动而改变，这种铰称为虚铰。
1.6、自由度物体运动时可以独立变化的几何参数的数目，也即确定物体位置所需的独立坐标数目。
1.7、约束减少自由度的装置，称为联系或约束。
1.8、必要约束能改变体系自由度的约束，也即使体系成为几何不变而必须的约束。
1.9、多余约束不能减少体系自由度的约束。
1.10、计算自由度并非体系的真实自由度，而是体系的自由度数目减约束数目。
计算公式如下：W=3m-（2h+r）式中W一计算自由度；m一刚片数；h—单铰数，连接n个杆件的复铰相当于n-1个单铰；r—支座链杆数。
对于铰结链杆体系，还可用如下公式计算：W=2j-（b+r）式中j一结点数；b一杆件数二、几何不变体系的基本组成规则2.1、三刚片规则三个刚片用不在不同一条直线上的三个单铰两两铰连，组成的体系是几何不变的。
2.2、二刚片规则两个刚片用一个铰和一根不通过此铰的链杆相连，为几何不变体系；或者两个刚片用三根不全平行也不交于同一点的链杆相连，为几何不变体系。
2.3、二元体规则在一个体系上增加或拆除二元体，不会改变原有体系的几何构造性质。
三、几何构造与静定性的关系所谓体系的静定性，是指体系在任意荷载作用下的全部反力和内力是否可以根据静力平衡条件确定。
静定结构的几何构造特征是几何不变且无多余约束，而有多余约束的几何不变体系则是超静定结构。
第二章 平面结构的几何构造分析_
刚片Ⅰ、Ⅱ由不共线的铰D和链 杆C相连组成大刚片Ⅰ ，同理 大刚片Ⅰ、刚片Ⅲ也由不共线 的铰B和链杆A相连，所以体系 为无多余约束的几何不变体。
刚片Ⅰ、Ⅱ由不共线的铰A和链 杆1相连组成大刚片Ⅰ ，同理大 刚片Ⅰ、基础也由不共线的一铰 和一链杆相连，所以体系为无多 余约束的几何不变体。
【例2.4 】 试分析图示体系的几何构造
解: 解:
013 基础 Ⅲ
Ⅰ
023
Ⅱ
012
刚片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ由不共线的三 铰相连，所以体系为无多余约 束的几何不变体。 刚片ABCDEF由铰D和链杆F 相连，组成几何不变体系， 所以体系为有多余约束 （链杆A或F）体系。
◆通过以上几个例题，可以归纳出以下几点： (1)体系通常是由多个构造单元逐步形成的，即从第一个构造单元 开始，然后按照某种顺序，把其他构造单元逐个地装配起来。在构造 分析中，通常先找出—个几何不变的部分作为第一个构造单元，然后 在其基础上扩大、装配，把由构造单元到体系的装配过程分析清楚。 (2)要注意约束的等效替换。例如，联系两个刚片的两根链杆可用 相应的瞬铰来替换，或复杂形状的联结杆可用直线链杆来替换。 (3)有的体系只有一种装配方式，有的体系却有几种装配方式，还 有一些结构体系的几何构造比较复杂，需要采用其它的构造方式装配。
2 7
（3）混合体系：
W 3m 2 j (3 g 2h b)
2 8
体系的计算自由度： 计算自由度等于刚片总自由度数减总约束数
W = 3m-(3g+2h+b)
m---刚片数（不包括地基） g---单刚结点数 h---单铰数 b---单链杆数（含支杆）
铰结链杆体系---完全由两端铰结的杆件所组成的体系
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B
C
E
A
D
F
C
E
B
A
G
D
E
B
H
A
C
D
F
例11-1 对图示体系作几何组成分析
解: 三刚片三铰相连，三铰不共线，所以 该体系为无多余约束的几何不变体系.
例11-2 对图示体系作几何组成分析
解:该体系为无多余约束的几何不变体系. 方法1: 若基础与其它部分三杆相连,去掉基 础只分析其它部分
例11-3 对图示体系作几何组成分析
解: 该体系为无多余约束几何不变体系. 方法5: 从基础部分(几何不变部分)依次添加.
例11-7 对图示体系作几何组成分析 解: 该体系为有一个多余约束几何不变体系.
方法1: 若基础与其它部分三杆相连,去掉基 础只分析其它部分。
方法2: 利用规则将小刚片变成大刚片。
方法3: 将只有两个铰与其它部分相连的刚片 看成链杆。
平面结构和空间结构
FAy
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1、按结构的受力特点分类
梁：受弯构件；有单跨、多跨。
桁架：直杆铰接体系
拱：在竖向荷载作用下,可以产生水平推力的结构。
刚架：由梁柱组成的结构,部分或全部结点为刚结 点,主要承受弯矩、剪力和轴力
组合结构：部分杆只承受轴力,而另一部分杆还同 时承受弯矩和剪力。
2、按计算方法分类
的体系是几何不变体系，且没有多余联系。
ⅠⅠ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
实铰 Ⅲ
几何不变体系
Ⅲ
虚铰
A
B
C
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ 瞬变体系
虚铰在无限远处 1、一个虚铰在无限远处
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
几何不变体系
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
几何瞬变体系
2、两个虚铰在无限远处
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
几何不变体系
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
几何瞬变体系
3、三个虚铰在无限远处
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
几何瞬变体系
规则二：
两刚片用一个铰和一根不通过该铰的链杆相 连接，或两刚片用既不完全平行，也不相交 于一点的三根链杆联接，所组成的体系是几 何不变体系，且没有多余联系。
鸟 巢 俯 视 图
水 立 方
“水立方”———国家游泳中心。因其外观酷似一 个充满了水泡的蓝色方盒子而得名。国家游泳中 心是一座新颖别致的奥林匹克建筑，它以冰晶状 的亮丽身姿，装点景观如画的奥林匹克公园。
水立方的内部网状钢结构
水立方和鸟巢交相辉映、流光溢彩
2、结构力学的研究对象
主要讲述杆系在静载作用下的内力计算问题。
3、按与结构的接触分类：直接荷载，间接荷载。
§11-4 平面体系的几何组成 分析
1、几何组成分析的目的
建筑中的结构，在荷载作用之前其几何 形状是固定不变的，而在荷载作用之后整个 体系也是相对不动的（不考虑变形）。
一个几何形状随时都可以发生变化的体 系是不可能承受荷载的，即使是有微小的变 化也不行。
方法4: 去掉二元体。
方法5: 从基础部分(几何不变部分)依次添加。
练习: 对图示体系作几何组成分析
练习: 对图示体系作几何组成分析
练习: 对图示体系作几何组成分析
保证体系几何不变的不可去除约束称为必须约束。
静定杆系结构
超静定杆系结构
其次，移动荷载、动荷载作用下的内力计算问题
3、结构力学的任务
（1）研究杆件结构的组成。
（2）研究杆件结构的特点。
（3）研究杆件结构在外来因素（如荷载、 温度变化、支座移动等）作用下所产生的 内力、位移及其分布规律，为进一步分析 结构的强度、刚度、稳定性打下基础。
§11-2 平面杆系结构的结构分类
天 堑 飞 虹
1968年建造了双层双线铁路、公路两用桥，正 桥长1577米，铁路桥全长6772米，宽19.5米；工 路桥全长4589，宽19.5米；公路引桥3012米，两 端接地部分建有22孔的丰富民族特色的双曲拱桥。 1984年，南京市有关部门将南京长江大桥定为金 陵四十景之一，称为“天堑飞虹”
自由度：是用来确定体系运动时所需要的独立 座标的数目。
Y
xA
y
O
X
Y
x
A
y
O
X
联系：当对刚体施加约束时，其自由度将减少。 能减少一个自由度的约束称为一个联系，能减 少n个自由度的约束称为增加了n个联系。
Y
Y
A
O
W=3-1=2 X
A
O
W=3-2=1 X
平面体系计算自由度W的计算公式：W=3m-2h-r
第一节 结构力学的研究对象及研究任务 第二节 平面杆系结构分类 第三节 荷载分类 第四节 平面体系的几何组成分析
结构力学
任务及内容
§0-1 结构力学的研究任务及研究
内容
1、结构及分类
结构：各类构筑物中，承受荷载而起骨架作 用的部分称为结构。
由构件组成：杆、板（壳）、块体。
杆
板
快
件
壳
体
按结构的承重骨架： 砖混结构、框架结构、桁架结构、钢结构……
m：无约束状态下的刚片数；
h：单铰数目；
r：链杆数。
注：如体系中某个铰与n个刚片相联接，
则该铰相当于n-1个单铰。
Y
Ⅰ
A
Ⅱ
Y
Ⅲ
A
Ⅰ
Ⅱ
O X
单铰：增加两个联系
O X
复铰：增加四个联系
Y
Y
A
实铰
O X
B
A
O
虚铰O
B
X
G
D
E
A
C
W=3*3-4*2-1=0
D
E
F
B
A
C
W=3*5-5*2-5=0
刚体： 任何荷载作用下形状和大小都不发生改
按结构构件几何特征： 杆系结构（平面、空间）、板壳结构、实体结构、
网状结构，…….。
(1)杆件结构 (2)板壳结构 (3)实体结构
国家体育场的外观 即为建筑的结构， 立面与结构达到了 完美的统一。结构 的组件相互支撑， 形成了网络状的构 架，就象树枝编织 的鸟巢。
“鸟巢”是由一系列辐射式门式钢桁架围绕碗状坐 席区旋转而成，结构科学简洁，设计新颖独特， 为国际上极富特色的巨型建筑。它为2008年奥运 会树立了一座独特的历史性的标志性建筑。图为 国家体育场“鸟巢”夜景图。
静定结构 超静定结构
§11-3 荷载分类
１、按作用时间分类： 恒载：永久作用在结构上。如结构自重、永
久设备重量。 活载：暂时作用在结构上。如人群、风、雪
及车辆、吊车。 ２、按作用性质分类：
静力荷载：荷载由零加至最后值，且在加载 过程中结构始终保持静力平衡，即可忽略惯性力 的影响。
动力荷载：荷载（大小、方向、作用线）随 时间迅速变化，计算时要考虑结构的惯性力。
变的物体。
刚片： 几何不变的物体或者体系（可以是一个刚
体也可以是某个体系中的一部分。）
计算自由度大于零一定几何可变; 若等于零不一定几何不变。
W 33323 0
计算自由度小于零不一定几何不变 计算自由度小于零一定有多余约束
3、无多余约束几何不变体系的组成法则
规则一： 三个刚片用不在一条直线的铰两两相连组成
所以，研究体系的组成问题至关重要。
PC
PB
C
几何不变体系
A （无多余约束） B A
几何可变体系
D
P
A
CB
瞬变体系
S1 = S2 =S
S=P/(2sin )
P
A
CB
P
S1
S2
C
PC
A
B
几何不变体系
（有多余约束）
几何组成分析的目的
检查给定体系的几何不变性； 研究组成几何不变体系的规律。
2、平面体系的自由度
1
Ⅰ
2
Ⅱ
3
几何不变体系
1
Ⅰ
Ⅱ
2
3
瞬变体系
1
Ⅰ
Ⅱ
2
3
瞬变体系
1
Ⅰ
2Ⅱ
3
几何可变体系
规则三：
在刚片上加减二元体，形成的体系是几何
不变体系，且没有多余联系。
A
Ⅲ B
Ⅱ C
铰接在一起的两 根不共线的链杆.
几何不变体系
在体系上增加或 者撤除二元体，源自不改变体系的几Ⅰ何组成性质。
Ⅰ
分析下例图中所示体系的几何体系分析
解: 该体系为无多余约束的几何不变体系. 方法2: 利用规则将小刚片变成大刚片.
例11-4 对图示体系作几何组成分析
解: 该体系为瞬变体系. 方法3: 将只有两个铰与其它部分 相连的刚片看成链杆.
例11-5 对图示体系作几何组成分析
解: 该体系为常变体系. 方法4: 去掉二元体.
例11-6 对图示体系作几何组成分析