整体刚度矩阵-结构力学课件.ppt

1、第 十 三 章矩 阵 位 移 法13-1 概述一、结构矩阵分析方法要点一、结构矩阵分析方法要点 结构矩阵分析方法是电子计算机计算技术进入结构分析领域后，产生的一种结构计算方法。 结构矩阵分析方法与传统的结构分析方法原理上完全一致。但由于计算工具不同，作法上有所差异。 传统人工手算： 速度低，精度差。 忌繁重的计算工作量。电子计算机计算： 速度快，精度高。 忌无规律可循。 学习结构矩阵分析，先修课为： 1、结构力学 （理论基础） 2、线性代数矩阵运算 （建模工具） 3、电算语言 （机算方法） 矩阵分析方法的理论基础是传统结构力学，说明结构矩阵方法与传统结构力学同源。由于形成的年代和条件不同，引来

2、了方法上的差异。因此，学习中我们应该注意，两种方法的共同点和结构两种方法的共同点和结构矩阵方法新的着眼点矩阵方法新的着眼点（矩阵符号的运用、坐标的引入、未知量的判断与单元类型的关系、刚度集成的概念等）。 矩阵运算用简洁的符号代替传统的运算表达式，公式单一、紧凑、统一，便于计算机计算程序的自动化运算。 结构矩阵分析方法又称为：杆件有限单元法；计算结构力学。包括： 矩阵力法（柔度法）：以力法为基础。 矩阵位移法（刚度法）：以位移法为基础。 矩阵混合法，以混合法为基础。 矩阵位移法方法要点：（1） 离散化（单元分析）：离散化（单元分析）：先把结构整体拆开，分成若干有限数目的单元体，进行单元分析。找出

3、单元杆端力与杆端位移的关系，建立单元刚度方程。（2） 集合（整体分析）：集合（整体分析）：利用静力平衡条件和变形协调条件，将各离散单元在结点上相互连接起来。使结点上的受力变形情况与原结构完全相同，进行整体分析。建立整体刚度方程。计算过程示意： 由于位移法有其自身的优点，易于实现计算过程的规格化和程序化，目前在工程界应用广泛。故在此只介绍矩阵位移法只介绍矩阵位移法。 矩阵位移法与传统位移法力学概念完全一致。其中： 基本未知量：结构的独立结点位移。 基本体系：加上人为约束的动定结构。 基本方程：根据结点（或截面）平衡条件和变形协调条件建立的刚度方程。二、需讨论的问题： 1、单元分析：在矩阵位移法中

4、取何种单元，并找出各单元的杆端位移和杆端力之间的关系。 2、整体分析：如何由单元分析直接集成整体分析。 3、建立结构的刚度方程，求解并找出各杆端内力。13-2 单元刚度矩阵（局部坐标系）单元刚度矩阵（局部坐标系） 单元分析的主要任务：研究单元杆端位移与杆端力之间的关系。 推导方法：根据变形与力之间的物理关系，采用矩阵形式。一、单元的划分一、单元的划分杆系结构中，任何相邻两个结点之间的杆段都是一杆系结构中，任何相邻两个结点之间的杆段都是一个杆件单元，一般采用等截面直杆单元。个杆件单元，一般采用等截面直杆单元。结点：结点： 构造结点：构造结点：杆件折转点，交汇点，支承点，杆件折转点，交汇点，支承点

5、，自由端，截面突变处等。自由端，截面突变处等。 非构造结点：非构造结点：集中荷载作用点；曲线杆件计集中荷载作用点；曲线杆件计算时，可将一个曲杆视为由许多折杆组成，其算时，可将一个曲杆视为由许多折杆组成，其人为设定折点处。人为设定折点处。二、局部坐标系（单元坐标系、杆件坐标系）二、局部坐标系（单元坐标系、杆件坐标系） 根据单元分析（杆件）与整体（结构）分析的不同需要，采用两种直角坐标系。 局部坐标系以杆轴为x轴，“ 1”为始端，“ 2 ”为终端。1 2为正方向。 局部坐标系下所有量值的正负号规定：杆端位移和杆端力分量与局部坐标方向一致为正。xyEA , EI, l e12xyEA , EI, l

6、 e12xyEA , EI, l e12xy12EA , EIl eu1v11u2v22Fx1Fy1M1Fx2Fy1M2用Fe代表单元 的杆端力列向量: e(1)(2)(3)(4)(5)(6)111222 = ()eTeeTxyxyFFFFFFFFFMFFM用e代表单元 的杆端位移列向量: e(1)(2)(3)(4)(5)(6)111222 eTeeTuvuv ( 13-1）三、局部坐标中等截面直杆单元的单元刚度方程三、局部坐标中等截面直杆单元的单元刚度方程 1、推导过程、推导过程 如位移法，注意几点：如位移法，注意几点： 重新规定正负号；重新规定正负号； 采采用矩阵形式。用矩阵形式。 等截面

7、直杆单元，在变形过程中，忽略弯曲变等截面直杆单元，在变形过程中，忽略弯曲变形和轴向变形之间的相互影响。因此，在左右两形和轴向变形之间的相互影响。因此，在左右两端各有三个独立的位移分量（两个线位移，一个端各有三个独立的位移分量（两个线位移，一个角位移）。杆件共有六个杆端位移分量，相应的角位移）。杆件共有六个杆端位移分量，相应的有六个杆端力分量。有六个杆端力分量。 单元刚度方程是指由单元杆端位移求单元杆端单元刚度方程是指由单元杆端位移求单元杆端 力时所建立的方程力时所建立的方程 记为记为“ F ”方程。方程。x12 eu1v11u2v22Fx1Fy1M1Fx2Fy1M2（） 轴向位移与轴向力EA

8、e12lu1eu2e12Fex1F ex212EAl11k e = EA/l11k e = -EA/l2112EAl12k e = EA/l22k e = - EA/l12F e =x2EAl-u e 1u e 2u e2F e =x1EAlu e 1(13-2)（ ）（ ）（2）横向位移、转角位移与杆端力）横向位移、转角位移与杆端力12EIl36EIl2v1e=1-12EIl36EIl21e=1 4EIl 2EIl 6EIl2 -6EIl2v2e=112EIl3-12EIl3 -6EIl2 -6EIl2 4EIl 2EIl -6EIl2 6EIl2 e e e e2e=1 e 1F e =y

9、 112EIl3v e +16EIl2 e 212EIl3v e +26EIl2 e 1M e = 1 6EIl2v e +14EIl e 2 6EIl2v e +22EIl e +1F e =y 212EIl3v e 16EIl2 e 212EIl3v e26EIl2 e 1 M e =2 6EIl2v e +12EIl e 2 6EIl2v e +24EIl( 13-3 )由此可得：u e2F e =x1EAlu e 1（ ）F e =x2EAl+u e 1u e 2（ ） e 1F e =y 112EIl3v e +16EIl2 e 212EIl3v e +26EIl2 e 1M e =

10、 1 6EIl2v e +14EIl e 2 6EIl2v e +22EIl e +1F e =y 212EIl3v e 16EIl2 e 212EIl3v e26EIl2 e 1 M e =2 6EIl2v e +12EIl e 2 6EIl2v e +24EIl1132321122112222323222000012612600646200000012612600626400eexyxyEAEAllEIEIEIEIuFllllvFEIEIEIEIMllllEAEAuFllvFEIEIEIEIMllllEIEIEIEIllll22e （ 13-4 ）令：lEIlEIlEIlEIlEIlEIl

11、EIlEIlEAlEAlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEAlEAke460260612061200000260460612061200000222323222323 式（13-4）可简写为 : F e = k e e ( 13-5) 称为一般杆单元在局部坐标系中的单元刚度矩阵。称为一般杆单元在局部坐标系中的单元刚度矩阵。323222323222000012612600646200 000012612600626400eEAEAllEIEIEIEIllllEIEIEIEIllllkEAEAllEIEIEIEIllllEIEIEIEIllll （1） （2） （3） （4） （5

12、） （6）（1）（2）（3）（4）（5）（6）111222(1) (1) (1) (1) (1) (1)uvuv2、单元刚度矩阵的性质 （1）杆端位移一律用绝对位移。即：除杆端相对位移外，还包含有刚体位移。（请比较位移法） （2）单元刚度矩阵中，各单元刚度 系数的物理意义： ke(i)(j)第j个杆端位移分量 e(j)=1时，（其它位移分量为零）所引起的第i个杆端力分量Fe(i)的值。 j列的六个元素分别表示当某个杆端位移分量等于1时，所引起的六个杆端力分量。 （3）、 是对称矩阵。 各个元素在主对角线两侧是对称分布的。由反力互等定理可知，单元刚度矩阵是对称矩阵。 （4）、一般(自由)单元的单

13、刚 k e66是奇异矩阵。即： k e66 =0 k e66不存在逆矩阵。 ek 注意：注意：根据单元刚度矩阵，可由 e求出Fe ，且解是唯一的。但不可由Fe求e ，其结果可能无解或非唯一解。这是正反两个问题，不可混淆。 解释：解释：一般单元的单元刚度矩阵之所以为奇异矩阵，是因为计算的单元是两端无任何支承的自由单元。单元本身除弹性变形外，还有任意的刚体位移。 Fe完全一样，但e可以不同。对应于一个平衡力系，可以有多种杆端位移情况。（5）单元刚度矩阵可以分块 以平面刚架单元为例，单元 ij 两端点i、j 的位移分量和力的分量可表示为： 1e= e 1u e 1v e 1 2e= e 2u e 2

14、v e 2 F1e=M e 1F e x1F e y1 F2e=M e 2F e x2F e y2则（13-5）式可写为：F e 1F e 2=k e 11k e 12k e 21k e 22 e 1 e 2 式中 称为单元刚度矩阵的子块，或简称为子矩阵。 k e ij5、特殊单元 （包括某些支承的单元） 一般来说，特殊单元的单元刚度矩阵无需另行推导，只需对一般单元的单元刚度（矩阵）方程，做一些特殊处理，便可自动得到。 （1）梁单元：只考虑杆件的弯曲变形，忽略其轴向变形。 v1、1、 v2 、 2为任意指定值； u1= u2= 0。（注： u1= u2= 0 在此是指1、2两点无相对轴向变形）

15、梁单元的刚度方程3232223232221111222212612664621261266264eeeyyEIEIEIEIllllEIEIEIEIllllEIEIEIEIllllEIEIEIEIllllFvMFvM(2) 拉压杆（桁架）单元 1122 eeexxEAEAFullEAEAFull （3）连续梁单元的刚度方程 杆端横向位移已知为零，忽略轴向变形。 为任意指定值，1、2u1= u2= 0，v1 = v2 = 0 。注：注： 、还有多种特殊单元的单元刚度矩阵。、还有多种特殊单元的单元刚度矩阵。在此不一一列举。在此不一一列举。 用矩阵位移法分析结构时，着重应注意用矩阵位移法分析结构时，着

16、重应注意计算过程的程序化，标准化。因此，一般情计算过程的程序化，标准化。因此，一般情况下，单元计算分析只采用一种标准化形况下，单元计算分析只采用一种标准化形式式一般单元的单元刚度矩阵一般单元的单元刚度矩阵 k e66 。 、某些特殊单元的单元刚度矩阵是可、某些特殊单元的单元刚度矩阵是可逆的，如连梁单元的单元刚度矩阵逆的，如连梁单元的单元刚度矩阵 k e22。 是否存在，关键取决于力学模型。是否存在，关键取决于力学模型。13-3 单元刚度矩阵(整体坐标系) 在实际结构中，杆件的杆轴方向不尽相同。用局部坐标表示的单元刚度矩阵，整体分析时不方便。 为进行整体分析，必须建立一个统一的公用坐标系，称为整

17、体坐标系。也称结构坐标系、公共坐标系。用xy表示，从x到y顺时针为正，坐标原点任取。 注意：这里由x轴到 轴的夹角，顺时针为正。x 为了进行整体分析，需将局部坐标系下的单元刚度矩阵转换为整体坐标系下的单元刚度矩阵 k e66 。 求 k e66 的方法： 、直接按定义求。 、通过坐标转换，由 k e66找出 k e66 。xxxxOyxyxO12exyexF1eyF1eM1exF2eyF2eM2yxO12exyexF1eyF1eM1exF2eyF2eM2eeeyexeyeyexexeeeyexeyeyexexMMFFFFFFMMFFFFFF2222222211111111cossinsinco

18、scossinsincos一、一、 单元坐标转换矩阵单元坐标转换矩阵(13-6)eyxyxeeyxyxMFFMFFMFFMFF2221112221111000000cossin0000sincos0000001000000cossin0000sincos写成矩阵形式：(13-7)或简写成： eeFTF (13-8)式中 T 称为单元坐标转换矩阵1000000cossin0000sincos0000001000000cossin0000sincos T(13-9)可以证明: T 是正交矩阵，有： T -1= T T (13-10) 或 T T T = T T T = I (13-11) 正交矩阵

19、的逆矩阵等于它的转置矩阵正交矩阵的逆矩阵等于它的转置矩阵 。式（13-8）的逆转换式为：Fe= T T Fe（13-12） 同理可得出单元杆端位移在两种坐标系中同理可得出单元杆端位移在两种坐标系中的转换关系。的转换关系。 e = T e = T T e整体坐标系中单元杆端位移列阵。整体坐标系中单元杆端位移列阵。 e局部坐标系中单元杆端位移列阵。局部坐标系中单元杆端位移列阵。二、整体坐标系中的单元刚度矩阵二、整体坐标系中的单元刚度矩阵 Fe= k e e （13-13） 将 Fe= T e Fe , e= T e e已知： Fe= k e e 代入，得： T e Fe= k e T e e 上式

20、前乘 T T T T T e Fe= T T k e T e e Fe= T T k e T e e 因此： k e = T T k e T e (13-14)单元刚度矩阵 k e的性质： （1） 理解单元刚度矩阵中各元素keij的物理意义。 表示在整体坐标系中第j个杆端位移分量等于1时引起的第i个杆端力分量。 （2） k e是对称矩阵。 keij = keji （3） keij是E、A、I、L、的函数， 本身有正负。 （4） 一般单元的单元刚度矩阵 k e是奇异矩阵。例： 求图示刚架中各单元在整体坐标系中的单元刚度矩阵，设各杆截面尺寸相同。 E=3107kN/m2， A=bh=0.51.0=

21、0.5m2 ， I=bh3/12=0.51.03/12=1/24 m4 。xy（1）、局部坐标系中的单元刚度矩阵：单元： l=4m, EA/l=3750103kN/m, EI/l=312.5103kNm, 12508 .46806258 .46808 .4684 .23408 .4684 .23400037500037506258 .468012508 .46808 .4684 .23408 .4684 .23400037500037501031k单元： l=3m, EA/l=5000103kN/m, EI/l=416.7103kNm. 7 .16663 .83303 .8333 .83303

22、 .8336 .55503 .8336 .55500050000050003 .8333 .83307 .16663 .83303 .8336 .55503 .8336 .55500050000050001032k单元： l=5m, EA/l=3000103kN/m, EI/l=250103kNm. 10003000500300030012003001200003000003000500300010003000300120030012000030000030001033k(2) 整体坐标系中的单元刚度矩阵：整体坐标系中的单元刚度矩阵： 单元：=0 o, T = I , k = k 。 单元:

23、=90o, k = T T k T 1000000010000100000001000000010000102T111222xy=90o的单元的单元刚度矩阵：的单元的单元刚度矩阵：323222323222126126000000646200 126126000000626400eEIEIEIEIllllEAEAllEIEIEIEIllllkEIEIEIEIllllEAEAllEIEIEIEIllll7 .166603 .8333 .83303 .8330500000500003 .83306 .5553 .83306 .5553 .83303 .8337 .166603 .8330500000

24、500003 .83306 .5553 .83306 .55510322TkTkT 单元： 为负，其中： sin = -3/5= -0.6 cos = 4/5 = 0.830.80.6 00000.60.80000001000 000 0.80.6 0000 0.60.80000001Txy10002401805002401802408 .11564 .13822408 .11564 .13821804 .13822 .19631804 .13822 .196350024018010002401802408 .11564 .13822408 .11564 .13821804 .13822 .1

25、9631804 .13822 .196310333TkTkT13-4 连续梁的整体刚度矩阵连续梁的整体刚度矩阵 矩阵位移法是在单元分析的基础上矩阵位移法是在单元分析的基础上,利利用平衡条件和变形协调条件建立结构刚度用平衡条件和变形协调条件建立结构刚度方程。同时，也就得出了结构的刚度矩阵。方程。同时，也就得出了结构的刚度矩阵。 下面以连续梁为例，研究结构整体刚下面以连续梁为例，研究结构整体刚度矩阵的形成规律。以找出直接形成结度矩阵的形成规律。以找出直接形成结构刚度矩阵的方法。构刚度矩阵的方法。 建立整体刚度矩阵（方程）的作法一般建立整体刚度矩阵（方程）的作法一般有两种：有两种： 一、传统位移法；

26、一、传统位移法； 二、单元集成法。（也称刚度集成法，二、单元集成法。（也称刚度集成法，直接刚度法）直接刚度法）整体刚度矩阵（方程）整体刚度矩阵（方程） K = F 一、传统作法一、传统作法 分别考虑每个结点位移单独发生，在各人为分别考虑每个结点位移单独发生，在各人为约束上产生的结点力，叠加后得到各单元刚度约束上产生的结点力，叠加后得到各单元刚度方程（矩阵）。方程（矩阵）。 以下图为例，以下图为例， 结点位移：结点位移：=1 2 3 T 结点力：结点力： F = F1 F2 F3 T 321222211113214202442024iiiiiiiiFFF12i1i211F2F3F21i1i232

27、1114i 112i 021i1i22122i 122244ii 222i 21i1i230232i 234i 21i1i2基本体系基本体系1引起引起2引起引起3引起引起叠加以上三种情况，得整体刚度方程： F = K 其中： K 整体刚度矩阵。它表示了结构的结点位移和结点力之间的转换关系。 222211114202442024iiiiiiiiK二、单元集成法的力学模型及概念二、单元集成法的力学模型及概念 单元集成法：分别考虑每个单元对单元集成法：分别考虑每个单元对 F的的单独贡献，然后叠加。单独贡献，然后叠加。 以下图为例，力学模型：以下图为例，力学模型： （1） 首先考虑单元的贡献。略去其它

28、首先考虑单元的贡献。略去其它单元的贡献，令单元的贡献，令i2=0，此时单元的刚度为此时单元的刚度为零。即：单元虽有变形，但不产生结点零。即：单元虽有变形，但不产生结点力。整个结构的结点力均由单元单独贡力。整个结构的结点力均由单元单独贡献。献。 F1= F11 F21 F31 T表示单元对结构结表示单元对结构结点力点力F的贡献。的贡献。（注意此时三个转角同时发生）（注意此时三个转角同时发生） 111114224iiiik故得：故得：21111112114224iiiiFF3211111131211000042024iiiiFFF:可写成11F12F130F 121i1i2=032由于由于i2=0

29、，所以所以F31=0。F11 , F21可由单元可由单元的单刚的单刚 k 1算出。算出。单元的贡献单元的贡献F1= K 1其中：00004202411111iiiiK K 1单元对整体刚度矩阵的贡献。称为单元的贡献矩阵。 考虑单元的贡献。略去其它单元的贡献，令考虑单元的贡献。略去其它单元的贡献，令i1=0，此时单元的刚度为零。此时单元的刚度为零。F12=0。F22 , F32可可由单元的单刚由单元的单刚 k 2算出算出。 222224224iiiik故故:32222223224224iiiiFF2121i2i1=03F12F22F32记为:F 2= K 2其中: K 2单元对整体刚度矩阵的贡献

30、。称为单元的贡献矩阵。 K 1 和 K 2为同阶矩阵。 K e由ke的元素及零元素组成。3212222232221420240000iiiiFFF将上两式叠加： F=F1+ F2=（ K 1+ K 2）可见： K = K 1+ K 2 = K e （13-34） 结构整体刚度矩阵（总刚）为各单元贡献矩阵之和。单元集成法步骤： ke 分别 K e 叠加 K 用上述方法，第一步由ke求 K e，第二步由 K e叠加求 K 。三、按照单元定位向量由三、按照单元定位向量由ke直接求直接求 K （1）结点位移（或结点力）的两种编）结点位移（或结点力）的两种编码。码。 总码：整体分析中，结点位移分量在总码

31、：整体分析中，结点位移分量在结构中的统一编码。结构中的统一编码。 局部码：单元分析中，每个单元两个局部码：单元分析中，每个单元两个结点位移的各自编码。数字上加括号。结点位移的各自编码。数字上加括号。21i1i23121i12i2（2）（1）（2）（1）（2）单元位移分量两种编码之间的关系。）单元位移分量两种编码之间的关系。 单元定位向量单元定位向量 e单元换码向量。指由单元单元换码向量。指由单元的结点位移总码组成的向量。的结点位移总码组成的向量。单元： （1）总码 局部码 （2）（1） 1（2） 21 =12（1）（2）（1） 2（2） 32 =23单元：（3）单元 k e在 K e中的排列方

32、式单元刚度矩阵 k e中，元素按局部码排列。单元贡献矩阵 K e中，元素按总码“对号入座”。 ke(i)(j)在整体刚度矩阵中的位置在整体刚度矩阵中的位置 ke(i)(j) 在单元刚度矩阵中 在单元贡献矩阵中 换码 元素的原行码（i） 换成新行码 i 原列码（j） 新列码 j 重排座 原排在（i）行 改排在i行j列 （j）列的元素 ke(i)(j) eKi j四、单元集成法的实施方案 （1） K 置零 K 33=1 2 31230 0 00 0 00 0 021i1i2312 （2） k 1在 K 中按1定位，并进行累加。这时 K = K 1。 4i1 2i1 2i1 4i1 k 1 =整体局

33、部（1）（2）（1）（2） 1 2 1 2阶段结果阶段结果4i1 2i1 02i1 4i1 0 0 0 0（3） k 2在 K 中按2定位，并进行累加。这时 K = K 1+ K 2 。 4i2 2i2 2i2 4i2 k 2 =整体局部（1）（2）（1）（2） 2 3 2 3最终结果最终结果4i1 2i12i1 4i1+ 00 4i2 2i22i2 4i21 2 31 2 3故： K = K e 对号入座，同号叠加对号入座，同号叠加。例：求图示连续梁的总刚度矩阵 K 1230i1i2i31230i1i2i31230解：解：1、结点位移分量总码，分别编为、结点位移分量总码，分别编为1，2，3。

34、 注：固定端的结点位移为零，凡是已知的结点注：固定端的结点位移为零，凡是已知的结点位移分量，其总码编为零。位移分量，其总码编为零。 为了使所有单元均为连续梁单元，为了使所有单元均为连续梁单元，1点的转角点的转角位移作为基本未知量。位移作为基本未知量。2、写出各单元的单元定位向量。、写出各单元的单元定位向量。 1=121230i1i2i31230 2=23 3=303、单元集成过程。 k e K 4i1 2i1 2i1 4i1 k 1 =整体局部（1）（2）（1）（2） 1 2 1 2 4i1 2i1 2i1 4i1 k 1 = 1 2 1 2 4i2 2i2 2i2 4i2 k 2 = 2 3

35、 2 3 4i3 2i3 2i3 4i3 k 3 = 3 0 3 0 K = 1 2 31 2 34i1 2i12i1 4i12i2 4i2+4i22i2+ 4i3001230i1i2i31230五、整体（总）刚度矩阵的性质 （1）整体刚度矩阵中刚度系数的意义）整体刚度矩阵中刚度系数的意义 Kij第j个结点位移分量j=1（其它结点位移分量为零）时，所产生的第i个结点力Fi。（2） K 是对称正定矩阵。是对称正定矩阵。 对称性：由反力互等定理 Kij = Kji 正定性：考虑结构边界条件的结构总刚度矩正定性：考虑结构边界条件的结构总刚度矩阵是正定矩阵。阵是正定矩阵。 由矩阵理论： n阶方阵的各阶

36、（1、2、n阶）主子式都大于零，此方阵为正定矩阵。如 A nn。 0002122221112112221121111nnnnnnaaaaaaaaaaaaaa 线性方程组： A x=B 不论x为何值，均有： xT A x 0 则： A 为正定矩阵。 经验证： K 满足以上两条。是正定矩阵。 （3）按本节方法计算连续梁时，）按本节方法计算连续梁时， K 是可逆矩阵，即是可逆矩阵，即 K -1存在。存在。 考虑结构边界条件所建立的总刚度矩阵 K ，是非奇异矩阵。（4） K 是稀疏矩阵和带状矩阵。是稀疏矩阵和带状矩阵。 稀疏性：某结点位移单独发生时，只有相关结点产生非零系数（结点力），非相关结点，不产

37、生刚度系数（结点力）。 大型结构中，整体刚度矩阵里零元素大大多于非零元素。 带状矩阵：整体刚度矩阵中非零元素集中在以主对角线为中心的斜带状区域内。（大量零元素远离主对角线） 称为“带状矩阵”。 结构计算时，若结点编号恰当（即，各相结构计算时，若结点编号恰当（即，各相关单元结点号尽量靠近），则关单元结点号尽量靠近），则 K 呈带状。呈带状。712345613-5 刚架的整体刚度矩阵刚架的整体刚度矩阵 用单元集成法形成平面刚架的整体刚度矩用单元集成法形成平面刚架的整体刚度矩阵阵 K ，思路同连续梁，但情况较之连续梁复思路同连续梁，但情况较之连续梁复杂。其复杂性包括如下几个方面：杂。其复杂性包括如下

38、几个方面： （1）、刚架中各杆方向不尽相同，要进行）、刚架中各杆方向不尽相同，要进行坐标转换。坐标转换。 （2）、在一般情况下，考虑杆件的轴向变）、在一般情况下，考虑杆件的轴向变形，每个结点的结点位移分量增加为三个。忽形，每个结点的结点位移分量增加为三个。忽略轴向变形作为特殊情况处理。略轴向变形作为特殊情况处理。 （3）、刚架中不仅有刚结点，还可能有铰）、刚架中不仅有刚结点，还可能有铰结点、组合结点、自由结点等。结点、组合结点、自由结点等。1、结点位移分量的统一编码、结点位移分量的统一编码总码总码 本书采用先处理法。本书采用先处理法。（1）一般情况）一般情况：刚结点有：刚结点有三个独立的结点位

39、移未知三个独立的结点位移未知量。顺序依次编码：量。顺序依次编码： 水平线位移水平线位移 1方向方向 竖向线位移竖向线位移 2方向方向 转角位移转角位移 3方向方向（2）支座结点）支座结点 对于已知的结点位移分量，对于已知的结点位移分量，总码均编为零码（先处理总码均编为零码（先处理法）。法）。 ABCxy000123004如图：如图：=1 2 3 4 T = u A v A A C T F = F1 F2 F3 F4 T（3）结点编号原则）结点编号原则 结点位移分量编码前，应先进结点位移分量编码前，应先进行结点编号，以便结点位移排序。行结点编号，以便结点位移排序。 原则：各相关结点位移应尽量原则

40、：各相关结点位移应尽量接近，使总刚度矩阵各元素呈带状接近，使总刚度矩阵各元素呈带状分布。分布。 相关结点：结点本身以及汇交于相关结点：结点本身以及汇交于该结点的各单元的另一端结点。该结点的各单元的另一端结点。ABCxy000123004（4）结点位移编码的方法）结点位移编码的方法(计算机计算机) 直接法：直接法：根据各结点的可能位移情况，直根据各结点的可能位移情况，直接写出各结点位移码。其中：接写出各结点位移码。其中： 已知位移分量：一律编已知位移分量：一律编“0”码；码； 未知位移分量：依次编未知位移分量：依次编“1，2，3，n”码。码。 间接法：间接法：先对结点编号，有结点编号换算先对结点

41、编号，有结点编号换算结点位移码。结点位移码。 对于结构的特殊结点（如铰结点、组合结对于结构的特殊结点（如铰结点、组合结点、支座结点等）给出信息，进行换算。点、支座结点等）给出信息，进行换算。（5）铰结点（组合结点）的处理）铰结点（组合结点）的处理 由于计算中一律采用由于计算中一律采用一般单元进行分析，所以一般单元进行分析，所以应将铰结点视为半独立结应将铰结点视为半独立结点。点。 如左图中如左图中C结点，可视结点，可视为两个半独立结点（为两个半独立结点（C1，C2）。）。线位移相同（同码，线位移相同（同码，不独立）；角位移不同不独立）；角位移不同（异码，独立）。（异码，独立）。 铰结点联系几根受

42、弯铰结点联系几根受弯杆，则可视为几个半独立杆，则可视为几个半独立结点。结点。xy00123ABC1C2D0456457000( 0,0,0 )( 0,0,0 )( 4,5,7 )( 4,5,6 )( 1,2,3 )ABCxy000123004( 0,0.0 )( 0,0,4 )( 1,2,3 )ABC00012300 4123(1)(6)(5)(4)(3)(2)A(1)(2)(3)(4)(5)(6)2、单元定位向量、单元定位向量 e结点位移与杆端位移之间的对应关系。结点位移与杆端位移之间的对应关系。 1 = （ 1 2 3 0 0 4 ）T整体整体 局部局部（1）（2）（3） （4）（5）（6

43、）B000123A(1)(2)(3)(4)(5)(6)结点位移与杆端位移之间的对应关系。结点位移与杆端位移之间的对应关系。 1 = （ 1 2 3 0 0 4 ）T整体整体 局部局部（1）（2）（3） （4）（5）（6）ABCxy000123004( 0,0.0 )( 0,0,4 )( 1,2,3 )AC00 4123(1)(6)(5)(4)(3)(2) 2 = （ 1 2 3 0 0 0 ）T整体整体 局部局部（1）（2）（3） （4）（5）（6）3 、单元集成过程、单元集成过程seejijikKm 按单元顺序、按单元顺序、 集成。集成。 整体刚度矩阵整体刚度矩阵 K 中元素：中元素： s

44、j 所在结点的相关单元总数。所在结点的相关单元总数。 任一结点位移相应的刚度系数任一结点位移相应的刚度系数=汇交于该结汇交于该结点的各相关单元刚度系数之和。点的各相关单元刚度系数之和。 因此，以后集成因此，以后集成 K 时，阶段结果可不时，阶段结果可不写出，而直接对号入座，同号叠加形成写出，而直接对号入座，同号叠加形成 K 。注：注： （1）采用单元集成法集成整体刚度矩）采用单元集成法集成整体刚度矩阵的过程为：阵的过程为： 建立坐标（局部、整体）；单元编号；建立坐标（局部、整体）；单元编号；结点编号，结点位移编码。结点编号，结点位移编码。 eeekkK 坐标转换边定位边累加 K e （2）进行

45、整体分析时，有）进行整体分析时，有“先处理先处理”和和“后处理后处理”两种方法。两种方法。 先处理：先处理：形成整体刚度矩阵时，先根据结构形成整体刚度矩阵时，先根据结构的边界支承条件进行处理，已知位移编码的边界支承条件进行处理，已知位移编码“0”。形成的。形成的 K 为正定非奇异矩阵。为正定非奇异矩阵。 后处理：后处理：集成整体刚度矩阵时，先不考虑结集成整体刚度矩阵时，先不考虑结构的边界支承条件，已知位移与未知结点位移构的边界支承条件，已知位移与未知结点位移顺序编码。形成的整体刚度矩阵称为原始总刚顺序编码。形成的整体刚度矩阵称为原始总刚度矩阵度矩阵 K 0，为奇异矩阵。然后考虑支承条件为奇异矩

46、阵。然后考虑支承条件进行处理。进行处理。 （4）、以上推导整体刚度矩阵的方法为）、以上推导整体刚度矩阵的方法为单元集成法，也称单元集成法，也称“静力法静力法”。也可用其他。也可用其他方法推导整体刚度矩阵，如方法推导整体刚度矩阵，如“能量法能量法”等。等。 同学们可考虑，在计算连续梁，桁架，同学们可考虑，在计算连续梁，桁架，组合结构时应如何处理？组合结构时应如何处理？ （3）、矩阵位移法中，为运算的程序化）、矩阵位移法中，为运算的程序化和通用化，在单元（杆件）分析时，一律和通用化，在单元（杆件）分析时，一律采用一般单元，即单元刚度矩阵采用采用一般单元，即单元刚度矩阵采用 k e66。使杆件分析整

47、齐划一。使杆件分析整齐划一。例：试求图示结构的整体刚度矩阵例：试求图示结构的整体刚度矩阵 K l=5m, A=bh=0.5m2.I=1/24 m4.E=3107kN/m2.EA/l=300104,EI/l=25 104.解：（1）单元编号，结点位移分量编码；建立坐标。ABCxy000123004( 0,0.0 )( 0,0,4 )( 1,2,3 ) 1243000030000012300123003010003050103000030000012300123003050030100kk（2）局部坐标系中的单元刚度矩阵 k e66 。ABCxy( 0,0.0 )( 0,0,4 )( 1,2,3

48、) （3）写出整体坐标系中的）写出整体坐标系中的单元刚度矩阵单元刚度矩阵 k e66 。单元单元： =0， k 1= k 1。ABCxy( 0,0.0 )( 0,0,4 )( 1,2,3 )143000030000012300123003010003050 103000030000012300123003050030100k局局 （1） （2） （3） （4） （5） （6）（1）（2）（3）（4）（5）（6）总总1 2 3 0 0 4 1 2 3004xy1CA(6)(1)(2)(3)(4)(5)23004单元单元 ： = 90 o 。ABCxy( 0,0.0 )( 0,0,4 )( 1,2

49、,3 )241203012030030000300030010030050 101203012030030000300030050300100k局局 （1） （2） （3） （4） （5） （6）（1）（2）（3）（4）（5）（6）总总1 2 3 0 0 0 1 2 3000（4）单元定位向量在（）单元定位向量在（3）中已写出。）中已写出。xy1BA(6)(1)(2)(3)(4)(5)23004143000030000012300123003010003050 103000030000012300123003050030100k（1） （2） （3） （4） （5） （6）（1）（2）（3）（

50、4）（5）（6）1 2 3 0 0 4 1 2 3004（5）对号入座，形成整体刚度矩阵）对号入座，形成整体刚度矩阵“对号入座” K44阶段结果 43000000123030100301005003050100（1） （2） （3） （6）1 2 3 4 1 2 3 4（1） （2） （3） （6）241203012030030000300030010030050 101203012030030000300030050300100k（1） （2） （3） （4） （5） （6）（1）（2）（3）（4）（5）（6）1 2 3 0 0 0 1 2 3000 K 44=1 2 3 4 1 2 3 4