结构力学
结构力学
结构动力学是研究工程结构在动载荷作用下的响应和性能的分支学科。动载荷是指随时间而改变的载荷。在 动载荷作用下，结构内部的应力、应变及位移也必然是时间的函数。由于涉及时间因素，结构动力学的研究内容 一般比结构静力学复杂的多。（见结构动力学）
结构稳定理论
结构稳定理论是研究工程结构稳定性的分支。现代工程中大量使用细长型和薄型结构，如细杆、薄板和薄壳。
结构力学
基础学科
01 简介
03 发展简史 05 研究方法
目录
02 工作任务 04 学科体系 06 能量法
结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科， 它是土木工程专业和机械类专业学生必修的学科。结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在各种效应 （外力，温度效应，施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力（轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算，位 移（线位移，角位移）计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应（自振周期，振型）的计算等。结构力学通 常有三种分析的方法：能量法，力法，位移法，由位移法衍生出的矩阵位移法后来发展出有限元法，成为利用计 算机进行结构计算的理论基础。
能量法
结构力学中的能量原理以内部和外部力量的能量或作业的形式表达应力，应变或变形，位移，材料特性和外 部影响之间的关系。由于能量是一个标量，这些关系为固体力学中可变形体的控制方程提供了方便和可选的方法。 它们也可以用于获得相当复杂系统的近似解，绕过了解一组控制偏微分方程的困难任务。
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简介
结构力学是一门古老的学科，又是一门迅速发展的学科。新型工程材料和新型工程结构的大量出现，向结构 力学提供了新的研究内容并提出新的要求。计算机的发展，又为结构力学提供了有力的计算工具。另一方面，结 构力学对数学及其他学科的发展也起了推动作用。有限元法这一数学方法的出现和发展就和结构力学的研究有密 切关系。在固体力学领域中，材料力学给结构力学提供了必要的基本知识，弹性力学和塑性力学是结构力学的理 论基础。另外，结构力学与流体力学相结合形成边缘学科——结构流体弹性力学。
结构力学(全套课件131P) ppt课件
的两根链杆的杆轴可以平行、交叉，或延长线交于
一点。
当两个刚片是由有交汇点的虚铰相连时，两个刚
片绕该交点（瞬时中心，简称瞬心）作相对转动。
从微小运动角度考虑，虚铰的作用相当于在瞬时
中心的一个实铰的作用。
19
20
规则二 （三刚片规则）： 三个刚片用不全在一条直线上的三个单铰（可以
是虚铰）两两相连，组成无多余约束的几何不变体 系。
两个平行链杆构成沿平行方向上的无穷远虚铰。
三个刚片由三个单铰两两相连，若三个铰都有交 点，容易由三个铰的位置得出体系几何组成的结论 。当三个单铰中有或者全部为无穷远虚铰时，可由 分析得出以下依据和结论：
１、当有一个无穷远虚铰时，若另两个铰心的连 线与该无穷远虚铰方向不平行，体系几何不变；若 平行，体系瞬变。
３、通过依次从外部拆除二元体或从内部（基础、 基本三角形）加二元体的方法，简化体系后再作分 析。
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第一部分 静定结构内力计算
静定结构的特性： １、几何组成特性 ２、静力特性 静定结构的内力计算依据静力平衡原理。
第三章 静定梁和静定刚架
§3-1 单 跨 静 定 梁
单跨静定梁的类型：简支梁、伸臂梁、悬臂梁 一、截面法求某一指定截面的内力
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１、单约束（见图２-2-2） 连接两个物体（刚片或点）的约束叫单约束。
１）单链杆（链杆）（上图） 一根单链杆或一个可动铰（一根支座链杆）具
有１个约束。 ２）单铰（下图）
一个单铰或一个固定铰支座（两个支座链杆） 具有两个约束。 ３）单刚结点
一个单刚结点或一个固定支座具有３个约束。
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２、复约束 连接３个（含３个）以上物体的约束叫复约束。
三、对体系作几何组成分析的一般途径
结构力学常用公式
结构力学常用公式
1.应力公式：σ=F/A，其中 F 为作用力，A 为作用面积，σ为应力。
2. 应变公式：ε = ΔL/L0，其中ΔL 为变形量，L0 为原始长度，ε为应变。
3. 弹性模量公式：E = σ/ε，其中 E 为弹性模量。
4. 餘弦定理：c = a + b - 2abcosC，其中 a，b 为两边的长度，
C 为两边之间的夹角，c 为斜边的长度。
5. 正弦定理：a/sinA = b/sinB = c/sinC，其中 a，b，c 为三角形三条边的长度，A，B，C 为三角形对应的内角。
6. 面积公式：A = 1/2bh，其中 b 为底边的长度，h 为高度。
7. 矩形截面抵消矩阵算式：I = bh/12，其中 I 为矩形截面的抵消矩阵，b 为宽度，h 为高度。
8. 圆形截面抵消矩阵算式：I = πr/4，其中 I 为圆形截面的抵消矩阵，r 为半径。
9. 计算杆件最大承受力公式：Fmax = σmaxA，其中 Fmax 为杆件最大承受力，σmax 为材料的最大允许应力，A 为杆件横截面积。
10. 悬索线的张力公式：T = (Wl)/(8d)，其中 T 为悬索线的张力，W 为悬挂物的重量，l 为悬挂物的长度，d 为悬索线的跨度。
- 1 -。
结构力学
杆端位移 结点位移 变形协调条件
●
单元集成法求整体刚度矩阵的步骤：
第一步，由单元刚度矩阵[k]e ，求单元贡献矩阵[K] e 。 第二步，叠加各单元贡献矩阵，得到整体刚度矩阵[K] 。
结点力 杆端力 平衡条件
§13.4.2 单元定位向量
（2）杆端位移、杆端力的正负号规定 与坐标轴正方向一致 或 顺时针为正
（单元杆端位移列阵 与 单元杆端力列阵）
§13.2 单元分析(一)
——局部坐标系中的单元刚度矩阵 单元杆端力和杆端位移之间的
转换关系称为单元刚度方程，它表示单元在
杆端有任意给定位移时所产生的杆端力。而 单元刚度矩阵 的转换矩阵。 是杆端力与杆端位移之间
50年代由航空结构工程师发展，逐渐波及土木工程；
20世纪60年代，1960年由R. H. Clough命名 为“有限单元法”（FEM)以来，有限元法蓬勃 发展。不仅结构分析必不可少，而且成为“现 象分析”的一种手段（场问题、时间维问题等 ）。1967年首次出版专著，监凯维奇（O. C.
Zienkiewicz）与其学生张佑启（Y. K. Cheung ) 合写《结构与连续力学的有限元法》( 张后来成 为“有限条法”创始人）, 该书成为世界名著， 第三版中译本名为《有限元法》。
手算怕繁、电算怕乱
§13.1.1 矩阵位移法的基本思路
◆ 基本原理与传统的位移法相同：
1. 以结点位移为基本未知量；
2. 基本环节： （1）离散化：整个结构分解为若干个单元（在杆件结 构中，通常取一根杆件为一个单元）； （2）单元分析：分析单元的杆端力和杆端位移及荷载 之间的关系； （3）整体分析：利用结构的变形协调条件和平衡条件 将各单元集合成整体结构，得到求解基本未知量的矩 阵位移法的基本方程 。
结构力学
1、体系分类：有多余约束的几何可变体系、没有多余约束的几何可变体系（几何常变、几何瞬变）、有多余约束的几何不变体系、有多余约束的几何不变体系。
（1）两根不在一条直线上的链杆用一个铰连接后，称为二元体。
在一个体系上加上或去掉一个二元体，是不会改变体系原来性质的2、体系简单组成规则（1）两刚片规则：两个刚片用一个铰和一根链杆相联结，且三个铰不在一条直线上，或用三链杆连接且三根链杆不相互平行、不交于一点，则组成几何不变体系，并且无多余约束。
(2)三刚片规则：三个刚片用三个虚铰两两相连(即6根链杆），且三个虚铰不在一条直线上，则组成几何不变体系，并且无多余约束。
瞬变体系：三根链杆虚交于一点或三根平行且不等长。
常变体系：三链杆平行且等长或三杆实交于一点。
几何结构的判断：1、若某体系用不完全交于一点也不完全平行的三根链杆与基础相连，则可以只分析该体系。
2、找二元体，如有，可撤去或加上，使体系简化。
3、从直接观察出的几何不变部分开始，应用体系组成规律，逐步扩大不变部分直至整体。
（链杆可以当作刚体,刚体有时可当作链杆，两端铰接的折杆或曲杆可用直杆代替）3、刚片、约束、自由度概念 (1)自由度是指确定体系位置所需独立坐标的数目。
(2)刚片就是几何尺寸和形状都不变的平面刚体(由于我们在讨论体系的几何构造时是不考虑材料变形的，因此我们可以把一根梁、一根柱、一根链杆甚至体系中已被确定为几何不变的部分看作是一个刚片)(3)减少自由度的装置称为约束(可以减少1个自由度的装置是1个约束)4、各约束相当的链杆数目(链杆可减少一个自由度，相当于一个约束) (1)一个单铰可以减少两个自由度，相当于两个约束(相当于两根链杆) (2)连接n个刚片的复铰,相当于2(n-1) 个链杆（3）一个刚结点能减少三个自由度，相当于三个约束(相当于三根链杆) （4）连接n个刚片的复刚结可折算成（n-1）个单刚结，相当于3(n-1)个链杆（点在平面内的自由度为：2；刚片在平面内的自由度为：3；基础自由度为零）5、刚架内力图画法及有关规定（1）作刚架内力图的常规步骤：1、先求反力；2、然后逐杆分段、定点（求杆端内力）；3、最后联线（区段叠加法画弯矩图）(2)有关规定：A铰结点、自由端处无外力偶作用，则杆端弯矩为零，否则杆端弯矩与外力偶矩相等，且使杆同侧受拉;B ①铰链中心弯矩为零；②中间铰链不影响弯矩、剪力与荷载集度间的微积分关系。
结构力学总结
式中，n为结构的超静定次数, W为体系的计算自由度。 （2）去约束法 将多余约束去掉，使原结构转化为静定结构，则所去联系总数， 即为原结构的超静定次数。 （3）框格法 框格法计算超静定次数的公式
n 3m h
式中，m为封闭框格数,h为单铰数
n=3×5-7=8 n=3×7-13=8
3. 力法的基本概念 基本未知量：多余约束力。 基本结构：去掉多余联系后的结构。 基本方程：利用基本结构与原结构变形一致的条件建立的求解 多余约束力的方程，又称为力法的典型方程或简称力法方程。 4. 力法的思路 力法的思路是搭桥法。即：综合考虑结构的平衡条件、物理条 件和位移条件，将超静定结构的计算转化为静定结构的计算。 可见，力法计算实际上是对静定结构进行计算。
m2 - m1 + m = 0 m1 - m2 = m
m1
m2
m1=m2
绘M图的一些原则
• 凡有悬臂杆段、简支杆段，可先绘其M图 • 直杆无荷载作用杆段， M图为直线 • 剪力相等的平行杆段， M图也平行 • 含滑动连接的杆段(两平行链杆与杆段平行)，
M图为平行线 • 铰处若无集中力偶作用， M=0 • 对称性 • 区段迭加原理
（2）虚拟力的设置法：虚拟状态中的虚拟力必须取为与实际 状态所求位移相应的广义单位力，保证使虚拟状态中该虚拟 力在实际状态中所求位移上所做的虚功在数值上等于所求位 移。
5．静定结构在荷载作用下的位移计算
在荷载作用下, 结构位移计算的公式为
KP
F N FNP ds EA
k F SFSP ds GA
若
1
，则
2
N1
N2
若
1
，则
2
N1
N2,
结构力学 structural mechanics
结构力学 structural mechanics
结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科。
结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在各种效应（外力，温度效应，施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力（轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算，位移（线位移，角位移）计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应（自振周期，振型）的计算等。
结构力学通常有三种分析的方法：能量法，力法，位移法，由位移法衍生出的矩阵位移法后来发展出有限元法，成为利用计算机进行结构计算的理论基础。
结构力学的任务
研究在工程结构在外载荷作用下的应力、应变和位移等的规律；分析不同形式和不同材料的工程结构，为工程设计提供分析方法和计算公式；确定工程结构承受和传递外力的能力；研究和发展新型工程结构。
结构力学的学科体系
一般对结构力学可根据其研究性质和对象的不同分为结构静力学、结构动力学、结构稳定理论、结构断裂、疲劳理论和杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论等。
结构力学的研究方法
结构力学的研究方法主要有工程结构的使用分析、实验研究、理论分析和计算三种。
在结构设计和研究中，这三方面往往是交替进行并且是相辅相成的进行的。
结构力学是一门古老的学科，又是一门迅速发展的学科。
新型工程材料和新型工程结构的大量出现，向结构力学提供了新的研究内容并提出新的要求。
计算机的发展，为结构力学提供了有力的计算工具。
另一方面，结构力学对数学及其他学科的发展也起了推动作用。
有限元法这一数学方法的出现和发展就与结构力学的研究有密切关系。
结构力学(第一章)
例4: 对图示体系作几何组成分析
解: 该体系为瞬变体系. 该体系为瞬变体系. 方法3: 方法3: 将只有两个铰与其它部分相连的 刚片看成链杆. 刚片看成链杆.
方法1: 若基础与其它部分三杆相连, 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. 方法3: 将只有两个铰与其它部分相连的刚片看成链杆.
几何组成作业题
1-1 b c 1-2 a d g h i j k l 交作业时间: 交作业时间:本周 5
§1. 几何组成分 析
作业: 作业: 1-1 (b)试计算图示体系的计算自由度 试计算图示体系的计算自由度
解:
或:
W = 8×311×2 3 = 1 W =1×3+ 5×2 2×2 10= 1
例6: 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. 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. 方法5: 从基础部分(几何不变部分)依次添加.
方法1: 若基础与其它部分三杆相连, 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. 方法3: 将只有两个铰与其它部分相连的刚片看成链杆. 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. 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.
§1. 几何组成分析
§1-2 无多余约束的几何不变体系的组成规则
一. 三刚片规则 二. 两刚片规则 三. 二元体规则 二元体: 二元体:在一个体系上用两个不共线的链杆连 接一个新结点的装置. 接一个新结点的装置. 在一个体系上加减二元体不影响原体系的机动性质. 在一个体系上加减二元体不影响原体系的机动性质.
结构力学
1、结构按其几何形状可分为杆件结构、薄壁板壳结构和实体结构。
2、结构力学的研究对象是杆件结构。
它是一门研究杆件结构强度、刚度、稳定性和合理组成的科学。
3、杆件结构按其受力特性可分为梁、拱、刚架、桁架、组合结构。
4、结点分为铰结点和刚结点。
铰结点之产生杆端轴力和剪力，不引起杆端弯矩；刚结点除产生杆端轴力和剪力，还引起杆端弯矩，当结构发生变形时，汇交于刚结点各杆端的切线之间的夹角将保持不变。
5、支座的类型：可动铰支座、固定铰支座、固定支座、定向滑动支座。
6、本来是几何可变，经微小位移后又成几何不变的体系称为几何瞬变体系。
7、顺便体系能否应用于工程结构？P8可见，即使荷载不大，也会使杆件产生非常大的内力和变形。
因此，瞬变体系在工程中不能采用，对于接近瞬变的体系也应避免。
8、凡减少一个自由度装置，称一个约束。
一根链杆相当于一个约束；一个单铰相当于两个约束；一个刚性联结相当于三个约束；联结n个刚片的复铰相当于（n-1）个单铰（n为刚片数）9、以刚片作为组成体系的基本部件进行计算的方法称为刚片法。
10、计算自由度W W=3m-2h-r （m刚片数 h 联结刚片的单铰数目r 支座链杆数目）11、平面体系几何不变的必要条件：W＞0,表明体系缺少足够的约束，因此是几何可变的；W=0，表明体系具有成为几何不变所必须的最少约束数目；W＜0，表明体系具有多余的约束。
12、体系本身为几何不变时必须满足W≤3的条件。
必须指出，W≤0只是几何不变的必要条件，不是充分条件。
13、静定结构与超静定结构的区别：静定结构的几何组成特征是几何不变且无多余约束；超静定结构的几何组成特征是几何不变且有多余约束；仅用静力平衡条件就可以求解的结构称为静定结构；综合运用平衡条件与位移协调条件求解的结构，称为超静定结构。
14、内力图绘制：梁上无荷载（q=0）的区段，Q图为一水平线，M图为一斜直线；梁上有均布荷载（q=常数）的区段，Q图为一斜直线，M图为二次抛物线；集中力作用点的两侧，剪力有突变，其差值等于该集中力，在集中力作用点处，M图是连续的，但因集中力偶两侧的剪力值相同，所以两侧M图的切线应相互平行；集中力偶作用处，剪力无变化，但在集中力偶两侧弯矩有突变，其差值等于该集中力偶，在M图中形成台阶，又因集中力偶两侧的剪力值相同，所以两侧M图的切线应相互平行。
结构力学名词解释
结构力学名词解释结构力学是力学的一个分支，主要研究刚体和物体的运动、变形、应力和应变等力学问题。
1. 刚体：刚体是指物体所有点之间的相对位置在运动或作用力下不发生改变的物体。
刚体不会发生形变，其运动可以用平动和转动两种方式描述。
2. 运动学：运动学研究物体的运动状态，主要研究物体的位移、速度和加速度等。
运动学分为平动运动和转动运动两大类。
3. 平动运动：物体的所有点在同一时间内沿着相同方向移动，并且移动的距离相等。
平动运动可以用质心的位置、速度和加速度来描述。
4. 转动运动：物体的某一点围绕某个轴进行旋转运动。
转动运动可以用角度、角速度和角加速度来描述。
5. 力：力是促使物体发生运动或变形的物理量，用矢量表示。
力的单位是牛顿(N)，它等于1千克质量在1秒钟内获得的加速度。
6. 应力：应力是物体内部受到的单位面积力的大小，用矢量表示。
常用的应力有压应力和剪应力。
7. 压应力：压应力是垂直于物体表面的作用力对单位面积的大小。
压应力可以导致物体的压缩变形。
8. 剪应力：剪应力是平行于物体表面的作用力对单位面积的大小。
剪应力可以导致物体的剪切变形。
9. 应变：应变是物体在受到外力作用下发生形变的程度，用无量纲的比例表示。
常用的应变有线性应变和切变应变。
10. 线性应变：线性应变是物体的长度与原始长度之差与原始长度的比值。
线性应变可以用来描述物体的拉伸或压缩变形。
11. 切变应变：切变应变是物体内部某一点沿切面上的平均切线方向的位移与该点到切面的距离的比值。
切变应变可以用来描述物体的剪切变形。
12. 应力-应变关系：应力-应变关系描述了物体在外力作用下产生应变的规律。
材料的应力-应变关系可以通过实验得到，常用的应力-应变关系包括线弹性、非线弹性和塑性等。
以上是结构力学中的一些重要名称和概念的解释，结构力学在实际工程中具有重要的应用价值，能够帮助工程师分析和设计各种结构的力学性能。
结构力学讲义ppt课件
x
结点自由度
y
φ
x
y
x
刚片自由度
2）一个刚片在平面内有三个自由度，因为确定 该刚片在平面内的位置需要三个独立的几何参
数x、y、φ。
4. 约束
凡是能减少体系自由度的装置就称为约束。
6
约束的种类分为：
1）链杆
简单链杆 仅连结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。
FyA
特点： 1) 结构在支座截面可以绕圆柱铰A转动 ； 2) x、y方向的反力通过铰A的中心。
29
3. 辊轴支座
A
A
FyA
特点： 1) 杆端A产生垂直于链杆方向的线位移； 2) 反力沿链杆方向作用，大小未知。
30
4. 滑动支座（定向支座）
A 实际构造
A
MA
FyA
A
MA
FyA
特点： 1）杆端A无转角，不能产生沿链杆方向的线 位移，可以产生垂直于链杆方向的线位移；
16
A
I
II
c)
B III C
形成瞬铰B、C的四根链杆相互平行（不等 长），故铰B、C在同一无穷远点，所以三个 铰A、 B、C位于同一直线上，故体系为瞬变 体系（见图c）。
17
二、举例
解题思路： 基础看作一个大刚片；要区分被约束的刚片及
提供的约束；在被约束对象之间找约束；除复 杂链杆和复杂铰外，约束不能重复使用。
高等教育出版社
4
第一章 绪 论
§1-1 结构力学的内容和学习方法
§1-2 结构计算简图
5
§1-1 结构力学的内容和学习方法
一、结构
建筑物或构筑物中 承受、传递荷载而起 骨架作用的部分称为 结构。如：房屋中的 框架结构、桥梁、大 坝等。
结构力学
1、绪论结构：在土木工程中，由建筑材料构成，能承受荷载而起骨架作用的构筑物。
结构力学的任务：研究结构的组成规律、合形式及结构计算简图的合理选择/研究结构内力和变形的计算方法，以便进行结构强度和刚度的验算/研究结构结构的稳定性以及在动力荷载作用下结构的反应。
结构力学的计算问题分为：静定性的问题/超静定性的问题（三个基本条件：力系的平衡条件/变形的连续条件/物理条件）结构：杆件结构/板壳结构/实体结构结点：铰结点/刚结点平面结构支座：活动铰支座/固定铰/固定/定向杆件结构：按其组成：梁/拱/刚架/桁架/组合结构，按计算特点：静定结构/超静定结构。
荷载的分类：按作用时间长短：恒荷载/活荷载，按作用位置：可动荷载/移动荷载，按作用性质：静力荷载/动力荷载2、结构的几何组成分析自由度：一个体系的自由度表示该体系独立运动的数目，或体系运动时可以独立改变的坐标数目。
约束：使体系减少自由度的装置或连接。
（分为：支座约束/刚片间的连接约束）几何组成分析的目的：判定杆件体系是否几何可变，从而决定其能否用作结构/研究几何不变、无多余约束体系的组成规则。
几何不变无多余约束体系的组成规则：一刚片和一个点用不共线的两根链杆连接/两刚片用一个铰和一根不通过此铰的链杆连接/三刚片用不在同一直线上的三个铰两两相连。
结构的几何组成和静力特征之间的关系：几何不变，无多余约束，静定结构/几何不变，有多余约束，超静定结构/几何可变，不能用作结构3、静定梁计算步骤：先计算支座反力/再计算截面内力/最后绘制内力图截面内力：弯矩\剪力\轴力计算截面内力的基本方法：截面法绘制弯矩图的基本方法：分段叠加法。
以控制截面将杆件分为若干段。
无载段的弯矩图即相邻控制截面弯矩纵坐标之间间所连直线，有载段，以相邻控制截面弯矩纵坐标所连虚直线为基线，叠加以该段长度为跨度的简支梁在跨间荷载作用下的弯矩图，剪力图和轴力图则将相邻控制截面内纵坐标连以直线即得。
内力图的纵坐标垂直于杆轴线画，弯矩图画在杆件受拉纤维一侧，不注正负号，剪力图和轴力图则注明正负号。
结构力学(李廉锟第五版)
（虚）位移状态
注 （1）属同一体系；
意 （2）均为可能状态。即位移应满足变形协调条件, 力状态应满足平衡条件。
： （3）位移状态与力状态完全无关；
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§6-2 变形体系的虚功原理
2.杆系结构虚功方程
结构力学
Wi FNd FSd Md
s
s
s
We Wi
以上结论与材料物理性质及具体结构无关，因 此，虚功原理虚功方程既适用于一切线性结构，也 适用于一切非线性结构。
结构力学
第六章 结构位移计算
§6-1 概 述 §6-2 变形体系的虚功原理 §6-3 位移计算的一般公式 单位荷载法 §6-4 静定结构在荷载作用下的位移计算 §6-5 图乘法 §6-6 静定结构温度变化时的位移计算
§6-7 静定结构支座移动时的位移计算
§6-8 线弹性结构的互等定理
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FK
1在
K 上做负功
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§6-3 位移计算的一般公式 单位荷载法 结构力学
几点说明：
(1) 所建立的虚功方程 ，实质上是几何方程。 (2) 虚设的力状态与实际位移状态无关，故可设单位广
义力 P=1
(3) 求解时关键一步是找出虚力状态的静力平衡关系。 特点: 是用静力平衡法来解几何问题。
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§6-2 变形体系的虚功原理
结构力学
（2）刚体系的虚功原理
去掉约束而代以相应的反力，该反力便可看成外力。 则有：刚体系处于平衡的必要和充分条件是：
对于任何可能的虚位移，作
用于刚体系的所有外力所做虚
结构力学
§1-5 结构的分类
（6）悬索结构：主要承重构件为悬挂于塔、柱上的缆索， 索只受轴向拉力。
§1-5 结构的分类
按内力是否静定分
静定结构：在任意荷载作用下，结构的全部反力和内力 都可以由静力平衡条件确定。
超静定结构：在任意荷载作用下，结构的全部反力和 内力不能由静力平衡条件确定。
各杆端不能相对移动也不能相对转动，可以传递力也 能传递力矩。
§1-4 支座和结点的类型
（3）组合结点：部分刚结部分铰结的结点。
§1-5 结构的分类
按几何特征分
杆件结构 长度远大于其他两个尺度的杆件组成。
薄壁结构 其厚度远小于其他两个尺度的结构。
实体结构 三个方向尺度相近的结构。
§1-5 结构的分类
§1-4 支座和结点的类型
支座：连接结构与基础的装置。 （1）活动铰支座
允许结构在支承处绕铰A转动和沿m-n的方向移动。
§1-4 支座和结点的类型
（2）固定铰支座 允许结构在支承处绕铰A转动，A不能作水平和竖向移动。
§1-4 支座和结点的类型
（3）固定支座 不允许结构在支承处发生任何移动和转动。
缓慢的荷载，可以略去惯性力的影响； 动力荷载：随时间迅速变化的荷载，是结构产生不容
忽视的加速度，必须考虑惯性力的影响。
其他因素：温度变化、支座沉陷、制造误差、材料收 缩等也可以使结构产结构计算简图 表现其主要特点，略去次要因素，代替实际结构的简化图形。
杆件的简化： 以轴线代替； 支座和结点的简化； 荷载的简化： 集中荷载和线分布荷载； 体系的简化： 空间结构简化为平面结构。
§1-2荷载的分类
荷载：作用在结构上的主动力
按作用时间久暂分 恒载：长期作用在结构上，如自重、土压力等； 活载：暂时作用在结构上，如列车、人群、风、雪等。 按作用位置是否变化分 固定荷载：恒载及某些活载，如风、雪等； 移动荷载：在结构上移动的，如列车、汽车、吊车等。
结构力学 第1章 绪论
2. 根据荷载的分布范围，荷载可分为集中荷载和分 布荷载。 集中荷载是指分布面积远小于结构尺寸的荷载，如 吊车的轮压，由于这种荷载的分布面积较集中，因此在 计算简图上可把这种荷载作用于结构上的某一点处。 分布荷载是指连续分布在结构上的荷载，当连续分 布在结构内部各点上时叫体分布荷载，当连续分布在结 构表面上时叫面分布荷载，当沿着某条线连续分布时叫 线分布荷载，当为均匀分布时叫均布荷载。
一般可取纵向边框架、纵向中框架、横向边框架和 横向中框架共四榀作为计算单元。 由于现浇整体式框架结构的梁柱结点是现浇成整体 的，纵梁和横梁的梁端弯矩可通过该结点进行传递和分 配，所以该结点一般认为是刚结点 刚结点。柱下端一般与基础 刚结点 整体浇注在一起，可简化为固定支座 固定支座，见图9(b）、(c)。 固定支座
一、计算简图的概念和简化原则 1. 概念：将实际结构进行抽象和简化，使之既能反映实 际工程的主要受力和变形 受力和变形特征，同时又能使计算大大简 受力和变形 化。这种经合理简化，用来代替实际结构的力学模型 力学模型叫 力学模型 做结构的计算简图 计算简图。 计算简图 2. 简化原则 （1）计算简图要尽可能反映实际结构的主要受力和变形 特点，使计算结果安全可靠； （2）略去次要因素，便于分析和计算。
5 ．荷载 荷载的简化 荷载 荷载的简化是指将实际结构构件上所受到的各种荷 载简化为作用在构件纵轴上的线荷载、集中荷载或力偶。 在简化时应注意力的作用点、方向和大小。 6 ．材料性质 材料性质的简化 材料性质 在力学计算中一般都把各构件材料假设为均匀、连续、 各向同性、完全弹性或弹塑性的，但对于混凝土、钢筋 混凝土、砖、石等材料有一定程度的近似性。
3. 刚架 刚架由梁、柱组成，梁、柱结点多为刚结点， 柱下支座常为固定支座，在荷载作用下，各杆件的轴力、 剪力、弯矩往往同时存在，但以弯矩为主。如图10(d)所 示。 4. 桁架 由若干杆件通过铰结点连接起来的结构，各 杆轴线为直线，支座常为固定铰支座或可动铰支座，当 荷载只作用于桁架结点上时，各杆只产生轴力，如图10(e) 所示。 5. 组合结构 即结构中部分是链杆，部分是梁或刚架， 在荷载作用下，链杆中往往只产生轴力，而梁或刚架部 分则同时还存在弯矩与剪力，如图10(f)所示。
结构力学知识点超全总结
（2）任取一力法基本结构，加虚拟力作出其M 图； （3）将M图和M 图图乘。
10．超静定结构内力图的校核
最后内力图的校核包括平衡条件和位移条件的校核。
·平衡条件校核，即利用最后内力图，取结构的整体及任一
隔离体，考察是否满足平衡条件。
力法方程表示位移条件或变形条件。
6.力法计算步骤
• 确定超静定次数，取基本体系
• 建立力法方程
• 做 M i 、MP 图
•
求系数
和自由项Δ
ij
iP
• 解力法方程，求出多余力
• 作内力图（可利用迭加原理）
• 校核
7．用力法计算超静定结构在支座位移和温 度变化时的内力
超静定结构在支座位移和温度变化作 用下，即会产生变形和位移，也会产生内力 和反力。其计算与在荷载作用下的基本相同， 只是其中的自由项是基本结构在支座位移和 温度变化作用下产生的位移，需按照静定结 构相应的位移计算公式和方法来确定。
几何可变体系
几何不变体系
A
C
B
几何常变体系
几何瞬变体系
几何可变体系
联系：链杆、单铰、复铰
W—自由度，m—刚片数，h—单铰数，r—支座链杆数
W = 3m － （２h＋r） 若有复铰，则要换算成单铰。
连接n个刚片的复铰，相当于 (n-1)个单铰。
2 几何不变体系的简单组成规则
三刚片规则:三个刚片通过三个不共线单铰两两相连,
8 对称性及应用
概念：对称结构在对称荷载作用下，其
内力、反力和变形的对称性与荷载的对称 性是一致的
应用：半结构法
原结构
结构力学第1章绪论
② 板壳结构— 形状是平面或曲面的结构（厚度比 长度和宽度小得多）。如：楼板、地下连续墙、 壳体屋盖。
杆件结构－桁架 —南京长江大桥
板壳结构
③ 实体结构——长、宽、厚三个方向尺寸相当。 如： 大坝、挡土墙。
三峡工程
度验算。 • 讨论结构的稳定性以及在动力荷载作用下的响应。
3） 结构力学的研究方法
理论分析、实验研究和数值计算三方面。 要考 虑下列三方面的条件：
（1）力系的平衡条件及运动条件; （2）变形的几何连续条件; （3）应力与变形间的物理条件（本构方程）。
4、课程教学中的能力培养
1. 分析能力
• 选择结构计算简图的能力 • 力系平衡分析和变形几何分析的能力 • 选择计算方法的能力
④ 薄膜结构——将薄膜材料通过一定方式使其内部产 生拉应力，以形成某种空间结构形状作为覆盖结构， 并能承受一定外荷载的空间结构形式。 其可分为张拉式薄膜结构(也称帐篷结构)又称预应 力薄膜结构、充气式薄膜结构。
某移动式医院
3、结构力学的研究对象及任务
1) 结构力学的研究对象
结构力学与理力、材力、弹力的任务基本相 同，但研究对象和侧重点有所区别：
2) 拱： 轴线为曲线，其力学特点是在竖向荷载作用下
能产生水平推力。
3) 桁架：由多根直杆组成，且所有结点都是铰结点；
其受力特点是各杆只受轴力。
4) 刚架：也由直杆组成，但结点中含有刚结点；各
杆均有可能产生弯矩、剪力和轴力，但主要以受 弯为主。
5) 组合结构：由多根杆件组成， 其中含有组合结
点;各杆中有的杆件可产生弯矩、剪力和轴力，有 的则只产生轴力。
结构力学必考知识点
KP
yc
EI
图乘法几点说明
• 必须符合以上三个条件
• 与 yc分别取自不同M图，且 yc 只能是直线
M图的竖标 • 图乘法范围必须一致，且每一段图乘范围内，
y c 所在M图只有一条直线
• 若 与 yc 受拉侧相同， yc为正，反之为负
要熟练应用图乘法计算结构的位移，必须牢记一些常用 标准图形的面积和形心位置（如三角形，标准二次抛物 线等），对于非标准图形，可利用迭加原理进行分解。
mBB
mA
mB
P
+
mB Pl/4
M图的迭加不是图形的简单拼凑,而是竖标迭加
2 多跨静定梁 多跨静定梁的组成 基本部分--能独立
附属部分--不能独 承载的部分。 立承载的部分。
多跨静定梁的内力计算：先附后基
3 静定平面刚架
▪ 刚架:若干不共线杆件通过若干刚结点连接，组成的结构
▪ 平面刚架：刚架中的所有杆件和荷载均位于同一平面内
n W
式中，n为结构的超静定次数, W为体系的计算自由度。 （2）去约束法 将多余约束去掉，使原结构转化为静定结构，则所去联系总数， 即为原结构的超静定次数。 （3）框格法 框格法计算超静定次数的公式
n 3m h
式中，m为封闭框格数,h为单铰数
n=3×5-7=8 n=3×7-13=8
3. 力法的基本概念 基本未知量：多余约束力。 基本结构：去掉多余联系后的结构。 基本方程：利用基本结构与原结构变形一致的条件建立的求解 多余约束力的方程，又称为力法的典型方程或简称力法方程。 4. 力法的思路 力法的思路是搭桥法。即：综合考虑结构的平衡条件、物理条 件和位移条件，将超静定结构的计算转化为静定结构的计算。 可见，力法计算实际上是对静定结构进行计算。
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厦门大学网络教育2010-2011学年第二学期
《结构力学》复习题
一、填空题
1、计算组合结构的位移时可以只考虑弯曲变形的影响，即∆=⎰
∑(M M EI s
P
/)d。
（）
2、支座移动、温度改变引起的超静定结构内力与EI的绝对值大小无关。
（）
3、用力法计算，校核最后内力图时只要满足平衡条件即可。
（）
4、温度改变，支座移动和制造误差等因素在静定结构中引起内力。
（）
5、在相同的荷载和跨度下，静定多跨梁的弯距比一串简支梁的弯距要大。
（）
6、位移法是以某些结点位移作为基本未知数，先求位移，再据此求内力的一种结构分析的方法。
（）
7、图示为单跨超静定梁的力法基本体系，其力法方程的系数δ11为l EA。
（）
1
8、规定位移法的杆端弯矩正负号时，对杆端而言，以顺时针为正，对结点则以逆时针为正，这一规定也适合于杆端剪力的符号规定。
（）
9、温度改变、支座位移、材料收缩和制造误差不会使静定结构产生内力，因而也不产生位移。
（）
10、位移法未知量的数目与结构的超静定次数有关。
（）
11、虚位移原理等价于变形谐调条件，可用于求体系的位移。
（）
12、移动荷载是指大小，指向不变，作用位置不断变化的荷载，所以不是静力荷载。
（）
二、单项选择题
1、绘制任一量值的影响线时，假定荷载是：（）
A．一个方向不变的单位移动荷载；B．移动荷载；
C．动力荷载；D．可动荷载。
2、图中取A 支座反力为力法的基本末知量 X 1(向上为正)，则X 1为：（ ）
A ．3P/16；
B ．4P/16；
C ．5P/16；
D ．不定，取决于EI 值。
l /2
l /2
3、图示结构的两个状态，位移互等δδ1221=，δ12和δ21的量纲为：（ ）
A ．长度；
B ．无量纲；
C ．长度/力；
D ．力/长度。
(1)
(2)
4、将桁架各杆抗拉(压)刚度EA 都乘以1/n ，则在荷载作用下各结点位移：（ ）
A ．都增加到原来的n 倍；
B ．都增加到原来的n 2
倍； C ．都增加到原来的n 倍；
D ．一部分增加，一部分减少。
5、静定结构在支座移动时，会产生：（ ）
A ．内力；
B ．应力；
C ．刚体位移；
D ．变形。
6、组合结构位移计算时：（ ）
A ．仅考虑弯矩作用；
B ．仅考虑轴力作用；
C ．考虑弯矩和剪力作用；
D ．考虑弯矩和轴力作用。
7、单位荷载作用在简支结间梁上，通过结点传递的主梁影响线，在各结点之间：（ ） A ．部分为直线，部分为曲线； B ．均为曲线；
C ．均为直线；
D ．竖标为零。
8、力法典型方程的物理意义是：（ ）
A ．结构的平衡条件；
B ．结点的平衡条件；
C ．结构的变形协调条件；
D ．结构的平衡条件及变形协调条件。
9、在求图示结构的∆CH 时，欲使计算最简便，所选用的虚拟力状态应是：（ ）
C
M 图
10、对某一无铰封闭图形最后弯矩图的校核，最简便的方法为：（ ）
A ．校核任一截面的相对水平位移；
B ．校核任一截面的相对转角；
C ．校核任一截面的绝对位移；
D ．校核任一截面的相对竖向位移。
11、在超静定结构计算中，一部分杆考虑弯曲变形，另一部分杆考虑轴向变形，则此结
构为：（ ）
A ．梁 ；
B ．桁架；
C ．横梁刚度为无限大的排架； D
．组合结构。
12、从位移法的计算方法来看，它：（ ）
A ．只能用于超静定结构；
B ．只能用于超静定结构中的刚架和连续梁；
C ．主要用于超静定结构，但也可以用于静定结构；
D ．只能用于超静定次数小于3的结构。
三、作图示结构的M 图。
d = 4 m 。
d
四、求图示桁架中杆1、2的内力。
a
5/2
3
五、作图示结构的M 图，并求链杆的轴力。
六、试求图示刚架D 、E 两点的水平相对线位移 DE ，各杆EI =常数。
q
l
l
七、求图示刚架中Ｃ点的水平位移，ＥI ＝常数。
l/2八、求图示桁架a，b杆的轴力。
d d。