结构力学朱慈勉版上课件7-59页PPT文档.ppt

1、天津城市建设学院力学教研室天津城市建设学院力学教研室STRUCTURE MECHANICS第第7章章第第7 7章章 力法力法7.17.1超静定结构的概念和超静定次数的确定超静定结构的概念和超静定次数的确定一、超静定结构的概念一、超静定结构的概念1 1、超静定结构的定义、超静定结构的定义2 2、超静定结构的特点、超静定结构的特点 具有几何不变性、而又有多余约束的结构。其反力和内具有几何不变性、而又有多余约束的结构。其反力和内力只凭静力平衡方程不能确定或不能完全确定。力只凭静力平衡方程不能确定或不能完全确定。 （1 1）结构的反力和内力只凭静力平衡方程不能确定或不能）结构的反力和内力只凭静力平衡方

2、程不能确定或不能完全确定完全确定 （2 2）除荷载之外，支座移动、温度改变、制造误差等均）除荷载之外，支座移动、温度改变、制造误差等均引起内力。引起内力。（3 3）多余联系遭破坏后，仍能维持几何不变性。）多余联系遭破坏后，仍能维持几何不变性。（4 4）局部荷载对结构影响范围大，内力分布均匀。）局部荷载对结构影响范围大，内力分布均匀。 4 4、超静定结构的类型、超静定结构的类型 3 3、关于超静定结构的几点说明、关于超静定结构的几点说明 （1 1）多余是相对保持几何不变性而言，并非真正多余。）多余是相对保持几何不变性而言，并非真正多余。（2 2）内部有多余联系亦是超静定结构。）内部有多余联系亦是

3、超静定结构。（3 3）超静定结构去掉多余联系后，就成为静定结构。）超静定结构去掉多余联系后，就成为静定结构。（4 4）超静定结构应用广泛。）超静定结构应用广泛。 （1 1）超静定梁）超静定梁（2 2）超静定刚架）超静定刚架（3 3）超静定桁架）超静定桁架（4 4）超静定拱）超静定拱（5 5）超静定组合结构）超静定组合结构第第7章章s二、超静定次数的确定二、超静定次数的确定1 1、如何确定超静定次数、如何确定超静定次数 去掉超静定结构的多余约束，使其成为静定结构；去掉超静定结构的多余约束，使其成为静定结构；则去掉多余约束的个数即为该结构的超静定次数。则去掉多余约束的个数即为该结构的超静定次数。第

4、第7章章2次超静定次超静定7次超静定次超静定1次超静定次超静定3次超静定次超静定2次超静定次超静定s（1 1）去掉支座的一根支杆或切断一根链杆相当于去掉一个联系。）去掉支座的一根支杆或切断一根链杆相当于去掉一个联系。 （2 2）去掉一个铰支座或一个简单铰相当于去掉两个联系。）去掉一个铰支座或一个简单铰相当于去掉两个联系。（3 3）去掉一个固定支座或将刚性联结切断相当于去掉三个联系。）去掉一个固定支座或将刚性联结切断相当于去掉三个联系。 （4 4）将固定支座改为铰支座或将刚性联结改为铰联结相当于）将固定支座改为铰支座或将刚性联结改为铰联结相当于去掉一个联系。去掉一个联系。第第7章章2 2、去掉多

5、余联系的方法、去掉多余联系的方法3 3、确定超静定次数时应注意的问题、确定超静定次数时应注意的问题（1 1）刚性联结的封闭框格，必须沿某一截面将其切断。）刚性联结的封闭框格，必须沿某一截面将其切断。 （2 2）去掉多余联系的方法有多种，但所得到的必须是几何不变）去掉多余联系的方法有多种，但所得到的必须是几何不变体系；几何可变、瞬变均不可以。体系；几何可变、瞬变均不可以。6.2 6.2 力法原理和力法方程力法原理和力法方程一、一、力法涉及到的结构与体系力法涉及到的结构与体系第第7章章原结构原结构基本结构基本结构原结构体系原结构体系基本结构体系基本结构体系二、力法原理二、力法原理1 1、解题思路、

6、解题思路基本结构基本结构qx1x1q1P1X21ql原结构原结构位移条件：位移条件： 1P+ 11=0因为因为 11= 11 X1 （ 右下图）右下图）所以所以 11 X1 +1P =0 X1= -1P/ 11x1=111第第7章章2 2、解题步骤、解题步骤（1 1）选取力法基本结构；）选取力法基本结构；（2 2）列力法基本方程；）列力法基本方程；（3 3）绘单位弯矩图、荷载弯矩图；）绘单位弯矩图、荷载弯矩图；（4 4）求力法方程各系数，解力法方程；）求力法方程各系数，解力法方程；（5 5）绘内力图。）绘内力图。第第7章章21ql原结构原结构基本结构基本结构qx12ql/2MP图图x1=1lM

7、l图图qlxp831111 01111 px 解：解：力法方程力法方程EIllllEI3)32()2(1311 EIqllqllEIP8)43()231(1221 式中：式中：M图图ql/82ql/823ql/8Q图图5ql/8第第7章章基本结构基本结构qx1Aql原结构原结构试选取另一基本结构求解：试选取另一基本结构求解：EIB第第7章章2111181qlxp 01111 px 解：解：力法方程力法方程EIllEI3)312()21(111 EIqllqllEIP24)21()832(1321 式中：式中：M图图ql/82ql/82Q图图5ql/83ql/8基本结构基本结构qx1x1=11M

8、l图图ql/82MP图图21ql原结构原结构EI第第7章章二、力法的典型方程二、力法的典型方程三次超静定结构力法方程：三次超静定结构力法方程：力法典型方程：力法典型方程：0 xxx0 xxx0 xxx3Pn3n2321312Pn2n2221211Pn1n2121110 xxx0 xxx0 xxx3P3332321312P3232221211P313212111第第7章章CAqBDPx1x3Bx2CAqDPqPP12P3Px3=1331313x3x2=1212232x2x1=1111213x17.3 7.3 用力法计算超静定梁和刚架用力法计算超静定梁和刚架一、超静定梁的计算一、超静定梁的计算第第

9、7章章BCllAEDlPPx1基本体系基本体系PPlMP图图 用力法计算图示结构，用力法计算图示结构， 作作M 图。图。DE 杆抗弯刚度为杆抗弯刚度为EI，AB杆抗弯刚度杆抗弯刚度为为2EI，BC杆杆 EA= 。 0 x1P111EIl1.522l322ll21EI12l322l2l212EI131112EI5Pll312l32pll212EI131P0.278P1.5lEI12EI5Plx33111P10.444Pl0.139 Pl0.278 Pl最后弯矩图最后弯矩图M1图图2ll/2例例7-2 7-2 试分析图示超静定梁。设试分析图示超静定梁。设EIEI为常数。为常数。力法方程力法方程:0

10、 xxx0 xxx0 xxx3P3332321312P3232221211P313212111第第7章章式中式中: :EIllllEI3)3221(1311 EIlllEI2)12(122112 EIllEI )11(122 EIplllpllEIP485)23132()2221131 （EIplpllEIP81)2221(122 03 P03223311333 第第7章章力法方程力法方程: :0 xxx0 xxx0 xxx3P3332321312P3232221211P313212111将以上各式代入力法方程组求得将以上各式代入力法方程组求得: :内力图如下：内力图如下： plxpx8121

11、218pl4plM图图8pl2p2pQ图图)31()231(3331111klEIlabpaxp kxxp11111 解：解：力法方程力法方程)2(6)332()21(121blEIpablapaEIP EIllllEI3)32()2(1311 式中：式中：ABl原体系原体系abpM MP P图图ppa基本结构基本结构(1)(1)x1BpA第第7章章 例例7-1 7-1 试作图试作图示梁的弯矩图。设B B端弹簧支座的弹簧刚度系数为k k，梁抗弯刚度EIEI为常数。x1=1lM Ml l图图b011111 Cpx 解：解：力法方程力法方程ABl原结构原结构abp基本结构基本结构(2)ABpx1M

12、P图图ABpPab/l第第7章章Ml图图ABX1=110 x1p111解：解：力法方程力法方程基本结构基本结构(3)ABpx1ABl原结构原结构abpMP图图ppaBlMl图图BX1=1第第7章章pA原结构原结构BDCkk8m8m8m2m基本结构基本结构(1)pABDCkx1x2解：解：力法方程力法方程: 0122212111212111PPxxkxxx 第第7章章pA原结构原结构BDCkk8m8m8m2mp解：解：力法方程力法方程: kxxxkxxxPP2122212111212111 基本结构基本结构(2)ABDCx1x2第第7章章pABDCkk8m8m8m2m解：解：力法方程力法方程:

13、0012221211212111PPxxxx 基本结构基本结构(3)原结构原结构pABDCx1x2kk第第7章章二、超静定刚架的计算二、超静定刚架的计算第第7章章例题例题7-3 7-3 用力法计算图示超静定刚架，作内力图。各杆用力法计算图示超静定刚架，作内力图。各杆EIEI相同。相同。0EI640 x2EI81xEI240EI640 xEI24x3EI6421210 xx0 xx2P2221211P2121113EI644324421EI1112EI81343EI133233212EI122EI2434421EI12112EI640443160431EI11PEI6403160431EI12P

14、 x1=36.67kN（）x2=-5.93kN（）解力法方程组，得超静定刚架的内力图超静定刚架的内力图第第7章章X1=36.67kNX2=5.93kN7.4 7.4 用力法计算超静定桁架和组合结构用力法计算超静定桁架和组合结构解：解： 力法方程：力法方程：01111 px 一、超静定桁架如图所示，各杆一、超静定桁架如图所示，各杆EAEA相同，求各杆内力。相同，求各杆内力。第第7章章 EAEAlEAN94053)1(25)35(24)34(12222111 EAEAlEANNPP344205100)35(4)80()34(4)40()34(111式中：式中：拉力）拉力）(74.321111knx

15、p 解方程，可得：解方程，可得：第第7章章01111 px 解：解：力法方程力法方程二、超静定组合结构的计算二、超静定组合结构的计算第第7章章hs2hs24l1 82ql000图图图图PPNM 图图图图kkNM EANdsEIM212111 2)2()1()4322421(233222211 AEshsAEhlllIE332322113248AEhsAEhIEl EAlNNdsIEMMPPP11111)48528132(2211llqlIE 1143845IEql 第第7章章3323221131142483845AEhsAEhIElIEql 1111 px三、超静定排架的计算三、超静定排架的计

16、算 1 1、排架有那几部分组成，是工程中哪一类结构的、排架有那几部分组成，是工程中哪一类结构的简化？简化？ 2 2、排架的受力特点是什么？、排架的受力特点是什么？ 3 3、如何用力法计算排架，一般将排架的哪一部分、如何用力法计算排架，一般将排架的哪一部分作为多余约束对待？作为多余约束对待？代入力法方程后，得：代入力法方程后，得：第第7章章7.5 7.5 两铰拱及系杆拱的计算两铰拱及系杆拱的计算01111 px 解：解：力法方程力法方程P2P3P1原结构原结构ABP2P3P1基本结构基本结构x1BA一、两铰拱的特点：一、两铰拱的特点：dsEANdsEIM 212111 dsEIMMPp 11二、

17、计算方法：二、计算方法：p1 （当（当f/l1/3，t/l1/10时，计算时，计算11可略去剪力可略去剪力影响；计算影响；计算 时，剪时，剪力、轴力均可略去）力、轴力均可略去）第第7章章 1 1、不带拉杆两铰拱的计算：、不带拉杆两铰拱的计算：1N1M0COS 11y yMCOSN11 x相差不大相差不大、很小，很小，11NM pNpMAVCOS 10y xVMSINPVNAPAp )(1x1p相相差差较较大大、很很小小，ppNM 关系：关系：、分析分析11NM关系：关系：、分析分析ppNM第第7章章 dsEAdsEIydSEIMyxPp221111cos 不带拉杆两铰拱的计算公式：不带拉杆两铰

18、拱的计算公式： 将将 代入力法方程，得：代入力法方程，得：P152 式（式（7-15） yMCOSN11 第第7章章01111 px dsAEEINdsEIM1122121111 dsEIMMPp 11p1 （当（当f/l1/3，t/l1/10时，计算时，计算11可略去剪力可略去剪力影响，但应考虑拉杆的影响，但应考虑拉杆的变形；计算变形；计算 时，剪时，剪力、轴力均可略去）力、轴力均可略去）P2P3P1原结构原结构ABP2P3P1基本结构基本结构x1BA2、带拉杆两铰拱的计算：、带拉杆两铰拱的计算：解：解：力法方程力法方程第第7章章7.6 7.6 温度变化和支座移动时超静定结构的计算温度变化和

19、支座移动时超静定结构的计算一、要点：一、要点： 支座移动、温度改变、制造误差等外部因素均会引起超支座移动、温度改变、制造误差等外部因素均会引起超静定结构的内力。用力法计算时，基本原理与荷载作用下的静定结构的内力。用力法计算时，基本原理与荷载作用下的相同，所不同的是：相同，所不同的是：结构的内力与各杆结构的内力与各杆EIEI的绝对值有关，不的绝对值有关，不象荷载作用时仅受各杆象荷载作用时仅受各杆EIEI间比值的影响。间比值的影响。二、温度变化时超静定结构的计算二、温度变化时超静定结构的计算ct01ct01ct02ct02ABC3x2x1x基本结构基本结构ct01ct01ct02ct02ABC第第

20、7章章式中：式中： dshtMdstNKKit )()(0 KKMNithtt )()(0 dsEIMMiiii dsEIMMjiij 000333323213123232221211313212111tttxxxxxxxxx 力法方程力法方程:第第7章章举例：温度变化如图所示。举例：温度变化如图所示。、EI、h为已知常数。为已知常数。c010ABCc010llc010ABCc01011 xABC11 x11图图1NABC11 xlll图图1M力法方程力法方程:01111 tx 第第7章章式中：式中：EIlllllllEI34)()32()2(1311 )31(5)2(010)1(2010hl

21、lllllhl KKMNithtt )()(0)31(41534)31(5231111hllEIEIlhllxt ABC图图M)31(415hllEI 温度改变时，超静定结构的内力与各杆温度改变时，超静定结构的内力与各杆EIEI的绝对值有的绝对值有关，不象荷载作用时仅受各杆关，不象荷载作用时仅受各杆EIEI间比值的影响。间比值的影响。第第7章章第第7章章 例例7-8 图示刚架外侧温度升高图示刚架外侧温度升高25，内侧温度升高，内侧温度升高15，绘绘弯矩图。弯矩图。EIEI为常数，截面对称于形心轴，为常数，截面对称于形心轴，h=0.6mh=0.6m，为已知。为已知。 EIEIEIdsM36066

22、6362266212111 10801200120 6626621525606121525 1101 )(.)()()(MNthtt01111 tx 力法方程：力法方程：EIEIxt 00336010801111. 第第7章章 例例7-8 图示刚架外侧温度升高了图示刚架外侧温度升高了25，内侧温度升高了，内侧温度升高了15，试绘制其弯矩图并计算横梁中点的竖向位移。刚架试绘制其弯矩图并计算横梁中点的竖向位移。刚架EIEI等于常数，等于常数，截面对称于形心轴，其高度截面对称于形心轴，其高度h=0.6mh=0.6m，材料线膨胀系数为，材料线膨胀系数为。 1147512081 623216015256

23、2122152518236211 0 .)()()(EIEIhttdsEIMMKkMNPKK对应不同的基本结构有不同的力法方程：对应不同的基本结构有不同的力法方程：解：解：力法方程力法方程: 22221211212111CxxCxx 基本结构基本结构(1)ABDCX2X1A原结构原结构BDCC1lllC2三、支座移动时超静定结构的计算三、支座移动时超静定结构的计算第第7章章对应不同的基本结构有不同的力法方程：对应不同的基本结构有不同的力法方程：解：解：力法方程力法方程: 0022221211212111CCxxxx 基本结构基本结构(2)ABDCC1C2X2X1A原结构原结构BDCC1lllC

24、2第第7章章对应不同的基本结构有不同的力法方程：对应不同的基本结构有不同的力法方程：解：解：力法方程力法方程: 0222212111212111CCxxCxx A原结构原结构BDCC1lllC2基本结构基本结构(3)ABDCC1X2X1第第7章章ABDCC1lllC2以基本结构以基本结构(2)为例：为例：四、如何求四、如何求ic 122112)12(CCCCCRc 212122)21(CCCCCRc ABDC2X1=11X2=1ABDC21第第7章章ABDCC1lllC2以基本结构以基本结构(3)为例：为例：ABDC2X1=111112)201(CCCRc ABDC3X2=121123)302

25、(CCCRc 第第7章章五、举例五、举例AB Al1ABX1=1M1BX1基本结构（一）基本结构（一）解法解法1：取基本结构（一）取基本结构（一）Ax 111EIllEI3)32121(111 力法方程力法方程:式中：式中：AAlEIx 3111 依计算结果绘依计算结果绘内力图如下页内力图如下页所示。所示。第第7章章解法解法2：取基本结构（二）取基本结构（二）力法方程力法方程:式中：式中：01111 Cx AACllCR )(1EIllllEI3)3221(1311 AClEIx 211113 依计算结果绘内力图如下、进一步求出支座反力。依计算结果绘内力图如下、进一步求出支座反力。M图图ABQ

26、图图ABAlEI 3AlEI 23AlEI 23 )(3)(3)(322aBaAAAlEIRlEIRlEIM 顺钟向顺钟向ABX1=1lM1BX1基本结构（二）基本结构（二） AL1第第7章章7.7 7.7 对称性结构的计算对称性结构的计算一、基本概念一、基本概念 1 1、对称结构：、对称结构：几何形状、截面尺寸、支承情况和弹性模几何形状、截面尺寸、支承情况和弹性模量均对称于几何轴线的结构。量均对称于几何轴线的结构。 2 2、对称荷载：、对称荷载：沿对称轴反转沿对称轴反转180度后，对称轴两侧的荷度后，对称轴两侧的荷载将重合，具有相同的大小和方向。载将重合，具有相同的大小和方向。kkkkkkk

27、kkkkkqpppp第第7章章 3、反对称荷载：沿对称轴反转、反对称荷载：沿对称轴反转180度后，对称轴两侧的度后，对称轴两侧的荷载将重合，具有相同的大小、相反的方向。荷载将重合，具有相同的大小、相反的方向。ppkkkkkkqppq二、对称结构在对称荷载作用下的内力及变形特点：二、对称结构在对称荷载作用下的内力及变形特点： 反对称多余力为零，结构的内力和变形是对称的。反对称多余力为零，结构的内力和变形是对称的。三、对称结构在反对称荷载作用下的内力及变形特点：三、对称结构在反对称荷载作用下的内力及变形特点： 对称多余力为零，结构的内力和变形是反对称的。对称多余力为零，结构的内力和变形是反对称的。

28、第第7章章kkqq对称结构在对称荷载作用下的内力及变形分析：对称结构在对称荷载作用下的内力及变形分析：qq1x2x3x11 x13 x12 x原结构原结构基本结构基本结构M1图图Mp图图M3图图M2图图力法方程力法方程: 000333323213123232221211313212111 PPPxxxxxxxxx 第第7章章011 02112 022 01 P02 P03 P分析分析: :03113 033 03223 00033322221211212111 xxxxxPP 于是，原方程变为：分析于是，原方程变为：分析: 解方程，可得解方程，可得:000321 xxx 结论：结论： 对称结构

29、在对称荷载作用下，其对称结构在对称荷载作用下，其反对称多余力为零，结构的内力和反对称多余力为零，结构的内力和变形是对称的。变形是对称的。第第7章章kkqq对称结构在反对称荷载作用下的内力及变形分析：对称结构在反对称荷载作用下的内力及变形分析：qq1x2x3x11 x13 x12 x原结构原结构基本结构基本结构M1图图Mp图图M3图图M2图图力法方程力法方程: 000333323213123232221211313212111 PPPxxxxxxxxx 第第7章章011 02112 022 01 P02 P03 P分析分析: :03113 033 03223 000333322212121211

30、1 pxxxxx 于是，原方程变为：分析于是，原方程变为：分析: 解方程，可得解方程，可得:000321 xxx 结论：结论： 对称结构在反对称荷载作用对称结构在反对称荷载作用下，其对称多余力为零，结构下，其对称多余力为零，结构的内力和变形是反对称的。的内力和变形是反对称的。第第7章章四、对称性利用举例四、对称性利用举例p2p2p2p2p01111 px 02222 px 例题例题12p2p2p2p1x1x2x2x基本结构基本结构1基本结构基本结构2第第7章章 0022221211212111ppxxxx 03333 px 例题例题2q2q2q2q基本结构基本结构1基本结构基本结构22q2q2

31、q1x2x2q第第7章章7.10 7.10 超静定结构的位移计算及最后内力图的校核超静定结构的位移计算及最后内力图的校核一、超静定结构的位移计算一、超静定结构的位移计算 lPKdsEIMM 1、原理：、原理：先求出超静定结构的多余未知力，而后将多先求出超静定结构的多余未知力，而后将多余力当作荷载与结构原外部因素一起，同时加在基本结构余力当作荷载与结构原外部因素一起，同时加在基本结构上上 ；则基本结构在上述总外部因素作用下的位移就是原超；则基本结构在上述总外部因素作用下的位移就是原超静定结构的位移。静定结构的位移。 2、操作：、操作：将超静定结构的最后弯矩图作为求位移的将超静定结构的最后弯矩图作

32、为求位移的MP图，求哪个方向的位移就在要求位移的方向上加上相应的图，求哪个方向的位移就在要求位移的方向上加上相应的单位力，而后按下式计算即可。单位力，而后按下式计算即可。第第7章章3、应注意的问题、应注意的问题3 （1）可取任一基本结构作为虚拟状态，尽量取单位弯）可取任一基本结构作为虚拟状态，尽量取单位弯矩图比较简单的基本结构。（矩图比较简单的基本结构。（ CV=7pl /768EI)第第7章章 （2）单位弯矩图的约束不能大于原结构的约束。）单位弯矩图的约束不能大于原结构的约束。第第7章章 （3）计算超静定结构由于温度改变、支座移动、制造误）计算超静定结构由于温度改变、支座移动、制造误差引起的

33、位移时，其位移除包括差引起的位移时，其位移除包括MK图与图与MP图相乘部分外，图相乘部分外，还应包括上述因素在基本结构上引起的位移。还应包括上述因素在基本结构上引起的位移。CHtCHPCH 第第7章章二、超静定结构最后内力图的校核二、超静定结构最后内力图的校核 1 1、正确的内力图应满足的条件、正确的内力图应满足的条件2 2、校核方法、校核方法 （1）静力平衡条件。）静力平衡条件。 （2）位移条件）位移条件（1）截取结构的任一部分，看其是否满足）截取结构的任一部分，看其是否满足 M=0、 X=0、 Y=0，验算平衡条件。，验算平衡条件。（2）验算沿任一多余力方向的位移，看其是否与原已知位）验算沿任一多余力方向的位移，看其是否与原已知位移相符，以验算位移条件。移相符，以验算位移条件。 （分析书上例题）（分析书上例题）第第7章章