任务二十七单跨超静定梁的内力计算及内力图绘制课件.ppt
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1、 任务二十七任务二十七 单跨超静定梁的内力计算及内力图绘制单跨超静定梁的内力计算及内力图绘制 超静定结构的概念、力法的基本原理、力法的基本方程、超静定超静定结构的概念、力法的基本原理、力法的基本方程、超静定次数的确定与基本结构、力法典型方程、力法的计算步骤次数的确定与基本结构、力法典型方程、力法的计算步骤 力法的基本方程、超静定次数的确定与基本结构、力法典型力法的基本方程、超静定次数的确定与基本结构、力法典型方程、力法的计算方程、力法的计算u教学重点教学重点u教学难点教学难点一、超静定结构的概念一、超静定结构的概念二、力法的基本原理二、力法的基本原理三、力法的基本方程三、力法的基本方程四、超静
2、定次数的确定与基本结构四、超静定次数的确定与基本结构五、五、力法典型方程力法典型方程六、力法的计算步骤和举例六、力法的计算步骤和举例七、对称性的利用七、对称性的利用u教学内容教学内容 任务二十七任务二十七 单跨超静定梁的内力计算及内力图绘制单跨超静定梁的内力计算及内力图绘制一、超静定结构的概念一、超静定结构的概念静定结构静定结构 (statically determinate structurestatically determinate structure)支座反力和各截面的内力都可以用静力平衡条件唯一确定,是没支座反力和各截面的内力都可以用静力平衡条件唯一确定,是没有多余联系的几何不变体系
3、有多余联系的几何不变体系。超静定结构超静定结构 (statically indeterminate structurestatically indeterminate structure)支座反力和各截面的内力不能完全由静力平衡条件唯一确定,是有支座反力和各截面的内力不能完全由静力平衡条件唯一确定,是有多余联系的几何不变体系。多余联系的几何不变体系。静定刚架静定刚架 超静定刚架超静定刚架 有多余联系有多余联系是超静定结构区别于静定结构的基本特性是超静定结构区别于静定结构的基本特性 一、超静定结构的概念一、超静定结构的概念二、力法的基本原理二、力法的基本原理 1.1.力法力法(force met
4、hod)(force method)的基本结构的基本结构 去掉多余联系用多余未知力来代替后得到的静定结构去掉多余联系用多余未知力来代替后得到的静定结构称为按力法计算的基本结构。称为按力法计算的基本结构。现在要设法解出基本结构的多余力现在要设法解出基本结构的多余力X X1 1,一旦求得多余力,一旦求得多余力X X1 1,就可在基本结构上用静力平衡条件求出原结构的所有反,就可在基本结构上用静力平衡条件求出原结构的所有反力和内力。因此多余力是最基本的未知力,又可称为力法力和内力。因此多余力是最基本的未知力,又可称为力法的基本未知量。但是这个基本未知量的基本未知量。但是这个基本未知量X X1 1不能用
5、静力平衡条件不能用静力平衡条件求出,而必须根据基本结构的受力和变形与原结构相同的求出,而必须根据基本结构的受力和变形与原结构相同的原则来确定。原则来确定。二、二、力法的基本原理力法的基本原理 三、三、力法的基本方程力法的基本方程 用来确定用来确定X X1 1的条件是:基本结构在原有荷载和多余力共同的条件是:基本结构在原有荷载和多余力共同作用下,在去掉多余联系处的位移应与原结构中相应的位移相作用下,在去掉多余联系处的位移应与原结构中相应的位移相等。等。为了唯一确定超静定结构的反力和内力,必须同时考虑静为了唯一确定超静定结构的反力和内力,必须同时考虑静力平衡条件和变形协调条件力平衡条件和变形协调条
6、件 01111P若以若以 1111表示表示X1X1为单位力(即为单位力(即 1 1=1=1)时,基本结构在)时,基本结构在X1X1作作用点沿用点沿X1X1方向产生的位移,则有方向产生的位移,则有 11=11=1111X X1 1,于是上式可写于是上式可写成成01111PX1111PX X 式式(a)(a)就是根据原结构的变形条件建立的用以确定就是根据原结构的变形条件建立的用以确定X1X1的变的变形协调方程,即为力法基本方程。形协调方程,即为力法基本方程。三、三、力法的基本方程力法的基本方程 三、三、力法的基本方程力法的基本方程 M 为了具体计算位移为了具体计算位移 1111和和 1p1p,分别
7、绘出基本结构的单,分别绘出基本结构的单位弯矩图位弯矩图M M1 1和荷载弯矩图和荷载弯矩图M Mp p(由荷载(由荷载q q产生),分别如图产生),分别如图 (a)(a)、(b)(b)所示所示 :用图乘法计算这些位移用图乘法计算这些位移 EIlllEIdxEIMM33221321111 EIqllqllEIdxEIMMPP84323114211因此可解出多余力因此可解出多余力X X1 1 8338341111qlEIlEIqlXP三、三、力法的基本方程力法的基本方程 PMXMM11 应用上式绘制弯矩图时,可将应用上式绘制弯矩图时,可将 图的纵标乘图的纵标乘以以 倍,再与倍,再与 图的相应纵标叠
8、加,即可绘出图的相应纵标叠加,即可绘出 图如图图如图 (c)(c)所示。所示。1MPMM1XPM 综上所述可知综上所述可知,力法是以多余力作为基本未知量,取去掉多力法是以多余力作为基本未知量,取去掉多余联系后的静定结构为基本结构,并根据去掉多余联系处的已知余联系后的静定结构为基本结构,并根据去掉多余联系处的已知位移条件建立基本方程,将多余力首先求出,而以后的计算即与位移条件建立基本方程,将多余力首先求出,而以后的计算即与静定结构无异。它可用来分析任何类型的超静定结构。静定结构无异。它可用来分析任何类型的超静定结构。三、三、力法的基本方程力法的基本方程 多余力多余力X X1 1 求出后,其余所有
9、反力和内力都可用静力平衡条件确定。超求出后,其余所有反力和内力都可用静力平衡条件确定。超静定结构的最后弯矩图静定结构的最后弯矩图M M,可利用已经绘出的,可利用已经绘出的 和和 图按叠加原理绘出,即图按叠加原理绘出,即1M四、四、超静定次数的确定与基本结构超静定次数的确定与基本结构 超静定次数超静定次数(degree of static indeterminacy(degree of static indeterminacy):多余联系的多余联系的数目或多余力的数目数目或多余力的数目 确定超静定次数最直接的方法就是在原结构上去掉多余联系,直确定超静定次数最直接的方法就是在原结构上去掉多余联系,
10、直至超静定结构变成静定结构,所去掉的多余联系的数目,就是原结构至超静定结构变成静定结构,所去掉的多余联系的数目,就是原结构的超静定次数。的超静定次数。从超静定结构上去掉多余联系的方式有以下几种:从超静定结构上去掉多余联系的方式有以下几种:1.1.去掉支座处的支杆或切断一根链杆,相当下去掉一个联系,去掉支座处的支杆或切断一根链杆,相当下去掉一个联系,如图如图 (a)(b)(a)(b)所示;所示;四、四、超静定次数的确定与基本结构超静定次数的确定与基本结构2.2.撤去一个铰支座或撤去一个单铰,相当于去掉二个联系,如撤去一个铰支座或撤去一个单铰,相当于去掉二个联系,如图图 (c)(d)(c)(d)所
11、示;所示;四、四、超静定次数的确定与基本结构超静定次数的确定与基本结构3.3.切断一根梁式杆或去掉一个固定支座,相当于去掉切断一根梁式杆或去掉一个固定支座,相当于去掉三个联系,如图三个联系,如图 (e)(e)所示;所示;四、四、超静定次数的确定与基本结构超静定次数的确定与基本结构4.4.将一刚结点改为单铰联结成或将一个固定支座改为固定铰支将一刚结点改为单铰联结成或将一个固定支座改为固定铰支座,相当于去掉一个联系,如图座,相当于去掉一个联系,如图 (f)(f)所示。所示。对于同一个超静定结构,可用各种不同的方式去掉多余联对于同一个超静定结构,可用各种不同的方式去掉多余联系而得到不同的静定结构。因
12、此在力法计算中,同一结构的基系而得到不同的静定结构。因此在力法计算中,同一结构的基本结构可有各种不同的形式。但应注意,去掉多余联系后本结构可有各种不同的形式。但应注意,去掉多余联系后基本基本结构必须是几何不变的结构必须是几何不变的。为了保证基本结构的几何不变性,结。为了保证基本结构的几何不变性,结构中的某些联系是不能去掉的。构中的某些联系是不能去掉的。四、四、超静定次数的确定与基本结构超静定次数的确定与基本结构 如图如图 (a)(a)所示刚架,具有一个多余联系。若将横梁某处改为铰所示刚架,具有一个多余联系。若将横梁某处改为铰接,即相当于去掉一个联系得到图接,即相当于去掉一个联系得到图 (b)(
13、b)所示静定结构;当去掉所示静定结构;当去掉 B B支支座的水平链杆则得到图座的水平链杆则得到图 (c)(c)所示静定结构,它们都可作为基本结构。所示静定结构,它们都可作为基本结构。但是,若去掉但是,若去掉 A A支座的竖向链杆或支座的竖向链杆或 B B支座的竖向链杆,即成瞬变体支座的竖向链杆,即成瞬变体系系 图图 (d)(d)所示,显然是不允许的,当然也就不能作为基本结构。所示,显然是不允许的,当然也就不能作为基本结构。四、四、超静定次数的确定与基本结构超静定次数的确定与基本结构 图图 (a)(a)所示超静定结构属内部超静定结构,因此,只能在结所示超静定结构属内部超静定结构,因此,只能在结构
14、内部去掉多余联系得基本结构,如构内部去掉多余联系得基本结构,如 (b)(b)所示。所示。四、四、超静定次数的确定与基本结构超静定次数的确定与基本结构 对于具有多个框格的结构,按框格的数目来确定超静定的次数对于具有多个框格的结构,按框格的数目来确定超静定的次数是较方便的。一个封闭的无铰框格,其超静定次数等于是较方便的。一个封闭的无铰框格,其超静定次数等于3 3,故当一个,故当一个结构有结构有n n个封闭无铰框格时,其超静定次数等于个封闭无铰框格时,其超静定次数等于3n3n。如图。如图 (a)(a)所示结所示结构的超静定次数等于构的超静定次数等于3x8=243x8=24。当结构的某些结点为铰接时,
15、则一个。当结构的某些结点为铰接时,则一个单铰减少一个超静定次数。图单铰减少一个超静定次数。图 (b)(b)所示结构的超静定次数等于所示结构的超静定次数等于 3x8-5=193x8-5=19。四、四、超静定次数的确定与基本结构超静定次数的确定与基本结构五、五、力法典型方程力法典型方程 用力法计算超静定结构的关键在于根据位移条件建用力法计算超静定结构的关键在于根据位移条件建立力法的基本方程,以求解多余力。对于多次超静定结立力法的基本方程,以求解多余力。对于多次超静定结构,其计算原理与一次超静定结构完全相同。构,其计算原理与一次超静定结构完全相同。图图(a)(a)所示为一个三次超静定结构,在荷载作用
16、下所示为一个三次超静定结构,在荷载作用下结构的变形如图中虚线所示。用力法求解时,去掉支座结构的变形如图中虚线所示。用力法求解时,去掉支座C C的三个多余联系,并以相应的多余力的三个多余联系,并以相应的多余力X X1 1 、X X2 2 和和X X3 3代替所代替所去联系的作用,则得到图去联系的作用,则得到图(b)(b)所示的基本结构上,也必所示的基本结构上,也必须与原结构变形相符,在须与原结构变形相符,在C C点处沿多余力点处沿多余力X X1 1 、X X2 2 和和 X X3 3方向的相应位移方向的相应位移 都应等于零。都应等于零。321和、五、五、力法典型方程力法典型方程根据叠加原理,可将
17、基本结构满足的位移条件表示为:根据叠加原理,可将基本结构满足的位移条件表示为:013132121111PXXX023232221212PXXX033332321313PXXX这就是求解多余力这就是求解多余力X X1 1 、X X2 2和和X X3 3所要建立的力法方程所要建立的力法方程 其物理意义是:在基本结构中,由于全部多余力和已知其物理意义是:在基本结构中,由于全部多余力和已知荷载的共同作用,在去掉多余联系处的位移应与原结构中相荷载的共同作用,在去掉多余联系处的位移应与原结构中相应的位移相等应的位移相等 五、五、力法典型方程力法典型方程用同样的分析方法,我们可以建立力法的一般方程。用同样的
18、分析方法,我们可以建立力法的一般方程。对于对于n n次超静定结构,用力法计算时,可去掉次超静定结构,用力法计算时,可去掉n n个多余联个多余联系得到静定的基本结构,在去掉的系得到静定的基本结构,在去掉的n n个多余联系处代之以个多余联系处代之以n n个个多余未知力。多余未知力。当原结构在去掉多余联系处的位移为零时,当原结构在去掉多余联系处的位移为零时,相应地也就有相应地也就有n n 个已知的位移条件:个已知的位移条件:i i=0(i=1,2,=0(i=1,2,n),n)据此可以建立据此可以建立n n个关于求解多余力的方程个关于求解多余力的方程五、五、力法典型方程力法典型方程3132121111
19、XXX011PnnX3232221212XXX022PnnX332211XXXnnnn0nPnnnX 根据位移互等定理可知副系数根据位移互等定理可知副系数五、五、力法典型方程力法典型方程该方程称为力法的典型方程该方程称为力法的典型方程 按前面求静定结构位移的方法求得典型方程中的系数和自由按前面求静定结构位移的方法求得典型方程中的系数和自由项后,即可解得多余力项后,即可解得多余力XiXi。然后可按照静定结构的分析方法求得原结构的全部反力和内力。然后可按照静定结构的分析方法求得原结构的全部反力和内力。或按下述叠加公式求出弯矩或按下述叠加公式求出弯矩PnnMMXMXMXM2211 再根据平衡条件可求
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