第五章结构力学的方法
结构力学第五章 位移法
反之为负
杆端线位移（结点线位移）Δ：杆端线位移是指杆件 两端垂直于 杆轴线方向的相对线位移，正负号则以 使整个杆件顺时针方向旋转规定为正反之为负 。
二、杆端内力的正负号规定 杆端弯矩M：对杆件而言，当杆端弯矩绕杆件顺时针方
向旋转为正，反之为负。
对结点而言，当杆端弯矩绕结点（或支座）逆时针方向 旋转为正，反之为负 杆端剪力Q：正负号的规定，同材料力学和本书中前面 的规定。
附加 刚臂
ql
q
附加 链杆
● 附加刚臂限制结点角位移，荷载作用下附加刚臂上产生 附加弯矩 ● 附加链杆限制结点线位移，荷载作用下附加链杆上产生 附加集中力
ql
q
由于有附加约束的作用，结构被隔离成几个单个 杆件的集合，由此可对各杆进行杆件分析。
如下例：
q B
C
EI . l
EI . l
计算附加链杆中产生的反力时。取横梁ABC部分为隔离 体用投影方程，可求得相应的系数和自由项
r22 12i / l
2
R2 P 0
r21 6i / l
将求得的系数和自由项代入典型方程，可得：
6i ql2 Z2 0 1 0iZ 1 l 8 6i Z 1 2i Z 0 1 2 2 l l
5
位
移
法
q
B
C
EI . l
EI . l
A
求得各杆件杆端弯矩值
杆件BC： M BC
4ql 2 56
(上边纤维受拉)
M CB 0
4ql 2 杆件BA： M BA 56
(左边纤维受拉)
M AB
结构力学第五章 力法
超静定结构与静定结构 在计算方面的主要区别
• 静定结构的内力只要根据静力平衡条件即 可求出，而不必考虑其它条件，即：内力是 静定的。 • 超静定结构的内力则不能单由静力平衡
条件求出，而必须同时考虑变形协调条件，即： 内力是超静定的。
求解超静定结构的计算方法
• • 从方法上讲基本有两种：力法和位移法。 从历史上讲分传统方法和现代方法。
M1 M1 M 12 l 3 (图形自乘) • EI dx EI dx 3EI 11
•
1P
4 M1MP ql dx EI 8EI
• 代入变形条件， 得： • X1= - ⊿1P/δ11= 3ql/8 (↑) • 最后弯矩图可用叠加原理（也可将X1作用在基
•⊿2P=[(ql2/2×l)×l] =ql4/2EI
（3）、解方程 （求解未知量）
• 力法方程：（可消去 l3/EI） • 4/3 X 1 -X 2 - 5ql/8 = 0 • -X1+4/3X2+ ql/2 = 0 • 解出： • X 1 =3ql/7 • X2 = - 3ql/56
1nXn+
… … nnXn+ ⊿nP = 0
• (n次超静定结构在荷载作用下的力法典型方程） • 基本未知量：n个多余未知力X1 、X2、… Xn； • 基本体系：从原结构中去掉相应的n个多余约 束后所得的静定结构； • 基本方程：n个多余约束处的n个变形条件。
力法典型方程的讨论：
• （1）、可写成矩阵形式: 11 12 1n X 1 1P 0 • 22 2 n X 2 2 P 0 21 n1 n 2 nn X N nP 0 • [δ ]{X} + {⊿P } = {0} • [δ ]——系数矩阵、柔度矩阵 • （2）、力法方程主系数： δ ii≠0,恒为正 . • 因为δ ii是Xi=1作用在自身方向上，所产 生的位移系数，所以不为零，恒为正。
结构力学第五章-2(单位荷载法)
P
N i NPds N i NPl
EA
EA
P
MiM Pds N i NPl
EI
EA
例 2：求曲梁B点的竖向位移 By 和水 平位移 Bx。(EI、EA、GA已知) FP
解：构造虚设的力状态如图示
B
P=1
A
P =1
θ
R
M y R sin
θ
R
MP θ
R
M x R(1 cos )
~
2E 25 G
(h)2 l
E G的取值范围是什么？
G
E
2(1 )
0 0.5
2 EG 3
取：
h l
1 10
， E G 2.5 ，有：
(Ay )N
~
1, 750
(Ay )Q
~
1 500
即：
Ay
5ql 4 (1 1 1 ) 8EI 750 500
(Ay )Q 0.2% , (Ay )N 0.13%
(Ay )M
(Ay )M
因此,对受弯细长杆件,通常略去N、 V的影响。
三、几点讨论（只有荷载作用）：
Ay
MiM Pds EI
N i NPds EA
V iVPds
GA
一般来说，剪切变形影响很小，通常忽略不计。
1. 对梁和刚架：
P
MiM Pds EI
2. 对桁架： 3. 对组合结构：
构；静定和超静定结构；
3. 材料性质：线性、非线性； 4. 变形类型：弯曲变形、拉(压)变形、剪切
变形；
5. 位移种类：线位移、角位移；相对线位移
和相对角位移。
试确定指定广义位移对应的单位广义力。
结构力学(力法、虚功原理)
或写作矩阵方程
δ X P
(3) 作基本结构在单位未知力和荷载（如果 有）作用下的弯矩（内力）图 M i , M P (4) 求基本结构的位移系数
作单位和荷载弯矩图
FP
FPa
求系数、建立力法方程并求解
X2 5 FP X1 4 F P 0 X 仅与刚 1 6 4 96 11 度相对 X 5 X F 3 F 2 P 1 P 0 X 值有关 2 4 6 16 88
假如：
FP
原 结 构
FP
基 本 体 系
FP
δ11 X 1 12 X 2 1 P 0 由 δ 21 X 1 22 X 2 2 P 0
求得：X1 0 , X 2 0 (×)
可证：平衡条件均能满足。 但：
M 图
FPa
Bx 1 P 0 , By 2 P 0
问题：若用拆除上 弦杆的静定结构作 为基本结构，本题 应如何考虑？
FP
FP
基 本 体 系
解：力法方程的实质为：“ 3、4两结点的 相对位移 34 等于所拆除杆的拉（压 ）变形 l 34” 互乘求Δ 1P
FP FP FP
FP=P
自乘求δ
FNP 图
11
FN1
或互乘求δ
11X1
1 2 2 34 11 X 1 1P [( 2a 4 EA 2 2 1 1 1 FP 2a 2 ) X 1 2a 2] 2 2 2 2
4 FP X 1 11 X 2 3 FP 88
结构力学(ch5力法)
共一百零二页
例1：求图示桁构式桥架结构(jiégòu)的超静定次数i。
解： i = - w = (3g + 2h＋b) – 3m = (3 • 0 + 2 • 31＋3) – 3 •18
＝11
共一百零二页
例２：求图示框架结构的超静定(jìnɡ dìnɡ)次数i．
解一： k＝３
i内＝３k＝３•３＝９
共一百零二页
同理：
ql 2/8
ql 2/8
Q = Q1X1+ QP
M图
N = N1X1+ NP
5ql/8
3ql/8 Q图
M1 Q1 N1 －－静定基在“i状态”下任一截面产生(chǎnshēng)的
内力
MP QP NP －－静定基在“P状态”下同一截面产生的内力
上述计算内力(nèilì)的方法，称为力法(force method)
力法正 则方程
1＝ 11X1＋ 12X2＋ 13X31p0 2＝ 21X1＋ 22X2＋ 23X32p0 3＝ 31X1＋ 32X2＋ 33X33p0
求解方程组得到多余未知力 X 1 、X 2 、 X 3
以超静定结构中的结点位移（线位移或角位移）
作为基本未知量，根据结点或截面的平衡条件建 立位移正则方程，解出基本未知量后即可由结点
位移与内力的关系式求出相应的杆内力，并用平 衡方程解出全部支反力和内力。由于位移法方程 中的系数是刚度，故力法又称“刚度法”(Stiffness matrix)．
力矩分配法(Method of moment distribution)、迭代法、 矩阵位移法(Matrix displacement method)
2、确定超静定(jìnɡ dìnɡ)次数得方法
结构力学-第五章-1
桁架的杆件均为“二力杆”
Beenchang ed.
第第五五章章：：静静定定结结构构的的内内力力及及弹弹性性位位移移
5.2 静定桁架的内力
用节点法解桁架时，可先
判断零力杆（由节点平衡条件
结 构
得到），再计算其他杆的内力 以减少计算量。
0
力 零力杆的判断：
0 0
学 一个平面节点只与两杆相连，若没有载荷作用，且两杆不共
q = q2−1q4−3 = q2−3q4−1
梯形板两腰边的剪流相 等，等于几何平均剪流
q2−1 = q4−3 = q
梯形板底边剪力等于几
何平均剪流乘对边长度
梯 形 板 剪 流 的 方 向 ， 在 四 个 角点上箭头总是相对或相背
Beenchang ed.
Q4−1 = q4−1h1 = qh2 Q2−3 = q4−1h2 = qh1
力 学
1、刚架为静定结构
2、求内力
ΣM3 = 0 ⇒ N24 sin β 500 − P sin α800 = 0
N24 = 8P sin α / 5 sin β = 12577 N
3、作内力图
Beenchang ed.
第第五五章章：：静静定定结结构构的的内内力力及及弹弹性性位位移移
5.4 受剪板杆式薄壁结构计算模型
5.3 静定刚架结构的内力
一、刚架结构的组成
结 构 力 学
平面刚节点3个约束 空间刚节点6个约束
逐次连接杆件法 刚架组成方法
逐次连接刚架法 Beenchang ed.
第第五五章章：：静静定定结结构构的的内内力力及及弹弹性性位位移移
5.3 静定刚架结构的内力
二、静定刚架的内力计算
平面刚架 平面刚架横截面上
结构力学 第五章 力法
（2）确定超静定次数的方法——通过去掉多余约束来
确定。（去掉n个多余约束，即为n次超静定）。
（3）去掉（解除）多余约束的方式 a、撤去一个活动铰支座、去掉或切断一根链杆——去
掉1个约束（联系）；
X1
§ 5-1 超静定结构概述和力法基本概念
b、去掉一个单铰或一个固定铰支座—— 去掉2个约束；
X 1 Δ1 p 0 X Δ n np
（3）最后弯矩
M X1 M 1 X 2 M 2 X n M n
§ 3-2 力法的基本原理及典型方程
力法基本思路小结
解除多余约束，转化为静定结构。多余约 束代以多余未知力——基本未知力。 分析基本结构在单位基本未知力和外界因 素作用下的位移，建立位移协调条件——力 法方程。
单独作用于基本结构时，所引起的沿Xi方向的位移，
可为正、负或零，且由位移互等定理：δi j =δj i 自由项ΔiP ——荷载FP单独作用于基本体系时， 所引起Xi方向的位移，可正、可负或为零。
§ 3-2 力法的基本原理及典型方程 （2）典型方程的矩阵表示
δ11 δn1
δ1n δnn
3
0.393ql
0.464ql 0.607ql
§ 3-2 力法的基本原理及典型方程
力法基本原理：把去掉原结构上的多 余联系后所得的静定结构作为基本结构， 以多余约束力作为基本未知量，根据原 结构在多余联系处的变形条件列力法方 程，解之即得多余约束力；而以后的计 算与静定结构相同。必须指出，基本结 构的选取虽然可以不同，但它必须是几 何不变的。否则不能用作计算超静定结 构的计算图形。支反力数 目）； j（节点数）
第五章 结构力学的方法
第五章结构力学的方法1、常用的计算模型与计算方法(1)常用的计算模型①主动荷载模型：当地层较为软弱，或地层相对结构的刚度较小，不足以约束结构茂变形时，可以不考虑围岩对结构的弹性反力，称为主动荷载模型。
②假定弹性反力模型：先假定弹性反力的作用范围和分布规律、然后再计算，得到结构的内力和变位，验证弹性反力图形分布范围的正确性。
③计算弹性反力模型：将弹性反力作用范围内围岩对衬砌的连续约束离散为有限个作用在衬砌节点巨的弹性支承，而弹性支承的弹性特性即为所代表地层范围内围岩的弹性特性，根据结构变形计算弹性反力作用范围和大小的计算方法。
(2)与结构形式相适应的计算方法①矩形框架结构：多用于浅埋、明挖法施工的地下结构。
关于基底反力的分布规律通常可以有不同假定：a.当底面宽度较小、结构底板相对地层刚度较大时假设底板结构是刚性体，则基底反力的大小和分布即可根据静力平衡条件按直线分布假定求得(参见图5.2.1 ( b )。
b.当底面宽度较大、结构底板相对地层刚度较小时，底板的反力与地基变形的沉降量成正比。
若用温克尔局部变形理论，可采用弹性支承法；若用共同变形理论可采用弹性地基上的闭合框架模型进行计算。
此时假定地基为半无限弹性体，按弹性理论计算地基反力。
矩形框架结构是超静定结构，其内力解法较多，主要有力法和位移法，并由此法派生了许多方法如混合法、三弯矩法、挠角法。
在不考虑线位移的影响时，则力矩分配法较为简便。
由于施工方法的可能性与使用需要，矩形框架结构的内部常常设有梁、板和柱，将其分为多层多跨的形式，其内部结构的计算如同地面结构一样，只是要根据其与框架结构的连接方式(支承条件)，选择相应的计算图式。
②装配式衬砌根据接头的刚度，常常将结构假定为整体结构或是多铰结构。
根据结构周围的地层情况，可以采用不同的计算方法。
松软含水地层中，隧道衬砌朝地层方向变形时，地层不会产生很大的弹性反力，可按自由变形圆环计算。
若以地层的标准贯入度N来评价是否会对结构的变形产生约束作用时，当标准贯入度N>4时可以考虑弹性反力对衬砌结构变形的约束作用。
结构力学第五章 位移计算
M ( x ) x l , M P ( x ) q (l x ) 2 / 2
FP 1 x
MP
例 2：求曲梁B点的竖向位移(EI、EA、GA已知)
FP B FP=1 FP
FQ P M P
A
R
O
θ
R
FN P R
θ
FPF R sin , M k R R R3 M P P , i FP sin, FP R 设 : M Q N
3.变形体的虚功原理 （1）质点系的虚位移原理 具有理想约束的质点系，在某一 位置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 于质点系的主动力所做虚功之 和为零。也即
FP1
FN 1
FP 2
m1 m
2
FN 2
→. → ΣFi δri=0
（2）刚体系的虚位移原理
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：
铁路工程技术规范规定: 桥梁在竖向活载下，钢板桥梁和钢桁梁 最大挠度 < 1/700 和1/900跨度 (2) 超静定、动力和稳定计算
(3）施工要求
3.本章位移计算的假定 (1)
(2) (3)
线弹性 (Linear Elastic),
小变形 (Small Deformation), 理想联结 (Ideal Constraint)。
[
M PM EI
FN P FN EA
]ds
2.桁架
kp FN P FN EA FN P FN l EA ds
3.组合结构
kp
这些公式的适 用条件是什么?
结构力学-第五章-力法4
§5-7 最后内力图的校核
例： 试校核图示刚架的弯矩图其是否有误。
M C B
2M /5 C 3M /5 M /5
A
l
B
M
1
3M /5
B X1 = 1
EI= 常数
A l/ 2
M
2M /5
A
M1 图
解:(1)平衡条件校核。 取刚结点C 为隔离体,满足平衡条件。 (2)校核位移条件。 检验C 结点两个端面间的相对转角位移 Δ C 是否为零, 任取一基本结构作图M 1 ，令 M 1 与M 相图乘得： 2m m 1 1 l 3m 2 1 ml ml 5 5 Δ C [ 1 l 1] [ ]0 EI 2 2 5 3 2 EI 10 10
小 结
小
结
力法是求解超静定结构最基本的方法。力法的基本原 理是将原超静定结构中的多余约束解除，代之以相应的未 知约束反力。原结构就变成了在荷载及多余未知力作用下 的静定结构。这个静定结构称为原结构的基本体系 , 多余 未知力称为原结构的基本未知数。根据基本体系中多余未 知力作用点的位移应与原结构一致的条件，即多余约束处 的位移谐调条件，建立位移协调方程。这就是力法典型方 程。方程中的基本未知数是体系的多余未知力。这种以未 知力为基本未知数的求解超静定结构的方法就称为力法。 由于基本体系满足位移谐调条件 , 因此基本体系的内力 与变形便与原超静定结构完全一致。利用位移约束条件解 出多余未知力是力法的关键 , 求出多余未知力后便将超静 定问题转化为静定问题了。以后的计算便与静定结构的求 解完全一样。
§5-7 最后内力图的校核
结论：亦满足给定位移条件，原弯矩图是正确的。
X1 = 1
C B
A
也可取图悬臂刚架作基本结构，计算B点水平位 移△xB 是否为零。
结构力学第5章
F
x
0
FN 3 0
M
B
3-5 静定平面桁架
例 求桁架各杆内力 Ⅰ A 4×d FP FP Ⅰ B Ⅱ
解 Ⅰ-Ⅰ:
FxA A FyA
FP
FP
FxB FyB
M
Ⅱ-Ⅱ: C Ⅱ 4×d C FP
A
0
FyB FP
FyB FxB
同理可求出A、C两点的约束力。 进而可求其它杆件的内力
M
C
0
由比例关系得
Ⅲ-Ⅲ：
Fx1 FP 3
FN1 5FP 3
Fx 0
FN3 cos 45 Fx1 0
FP
FP
FP
FP
FN3 2 FP 3
3-5 静定平面桁架
求解由两个刚片组成的体系
FN3
FN2 FN1
利用三个平衡方程，求FN1、FN2、FN3。 然后，求解内外两个三角形各杆轴力。
2 FP 2
2 FP 2
F
FP/2 FN图
G
3-7 组合结构
例 FP 做组合的内力图 E D
解
FP
再请学 生判断 零杆。 FNEC FNDC FNDB
a
A a C B a
FN DB FP
FN EC 2FP
FN DC 0
FPa
2FPa
FP 2FP
M图 FQ图 2FP FP
FN图
3-7 组合结构
3-5 静定平面桁架
例 求指定杆轴力
2 A FP1 FP2 5×d 3 FP3 1 B A FP1 FP2 FN2 FN3 解 取出一个三角形刚片
FN1
取出另一个三角形刚片
结构力学第五章结构位移计算
M K ads
QK ads
N K ads RK Ca
( a , a , a , Ca )
(MK ,QK , N K ,RK )
经分析：
a ds t0ds ;
ads 0
;
ads
t h
ds
;
RCA 0
将以上各式代入求位移的一般公式，可得温度改变位移计算式：
y
d
MP(x)
dx
MK(X)
y yo
o
xA
Bx
xo
M K M P ds l EI
1 EI
B
A M K M Pdx
1 EI
B
A x tgM Pdx
1 tg
EI
b
a xM Pdx
1
tg
B
xd
EI
A
1 EI
tg
x0 P
1 EI
P
y0
（Mp图）
（Mk1图）
（Mk2图）
CV
M K M P ds 1 [( 6 6) ( 2 300) ( 2 6 45) ( 6 ) (6 6) (300)] 13860 0.0924m()
l EI
EI 2
3
3
2
EI
C
1 EI
[(300 6)(1) ( 2
位移状态，则前者的外力由于后者的位移所做的虚外功T等于前者的切割 面内力由于后者的变形所作的虚变形功V”。
用式子表达就是下面的虚功方程：
T=V
虚功方程也可以简述为：“外力的虚功等于内力的虚变形功”。 其具体表达式为：
结构力学第五章
第五章重点要求掌握
1.掌握力法的基本原理及解题思路，重点在正确地选择力法基本体系，明确力法方程
的物理意义。
2.熟练掌握在荷载作用下超静定梁、刚架、排架内力的求解方法。
3.掌握用力法求解在支座发生位移时梁和刚架内力的方法。
4.能利用对称性进行力法的简化计算。
5.能计算超静定结构的位移及进行变形条件的校核
作业题
5-1a确定超静定结构的次数
解：去掉三个链杆，变成静定的悬臂梁，所以本结构是3次超静定结构
5-1b确定超静定结构的次数
解：去掉A点链杆，结构变成静定组合梁，所以本结构是1次超静定结构
5-1c确定超静定结构的次数
解：去掉A点两个链杆约束，结构变成静定刚架，所以本结构是2次超静定结构
5-1d确定超静定结构的次数
解：去掉CF、CG、FG共3个链杆， A、B为固定支座改为铰支座，结构成为静定结构，所
以本结构是5次超静定结构
5-1e确定超静定结构的次数
解：将圆环截断，结构成为静定结构，所以本结构是3次超静定结构
5-1f确定超静定结构的次数
解：将两个方框截断，去掉其中3个固定支座，结构成为静定结构，所以本结构是15次
超静定结构
5-1g确定超静定结构的次数。
结构力学I-第五章 虚功原理与结构位移计算
结构位移计算的一般公式
叠加法：总位移Δ是微元段变形引起的微小位移dΔ之叠加； Δ = ∫dΔ = ∫ ( Mκ + FNε + FQγ0 ) ds
多个杆件：每根杆件产生的位移效应的叠加 Δ = ∑ ∫ ( Mκ + FNε + FQγ0 ) ds 变形+支座位移：叠加法 支座位移产生的位移Δ=- ∑FRK· cK
另一种形式： 1 ·Δ+ ∑FRK· cK = ∑ ∫ ( Mκ + FNε + FQγ0 ) ds =
=
外力虚功
W
=
Wi
内力虚功
变形体的虚力方程
Page 23
14:33
LOGO
结构体位移计算的单位荷载法
l
Page 19
d θ
M M
ds
14:33
LOGO
结构体位移计算的单位荷载法
局部变形时的位移计算公式
微元段的局部变形
1 相对轴向位移 dλ = εds
ds变形
相对轴向位移 dη = γ0ds
相对转角 dθ = ds/R = κds
⑴ 这些相对位移dλ、 dη和dθ 分别对应的广义力是B点的轴力FN， 剪力FQ ，及弯矩M； 这些微小变形在A端产生的位移dΔ如何求？ 单位荷载法！ ⑵ 设单位位移在B点产生的的轴力，剪力及弯矩分别为 FN ， FQ 和M，利用虚力原理，有
Page
2
LOGO
应用虚力原理求刚体体系的位移
结构位移计算概述
位移：结构上的某一截面在荷载或其它因素作用下由某一位置 移动到另一位置，这个移动的量就称为该截面的位移； 思考：变形和位移的差别？ 变形：结构在外部因素作用下发生的形状变化；
05-3结构力学 第五章 超静定结构的内力和位移计算(5.2节 位移法)ok
如： 1 2
3
1 2
1
3
这样即可使12、13杆 成为单跨超静定梁
2、附加链杆支座约束：为使杆件两端相对线位移被约束而在结点上附加的约 束阻止结点移动的装置。
如：1
3
用“
” 表示
2 1 3
结构变形时，显然13杆可沿水平方向移动， 同时刚结点1也可能发生转角，要使各杆独立成为 单跨超静定梁。 需在1结点上附加刚臂约束 同时还需加附加链杆支座以阻止13杆的水平线 位移。
r11Z 1+ r12Z 2+ · · · · + r1nZ n+R1P=0
位移法 – 刚度法
ri j=rj i
反力互等定理
位移法典型方程，简称为位移法方程 – 结构的刚度方程
主系数，rii>0 r12 ...... r1n Z1 R1P r11 r Z R r ...... r 2P 22 2n 2 21 ri j=rj i 反力互等定理 0 ...... ...... ...... ...... rn 2 ...... rnn Z n RnP rij=rji，Rip，>0，=0，<0 rn1
F M AB ql 2 / 12 F M BA ql 2 / 12
F A l/2 l/2 B
Fl/8 A
Fl/8
F M AB Fl / 8
B
F M BA Fl / 8
q
ql2/8 B A B
F M AB ql 2 / 8
A
F A l/2 l/2 B
3Fl/16 A B
EI=
Z1 Z2
EI=
《结构力学》第5章：力法
03
对边界条件敏感
力法对边界条件的处理较为敏感， 边界条件的微小变化可能导致计 算结果的显著不同。
适用范围讨论
适用于线弹性结构
01
力法适用于线弹性结构，即结构在荷载作用下发生的
变形与荷载成正比，且卸载后能够完全恢复。
适用于静定和超静定结构
02 力法既适用于静定结构，也适用于超静定结构，但超
静定结构需要引入多余未知力和变形协调条件。
在传动系统的力学分析中，采用力法计算各部件的受力情况，
确保传动系统的正常运转。
案例分析与启示
力法应用广泛性
力法计算精确性
通过以上案例可以看出，力法在桥梁、建 筑和机械工程等领域具有广泛的应用价值 。
力法作为一种精确的计算方法，在解决超 静定问题方面具有显著优势。
力法在工程实践中的局限性
对未来研究的启示
《结构力学》第 力法典型方程及应用 • 力法计算过程与实例分析 • 力法优缺点及适用范围 • 力法在工程实践中应用 • 力法学习建议与拓展资源
01 力法基本概念与原理
力法定义及作用
力法是一种求解超静定结构的方法， 通过引入多余未知力，将超静定问题 转化为静定问题进行求解。
桁架结构应用
桁架结构由杆件组成，通过力法可以求解桁架结构中的多余未知力，进而分析 桁架的稳定性和承载能力。
组合结构应用
组合结构由不同材料或不同形式的构件组成，通过力法可以分析组合结构的内 力和变形，为结构设计提供优化建议。
复杂结构简化与力法应用
复杂结构简化
对于复杂结构，可以通过合理简化为静定结构或简单超静定结构，进而应用力法求解。
适用于简单和规则结构
03
对于简单和规则结构，力法能够较为方便地求解出结
结构力学 力法
X1 = 5 ql ( ↑ ) 4 X1 = 0
当 当
求解图示加劲梁。 例 5. 求解图示加劲梁。 −4 4 横梁 I = 1 × 10 m
解： δ 11 X 1 + ∆1 P = 0
10.67 12.2 , + δ 11 = EI EA 533 .3 ∆1 P = EI 当 A = 1× 10 −3 m 2 ,
ql 2 20
1
M X1
Mi
ql 2 / 40
∆1 = 0 ∆ 2 = 0
1 1 ql 2 1 ql 2 1 ql 3 θA = ( ⋅l ⋅ ⋅1 − ⋅ l ⋅ ⋅1) = ( EI 2 20 2 40 80 EI
)
(1).位移计算 位移计算
求A截面转角 截面转角 q A ql 22EI EI 20 l M l
X1
P -P/2 a
2/2
X1 = − P / 2
P/2 a 0 0 P P
− 2P
X1 = 1
Hale Waihona Puke 1 0 1− 2 − 2
1 1 1
N1
N = N1 X1 + N P
X1
0
P
P 变形条件仍为: 变形条件仍为: N∆1 = 0 P 对吗? 对吗?
X1 X1
∆1 = −
X 1a EA
求作图示梁的弯矩图。 例 4. 求作图示梁的弯矩图。
P
Pl 2 / 8
l X1 P
l X2 X3
δ 13 = δ 31 = δ 23 = δ 32 = ∆3 P = 0
M 32ds N 32ds kQ32ds l δ 33 = ∫ +∫ +∫ = ≠0 EI EA GA EA X3 = 0 δ 11 X 1 + δ 12 X 2 + ∆1 P = 0 δ 21 X 1 + δ 22 X 2 + ∆ 2 P = 0
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第五章结构力学的方法1、常用的计算模型与计算方法(1)常用的计算模型①主动荷载模型：当地层较为软弱，或地层相对结构的刚度较小，不足以约束结构茂变形时，可以不考虑围岩对结构的弹性反力，称为主动荷载模型。
②假定弹性反力模型：先假定弹性反力的作用范围和分布规律、然后再计算，得到结构的内力和变位，验证弹性反力图形分布范围的正确性。
③计算弹性反力模型：将弹性反力作用范围内围岩对衬砌的连续约束离散为有限个作用在衬砌节点巨的弹性支承，而弹性支承的弹性特性即为所代表地层范围内围岩的弹性特性，根据结构变形计算弹性反力作用范围和大小的计算方法。
(2)与结构形式相适应的计算方法①矩形框架结构：多用于浅埋、明挖法施工的地下结构。
关于基底反力的分布规律通常可以有不同假定：a.当底面宽度较小、结构底板相对地层刚度较大时假设底板结构是刚性体，则基底反力的大小和分布即可根据静力平衡条件按直线分布假定求得(参见图5.2.1 ( b )。
b.当底面宽度较大、结构底板相对地层刚度较小时，底板的反力与地基变形的沉降量成正比。
若用温克尔局部变形理论，可采用弹性支承法；若用共同变形理论可采用弹性地基上的闭合框架模型进行计算。
此时假定地基为半无限弹性体，按弹性理论计算地基反力。
矩形框架结构是超静定结构，其内力解法较多，主要有力法和位移法，并由此法派生了许多方法如混合法、三弯矩法、挠角法。
在不考虑线位移的影响时，则力矩分配法较为简便。
由于施工方法的可能性与使用需要，矩形框架结构的内部常常设有梁、板和柱，将其分为多层多跨的形式，其内部结构的计算如同地面结构一样，只是要根据其与框架结构的连接方式(支承条件)，选择相应的计算图式。
②装配式衬砌根据接头的刚度，常常将结构假定为整体结构或是多铰结构。
根据结构周围的地层情况，可以采用不同的计算方法。
松软含水地层中，隧道衬砌朝地层方向变形时，地层不会产生很大的弹性反力，可按自由变形圆环计算。
若以地层的标准贯入度N来评价是否会对结构的变形产生约束作用时，当标准贯入度N>4时可以考虑弹性反力对衬砌结构变形的约束作用。
此时可以用假定弹性反力图形或性约束法计算圆环内力。
当N<2时，弹性反力几乎等于零，此时可以采用白由变形圆环的计算方法。
接头的刚度对内力有较大影响，但是由于影响因素复杂，与实际往往存在较大差距，采用整体式圆形衬砌训算方法是近似可行的。
此外，计算表明，若将接头的位置设于弯矩较小处，接头刚度的变化对结构内力的影响不超过5％。
目前，对于圆形结构较为适用的方法有：a.按整体结构计算。
对接头的刚度或计算弯矩进行修正；b.按多铰圆环结构计算。
当实际上衬砌接缝刚度远远小于断面部分时，可将接缝视作一个‘铰，’处理。
整个圆环变成一个多铰圆环。
多铰圆环结构(大于3个)，就结构本身而言，是一个不稳定结构，必须是圆环外围的土层介质给圆环结构提供附加约束，这种约束常随着多铰圆环的变形而提供了相应的弹性反力，于是多铰圆环就处于稳定状态。
③拱形结构。
对于拱形结构，无论其形状如何，其(半衬砌)拱脚或边墙的基底都是直接放在岩层上的，故可以假设其底端是弹性固定的无铰拱。
对于半拱结构，大部分情况下拱圈向衬砌内变形，因此不考虑弹性反力，将其视为弹性固定的无饺拱；对于直边墙和曲边墙拱形衬砌，在主动荷载作用下会发生朝向地层的变形面产生弹性反力，弹性反力与主动荷载和弹性反力共同引起结构的变位确关。
曲边墙衬砌的边墙与拱圈作为一个整体结构，将其视为支承在弹性地基上的高拱。
在朝向地层变形的部分假定弹性反力的分布范围和与最大弹性反力相关的分布规律，只要求算出最大弹性反力，即可确定其分布图形。
直边墙衬砌的拱圈和边墙是作为结构的两寸部分分别计算的，拱圈视为有弹性反力作用的弹性固定无饺拱，边墙视为有初始位移〔基底弹性变位)的双向弹性地基梁。
2、作用(荷载)的分类及效应组合施加在结构上的各种外力以及引起结构变形和约束变化(结构或构件的内力、应力、位移、应变、裂缝等)的原因，统称为作用。
习惯上也将结构上的各种作用统称为荷载。
(1)对于承载能力极限状态，应采用荷载效应的基本组合或偶然组合进行设计①荷载基本组合②荷载偶然组合(2)正常使用极限状态，应根据结构不同的设计状况分别采用荷载的短期效应组合和长期效应组合进行设计。
3、衬砌截面强度检算《铁路隧道设计规范》T810003-2001的规定：(1)按破损阶段进行的截面强度检算(2)按极限状态法进行的截面强度检算①承载能力极限状态计算②正常使用极限状态计算5.2不考虑弹性反力的计算方法1、弯矩分配法（1）计算模型矩形结构多用于浅埋、明挖法施工的地下结构，对于底宽不大、底板相对地层有较大的刚度时，一般地基反力按直线分布。
一般情况下，框架顶、底板的厚度要比中隔墙的尺寸大得多，所以，中隔墙的刚度相对较小，可将其看作只承受轴力的二力杆误差并不大。
（2）力矩分配计算步骤力矩分配法的基本做法是:首先假定刚架每一个刚性节点均为固定，计算出各杆件的固端弯矩。
然后放松其中1个节点，将放松节点的不平衡力矩反号，按劲度系数分配给相交于该节点的各杆件近端，得到各杆件近端分配弯矩，这样该节点的弯矩是暂时平衡了;近端得到的分配弯矩同时按传递系数向远端传递，各远端得到传递弯矩。
然后把已经取得暂时平衡的节点固定，放松第2个节点，按同样方法进行。
这样依次继续进行，每一个节点经数次放松之后，被分配的不平衡弯矩值会很快收敛。
最后，将各杆端的固端弯矩和所得的分配弯矩和传递弯矩一并相加‘便得到各杆端的最后弯矩。
力矩分配法中对称性的应用。
在地下结构中对称性的应用较多，作用在对称结构上的任意荷载，可以分解为正对称荷载和反对称荷载两部分可以对其分别计算，再将其结果叠加，即为该任意荷载作用的结果。
在正对称荷载作用下弯矩图和轴力图是正对称的，而剪力是反对称的;在反对称荷载作用下，弯矩图和轴力图是反对称的，而剪力是正对称的。
利用这一原则。
可取结构的一半进行计算。
截面刚架计算方法与等截面结构相同，形变法和力矩分配法均可应用，但分配系数、传递系数及固定弯矩的计算较等截面结构繁琐〔具体可查阅结构力学中变截面刚架计算的有关章节)。
（3）截面强度计算构件的强度安全系数在特载与其他荷载共同作用下取K= 1.仇当不包括特载时，则K 值按一般规范中的规定；在特载与其他荷载共同作用下按弯矩及轴力对构件进行强度验算时，要考虑材料在动荷载作用下强度的提高;而按剪力和扭矩对构件进行强度验算时，则材料强度不提高；由于矩形框架一般为浅埋明挖结构.由特载引起的截面轴力要根据不同的部位乘以一个折减系数(顶板为0.3、底板和侧墙为0.6)。
构件的强度安全系数在特载与其他荷载共同作用下取K= 1.仇当不包括特载时，则K 值按一般规范中的规定；在特载与其他荷载共同作用下按弯矩及轴力对构件进行强度验算时，要考虑材料在动荷载作用下强度的提高;而按剪力和扭矩对构件进行强度验算时，则材料强度不提高；由于矩形框架一般为浅埋明挖结构.由特载引起的截面轴力要根据不同的部位乘以一个折减系数(顶板为0.3、底板和侧墙为0.6)。
对框架结构的角隅部分和梁柱交叉节点处，为了考虑柱宽的影响，一般采用如图5.2.4所示的方法来计算配筋的弯矩和剪力。
计算配筋的弯矩如图5.2.4(b)所示，计算配筋的剪力如图5.2.4(c)所示。
在设有支托的框架结构中，进行截面强度验算时，杆件两端的截面计算高度采用：d ＋S/3,且满足：框架的顶板、底板、侧墙均按偏心受压构件验算截面强度。
2、自由变形圆环的计算(1)围岩压力作用下自由变形圆环的计算采用弹性中心法:取如图5.2.6 ( b )所示的基本结构。
由于结构及荷载对称，拱顶剪力等于零，故整个圆环为二次超静定结构。
根据弹性中心处的相对角变和相对水平位移等于零的条件，列出下列力法方程：其中，Mp为基本结构中外荷载对圆环任意截面产生的弯矩；φ为计算截面处的半径与竖直轴的夹角；RH为圆环的计算半径。
将上述各系数代人式(5.2.7)，得：求出赘余力X1，X2后，圆环中任意截面的内力可由下式计算：对于自由变形圆环，在图5.2.6所示的各种荷载作用下求任意截面中的内力，可以将每一种单一的荷载作用在圆环上，利用式(5.2.9)即可推导出表5.2.1中的计算公式。
表中的弯矩M以内缘受拉为正，外缘受拉为负;轴力N以受压为正，受拉为负。
表中所示各项荷载均为(纵向)单位环宽上的荷载。
(2)装配阶段自重作用下衬砌的计算装配阶段的衬砌就可按在自重作用下的自由变形圆环进行计算。
衬砌被推出盾壳后直接支承在地层弧面上，其弧面的夹角为2φ0，按上述的自由变形圆环进行计算可以得出衬砌任意截面的弯矩及轴向力的计算公式：3、半拱形结构计算(1)计算图式、基本结构及典型方程拱脚支承在弹性的围岩上时，由于在拱脚支承反力作用下围岩表面将发生弹性变形，使拱脚发生角位移和线位移，这些位移将影响拱圈内力。
由于拱脚截而的剪力很小，而且拱脚与围岩间存在很大的摩擦力，因而可以假定拱脚只有切向位移而没有径向位移，可用一根径向的刚性支承链杆表示，其计算图式如图5.2.9所示。
在结构对称及荷载对称的情况下，两拱脚切向位移的竖向分位移是相等的，这时，对拱圈受力状态不发生影响，在计算中仅需考虑转角和切向位移的水平分位移，以拱顶截面的弯矩和法向力为赘余力，用X1、X2表示。
(2)单位力作用下拱脚支承面的位移计算利用地基局部变形理论的“温克尔假定”，可建立作用应力与围岩弹性变形的关系。
①单位力矩作用于a点时，如图5.2.11,支承面应力按直线分布，支承面产生按直线分布的沉陷。
②单位水平力作用在a点时，如图5.2.12，只需考虑其轴向分力(cos qa)的影响作用在围岩表面上的匀布应力及相应沉陷为：③单位竖向力作用于a点时，如图5.2.13，亦只需考虑其轴向分力的影响，围岩表面上的匀布应力及相应沉陷为：(3)拱顶单位变位与荷载变位的计算可求的某一点在单位力作用下，沿k方向的位移：将X1、X2、X3以及荷载作用下结构各截面内力(见图5.2. 4)代人式(5.2.21)可得：(4)拱圈各截面内力的计算由公式5.2.17 解出拱顶截面的赘余力X1、X2，拱圈各截面内力。
5.3 假定弹性反力的计算方法1、假定弹性反力图形的圆形结构计算方法(1)日本惯用法假定反力分布为三角形。
①基本假定。
土壤弹性反力图形分布在水平直径上下各45度范围内、其分布规律如下：②衬砌环水平直径处实际变位y的求法衬砌环水平直径处的实际变位Y是由主动外荷载作用产生的衬砌变位Y1和侧向弹性反力作用引起的衬砌变位Y2的代数和。
③圆环内力的计算由Pk引起的圆环的内力M, N, Q的计算公式参见表 5.3.2。
和自由变形圆环一样，将Pk引起圆环内力和其他外荷载引起的圆环内力进行叠加，形成最终的圆环内力。