《结构力学》力法

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A 。0
P
除此之外,还需校核B点的竖向位移是否为零, 若这个位移条件也能满足,则证明最后弯矩图正确。
§5-5 等截面单跨超静定梁的杆端内力
下一章用位移法计算超静定刚架时,将每根杆 件视为单跨超静定梁。计算时,要用到各种单跨超 静定梁受荷载作用以及杆端发生位移(线位移、角位 移)时的杆端内力(弯矩、剪力)。
FP和1 共FP同2 作用下的基本系必须保持同样的位移条件,
即B点沿X1方向上的位移1、沿X2方向上的位移 和2 X3方 向上的角位移 都3 应该等于零,即:
1 0,2 0,3 0
每一方向上的位移,都是 X1, X 2和, X外3 荷载 和 FP共1 同F作P2 用 下产生的。令
11,21分,3别1 表示 单X独1 作1 用时,基本系上B点沿 X1, X 2 ,方X向3 上的位移;
1 11X1 12 X 2 1n X n 1P 0 2 21X1 22 X 2 2n X n 2P 0
n n1X1 n2 X 2 nn X n nP 0
力法求解超静定结构的一般步骤
(1)确定超静定次数,解除多余约束,选择基本系; (2)根据位移条件建立力法典型方程:基本系在原有 荷载和多余约束力的共同作用下,解除多余约束处的位 移应与原结构中相应的位移相等。 (3)在基本系上作单位内力图及荷载内力图,按位移 公式计算系数和自由项; (4)求解典型方程,得多余约束力; (5)根据叠加原理计算内力,作内力图,并校核(包 括平衡条件校核和位移条件校核。
2)静力特征: 仅用静力平衡条件无法确定反力或 内力。
3)求解特征:同时满足静力平衡条件和位移协调 条件的超静定结构的解是唯一的、确定的。
★ 以上三个特征就是超静定结构区别于静定结构 的基本特征。总的来说,有多余约束 、外力/内力 超静定是超静定结构的本质特征。
3. 超静定结构的类型
1)超静定梁 2)超静定刚架 3)超静定桁架 4)超静定拱 5)超静定组合结构 6)超静定排架
荷载和多余约束力的共同作用下,解除多余约束处 的位移应与原结构中相应的位移相等。
这样,基本系与原结构不仅受力状态相同,而且变 形状态也相同。于是,可用静定的基本系的计算代替原 超静定结构的计算。
——--- 为了唯一确定超静定结构的支座反力和内力,需同时 考虑静力平衡条件和位移协调条件。
二、力法的基本原理
例题:用力法计算超静定刚架。
12BA
1A1
B 21
1A2
B 22
1AP
A 11
X1
A 12
X
2
1AP
0
B 2P
B 21
X1
B 22
X
2
B 2P
0
叠加原理作弯矩图:
力法计算校核
1. 平衡条件校核
平衡条件校核与静定结构一样,在内力图求出之 后,把原有作用在结构上的因素,如荷载等都加在结构 上,这时可考察各结点是否平衡,或用截面法切开某一 部分,考察该部分是否平衡。
一般来说悬臂式最简单,其次是简支式,三铰式与 组合式都较复杂。
在解除约束处的多余约束力通常是成对出现的广义 力。对于支座约束,如采用“切断”的做法解除约束, 约束力也是成对出现的,当支座无移动时,为了简化, 常不画出作用于基础上的那个多余约束力。
X1
X1
二、力法的典型方程
• 用力法解一般超静定结构的关键在于根据位移条 件建立力法的典型方程,从而求解多余约束力。
FP
共同作用的基本系是一样的。因此,求原超静定结构中D点的竖向的
位 移,就等于求在
X1
3 80
FPl,X 2

17
4共0 同FP 作X用F1,P下X的2 基本F系P 中D
点的竖向位移。而对基本系来说,可将 与 一同视为作用在
基中,本在系上D处的M施外P 加力一。竖因向此单,位要虚求力基,本并系作中出DM的k图竖,向而位基移本,系只在需这在三基个本外系力 作用下的 图即为原超静定结构的弯矩图。
17 40
FP
3 80 FPl
1 1l 3
11l 3
Dy
EI1
(
6
2
80
FPl
l)
EI1
( 3
2
40
FPl
l)
1 EI2
1 ( 3
l 2
3 40
FPl
l )
2
1 EI2
(
பைடு நூலகம்1 6
l 2
17 80
FPl
l )
2
31FPl3 () 3840EI1
超静定结构用力法计算绘出最后内力图后,也可用这种方法 计算超静定结构任一已知位移,以进行位移条件的校核。我们可 以计算超静定结构解除约束处的位移,若所求位移与原结构相同 即为正确的,否则是错的。例如,原结构中支座A是固定支座,其 角位移应该为零,利用这一条件即可校核所求得的最后内力图。 图(a)所示刚架支座A的角位移等于图(b)所示基本系中截面A 的角位移,计算该位移时,只需将虚拟力FPk=1作用于基本系的截 面A处,得到下图所示虚拟状态。再将该虚力状态的弯矩图与原超 静定结构的弯矩图图乘,如果原超静定结构弯矩图正确,则必有
有不同的取值。因而,B点会发生大小和方向都各不相同
的位移。
而在原结构中,B点的竖向位移恒为零。因此,只有
当X1的数值恰与原结构右侧链杆支座上实际发生的支座反 力相等时,才能保证基本系在原有荷载和多余约束力X1的 作用下,B点的竖向位移是恒为零的。
q
q
A l
原结构
BA
B
基本系 X1
—— 确定多余约束力X1的位移条件:基本系在原有
根据叠加原理,位移条件可写成:
212111
12 22
13 23
1P 2P
11X1 12 X 2 13 X3 1P 0 21X1 22 X 2 23 X3 2P 0
3 31 32 33 3P 31X1 32 X 2 33 X3 3P 0
矩阵形式:
杆端(截面)转角---顺时针转动为正; 杆件两端在垂直于杆轴方向上的相对线位移---以使 弦转角作顺时针转动为正。
如果能用某种方法先求出超静定结构中的多 余约束力,那么就可以将超静定结构转化为静定 结构来计算。这就是力法的基本思路。
“化未知为已知”——科学研究的基 本方法之一。
引例
例:一端固定、另一端铰支的单跨超静定梁。
q
q
A l
原结构
BA
B
基本系
X1
—— 基本系:去掉多余约束,并用多余约束力代替后的静
定结构。
FAx
FAx
FAy
FBy
FCy
外力超静定问题
FAy
FCy
内力超静定问题
超静定结构的优点:
➢最大内力和位移一般小于静定结构,内力分布 比较均匀;
➢抵抗破坏的能力强。
超静定结构举例 超静定结构举例
连续梁桥
厂 房 门 式 刚 架
2. 超静定结构基本特征
1)几何组成特征: 具有多余约束、几何不变。
★ 这些多余约束就保持结构的几何不变性来说,是不 必要的。 ★ 超静定结构在去掉多余约束后,就成为静定结构。
满足平衡条件还不够,因为力法计算是在超静定结 构解除多余约束后得到的静定结构基本系上进行的,在 解除约束处还存在是否满足原有的位移条件的问题,因 而还必须进行位移条件的校核。
2. 位移条件校核
例如,欲求原超静定结构中,CB梁中点的竖向位移。原超静定结
构的内力与位移与受X1
3 80
FPl,X的2 多14余70 F约P 束力和外荷载
§5.1.2 超静定次数的确定
1、定义
超静定次数:超静定结构中多余约束的个数。 多余约束力:多余约束中产生的约束力。
2、超静定次数的确定:采用解除多余约束的方
法。 从原超静定结构中去掉多余约束,代之以多余
约束力,直到原结构变成为几何不变、无多余约束 的静定结构,被解除的多余约束的个数即为超静定 次数。
iP 自由项。 系数和自由项求得后,即可解算典型方程以求得
各多余约束力。然后再按照分析静定结构的方法利用 叠加原理求出原结构的内力。例如弯矩为:
M M1X1 M2X2 M3X3 M P
更一般地,对于 n 次超静定结构来说,共有n 个 多余约束力,而每个多余约束力对应着一个已知的位移 条件,故可按 n 个位移条件建立 n 个方程。当已知多 余约束力作用处的位移为零时,则力法典型方程为:
为了应用方便,首先推导单跨超静定梁在荷载以 及杆端位移作用下的杆端弯矩公式。
位移法中符号规定
弯矩---对杆端,以顺时针方向为正;对结点或支座, 以逆时针方向为正;弯矩图仍画在杆件受拉纤维一侧。
剪力---同前,即对杆端,以绕另一端作顺时针转动为 正;对结点或支座,以绕结点或支座作顺时针转动为 正。
位移法中符号规定
一、基本未知量和基本系
基本未知量:力法以多余约束力作为基本未知量,其 数目等于多余约束的个数,即超静定次数。 基本系:超静定结构解除多余约束后得到的静定结构 为力法的基本系。
因解除约束的位置和方式不同,一个超静定结构可 以有各种不同的基本系,这些基本系的共同要求是保持 几何不变,同时应选择计算较简单的基本系。
• 位移条件:超静定结构在解除多余约束后,要保 证基本系在原有荷载和多余约束力共同作用下的内 力、位移与原超静定结构一致,就必须使得解除多 余约束处的位移与原结构中相应的位移相等。
图(a)所示刚架为三次超静定结构。
在原结构中,由于B端为固定端,无水平线位移、竖向线位 移和角位移。因此在三个多余约束力X1、X2、X3和外荷载
11 21
12 22
13 23
X X
1 2
12PP
0 0
31 32 33 X3 3P 0
ΔxxX ΔP 0
--- 力法的典型方程
ΔxxX ΔP 0
Δxx :柔度矩阵,即力法方程中的系数矩阵。 X :基本未知量列阵。 ΔP:自由项列阵。
ii 主系数,恒为正。 ik 副系数,可正、负、零。互等关系ik ki(i k)
超静定梁
超静定刚架
超静定桁架
超静定拱 超静定组合结构 超静定铰接排架
对超静定结构的内力进行分析的方法主要有两 种,即力法和位移法。本章主要介绍如何用力法求 解超静定结构的内力。
超静定结构具有多余约束,用力法计算超静定 结构的内力时,首先应该确定超静定结构中多余约 束的个数。这个数目表示:除去静力平衡方程外, 尚需补充多少个反应位移条件的方程才能求解全部 的反力和内力。
12 ,
X1,
X222分,方,X别3向32 表上示的位移单;X独2 作1 用时,基本系上B点沿
13,23分,3别3 表示 单X 3独作1 用时,基本系上B点沿 X1, X 2 ,方X向3 上的位移;
1P , 2P , 3P 分别表示当外荷载(FP1和 FP)2 单独作用时,
基本系上B点沿
X方1, X向2 ,上X 3的位移;
—— 基本系与原结构所满足的平衡方程完全相同,作用在
基本系上的原有荷载q是已知的,而多余约束力X1是未知 的,因此,如果能用某种方法求出多余约束力X1,那么就 可以将原超静定结构的计算问题转化到静定的基本系上进
行求解。
q
q
A l
原结构
BA
B
基本系
X1
—— 单从平衡条件考虑, X1可取任意值,都可以维持基 本系的平衡。但这时结构中相应的反力、内力和位移就会
第五章 力法
§5.1 超静定结构的一般概念
一、 概述
1. 静定结构与超静定结构
静定结构:从几何组成上来看,为无多余约束的几何 不变体系;从受力特征上来看,在任意荷载作用下, 全部的支座反力和内力可以由静力平衡条件唯一确 定。
FAx
FAy
FCy
超静定结构:在荷载等外来因素作用下,支座反力 或内力不能仅用平衡条件确定的结构。
解除约束的常用做法:
(1)撤去一个链杆支座或切断一根链杆,相当于解 除一个约束;
(2)撤去一个固定支座或切断一根受弯杆,相当 于解除三个约束;
(3)撤去一个固定铰支座或切断一个单铰,相当于 解除二个约束;
(4)将固定支座改成固定铰支座或将受弯杆切断后 插入一铰,相当于解除一个约束。
注意事项:
★ 以多余约束力作为基本未知量, 以解除多余约束后剩下的静定结构作为基本系, 根据解除约束处的位移条件建立力法的典型方程, 求出多余约束力,然后利用叠加原理计算内力,并 作内力图。
★ 力法是计算超静定结构的基本方法之一,可用来 分析各种类型的超静定结构。
§5.3 力法的基本未知量、基 本系和典型方程
1、对于同一超静定结构,可以采取不同方式去掉多 余约束,而得到不同形式的静定结构,但去掉多余 约束的总个数应相同。
2.去掉多余约束后的体系必须是几何不变的。因此, 某些必要约束是不能去掉的。
此链杆不能去掉
可变体系
瞬变体系
此链杆不能去掉
§5.2 力法的基本原理
一、力法的基本思路
超静定结构具有多余约束,若将多余约束去 掉,就变成静定结构。
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