结构力学第二章 1
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结构力学(I)-02-1 结构静力分析篇4(桁架)@@9
4m
15kN 4m
15kN 4m
15kN
F
FNGF
15kN
ME = 0 MF = 0
FNGF = -20 kN FNGE = 25 kN
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16 / 53
第二章 静定结构受力分析
有些杆件利用其特殊位置可方便计算
L形结点 结点平面汇交力系中，
除某一杆件外，其它所
结点 单杆
有待求内力的杆件均共 线时，则此杆件称为该 结点的结点单杆。
FN1
FN2 FN
Fy=0 f(FN2 , FN )=0 Fx=0 g(FN2 , FN )=0
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FAy
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第二章 静定结构受力分析
FP
FP
E b
3
FP
1 2 4
FP D
FP
FP
FP
C
弦杆 斜杆
F F
M
y
x
C
0
0
0
f ( FN 2 , FN ) 0
FN1
FN 2
y
FN 2 FN 0
竖杆
利用对称性取结点D 先求斜杆b，再利用结点E
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F F
0 0
FN 4
FN 3
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y
第二章 静定结构受力分析
练习求FN1、 FN2 、 FN3
FP
1
FP
2h
对称轴?
3
2
4a
为了使计算简捷应注意： 1）选择一个合适的出发点； 2）选择一个合适的隔离体； 3）选择一个合适的平衡方程。
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02结构力学1-几何组成分析
§2-1 基本概念 W = 3m-(3g+2h+b) 四. 计算自由度
例3：计算图示体系的计算自由度 2 1 解法一
9根杆,9个刚片
有几个单铰？
3 3
3根单链杆
2 1
W=3 ×9-(2×12+3)=0
§2-1 基本概念
四. 计算自由度 例3：计算图示体系的计算自由度 铰结链杆体系：完全由两端 铰结的杆件所组成的体系
y 两个刚片一共6个自由 度 加两个单链杆之后：整 个体系有4个自由度 减少2个自由度
x
1单铰=2个单链杆
y
§2-1 基本概念
三. 约束（联系） 约束：减少自由度的装置 实铰 x
两个单链杆
y
y
虚铰 x
x
§2-1 基本概念
三. 约束（联系）
既不平行又不相交于一点 的三个单链杆=一个固定支 座
三个单链杆=一个固定支座？
§2-2 静定结构的组成规则
三边在两边之和大于第三边时,能唯一地组 成一个三角形——基本出发点。
二刚片规则： 二刚片规则： 两个刚片用三根 两个刚片用一 不全平行也不交 个铰和一根不通 于同一点的链杆 过此铰的链杆相 相联，组成无多 联，组成无多余 余联系的几何不 联系的几何不变 变体系。
体系。
§2-2 静定结构的组成规则
x
1单铰=2个约束
§2-1 基本概念
三. 约束（联系） 约束：减少自由度的装置 y
复铰
三个刚片一共9个自由 度 加铰之后：整个体系有 5个自由度 减少4个自由度 x
复铰 等于多少个 单铰？
1连接N个刚片的复铰 =N-1个单铰
§2-1 基本概念
三. 约束（联系） 约束：减少自由度的装置
船舶结构力学第二章 (1)
逐次积分后，得：
x EIυ ′′′ = ∫ 0 qdx + A = N
x x EIυ ′′ = ∫ 0 ∫ 0 qdx 2 + Ax + B = M
1 x x x Ax 2 Bx 3 υ′ = ∫ 0 ∫ 0 ∫ 0 qdx + + +C =θ 2 EI EI EI
1 υ= EI
∫∫∫∫
0 0 0
x
M 0 x 2 N 0 x3 1 x x x x υ = υ0 + θ 0 x + + + ∫ 0 ∫ 0 ∫ 0 ∫ 0 qdx 4 2 EI 6 EI EI
1、没有载荷作用时
N0 x3 M 0 x 2 v= + + θ 0 x + v0 6EI 2EI
M 0、N 0、θ 0、v0
初始弯曲参数。
平面弯曲假设
载荷作用在梁的对称平面内，无斜弯和扭转，轴线为平面 曲线
小变形条件
• 由变形关系
o
dθ
ρ
x
ε=
y
ρ
• 小变形（小挠度）
dx
y
ε dx
y (a)
d 2v = 2 ρ dx 1
• 坐标系统，符号
d 2v 几何方程： ε = − y 2 dx
基本公式：
（1）、几何关系： （2）、物理关系： （3）、平衡关系：
（2）、刚性固定端（刚性固定在刚性支座上）
特点：它阻止梁端发生挠度和转动。 边界条件为：
v=0 θ = 0（或v′ = 0)
"' v " = 0、v = m AEIv（ 自由支持在弹性支座上）
"' （ 刚性固定在弹性支座上） v' = 0、v = m AEIv
x EIυ ′′′ = ∫ 0 qdx + A = N
x x EIυ ′′ = ∫ 0 ∫ 0 qdx 2 + Ax + B = M
1 x x x Ax 2 Bx 3 υ′ = ∫ 0 ∫ 0 ∫ 0 qdx + + +C =θ 2 EI EI EI
1 υ= EI
∫∫∫∫
0 0 0
x
M 0 x 2 N 0 x3 1 x x x x υ = υ0 + θ 0 x + + + ∫ 0 ∫ 0 ∫ 0 ∫ 0 qdx 4 2 EI 6 EI EI
1、没有载荷作用时
N0 x3 M 0 x 2 v= + + θ 0 x + v0 6EI 2EI
M 0、N 0、θ 0、v0
初始弯曲参数。
平面弯曲假设
载荷作用在梁的对称平面内，无斜弯和扭转，轴线为平面 曲线
小变形条件
• 由变形关系
o
dθ
ρ
x
ε=
y
ρ
• 小变形（小挠度）
dx
y
ε dx
y (a)
d 2v = 2 ρ dx 1
• 坐标系统，符号
d 2v 几何方程： ε = − y 2 dx
基本公式：
（1）、几何关系： （2）、物理关系： （3）、平衡关系：
（2）、刚性固定端（刚性固定在刚性支座上）
特点：它阻止梁端发生挠度和转动。 边界条件为：
v=0 θ = 0（或v′ = 0)
"' v " = 0、v = m AEIv（ 自由支持在弹性支座上）
"' （ 刚性固定在弹性支座上） v' = 0、v = m AEIv
结构力学 -01,02
(a) (b)
图 2-14
图2-15
§2-3 无多余约束的几何丌变体系的组成觃则
两刚片以既丌互相平行，也丌汇交的 3个链杆相联，形成 无多余约束的几何丌变体系(图2-16 a)。 这种觃则实际上是 2刚片 (a) 觃则(Ⅰ)的变相。如图2-16(a) 1 2 A 所示，当把杆1、2的交点规为 3 虚铰，该体系即成为两刚片以 1铰、1杆相联的几何丌变体系。 (b) 另外，若联结两刚片的 3 个链杆汇交亍一点(图2-16 b)， o 2 此时系统将能绕交点 O(瞬心) 1 发生微量相对转劢，从而成为 瞬变体系。 图2-16 这也可用以下实例说明。
三. 几何瞬变体系不常变体系： 下面，我们来分析图2-2(a)所示体系，由亍该体 系中三铰共线，假如在 A点加一力P如图(b),由亍该力 没有其它竖向力来平衡，则 A 点将产生竖向位秱，这 说明原体系是一个几何可变体系，但只要 A 点有一微 量位秱δ,三铰就丌再共线，此时力P就可由两个斜杆的 竖向拉力来平衡，如图 2-3(b)，从而使该体系成为几 何丌变体系。
§2-4 体系几何组成分析丼例
例2-8 作图2-26(a)所示体系的几何组成分析。 [解] 图中ABCDEF 是在杆ABCD上依次增加二杆结点 E、 F 形成的刚片，再由对称关系可知该体系是三刚片用三个丌共 线的铰 (1，2)、(1，3)、(2，3)联结成的几何丌变体系(图b)。 例2-9 作图2-27(a)所示体系的几何组成分析。 [解] 该体系 左侧几何丌变(3刚 片以丌共线的 3铰 相联)(图b)，可看 作是地球的一部分， 然后再用一铰和一 图2-26 个丌通过该铰的链 杆不弯杆 BD 相联 （图c)，因此，整 个体系几何丌变。
§2-4 体系几何组成分析丼例
例2-4 作图2-22(a)所示体系的几何组成分析。 [解] 该体系无二杆结点可拆，也无明显的大刚片，但仔 细分析后可以发现，如图(b)将杆 1、2、3规为刚片时，这是 一个 3刚片用 3个虚铰 (1,2)、(2,3)、(1,3) 相联的几何丌变体系。 例2-5 图2-23(a) [解] 该体系左、 右对称，为一杆(CDEF) 图2-22 加两个二杆结点(A、B) 形成的大刚片，然后再 左 右 用一杆一铰相联(图b)， 因而是几何丌变体系。 但应注意的是， C点丌 图2-23 是二杆结点(图c) 。
图 2-14
图2-15
§2-3 无多余约束的几何丌变体系的组成觃则
两刚片以既丌互相平行，也丌汇交的 3个链杆相联，形成 无多余约束的几何丌变体系(图2-16 a)。 这种觃则实际上是 2刚片 (a) 觃则(Ⅰ)的变相。如图2-16(a) 1 2 A 所示，当把杆1、2的交点规为 3 虚铰，该体系即成为两刚片以 1铰、1杆相联的几何丌变体系。 (b) 另外，若联结两刚片的 3 个链杆汇交亍一点(图2-16 b)， o 2 此时系统将能绕交点 O(瞬心) 1 发生微量相对转劢，从而成为 瞬变体系。 图2-16 这也可用以下实例说明。
三. 几何瞬变体系不常变体系： 下面，我们来分析图2-2(a)所示体系，由亍该体 系中三铰共线，假如在 A点加一力P如图(b),由亍该力 没有其它竖向力来平衡，则 A 点将产生竖向位秱，这 说明原体系是一个几何可变体系，但只要 A 点有一微 量位秱δ,三铰就丌再共线，此时力P就可由两个斜杆的 竖向拉力来平衡，如图 2-3(b)，从而使该体系成为几 何丌变体系。
§2-4 体系几何组成分析丼例
例2-8 作图2-26(a)所示体系的几何组成分析。 [解] 图中ABCDEF 是在杆ABCD上依次增加二杆结点 E、 F 形成的刚片，再由对称关系可知该体系是三刚片用三个丌共 线的铰 (1，2)、(1，3)、(2，3)联结成的几何丌变体系(图b)。 例2-9 作图2-27(a)所示体系的几何组成分析。 [解] 该体系 左侧几何丌变(3刚 片以丌共线的 3铰 相联)(图b)，可看 作是地球的一部分， 然后再用一铰和一 图2-26 个丌通过该铰的链 杆不弯杆 BD 相联 （图c)，因此，整 个体系几何丌变。
§2-4 体系几何组成分析丼例
例2-4 作图2-22(a)所示体系的几何组成分析。 [解] 该体系无二杆结点可拆，也无明显的大刚片，但仔 细分析后可以发现，如图(b)将杆 1、2、3规为刚片时，这是 一个 3刚片用 3个虚铰 (1,2)、(2,3)、(1,3) 相联的几何丌变体系。 例2-5 图2-23(a) [解] 该体系左、 右对称，为一杆(CDEF) 图2-22 加两个二杆结点(A、B) 形成的大刚片，然后再 左 右 用一杆一铰相联(图b)， 因而是几何丌变体系。 但应注意的是， C点丌 图2-23 是二杆结点(图c) 。
结构力学第二章结构的几何组成分析
结构系统结构系统 结构系统 平面中的固定铰支座能消去2个自由度（2个线位移），但不能消除转动，因此对应2个约束，c =2空间中的固定铰支座能消去3个自由度, 因此对应3个约束，c =3 平面固支，c =3空间固支，c
=6 结构系统 结构系统结构系统 （c ）铰链 平面两个刚片的自由度: 平面单铰相当于2个约束 x y A O A xA yα β 单铰 6 23=?=n 用单铰连接后只剩下4个自由度:β α,,,A A y x 4 =n 2 46=-=∴c 连接两个平面刚片的单铰 x y A O 复铰 m 个刚片 原m 个刚片的总自由度：连接m 个刚片的复铰 用复铰连接后自由度为2个线位移加m 个角度：m m n 33=?=m n +=2故约束数)1(2)2(3-=+-=m m m c 连接m 个刚片的复铰相当于个约束。 )1(2-m m 个铰的总自由度数： 系统中元件（刚体、杆、刚片）和铰既可以看作自由体，也可以看作约束。 1 2 3 4 5 6 m-1
2 3 f >0时，有多余约束，称为静不定（超静定）结构，f 就是静不定的次数。 如果元件安排合理，则
布置不合理
f
=0 f =1 布置合理，1
次超静定 f =0 布置合理，静定
2 由以上分析可见，只有几何不变的系统才能承力和传力，作为“结构”。 系统几何组成分析的目的： （1）判断系统是否几何不变，以决定是否能作为结构 使用； （2）掌握几何不变结构的组成规律，便于设计出合理 的结构； （3）区分静定结构和静不定结构，以确定不同的计算 方法。 2.2 几何不变性的判断 2.2.1 运动学方法 将结构中的某些元件看成自由体，拥有一定数量的自由度； 将结构中的另一些元件看成约束。 如果没有足够多的约束去消除自由度，系统就无法保持原有形状。 所谓运动学方法，就是指这种引用“约束”和“自由度”的概念来判断系统几何不变性的方法。 1、自由度与约束（1）自由度的定义 决定一物体在某一坐标系中的位置所需要的独立变量的数目称为自由度，用n 表示。平面一个点有2个独立坐标，故n =2空间一个点有3个独立坐标，故n =3 x y y ?x ?A A' x y A yA xA z A zA' O 空间一根杆有5个自由度，一个平面刚体（刚片、刚盘）或一根杆有3个自由度，n =3 x y A yAxA z AzA' O B B'
=6 结构系统 结构系统结构系统 （c ）铰链 平面两个刚片的自由度: 平面单铰相当于2个约束 x y A O A xA yα β 单铰 6 23=?=n 用单铰连接后只剩下4个自由度:β α,,,A A y x 4 =n 2 46=-=∴c 连接两个平面刚片的单铰 x y A O 复铰 m 个刚片 原m 个刚片的总自由度：连接m 个刚片的复铰 用复铰连接后自由度为2个线位移加m 个角度：m m n 33=?=m n +=2故约束数)1(2)2(3-=+-=m m m c 连接m 个刚片的复铰相当于个约束。 )1(2-m m 个铰的总自由度数： 系统中元件（刚体、杆、刚片）和铰既可以看作自由体，也可以看作约束。 1 2 3 4 5 6 m-1
2 3 f >0时，有多余约束，称为静不定（超静定）结构，f 就是静不定的次数。 如果元件安排合理，则
布置不合理
f
=0 f =1 布置合理，1
次超静定 f =0 布置合理，静定
2 由以上分析可见，只有几何不变的系统才能承力和传力，作为“结构”。 系统几何组成分析的目的： （1）判断系统是否几何不变，以决定是否能作为结构 使用； （2）掌握几何不变结构的组成规律，便于设计出合理 的结构； （3）区分静定结构和静不定结构，以确定不同的计算 方法。 2.2 几何不变性的判断 2.2.1 运动学方法 将结构中的某些元件看成自由体，拥有一定数量的自由度； 将结构中的另一些元件看成约束。 如果没有足够多的约束去消除自由度，系统就无法保持原有形状。 所谓运动学方法，就是指这种引用“约束”和“自由度”的概念来判断系统几何不变性的方法。 1、自由度与约束（1）自由度的定义 决定一物体在某一坐标系中的位置所需要的独立变量的数目称为自由度，用n 表示。平面一个点有2个独立坐标，故n =2空间一个点有3个独立坐标，故n =3 x y y ?x ?A A' x y A yA xA z A zA' O 空间一根杆有5个自由度，一个平面刚体（刚片、刚盘）或一根杆有3个自由度，n =3 x y A yAxA z AzA' O B B'
结构力学第二章杆件结构的几何组成分析
结构力学第二章杆件结构的几 何组成分析
本章目的:为后续各章奠定基础。 本章假定:所有构件均为刚体。
§2-1 基本概念
一. 几何不变体系 几何可变体系
几何不变体系
几何可变体系
A
A
B
B C
结构必须是几何不变体系。
二. 刚片 几何形状不能变化的平面物体
三. 自由度 确定体系位置所需的独立坐标数
y xA y x
几何特征 超静定结构
静力特征
§2-2 无多余约束的几何不变体系的组成规则
一. 三刚片规则 三刚片以不在一条直线上的三铰两
两相联,构成无多余约束的几何不变体系.
例2-3 确定图示体系是否为几何不变体系。
1
2
3
无多余约束的 几何不变体系
几何可变体系
有多余约束的 几何不变体系
例2-4 确定图示体系是否为几何不变体系。
A
Ⅰ
B
C
Ⅱ
例2-6 确定图示体系是否为几何不变体系。
Ⅰ Ⅱ
例2-7 确定图示体系是否为几何不变体系。
C
C
A
B
A
B
练习：
讨论：三杆平行或三杆交于一点
常变体系
练习
A
瞬变体系
A
瞬变体系 常变体系
三. 二元体规则 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.
在一个体系上加减二元体不影响原体系的机动性质. 例2-8 确定图示体系是否为几何不变体系。
根据计算自由度能否判
思考：支座是不是约束？刚结点是不是约束？
刚片 几何形状不能变化的平面物体
本章假定:所有构件均为刚。 构成无多余约束的几何不变体系. 无多余约束的几何不变体系为静定结构
本章目的:为后续各章奠定基础。 本章假定:所有构件均为刚体。
§2-1 基本概念
一. 几何不变体系 几何可变体系
几何不变体系
几何可变体系
A
A
B
B C
结构必须是几何不变体系。
二. 刚片 几何形状不能变化的平面物体
三. 自由度 确定体系位置所需的独立坐标数
y xA y x
几何特征 超静定结构
静力特征
§2-2 无多余约束的几何不变体系的组成规则
一. 三刚片规则 三刚片以不在一条直线上的三铰两
两相联,构成无多余约束的几何不变体系.
例2-3 确定图示体系是否为几何不变体系。
1
2
3
无多余约束的 几何不变体系
几何可变体系
有多余约束的 几何不变体系
例2-4 确定图示体系是否为几何不变体系。
A
Ⅰ
B
C
Ⅱ
例2-6 确定图示体系是否为几何不变体系。
Ⅰ Ⅱ
例2-7 确定图示体系是否为几何不变体系。
C
C
A
B
A
B
练习：
讨论：三杆平行或三杆交于一点
常变体系
练习
A
瞬变体系
A
瞬变体系 常变体系
三. 二元体规则 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.
在一个体系上加减二元体不影响原体系的机动性质. 例2-8 确定图示体系是否为几何不变体系。
根据计算自由度能否判
思考：支座是不是约束？刚结点是不是约束？
刚片 几何形状不能变化的平面物体
本章假定:所有构件均为刚。 构成无多余约束的几何不变体系. 无多余约束的几何不变体系为静定结构
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
结构力学第二章结构的几何组成分析
链杆法
链杆选取
选择适当的链杆，作为分析的基本单元。
约束条件分析
分析链杆的约束条件，确定结构的几何特性。
几何组成判定
根据链杆的几何特性和约束条件，判断结构 的几何组成。
混合法
1 2
方法选择
根据结构特点，选择刚片法或链杆法进行分析。
综合分析
综合运用刚片法和链杆法，对结构进行几何组成 分析。
3
结果判定
常变体系
在荷载作用下，体系的几何形状会发生变化，且这种变化是持续的。例如，一个由三个链杆连接的刚片，在荷载 作用下会持续发生变形。
03
几何组成分析方法
刚片法
刚片选取
选择适当的刚片，作为分析的基本单 元。
自由度计算
几何不变体系判定
根据约束条件，判断结构是否为几何 不变体系。
计算各刚片的自由度，确定约束条件。
结构力学第二章结构的几何组成分析
目录 Contents
• 几何组成分析基本概念 • 几何组成分析基本规则 • 几何组成分析方法 • 几何组成与结构性能关系 • 复杂结构几何组成分析示例 • 几何组成分析在工程应用中的意义
01
几何组成分析基本概念
几何不变体系与几何可变体系
几何不变体系
在不考虑材料应变的前提下，体 系的形状和位置都不会改变。
几何可变体系
在不考虑材料应变的前提下，体 系的形状或位置可以发生改变。
自由度与约束
自由度
描述体系运动状态的独立参数，即体系可以独立改变的坐标 数目。
约束
对体系运动状态的限制条件，即减少体系自由度的因素。
刚片与链杆
刚片
在力的作用下，形状和大小保持不变 的平面或空间图形。
结构力学电子版很直观
MCB=MCA
结点处若无外力偶，则该结点处两杆端弯矩等值， 并画在同一侧（内侧或外侧）
静定构造弯矩图练习2
q
C
B
L
qL2/2
qL2/2 qL2/8
A
L
XA YA MA
XA=0
M图
MB=0
MCB=MCA=-qL2/2
MA=qL2/2
静定构造弯矩图练习3
3F
C
B D
L
F
A
L
L
FL FL
3FL/2
M图
q
qL
B
C
L
RB
A
XA YA L
D
L
XA=-qL YA=qL/2 RB= 3qL/2
qL/2 N图
NBC= 0 NCA= -YA = -qL/2
静定构造内力图练习1 （M图） qL2/2
q
qL2/8
C
B
qL2/2
qL2/8
L
XAA
L
YA MA
∑X= XA =0 ∑Y= YA– qL=0, mA(F)=qL·L/2 – mA =0
三刚片规则练习2
D
B
A
C
三刚片AD、DC、基础 由铰A、D和B、 C处两链杆（虚铰）两两相连且不共线
为无多出约束旳几何不变体系
三刚片规则练习3
BC
D
A
E
三刚片AC、CE、基础 由铰A、C和D、 E处两链杆（虚铰）两两相连 B处链杆为一多出约束
为有一种多出约束旳几何不变体系
二. 两刚片规则
两个刚片用一种铰和一根不经过该铰旳链杆相连， 为无多出约束旳几何不变体系
F
F
结构力学-几何组成分析
复铰 等于多少个 单铰？
1连接n个刚片的复铰 = (n-1)个单铰
体系的计算自由度：
结 构 力 学 第 二 章
bicea
计算自由度等于刚片总自由度数 减总联系数
W = 3m-(2h+b) m---刚片数（不包括地基） h---单铰数 b---单链杆数（含支杆）
结 构 力 学 第 二 章
bicea
结 构 力 学 第 二 章
bicea
除去联系后，体系的自由度并不 改变，这类联系称为多余联系。
图中上部四根杆 和三根支座杆都是 必要的联系。 下部正方形中任意 一根杆，除去都不增 加自由度，都可看作 多余的联系。
结 构 力 学 第 二 章
bicea
例3： 计算 图示 体系 的自 由度
W=0,但 布置不当 几何可变。 上部有多 余联系， 下部缺少 联系。
找虚铰 无多几何不变
无多几何不变
Ⅱ
O12
结 构 力 学 第 二 章
bicea
找 刚 片 O 、 找 虚 铰
23
Ⅲ
Ⅰ
O13
行吗？
瞬变体系
它可 变吗？
结 构 力 学 第 二 章
bicea
F
G
E
D
找刚片 无多几何不变
结 构 力 学 第 二 章
bicea
F
G E
D
如何变静定？ 唯一吗？
C
结 构 力 学 第 二 章
bicea
结 构 力 学 第 二 章
bicea
可选小论文题之一 “体系组成分析的计 算机方法” 做这一小论文的 找我要参考资料
结 构 力 学 第 二 章
bicea
可选小论文题之一 “论三刚片六杆 连接体系的可变性” 或 “体系组成分析的计 算机方法”
结构力学(第二章)
1）组装几何不变体系 （1）从基础出发进行组装 把基础作为一个刚片，然后运用各条规律把基础和其它构 件组装成一个不变体系。 例2-4： 搭上了5个
刚片1
二元体
第二章
例2-5： 1 2
平面体系的机动分析
刚片1 二元体
二元体
§2-2 几何不变体系的组成规律
3
二元体
地基作为刚片2
没有多余约束的几何不变体系
连接n个刚片的复铰，
相当于n-1个单铰。
还有5个自由度
第二章
（4）刚结点
平面体系的机动分析
一个刚结点能减 少三个自由度，相 当于三个约束。
用刚节点连接
还有3个自由度 相当于2个刚节点
连接n个刚片的刚结点？
第二章
平面体系的机动分析
=3m-(2h+r)=2j-(b+r)
第二章
平面体系的机动分析
第二章
规律1：一个刚片与一个点用两根链杆相连，且三 个铰不在一条直线上，则组成几何不变体 系，并且没有多余约束。
第二章
平面体系的机动分析
§2-2 几何不变体系的组成规律
二元体 两根不在一条直线上的 链杆用一个铰连接后，称 为二元体。 规律1还可以这样叙述： 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。
第二章
（1）点的自由度
Y
平面体系的机动分析
x A
y
X
点在平面内的自由度为： 2
第二章
（2）刚片的自由度
平面体系的机动分析
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。 Y
刚片1
二元体
第二章
例2-5： 1 2
平面体系的机动分析
刚片1 二元体
二元体
§2-2 几何不变体系的组成规律
3
二元体
地基作为刚片2
没有多余约束的几何不变体系
连接n个刚片的复铰，
相当于n-1个单铰。
还有5个自由度
第二章
（4）刚结点
平面体系的机动分析
一个刚结点能减 少三个自由度，相 当于三个约束。
用刚节点连接
还有3个自由度 相当于2个刚节点
连接n个刚片的刚结点？
第二章
平面体系的机动分析
=3m-(2h+r)=2j-(b+r)
第二章
平面体系的机动分析
第二章
规律1：一个刚片与一个点用两根链杆相连，且三 个铰不在一条直线上，则组成几何不变体 系，并且没有多余约束。
第二章
平面体系的机动分析
§2-2 几何不变体系的组成规律
二元体 两根不在一条直线上的 链杆用一个铰连接后，称 为二元体。 规律1还可以这样叙述： 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。
第二章
（1）点的自由度
Y
平面体系的机动分析
x A
y
X
点在平面内的自由度为： 2
第二章
（2）刚片的自由度
平面体系的机动分析
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。 Y
结构力学 第二章 结构的几何构造分析.
2019/9/6
A
B
C
Ⅲ
如图示，三刚片用三个不共线的 铰相连，故：该体系为无多余约 束的几何不变体系。
结构力学
36
（Ⅰ,Ⅱ）
Ⅰ (Ⅰ,Ⅲ) Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
(Ⅰ,Ⅲ)
三刚片以三个无穷远处虚铰相连 组成瞬变体系
（Ⅱ，Ⅲ）
（Ⅰ,Ⅱ）
（Ⅱ，Ⅲ）
如图示，三刚片以共线三铰相连几何瞬变体系
2019/9/6
结构力学
② 在结构计算时，可根据其几何组成情况，选择适 当的计算方法；分析其组成顺序，寻找简便的解 题途径。
由若干杆件用各种结点连接而成的杆件体系，当 能承受一定范围内任意荷载时，称为杆件结构。不能 承受任意荷载的体系称为机构。
2019/9/6
结构力学
5
2-1-2 体系的分类
在忽略变形的前提下，体系可分为两类：
静定结构 — 几何特征为无多余约束几何不变。
2019/9/6
结构力学
21
2-2-1 静定结构组成规则
规则1 一刚片规则（二元体规则）
一个刚片与一个 点用两根链杆相连， 且三个铰不在一直线 上，则组成几何不变 的整体，并且没有多 余约束。
2019/9/6
图2-8
结构力学
A C
1 A2
22
在体系上用两个不共线杆件或刚片连接一个新
掌握： 体系的计算自由度的概念及计算，无多余 约束的几何不变体系的几何组成规则，及 常见体系的几何组成分析。
了解： 结构的几何特性与静力特性的关系。
2019/9/6
结构力学
4
§2-1 几何构造分析的几个概念
2-1-1 几何构造分析的目的
① 研究结构正确的连接方式，确保所设计的结构能 承受荷载，维持平衡，不至于发生刚体运动。
A
B
C
Ⅲ
如图示，三刚片用三个不共线的 铰相连，故：该体系为无多余约 束的几何不变体系。
结构力学
36
（Ⅰ,Ⅱ）
Ⅰ (Ⅰ,Ⅲ) Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
(Ⅰ,Ⅲ)
三刚片以三个无穷远处虚铰相连 组成瞬变体系
（Ⅱ，Ⅲ）
（Ⅰ,Ⅱ）
（Ⅱ，Ⅲ）
如图示，三刚片以共线三铰相连几何瞬变体系
2019/9/6
结构力学
② 在结构计算时，可根据其几何组成情况，选择适 当的计算方法；分析其组成顺序，寻找简便的解 题途径。
由若干杆件用各种结点连接而成的杆件体系，当 能承受一定范围内任意荷载时，称为杆件结构。不能 承受任意荷载的体系称为机构。
2019/9/6
结构力学
5
2-1-2 体系的分类
在忽略变形的前提下，体系可分为两类：
静定结构 — 几何特征为无多余约束几何不变。
2019/9/6
结构力学
21
2-2-1 静定结构组成规则
规则1 一刚片规则（二元体规则）
一个刚片与一个 点用两根链杆相连， 且三个铰不在一直线 上，则组成几何不变 的整体，并且没有多 余约束。
2019/9/6
图2-8
结构力学
A C
1 A2
22
在体系上用两个不共线杆件或刚片连接一个新
掌握： 体系的计算自由度的概念及计算，无多余 约束的几何不变体系的几何组成规则，及 常见体系的几何组成分析。
了解： 结构的几何特性与静力特性的关系。
2019/9/6
结构力学
4
§2-1 几何构造分析的几个概念
2-1-1 几何构造分析的目的
① 研究结构正确的连接方式，确保所设计的结构能 承受荷载，维持平衡，不至于发生刚体运动。
结构力学第二章 平面体系的几何组成分析
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
C 联合装配格式
A
II
III
固定两个刚片的装配格式
B
I C 复合装配格式
29/73
2-2 平面几何不变体系的组成规律 四、体系的装配 多次应用上述基本组成规律或基本装配格式，可以组成各 种各样的几何不变且无多余约束的体系。 装配的过程通常有两种： 1 从基础出发进行装配
x
一个链杆相当于1个约束
若用数学表达式，则应满足以下条件： xB xA 2 yB yA 2 l2
4个坐标参数必须受到上述条件的限制，故只有3个独立运动 几何参数。
14/73
2-1 几何构造分析的几个概念 五、多余约束
如果在一个体系中增加一个约束，而体系的自由度并不因此 而减少，这种约束称为多余约束。
二、刚片
在几何组成分析中，可能遇到各种各样的平面物体，不论其具 体形状如何，凡本身为几何不变者，则均可把它看作为刚片。
6
4 2
5 3
1
5/73
2-1 几何构造分析的几个概念 三、自由度
y A'
A Dx
O
x
平面内一点有两种独立运动方式 (两个坐标x, y可以独立地改变)
一点在平面内有两个自由度
Dy Dy
A
II B
3
I
C
II
B 12
A
3
I
C
几何不变 无多余约束
几何不变 无多余约束
规律3 两个刚片用三个链杆相连，且三链杆不交于同一点，则 组成几何不变的整体，并且没有多余约束。
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
C 联合装配格式
A
II
III
固定两个刚片的装配格式
B
I C 复合装配格式
29/73
2-2 平面几何不变体系的组成规律 四、体系的装配 多次应用上述基本组成规律或基本装配格式，可以组成各 种各样的几何不变且无多余约束的体系。 装配的过程通常有两种： 1 从基础出发进行装配
x
一个链杆相当于1个约束
若用数学表达式，则应满足以下条件： xB xA 2 yB yA 2 l2
4个坐标参数必须受到上述条件的限制，故只有3个独立运动 几何参数。
14/73
2-1 几何构造分析的几个概念 五、多余约束
如果在一个体系中增加一个约束，而体系的自由度并不因此 而减少，这种约束称为多余约束。
二、刚片
在几何组成分析中，可能遇到各种各样的平面物体，不论其具 体形状如何，凡本身为几何不变者，则均可把它看作为刚片。
6
4 2
5 3
1
5/73
2-1 几何构造分析的几个概念 三、自由度
y A'
A Dx
O
x
平面内一点有两种独立运动方式 (两个坐标x, y可以独立地改变)
一点在平面内有两个自由度
Dy Dy
A
II B
3
I
C
II
B 12
A
3
I
C
几何不变 无多余约束
几何不变 无多余约束
规律3 两个刚片用三个链杆相连，且三链杆不交于同一点，则 组成几何不变的整体，并且没有多余约束。
《结构力学》第二章 平面体系的机动分析
常变体系
§2-5 机动分析示例
加、减二元体
无多几何不变
瞬变体系 去支座后再分析
加、减 二元体
无多几何不变
找找虚虚铰铰 无无多多几几何何不不变变
§2-5 几何构造与静定性的关系
F FAx
FAy
如何求支 座反力?
静定结构
FB
无多余 联系几何 不变。
F FAx
FAy
FC
FB
能否求全 部反力?
超静定结构
有多余 联系几何 不变。
小结
几何不变体系 可作为结构
体系
几何可变体系 不可作结构
无多余联系
静定结构
有多余联系
超静定结构
常变
瞬变
s=3
3.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
铰结链杆体系 的计算自由度：
W=2j-b
j--结点数 b--链杆数,含
在一个体系上增加 或拆除二元体，不 改变原体系的几何 构造性质。
加二元体组成结构
如何减二元体？
二刚片规则：
两个刚片用一个铰 和一根不通过此铰 的链杆相联，组成 无多余联系的几何不变 体系。
二刚片规则：
两个刚片用三根 不全平行也不交 于同一点的链杆 相联，组成无多 余联系的几何不 变体系。在其交点处的一个单铰，这种铰称为 虚铰（瞬铰）。
三边在两边之和大于第三边时,能唯一地组成 一个三角形——基本出发点.
三刚片规则：
三个刚片用不在同 一直线上的三 个单 铰两两相连，组成 无多余联系的几何 不变体系。
§2-5 机动分析示例
加、减二元体
无多几何不变
瞬变体系 去支座后再分析
加、减 二元体
无多几何不变
找找虚虚铰铰 无无多多几几何何不不变变
§2-5 几何构造与静定性的关系
F FAx
FAy
如何求支 座反力?
静定结构
FB
无多余 联系几何 不变。
F FAx
FAy
FC
FB
能否求全 部反力?
超静定结构
有多余 联系几何 不变。
小结
几何不变体系 可作为结构
体系
几何可变体系 不可作结构
无多余联系
静定结构
有多余联系
超静定结构
常变
瞬变
s=3
3.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
铰结链杆体系 的计算自由度：
W=2j-b
j--结点数 b--链杆数,含
在一个体系上增加 或拆除二元体，不 改变原体系的几何 构造性质。
加二元体组成结构
如何减二元体？
二刚片规则：
两个刚片用一个铰 和一根不通过此铰 的链杆相联，组成 无多余联系的几何不变 体系。
二刚片规则：
两个刚片用三根 不全平行也不交 于同一点的链杆 相联，组成无多 余联系的几何不 变体系。在其交点处的一个单铰，这种铰称为 虚铰（瞬铰）。
三边在两边之和大于第三边时,能唯一地组成 一个三角形——基本出发点.
三刚片规则：
三个刚片用不在同 一直线上的三 个单 铰两两相连，组成 无多余联系的几何 不变体系。
结构力学(第二章)-三铰拱课件
稳定性分析对于结构的整体稳定性和安全性具有 重要意义。
03
三铰拱的设计与优化
设计原则与步骤
确定设计要求
明确三铰拱的设计目标，如承载能力、稳定性、 经济性等。
截面设计
根据计算出的内力和弯矩，设计三铰拱的截面尺 寸和形状。
结构分析
对三铰拱进行受力分析，计算出各截面的内力和 弯矩。
稳定性分析
对三铰拱进行稳定性分析，确保其在承载过程中 不会发生失稳。
3D打印技术
3D打印技术能够实现复杂结构的快速 、精确制造，为三铰拱的原型制作和 试验提供便利。
未来发展方向与趋势
跨学科融合
结构力学与材料科学、计算机科 学、人工智能等学科的交叉融合，
将推动三铰拱在理论和实践上的 创新。
绿色与可持续发展
在未来的发展中，三铰拱的设计和 建造将更加注重环保和可持续发展， 如采用可再生材料和节能技术。
智能化与自动化
随着智能化和自动化技术的发展， 三铰拱的设计、建造和监测将趋向 于智能化和自动化，提高效率和安 全性。
THANK YOU
感谢聆听
案例分析与实践
案例一
某桥梁的三铰拱设计，通过优 化设计，提高了桥梁的承载能 力和稳定性。
案例二
某工业厂房的三铰拱设计，采 用轻量化设计，降低了结构的 自重。
案例三
某大型场馆的三铰拱设计，通 过参数优化，实现了结构的优 化和美观。
04
三铰拱的施工与维护
施工工艺与要点
01
02
03
04
施工准备
确保施工场地安全，检查施工 材料质量，制定施工计划和安
100%
建筑工程
在建筑工程中，三铰拱可用于大 型工业厂房、仓库、展览馆等建 筑的屋盖结构。
03
三铰拱的设计与优化
设计原则与步骤
确定设计要求
明确三铰拱的设计目标，如承载能力、稳定性、 经济性等。
截面设计
根据计算出的内力和弯矩，设计三铰拱的截面尺 寸和形状。
结构分析
对三铰拱进行受力分析，计算出各截面的内力和 弯矩。
稳定性分析
对三铰拱进行稳定性分析，确保其在承载过程中 不会发生失稳。
3D打印技术
3D打印技术能够实现复杂结构的快速 、精确制造，为三铰拱的原型制作和 试验提供便利。
未来发展方向与趋势
跨学科融合
结构力学与材料科学、计算机科 学、人工智能等学科的交叉融合，
将推动三铰拱在理论和实践上的 创新。
绿色与可持续发展
在未来的发展中，三铰拱的设计和 建造将更加注重环保和可持续发展， 如采用可再生材料和节能技术。
智能化与自动化
随着智能化和自动化技术的发展， 三铰拱的设计、建造和监测将趋向 于智能化和自动化，提高效率和安 全性。
THANK YOU
感谢聆听
案例分析与实践
案例一
某桥梁的三铰拱设计，通过优 化设计，提高了桥梁的承载能 力和稳定性。
案例二
某工业厂房的三铰拱设计，采 用轻量化设计，降低了结构的 自重。
案例三
某大型场馆的三铰拱设计，通 过参数优化，实现了结构的优 化和美观。
04
三铰拱的施工与维护
施工工艺与要点
01
02
03
04
施工准备
确保施工场地安全，检查施工 材料质量，制定施工计划和安
100%
建筑工程
在建筑工程中，三铰拱可用于大 型工业厂房、仓库、展览馆等建 筑的屋盖结构。
结构力学第二章
①抛开基础,只分析上部。 ②在体系内确定三个刚片。 ③三刚片用三个不共线的三铰相连。 ④该体系为无多余约束的几何不变体系。
有一个多余约束的几何不变体系
3.等价变换 一个刚片，无论其大小、形状，只要本身没有多余
联系，则可在不改变与其它部分联结方式的前提下，用一 根链杆或一铰接三角形代替。
例15
o12
2、当体系杆件数较多时，将刚片选得分散些，刚片与刚片
间用链杆形成的瞬铰相连，而不用单铰相连。
E
O13
O23
D
F
O12
A
D
B
C
ⅠF
如将基础、ADE、 EFC作为刚片，将 找不出两两相联
的三个铰。
Aபைடு நூலகம்
B
C
Ⅲ
如图示，三刚片用三个不共线的 铰相连，故：该体系为无多余约 束的几何不变体系。
（Ⅰ,Ⅱ）
Ⅰ (Ⅰ,Ⅲ) Ⅱ
o13
II o23 III
I
I
例16
例17
例17
I II
III
III
III
例17
OI,III
III OI,II
I II OII,III
III III
结论：几何不变体系
例18
E
F
D
例18 F
E D
例18
II
III
E
F
D I
例18
OI,II II E
OI,III III F
D I
结论:几何不变体系
系。
1 几何构造分析的几个概念
（7）虚铰（瞬铰） 连接两个刚片的，不直接相连接的两根单链杆构成的联 系，叫虚铰。虚铰的铰心在两根链杆（延长线）的交点 上。
结构力学第2章 平面体系机动分析
D
A
C
B
依次去掉二元体A、B、C、D后，只剩基础。故该体系为 无多余约束的几何不变体系。
2 如上部体系与基础的联结符合两刚片原则，可去掉基础， 只分析上部。
抛开基础，分析上部，去掉二元体后，剩下两刚片用两平行 杆相连，几何可变。
3 当杆件数较多时，将刚片选得分散些，刚片与刚片间用链杆 形成的虚铰相连，而不用单铰相连。
几何组成分析小结
机动分析先化简 依次拆除二元体 确认刚片是关键 等效代换灵活用
撤去基础三支杆 再为组成找条件 增加两元再扩展 按照规则连成片
§2-6 几何构造与静定性的关系
F FAx
FAy
如何求支 座反力?
静定结构
FB
无多余 联系几何
不变
F FAx
FAy
FC
FB
能否求全 部反力?
超静定结构
有多余 联系几何 不变。
刚片：不计材料变形，将杆件或已知是几何不变的部 分看作刚片，注意：不是“钢片”。
可表示为：
刚片(rigid plate)——平面刚体。
内部是稳定的,几何形状和位置不发生任何改变。（梁、柱、杆、 几何不变体、基础）
形状可任意替换
§2-2 平面体系的计算自由度
1.自由度--确定物体位置所需的独立坐标数目
虽然 W=0, 但其上部有多余联系， 而下部又缺少联系，仍为几何可变。
小结
W>0, 缺少足够约束，体系几何可变。
W=0, 具备成为几何不变体系所需的最少约束 的数目。必要非充分条件
W<0， 体系具有多余联系
W> 0 W< 0
体系几何可变
体系几何不变 ？
§2-3 几何不变体系的组成规则
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1.具有必要的约束数量。 2.约束布置方式合理。
§2 几个常用术语
1. 刚片(rigid plate)——平面刚体。
形状可任意替换
2.平面体系的自由度
(degree of freedom of planar system) 自由度-- 确定物体位置所需要的独立坐标数目
或体系运动时可独立改变的几何参数数目
两个刚片用一个铰 和一根不通过此铰 的链杆相联，组成 无多余联系的几何 不变体系。
二刚片规则：
两个刚片用三根 不全平行也不交 F 于同一点的链杆 相联，组成无多 E 余联系的几何不 变体系。
虚铰---联结两个刚片的两根相交链杆的作用，相 当于在其交点处的一个单铰，这种铰称为 虚铰（瞬铰）。
普通的铰称为实铰, 虚铰和实铰的约束效 用是相同的, 在组成分析中,常把它们等同 看待!
结构
在任意荷载作用下，几何形状及位置均
保持不变的体系。（不考虑材料的变形）
几何可变体系
( geometrically unstable system )
机构
在一般荷载作用下，几何形状及位置将发 生改变的体系。（不考虑材料的变形）
几何不变体系
几何可变体系
结构组成分析 ——判定体系是否几何可变，对于结
W=0,但
布置不当 几何可变。 上部有多 余约束， 下部缺少 约束。
W=3 ×9-(2×12+3)=0 W=2 ×6-12=0
W<0,体系 是否一定
几何不变呢？
例4：计算 图示体系的 自由度
上部 具有多 余联系
W=3 ×10-(2×14+3)=-1<0 W=2 ×6-13=-1<0
计算自由度
？= 体系真实 的自由度 W=2 ×6-12=0 W=3 ×9-(2×12+3)=0
注意:独立坐标指广义坐标，其可以是直角坐
标也可以是其他任何可独立变化的几何参数。
例如: a.一个点在空间有3个自由度； b.一个刚体在空间有6个自由度； c.一个点在平面有2个自由度； d.一个刚体在平面有3个自由度。
平面内一点
x
n=2
y
平面刚体——刚片
B
x
n=3
A
y
3. 约束 (constraint)
铰结链杆体系 的计算自由度：
W=2j-b
j--结点数 b--链杆数,含
支座链杆
例1：计算图示体系的自由度
AC CDB CE EF CF DF DG FG
1
3
1G
有 几
个
3
2
刚
片
有几个单铰？
？
W=3×8-(2 ×10+4)=0
例2：计算图示体系的自由度
1
2 按刚片计算
9根杆,9个刚片
3
3
有几个单铰？
2
1
3根单链杆
W=3 ×9-(2×12+3)=0
另一种解法 按铰结计算 6个铰结点 12根单链杆
W=2 ×6-12=0
2有几个源自单3铰？1
讨论
2
3 1
体系W
等于多少？ 可变吗？
W=0,体系 是否一定
几何不变呢？
W=3 ×9-(2×12+3)=0
除去约束后，体系的自由度将增 加，这类约束称为必要约束。
约束--指限制杆件或体系运动的装置。或者说是减 少自由度的装置。分为外部约束和内部约束。
一根
链杆
相当
n=3
一个 约束
平面刚体——n刚=2片
单铰：指联结两个刚片的铰。
x α
y
铰
β
单铰联后
n=4
每一自由刚片3个自由度 两个自由刚片共有6个自由度
1个单铰 = 2个约束
两刚片用两链杆连接
C
B
n=4
x A
第二章 平面体系几何构造分析
Construction Analysis of Structures
基本假定：不考虑材料的变形
§1 几个基本概念
几何构造分析
按照机械运动和几何学的原理对体 系发生运动的可能性进行分析，称 为几何构造分析。
几何不变体系
( geometrically stable system )
构，区分静定和超静定的组成。
注意：一般结构都应该是几何不变体系，
而不能采用几何可变体系。
几何组成分析的目的
1.在实际工程中，结构要承受一定的荷载，必须 采用几何不变体系，因此，在实际工程中避免 出现几何可变体系。
2.了解体系中各个部分之间的相互关系，从而改 善和提高结构的受力性能。
组成几何不变体系的条件
去体系中的必要约束数。
2. 体系的计算自由度数
体系各组成部分总的自由度数减去体系中总的 约束数。
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
复单链链杆杆
2n-3个
连接n个铰的
复链杆 等于多少个 单链杆？
每个自由刚片有 多少个
自由度呢？
n=3
每个单铰 能使体系减少 多少个自由度
呢？ s=2
每个单链杆 能使体系减少
多少个 自由度呢？
s=1
每个单刚结点 能使体系减少
多少个 自由度呢？
s=3
4. 体系的计算自由度
1. 体系的自由度数 等于其各组成部分互不联结时总的自由度数减
缺少联系 几何可变
W=3W×=28-×(26×-1110=+13)=1
小结
W>0, 缺少足够约束，体系几何可变。 W=0, 具备成为几何不变体系所要求
的最少约束数目。 W<0，体系具有多余约束,但不一定几何不变。
W> 0 W< 0
体系几何可变 体系几何不变
§3 几何不变体系的组成规则
二刚片规则：
三边在两边之和大于第三边时,能唯一地组 成一个三角形——基本出发点.
三刚片规则：
三个刚片用不在同 一直线上的三 个单 铰两两相连，组成 无多余联系的几何 不变体系。
例如三铰拱
大地、AC、BC为刚片;A、B、C为单铰
因为除去图中任 意一根杆，体系 都将有一个自由 度，所以图中所 有的杆都是必要 的约束。
除去约束后，体系的自由度并不 改变，这类约束称为多余约束。
图中上部四根杆 和三根支座杆都是 必要的约束。
下部正方形中任 意一根杆，除去都 不增加自由度，都 可看作多余的约束。
例3： 计算 图示 体系 的自 由度
y
两相交链杆构成一虚铰
复铰：指联结两个以上刚片的铰。
复铰 等于多少个
单铰？
1个连接n个刚片的复铰 = (n-1)个单铰
刚接--是指将2个或2个以上的刚片联接成一个 刚片。
单刚: 连接2个刚片的刚结点。 复刚: 连接2个以上刚片的刚结点。
A
A
B
单复刚刚结结点点
n-1个
连接n个杆的
复刚结点等于多 少个单刚结点？
§2 几个常用术语
1. 刚片(rigid plate)——平面刚体。
形状可任意替换
2.平面体系的自由度
(degree of freedom of planar system) 自由度-- 确定物体位置所需要的独立坐标数目
或体系运动时可独立改变的几何参数数目
两个刚片用一个铰 和一根不通过此铰 的链杆相联，组成 无多余联系的几何 不变体系。
二刚片规则：
两个刚片用三根 不全平行也不交 F 于同一点的链杆 相联，组成无多 E 余联系的几何不 变体系。
虚铰---联结两个刚片的两根相交链杆的作用，相 当于在其交点处的一个单铰，这种铰称为 虚铰（瞬铰）。
普通的铰称为实铰, 虚铰和实铰的约束效 用是相同的, 在组成分析中,常把它们等同 看待!
结构
在任意荷载作用下，几何形状及位置均
保持不变的体系。（不考虑材料的变形）
几何可变体系
( geometrically unstable system )
机构
在一般荷载作用下，几何形状及位置将发 生改变的体系。（不考虑材料的变形）
几何不变体系
几何可变体系
结构组成分析 ——判定体系是否几何可变，对于结
W=0,但
布置不当 几何可变。 上部有多 余约束， 下部缺少 约束。
W=3 ×9-(2×12+3)=0 W=2 ×6-12=0
W<0,体系 是否一定
几何不变呢？
例4：计算 图示体系的 自由度
上部 具有多 余联系
W=3 ×10-(2×14+3)=-1<0 W=2 ×6-13=-1<0
计算自由度
？= 体系真实 的自由度 W=2 ×6-12=0 W=3 ×9-(2×12+3)=0
注意:独立坐标指广义坐标，其可以是直角坐
标也可以是其他任何可独立变化的几何参数。
例如: a.一个点在空间有3个自由度； b.一个刚体在空间有6个自由度； c.一个点在平面有2个自由度； d.一个刚体在平面有3个自由度。
平面内一点
x
n=2
y
平面刚体——刚片
B
x
n=3
A
y
3. 约束 (constraint)
铰结链杆体系 的计算自由度：
W=2j-b
j--结点数 b--链杆数,含
支座链杆
例1：计算图示体系的自由度
AC CDB CE EF CF DF DG FG
1
3
1G
有 几
个
3
2
刚
片
有几个单铰？
？
W=3×8-(2 ×10+4)=0
例2：计算图示体系的自由度
1
2 按刚片计算
9根杆,9个刚片
3
3
有几个单铰？
2
1
3根单链杆
W=3 ×9-(2×12+3)=0
另一种解法 按铰结计算 6个铰结点 12根单链杆
W=2 ×6-12=0
2有几个源自单3铰？1
讨论
2
3 1
体系W
等于多少？ 可变吗？
W=0,体系 是否一定
几何不变呢？
W=3 ×9-(2×12+3)=0
除去约束后，体系的自由度将增 加，这类约束称为必要约束。
约束--指限制杆件或体系运动的装置。或者说是减 少自由度的装置。分为外部约束和内部约束。
一根
链杆
相当
n=3
一个 约束
平面刚体——n刚=2片
单铰：指联结两个刚片的铰。
x α
y
铰
β
单铰联后
n=4
每一自由刚片3个自由度 两个自由刚片共有6个自由度
1个单铰 = 2个约束
两刚片用两链杆连接
C
B
n=4
x A
第二章 平面体系几何构造分析
Construction Analysis of Structures
基本假定：不考虑材料的变形
§1 几个基本概念
几何构造分析
按照机械运动和几何学的原理对体 系发生运动的可能性进行分析，称 为几何构造分析。
几何不变体系
( geometrically stable system )
构，区分静定和超静定的组成。
注意：一般结构都应该是几何不变体系，
而不能采用几何可变体系。
几何组成分析的目的
1.在实际工程中，结构要承受一定的荷载，必须 采用几何不变体系，因此，在实际工程中避免 出现几何可变体系。
2.了解体系中各个部分之间的相互关系，从而改 善和提高结构的受力性能。
组成几何不变体系的条件
去体系中的必要约束数。
2. 体系的计算自由度数
体系各组成部分总的自由度数减去体系中总的 约束数。
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
复单链链杆杆
2n-3个
连接n个铰的
复链杆 等于多少个 单链杆？
每个自由刚片有 多少个
自由度呢？
n=3
每个单铰 能使体系减少 多少个自由度
呢？ s=2
每个单链杆 能使体系减少
多少个 自由度呢？
s=1
每个单刚结点 能使体系减少
多少个 自由度呢？
s=3
4. 体系的计算自由度
1. 体系的自由度数 等于其各组成部分互不联结时总的自由度数减
缺少联系 几何可变
W=3W×=28-×(26×-1110=+13)=1
小结
W>0, 缺少足够约束，体系几何可变。 W=0, 具备成为几何不变体系所要求
的最少约束数目。 W<0，体系具有多余约束,但不一定几何不变。
W> 0 W< 0
体系几何可变 体系几何不变
§3 几何不变体系的组成规则
二刚片规则：
三边在两边之和大于第三边时,能唯一地组 成一个三角形——基本出发点.
三刚片规则：
三个刚片用不在同 一直线上的三 个单 铰两两相连，组成 无多余联系的几何 不变体系。
例如三铰拱
大地、AC、BC为刚片;A、B、C为单铰
因为除去图中任 意一根杆，体系 都将有一个自由 度，所以图中所 有的杆都是必要 的约束。
除去约束后，体系的自由度并不 改变，这类约束称为多余约束。
图中上部四根杆 和三根支座杆都是 必要的约束。
下部正方形中任 意一根杆，除去都 不增加自由度，都 可看作多余的约束。
例3： 计算 图示 体系 的自 由度
y
两相交链杆构成一虚铰
复铰：指联结两个以上刚片的铰。
复铰 等于多少个
单铰？
1个连接n个刚片的复铰 = (n-1)个单铰
刚接--是指将2个或2个以上的刚片联接成一个 刚片。
单刚: 连接2个刚片的刚结点。 复刚: 连接2个以上刚片的刚结点。
A
A
B
单复刚刚结结点点
n-1个
连接n个杆的
复刚结点等于多 少个单刚结点？