9矩阵位移法习题.docx

第9章矩阵位移法习题解答
习题9・1是非判断题
（1）矩阵位移法既可计算超静定结构，又可以计算静定结构。

（T ）
（2）矩阵位移法棊木未知量的数冃与位移法棊木未知量的数冃总是相等的。

（|T*） F
（3）单元刚度矩阵都具有对称性和奇界性。

（F ）
（4）在矩阵位移法中，整体分析的实质是建立各结点的平衡方程。

（T ）
（5）结构刚度短阵与单元的编号方式冇关。

（F ）
（6）原荷载与对应的等效结点荷载使结构产生相同的内力和变形。

（F ）
【解】（1）正确。

（2）错误。

位移法中某些不独立的杆端位移不计入基本未知量。

（3）错谋。

不计结点线位移的连续梁单元的单刚不具奇异性。

（4）正确。

（5）错误。

结点位移分量统-•编码会影响结构刚度矩阵，但单元或结点编码则不会。

（6）错误。

二者只产生相同的结点位移。

习题9.2填空题
（1） ______________________________________________________________ 矩阵位移法分析包含三个基本环节，其一是结构的___________________________________ ,其二是_________ 分析，-其三
是______ 分析。

（2）已知某单元©的定位向量为[3 5 6 7 8 9]丁，则单元刚度系数紜应叠加到结构刚度矩阵的元素—中去。

（3） ________________________________________________________________________ 将非结点荷载转换为等效结点荷载，等效的原则是____________________________________ o
（4）矩阵位移法屮，在求解结点位移之前，主要工作是形成_____________________ 矩阵和_______________ 列阵。

（5）用矩阵位移法求得某结构结点2的位移为J2=[w2V2 ft]T=[O.S 0.3 0.5]丁，单元①的始、末端结
点码为3、2,单元定位向量为= [0 0 0 3 4 5]T,设单元与兀轴之间的夹角为« = |,则（6 ）用短阵位移法求得平面刚架某单元在单元坐标系中的杆端力为
戸=[7.5 -48 -70.9 -7.5 48 -121.09]7,则该单元的轴力F* _______________________ k N。

【解】（1）离散化，单元，整体；
（2）烁
（3）结点位移相等；
（4）结构刚度，综合结点荷载；
（5）[0 0 0 0.3 -0.8 0.5]丁；
（6）-7.5o
习题9.3根据单元刚度矩阵元素的物理意义，直接求出习题9.3图所示刚架的用“中元素削）、
【解】各刚度系数的物理意义如习题解9.3图所示。

因此，各刚度系数的值为
k^=EA/l ,
=6EI/I 2 , k^=-6EI/l 2 ；
=\2EI/13
习题9.4根据结构刚度矩阵元素的物理意义，首接求出习题9.4图所示刚架结构刚度矩阵小的 元素灯、緒、饥2的值。

各杆E 、人、/相同。

1(123)
3(000)
* 2/ I; 习题9.4图
【解】各刚度系数的物理意义如习题解9.4图所示。

因此，各刚度系数的值为
2罟+等，緒"’紜=
第。

(e)的物理意义 习题解9.3图
⑴好!)的物理意义
2(0,0,4)
_L
k 胆、呛)的值以及K ⑴
20^ ①
(b) Ff 的物理意义
(d) Jlf 的物理意义
(a) kf 的物理意义
①
习题9・5用简图表示习题9.5图所示刚架的单元刚度矩阵0）中元素團，/T ）中元素煜的物 理意义。

【解】各刚度系数的物理意义如习题解9.5图所示。

习题解9.5图
习题9.6习题9.6图所示刚架各单元杆长为/, EA. EI 为常数。

根据单元刚度矩阵元素的物理 意义，写出单元刚度矩阵、K ⑵的第3列和第5列元索。

I
①
X
1
② _________
习题9.6图
【解】各列刚度系数的物理意义如习题解9.6图所示。

因而
K ⑴屮第3列元索：o — 0 -啤
/2 I I 2
2EI
J>=1
（a ）心和畑的物理意义
（b ）煤的物理意义
习题解9.4图
K ⑴中第5列元素：0
习题解9.6图
习题9.7用先处理法，对习题9.7图所示结构进行单元编号、结点编号和结点位移分量编码, 并写出各单元的定位向量。

【解】离散化结果如习题解9.7图所示。

因而，各单元定位向量为
2(,) = [1 0 0 2 3 4]\ 肝=[5 6 7 0 0 9]T
；/2) = [2 3 4 5 6 7]\ /4, =[5 6 8 0 0 0]T
o
(c)
第3列元素的物理意义
K ⑵屮第3列元素:
K ⑵中第5列元素：0
0 0 — 0
习题9.7图
6(0,0,0)
本题可有多种离散化方法，因此上述答案不是唯一的正确答案。

习题9・8用先处理法形成习题9.8图所示结构的综合结点荷载列阵。

【解】离散化如习题解9.8图所示。

5(0,0,0) %?%
习题解9.8图
非结点荷载引起的单元固端力为
集成为结构的等效结点荷载列阵
直接结点荷载列阵为
P, =[0 -5 0 4 0 0 0 0 o]r
综介结点荷载列阵为
p = /> +/> =[o -5 0 16 8 0 21 -3.5 9『
习题9.9用先处理法求习题9.9图所示连续梁的结构刚度矩阵和结构的综合结点荷载列阵。

已 知：E/=2.4xlO ,kN-m 2 0
I 4n1
4-1
习题9.8图
K 1,0.2)
3(67,8)
①2(345)②
③懈一T 4(090)
耳 2>=[0 -12 -8 0
-12 8]\ 耳引=[0
-9
-4.5 0 -9 4.5]1
各单元的等效结点荷载列阵为
2(2) T 3
4
尺2) =_八耳 2) =_耳2) =[0 12
12
2⑶t 6
型)=_厂耳3)=—耳3)=[0
4.5
-4.5]*
心=[0 0 0 12 8
21
-3.5 9]T
5
4m
2m I 2m I 2m I 5m
习题9・9图
【解】离散化如习题解9.9图所示。

本题无需处标转换。

①
3(3) 4⑷
②X s
2(2) T
力方
,
先求结构刚度矩阵。

各单元的单刚为 1 2
2
3
3
4
_
1 1/2_
1 6
「2/3 1/3- 2 ① 「4/5 2/5 - 3
卅）=E/
K ⑵二
K ⑶二 EI
1/2 1 _
2， 1/3 2/3_ 3, 2/5 4/5. 4
习题解9.9图 集成即可得到结构刚度矩阵
'1 1/2
0 _
'2.4
1.2 0.0 0.0 -
5/3
1/3
0 =104
4.0 0.8
0.0 K = El 对
对
22/15
2/5
3.52 0.96
称
■
4/5_
称
1.92
非结点荷载作用单元的等效结点荷载列阵为
再求综合结点荷载列阵。

2
3
3
4
尺2)=[io.67 -10.67]\ P^} =[12.5 _12.5「
集成为结构的等效结点荷载列阵
P, = [0 10.67 1.83 12.5]T
综合结点荷载列阵为
P = P + P v =[5 0 0 0] + 人=[5 10.67 1.83 12.5『
习题9.10用先处理法求习题9.10图所示结构刚度矩阵。

忽略杆件的轴向变形。

各杆
EZ=5xl05kN-m 2
o 5m
5m
习题9.10图
【解】离散化如习题解9.10图所示。

因为不计各杆轴向变形，所以本题只涉及转角位移未知
量, 无需坐标转换。

各单元的单刚为
'4/5 2/5'
1 小 「4/5 2/5" 2
心
'1 1/2'
2 … '1 1/2'
K ⑵=E1
K ⑶=EI
K ⑷=EI
_2/5 4/5_ 2,
_2/5 4/5_
3,
1/2 1
■ ■
0,
1/2 1 _
2
2
3
2 0
3 0 集成即町得到结构刚度矩阵
「4/5 2/5 0 ' "4 2 0"
K = EI2/5 13/5 2/5 =105 2 13 2
0 2/5 9/5 _0 2 9
1(1) 2(2) 3
(3).
X
笏①②
③④
y
4(0) 5(0)
习题解9.10图
习题9.11川先处理法建立习题9.11图所示结构的矩阵位移法方程。

已知：各杆EA=4xlO'kN, E/=5xl04k N・m
习题9・11
图
【解】1)离散化如习题解9.11(a)图所示。

1(0丄0) 2(23.4) 3(5,0,6)
(
D
4(0,0.0)
(a)离散化
2)计算结构刚度矩阵
各单元单刚分别为：单元①
单元②
习题解9・11图
0 1 0 2 3 4
13.33 0 0 ! -13.33 0 0
0 2.222 3.333 0 -2.222 3.333
0 3.333 6.667 ! o -3.333 3.333
-13.33 0 …6一 1
1
13.33 0 0
0 -2.222 -3333 1 0 2.222 -3.333
0 3.333 1
3.333
0 一 3.333 6.667
K⑴二&⑴=104
1
2
3
4
0 -10.00 0 0 2 1.875 0 -0.9375 1.875 3 5.000 0 -1.875 2.500 4 0 10.00 0 0 5 -1.875 0 0.9375 -1.875 0 2.500
-1.875
5.000
6
集成为总刚
2）计算综合结点荷载列阵
除可以按照习题9.8的方法计算外，还可以直接根据其物理意义形成综合结点荷载列阵。

具体 做法如下：
将原结构上各结点位移未知量利用附加约束限制住后，施以原结构所受荷载。

这一过程对理解 成在矩阵位移法（先处理法）的基木结构上，作用外荷载，形成如习题解9.11（b ）图所示的矩阵位移 法基本体系。

由此，可得各附加约束上的反力为
因此，综合结点荷载列阵为
E/=4.8xl04kN ・mS
10.00 0
0 0.9375 K ⑵*⑵=10“
1.875 -10.00
0 0 -0.9375
1.875
2 单元③
0.9375 0 -1.875 | 1 -0.9375
0 -1.875 0
10.00
0 1 0 -10.00 0 -1.875 0
5.000 1.875 0 2.500 -0.9375 0
1.875 1 1 ! 0.9375 0 1.875 0
— 10.00 o 1 1 0 10.00 0 一 1.875 0
2.500 ； | 1.875
5.000
2 3 4 0 0 0 K {i}
=T
A
K ⑶卩= 1()4
2 3 4 0 0 0
3 4 5 0 6 ▲ 2.222 0 -2.222
0 24.27
0 K =
3.333 -1.875
0 -10.00
-2.222 3.333 0 0 -1.875 -10.00
13」6 -1.458 0 -1.458
16.67 0
0 10.00
1.875
2.500 0 5.000
砖[心心心心心^]T =H
12]「
P 坊=[8
3）列出结构刚度方程屁匸
P
0 18 12 0 -12]1
「2.222 0
-2.222
24.27
0 104
13.16
对
称
3.333 0 0 _
_
8 ' -1.875 -10.00 0
li
2
-1.458 0 1.875
18
16.67
0 2.500
%
12
10.00
“3
5.000
-12
习题9.12用先处理法计算习题 9.12图所示刚架的结构刚度矩阵。

已知:
EA=3.2xl05kN ,
1.875
2.500
0 0 0
5m
习题9・12
图
【解】离散化如习题解9.12图所示。

各单元单刚分别
为
习题解9.12图
单元①
2 3 4 0 1 0
_ 6.400 0 0 1 -6.400 0 0 ■
0 0.4608 1.152 ；0 -0.4608 1.152
0 1.152 3.840 ! 0 -1.152 1.920
-6.400 0 0 1
1 6.400 0 0
0 -0.4608 -1.152 1 0 0.4608 -1.152
0 1.152
1
1.920 ；
0 -1.152 3.84
/r f,) = ^(1) =io42 3 4 0 1 0
单元②
K⑵二
r T^<2>r = io4集成为总刚
2 3 4 0 0 0
0.9000 0 -
1.800 ；
| -0.9000 0 -1.800
0 8.000 0 :0 —&000 0 -1.800 0 4.800 i 1.800 0 2.400
-0.9000 0 1.800 1 0.9000
1 0 1.800
0 -8.000 0
1 0
1
&000 0 -1.800 0 2.400 1.800 0 4.800
0.4608 0 -0.4608 -1.152
7.300 0 -1.800
对&461 1」52
称8.640
习题9.13用先处理法计算习题9.13图所示组合结构的刚度矩阵EA=3.2xl05kN , E/=4.8xl04kN-m2,链杆单元的EA=2.4xl05kN 0
2
3
4
Ko已知：梁杆单元的
4
习题9.13图
【解】离散化如习题解9.13图所示。

这里利用一般单元来计算链杆单元③，令其府为零，则
该单元的杆端转角为无意义的杆端位移，可为任意值。

单元③的杆端位移编码如习题解9.13图所示, 其杆端转角在结点4处为“0”，表示无杆端转角；在结点2处为“3”，表示与单元①和②在该端的 转角相同。

点位移分量统一编码应给为“0”，再令该单元®为零。

各单元单刚分别为 单元①和②
2⑴. /I ⑵ T 0 -> 1
0 2 0 3 1 0
2 4
3 0
2⑴
■ 8.000
0 0 1 1 -8.000
0 0
1 0
0.900 1.800 1 1 1 0 -0.900 1.80() 2 0
1.800
4.800 1 1 0
-1.800
2.400
3
0 K ⑴ 一 - K
⑴ 一 1O 4
1
71
— 71 — —IV
-8.000 0
0 1 1 1 8.000 0 0 0 1
-0.900 -1.800 1 1 1 0 0.900 -1.800 4 2
1.800
2.400
1 1 1
-1.80()
4.800
3
单元③
0 0 0
1 2 3
_
3.072 2.304 0 | -3.072 -2.304 0_ 0
2.304 1.728 0 ! -2.304 -1.728 0 0
() 1 0
0 0 0
"⑶ 一 T* 03)0 一 1 n 4
-3.072 -2.304 0 [3.072 2.304 0 1
-2.304 -1.728 0 1 2.304 1 1.728 0 2
■ 0
0 0 ；0
0. 3
集成为总刚
'19.07
2.304 0 0 K=l04
对
3.528
0 -0.900
9.600
-1.800
称
0.900
家
(0)
2 屮 3\2) 4(0)
1
~® X @ X ®
2(1)
3(2)
(a)离散化
2)计算总刚
各单元刚度矩阵为
习题解9.15图
习题9・14若用先处理法计算习题9.14图所示结构，则在结构刚度矩阵K 屮零元索的个数至少 冇多少个?
习题9.14图
【解】离散化如习题解9.14图所示，贝I 」各单元定位向量为 5(&9,10) 6(0,0」1)妙
2(1,23) @ ®.
_ 3(4,5,6)
④
7(000)
习题解9.14图
无⑷二[4 5 7 0 0 0]T , 2(5) = [8 9 10 0 0 11]T
根据单元定位向量，判定各结点位移分量间的相关性。

这里参考【例10.2】的方法，具体为: 位移分量1〜3、6均与位移分量7〜11无关，得到无关分量20对；位移分量4、5、7与位移分量11 无关，得到无关分量3对；合计无关分量共23对。

说明K 上半三角中，至少有23个元素为零，因 此整个K 中至少应有46个零元素。

习题9・15试用矩阵位移法计算习题9.15图所示连续梁，并画出弯矩图。

各杆常数。

20kN|
4m
习题9.15图
【解】1)离散化如习题解9.15(a)图所示。

连续梁无需朋标转换。

l(OAO) 2(,)=[1 2 3 0 0 0]T , A (2) = [1 2
3 4 5 6F ，炉)=[8 9 10 4 5 7]T
6kN/m 4m
(b) M 图(kN
m)
4）解结构刚度方程KA=P,
5）求单元杆端力
根据 F e = K 3e + ,得
6）绘弯矩图，如习题解9.15（b ）图所示。

习题9.16用先处理法计算习题9.16图所示刚架的内力，并绘内力图。

□知：各杆
1 1/2- 1 X ——
■-5.6" 1 + ■ ■ 0
■ ■ -2.4 1/2 1 EI
6.4 2 0 3.6 戸⑵二人⑵5⑵+F 『）=E/
1/2_
1 X —— "6.4"
2 + "-10' = ■-36 _1/2 1 EI 0 0 _ 10 _
13.2_ 戸⑶=K ⑶5⑶+耳卩=EI E=3xlO ?kN/m 2 , A = 0.16m 2,
集成为总刚
• 1 1/2"
0 ⑵ 1 1/2' 1 ⑺ 1 1/2"
EI
K ⑵=EI
K ⑶=EI
1/2 1
1 ,
1/2 1 ■ ■ 2,
_1/2 1 _
K = EI
2 1/2
1/2 2
3）计算综介结点荷载列阵
按照习题9.11屮综合结点荷载列阵的解法, 在2. 3两结点上附加刚臂, 易求得
因此，综介结点荷载列阵为
许=[心凡2「二 W TO]7
P = -F p =[-S 10]T
戶⑴=&⑴歹⑴+耳1）= K ⑴5⑴+可）=EI
1 1/2「
1
X ——
"0 ' 0
+
—8
■-10.8' 1/2 1
E1 -5.6 1
_8_
2.4
2
2
K ⑴
【解】1)离散化如习题解9.16(a)图所示。

(a)离散化(b) M图(kN・
m)
2)计算总刚
(0心图(kN)
22.22
(d) F N图(kN)
习题解9.16图
单元①无需处标转换，其单元刚度矩阵为
单元②的坐标转换矩阵为
0 0 0 1 2 3
120 0 0
1
1
-120 0 0 ■
0 1.125 2.25 1 1 0 -L125 2.25
0 2.25 6
1
0 -2.25 3
-120 0 0 120 0 0
0 -1.125
-2.25 !
1 0
1.125 -
2.25
- 0
2.25 3 1
1 0
-2.25
6
■ 0.8-0.6 0 I10 0 0 _
0.6 0.8 0
1
1
1
0 0 0
> _ 0 0 1
1
0 0 0
0 0 0 0.8 -0.6 0
0 0 0
1
1
1
0.6 0.8 0
0 0 0
1
1
1
0 0 1
K a} = K⑴=10°
1
2
3 则其刚度矩阵为
集成为总刚
0 0 0 1 2 3
61.65 -45.8 0.864 | -61.65 45.8 0.864
-45.8 34.93 1.152 | 45.8 -34.93 1」52
0.864 1.152 4.8 1 -0.864
1
-1.152 2.4
-61.65 45.8 -0.864 1 61.65
1
-45.8 -0.864
45.8 -34.93 -1.152 1 —45.8
1
34.93 -1.152
0.864 1.152 2.4 I -0.864 -1.152 4.8
卍2)= r T X<2)r = 104
1
2
3
181.6
-45.8 -0.864
^ = 104 -45.8
36.05 -3.402
-0.864 ■
-3.402
10.8
3）计算综合结点荷载列阵
各单元的等效结点荷载列阵为
兄⑴T
0 0 0 1 2
3
理)=_耳i )=[0 16
10.67 0
16 -10.67]1
集成得结构的等效结点荷载列阵
P, =[0 16 -10.67]7
综合结点荷载列阵为
P 二*+许二人+[0
4）解结构刚度方程屁
1=P,得
5）求单元杆端力
根据 F e = T e （K e S e ）^F ；,得
120 0 0 1 1 -120 0 0 0
1.125
2.25 1 1 1 0 -1.125 2.25 0 2.25 6 1 1 1 0 -2.25 3 -120 0 0 1
1 1 120 0 0 0 -1.125 -2.25 1 1 1 0 1.125 -2.25 0
2.25
3
1 1 1
0 -2.25
6
戸⑴5⑴+©=104
5 0]T = [0 21 -10.67]1
J = 10-5 [1.8513
7.4810 -7.3719] *
_
0 _ 0 _
0 _
■-22.22' 0 0 -16 -18.50 0
+
-10.67
-14.56
1.8513 1 0 2
2.22 7.4810 2
-16
-13.50 _-7.3719_
3 10.67
4.56
单元①定位向量
xlO 5
'0.8 -0.6 0 1
1 0 0
0 ■
0.6 0.8 0
1
1
1
0 0 0
0 0 1
1
10 0 0
0 0 0 0.8 -0.6 0
0 0 0
1
1
1
0.6 0.8 0
0 0 0
1
1
1
0 0 1
F(2) = T⑵(K ⑵ 5⑵)=
/■ 61.65-45.8 0.864 -61.65 45.8 0.864 '
-45.8 34.93 1.152 45.8 -34.93 1.152
104
0.864 1.152 4.8 -0.864 -1.152 2.4
-61.65 45.8 -0.864 61.65 -45.8 -0.864
45.8 -34.93 -1.152 -45.8 34.93 -1.152
0.864 1.152 2.4 -0.864 -1.152 4.8
xlO-5
=[28.87 -1.47 -2.79 -28.87 1.47 -4.56「
~6 0
〕
0 0
0 0
1.8513 1
7.4810 2
-7.3719
3
丿
单元②定位向最
6)绘内力图，如习题解9.16(b)〜(d)图所示。

习题9.17 MJ矩阵位移法计算习题9.17图所示平面桁架的内力。

己知：F=3xlO?kN/m2,各杆A =O.lm2 o
习题9.17图
【解】1)离散化如习题解9.17(a)图所示。

⑹忌图(kN)
习题解9.17图
2)计算总刚
单元①和②无需坐标转换，其结构坐标系屮的单刚分别为
0 0 1 2
7.5 0 1 -7.5 0
0 0 1 o 0
-7.5 0 1 I7.5
II
0 0 1 0 0
°, £,2) =105
1
2
单元③的"勿ad,结构坐标系中的单刚为
0 0 3 4
■ 7.50 1-7.5 0 ■
0 0 I o 0
-7.5 0 「7.5
1
0 0 1 0 0
3
4
单元④的Q = 0.6435 rad ,结构朋标系中的单刚为
单元⑤的Q = -0.6435 rad ,结构坐标系屮的单刚为
集成总刚为
11.34 -2.88 0 0
-2.88 12.16 0 -10
0 0 11.34 2.88
0 -10 2.88 12.16
6)各杆轴力如习题解9.17(b)图所示。

1 2 3
4
「0 0
1 0 1 o -1
2 0 0 0 0
3 0
j
1 ■ 4
K {3}
= T V
K
(3>
r =
106
0 0
3 4 3.84
2.88 I -
3.84 -2.88 2.88 2.16 1 -2.88 -2.16 -3.84 -2.88 1 3.84
1 2.88 -2.88
-2.16 I 2.88
2.16
K ⑷"阪⑷T = 105
0 0 3 4
3)
计算综合结点荷载列阵
P = P J=[S 0
0 20]T
4)
解结构刚度方程KA=P,得
J = 10-5 [2.5574 7.2919
-2.0649 & 1304]r
5)
求单元杆端力
根据戸=厂(KF),可求得各单元的杆端轴丿J 。

这里以单元⑤为例，其杆端轴力为
戸⑸=T (5)(K (5)§(5))=
0.8 -0.6 0 0
0 0 0.8
-0.6
单元⑤定位向量
3.84 -2.88 -3.84 2.88 -2.88 2.16 2.88 -2.16 -3.84 2.88 3.84 -2.88 2.88 -2.16
-2.88
2.16
105
xlO 5
0 2.5574 7.2919
、
0 1 2
13.98 -13.98
3.84
-2.88 | -3.84 2.88 -2.88
2.16 ! 2.88 -2.16 -
3.84
2.88 1
3.84
1
-2.88
2.88 -2.16 ； -2.88
2」6
K=105
2 K (S)
=T l
K ⑸T = 10‘
0 0 1
2。