结构力学力法课件.ppt
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1、第六章 力 法6-1 超静定结构的组成和超静定次数6-2 力法基本原理6-3 力法举例6-4 支座移动的计算6-5 温度变化及有弹簧支座结构的计算6-7 超静定结构的位移计算及力法计算校核6-6 力法简化计算 超静定结构有如下特征:1)从几何构造分析的观点来看,超静定结构是有多余约束的几何不变体系6-1 超静定结构的组成 和超静定次数一、超静定结构的组成EIFPABl/2l/2B支座或A支座的转角约束均可视为多余约束。EIFPABl/2l/2四个未知量,三个方程,解答不唯一!2)若只考虑静力平衡条件,超静定结构的内力和支座反力不能够由平衡方程唯一确定。EIFPABl/2l/2FPAB1R3R2
2、R4R平衡方程0,0,0MFFyx欲使内力解答唯一,还需补充位移条件。二、超静定次数超静定次数 n=结构多余约束数目。为了确定超静定次数,通常使用的方法是拆除多余约束,使原结构变成静定结构,则n等于拆除的多余约束数。规则:1)去掉或切断一根链杆,相当于去掉一个约束;2)去掉一个简单铰,相当于去掉两个约束;3)去掉一个固定支座或切断一根梁式杆,相当于去掉三个约束;4)在梁式杆上加一个简单铰,相当于去掉一个约束。例:a)1X2Xn=2原结构n=21X2Xb)n=21X2X1X2Xn=2n=21X2X原结构c)n=31X2X3X原结构d)1X2Xn=2原结构1X2Xf)1X2Xn=33X 不要把原结
3、构拆成几何可变体系。此外,要把超静定结构的多余约束全部拆除。原结构e)1X1Xn=1原结构6-2 力法基本原理一、一次超静定结构的力法计算1.力法的基本未知量和基本体系以多余未知力作为基本未知量。拆除所有多余约束,用相应的未知力代替。EIFPABl/2l/21XFPAB基本体系1X拆除所有多余约束后得到的含有多余未知力的静定结构称为力法基本体系。基本体系与原结构内力、变形完全相同。EIFP(BV=0)ABl/2l/2原结构AB基本结构FPAB基本体系1X11X 1PAB1X11+FPABAB11)(X1基本体系对应的静定结构称为基本结构。2.力法方程力法方程为1110PBV 基本体系的位移=原
4、结构的位移BV原结构B截面竖向位移因为11111X方程可写为11110PX讨论:1)力法方程是位移方程。2)方程的物理意义:基本结构在荷载FP和多余约束力X1共同作用下沿X1方向的位移等于原结构在该处的位移。3)系数的物理意义:11基本结构在X1=1作用下沿X1方向的位移。1P基本结构在FP作用下沿X1方向的位移。3.力法计算EIllllEI3322113111231121()2223325158648PPPPF llllEIF lF llEIEIBlAB11Xl/2M图FPAMP图2lFP1)求系数及自由项3)作内力图1PMMXM31111353/485()16PPPF lEIXEIlF 2
5、)求未知力X1M图FQ图ABlFP163lFP325PF1611PF165二、多次超静定结构的力法计算拆除所有多余约束,用相应多余约束力代替,得基本体系。基本体系与原结构内力、变形相同。原结构基本体系ABFPqCDBH=0BV=0B=0ABFPqCDX1X3X2AFPABqCD2P1P3PBCD221232X2=1ABCD211131X1=1ABCD231333X3=1力法方程为主系数:11、22、33恒大于零。副系数:ij(ij)可能大于、等于或小于零。01313212111BHPXXX02323222121BVPXXX03333232131BPXXX i 表示位移的方位;j 表示产生位移的
6、原因。iP荷载产生的沿Xi方向的位移ij柔度系数 单位力Xj=1产生的沿Xi方向的位移 位移互等:ij=ji。得Xi。由基本体系求内力:PMXMXMXMM332211QPQQQQFXFXFXFF332211NPNNNNFXFXFXFF332211解力法方程01313212111BHPXXX02323222121BVPXXX03333232131BPXXX6-3 力法举例一、连续梁 用力法解连续梁时,其基本体系是将杆件在中间支座处变为铰,如下图所示。原结构 B=0 C=0ABqCDlllEIEIEIABqCD基本体系X1X2B=0 B左右截面相对转角等于零。C=0 C左右截面相对转角等于零。位移
7、方程ABqCD1PABCDX1=11121ABCDX2=112221.力法方程01212111BPXX02222121CPXX 方程各系数示于上页图中。讨论方程和系数的物理意义。2.方程求解 图、图及MP图见下页图示。这些弯矩图的共同特征:弯矩图局部化。1M2M好处:ij、iP图乘计算量小(只需局部图乘)。02PEIqlqllEIP242181321321EIllEI3232121211EIl3222122111111236llEIEI ABqCD82qlMP图ABCDX1=111M图ABCDX2=112M图312122036242063llqlXXEIEIEIllXXEIEI21212404
8、40qlXXXX 将系数代入力法方程就得到:解方程得:3.作内力图PMXMXMM22111)根据下式求各截面M值,然后画M图。211()15Xql221()60Xql2)根据M图求各杆剪力并画FQ图。AB2151qlqFQABFQBAl0BMqlqlqllFQAB3013)152(122qlFQBA3017M图ABCD211120ql215ql260qlAB杆:0CMqlqlqllFQBC121)6015(122qlFQCB121BC2151qlFQBCFQCBl2601ql很容易求得CD杆剪力为:qlFFQDCQCD601FQ图ABCD1730ql1330ql60ql12qlBC杆:二、超静
9、定刚架例6-3-1 求图示刚架M图。1.力法方程1111221211222200PBPAXXXXABCE1I1 lE2I2 l原结构qkIEIE2211ABCX2基本体系qX1A=0B=02.方程求解ABCX1=1111M图E1I1 lE2I2 lABCX2=11E1I1 lE2I2 l2M图kIEqlIEqlqllIEP22311321112424218132102PABCq82qlMP图22223IEl1221222211111236llE IE I111 12 21 12 21 12 21 12 2221121121111232313333llE IE IE IE IllllkE IE
10、IE I E IE Ik ABCX1=1111M图E1I1 lE2I2 lABCX2=11E1I1 lE2I2 l2M图1 122()E IkE I3122 22 22 2122 22 21()03624063lklqlXXE IkE IE I kllXXE IE I将求得的系数代入力法方程就得到:212122(1)10420kqlXXkkXX 解方程得:2111()234Xqlk 2211()434Xqlk3.讨论1)当k=0,即E2I2E1I1,则2212816qlqlXX 刚架弯矩图为:可见,柱AB相当于在横梁BC的B端提供了固定约束。M图ABC281ql2161ql2161qlBC28
11、1ql2161ql2)当k=1,刚架弯矩图如图a)示。3)当k=,即E2I2E1I1。由于柱AB抗弯刚度趋近于零,只提供轴向支撑,故梁BC相当于简支梁,M图见图b)。ABC2141ql2565ql2281qla)M图ABC281qlb)M图结论:在荷载作用下,超静定结构的内力分布与各杆刚度的比值有关,而与杆件刚度的绝对值无关。若荷载不变,只要刚度比值不变,结构内力也不变。本例中,由于忽略轴向变形和剪切变形,故只涉及弯曲刚度。若考虑轴向变形和剪切变形,则只要所有杆件的抗弯刚度EI、轴向刚度EA及剪切刚度kGA同比例变化,则结构内力不变。三、超静定桁架 以下图示桁架为例讨论两种基本体系的处理方法。
12、除注明者外,其余各杆刚度为EA。原结构E1A1FPaa基本体系I:力法方程:01111PX 力法方程的物理意义是:基本结构在荷载和X1共同作用下,杆AB切口左右截面轴向相对位移等于零。基本结构中包括AB杆。基本体系IFPABX1aaX1X1拆除的是刚性约束!基本体系II:力法方程:/1111111/111111()0PPaXXE AaXE A 力法方程的物理意义是:基本结构在荷载和X1共同作用下,结点A、B相对水平位移等于杆AB的缩短。基本结构中不包括AB杆。X1X1AB基本体系IIX1FPaa拆除的是弹性约束!例6-3-2 求上图示桁架各杆轴力,各杆EA相同。根据上述基本体系I求得各杆FNP
13、及 标于图中。1NFABFPaaFPFP000PF2FNP图ABaa11112X1=12图1NF解:01111PX211112(2)(2)241 114(12)442 NF laaEAEAaaaEAEA 111(2)(2)2212(12)NNPPPPPF F lFaFaEAEAF aEA 11112(12)/4(12)1()2PPPF aEAXEAaF 压求得未知量后,桁架各杆轴力按下式计算:NPNNFXFF11PF22PF21PF21PF22PF21PF21FN图四、排架E1I1E2I2E1I1E2I2EA 例6-3-3 求图示排架M图。EIEI原结构5kN/mEA EIEA 6m2m 排架
14、结构求解时,通常切断链杆以得到力法基本结构。这样,MP图和 图局部化,求解力法方程系数比较简单。1M解:1)基本体系和力法方程1111221211222200PPXXXX基本体系5kN/mX2X1MP图90kN.m2)求系数和自由项 方程物理意义:横梁切口左右截面轴向相对位移等于零。EIEI144)63266212(111X1=1661M图X2=1282M图28EIEI108)231832(662112112EIEI31024)382(132211138106 90634PEIEI 20P17.375()XkN 压22.334()XkN 压4)作M图M图(kN.m)1.475m45.7525.
15、5818.674.675.443)求多余未知力12121441088100108102403XXEIEIEIXXEIEI1212144108810032410240XXXX 1122PMM XM XM静定结构:支座移动不引起内力,杆件刚体位移。超静定结构:支座移动引起内力,杆件产生变形。原结构(受X1及支座转角共同作用)基本体系有支座移动(只有X1作用)基本体系无支座移动ABEI lABEI l基本体系IX1B基本体系IIX1AEI l6-4 支座移动的计算(受X1及支座转角共同作用)解:1)选两种基本体系如下图示2)力法基本方程位移条件0BV力法方程01111CXA111X(只有X1作用)A
16、BEI l基本体系IX1B基本体系IIX1AEI lEIllllEI332211311EIllEI3321211111111323/3()CEIXllEIl1CRKKFCl 3)求系数和自由项4)求未知力X1ABM图lFR1X1=1ABM图X1=11l1113/3()EIXlEIl 5)作内力图 在基本体系II中,若X1为逆时针方向,如下图示,则力法方程成为:111XABX1=1M图lEI3FQ图BA23lEI23lEIBA小结:1)当超静定结构有支座位移时,所取的基本体系上可以保留有支座移动,也可以没有支座移动。应当尽量取无支座移动的基本体系。2)当基本体系有支座移动时,自由项按下式求解:1
17、CRKKF C RKF为基本体系由X=1产生的支座反力;KC为基本体系的支座位移。3)当超静定结构有支座移动时,其内力与杆件的抗弯刚度EI成正比,EI越大,内力越大。例6-2-1 写出图示刚架的力法方程并求出系数iC。解:1)取两种基本体系如下图示ACEI lEI lba原结构基本体系I基本体系IICABbX1X2AH=-aA=2)建立力法方程01212111CXX02222121CXXaXXC1212111CXX2222121讨论方程及系数的物理意义。CABbCH=0CV=0X1X2a基本体系IlBCX1=1l101M图A3)求自由项lalaC)1(1本例主要讨论自由项的求法,其余计算略去。
18、)()1(2lblbClBCX2=1l012M图lAllbblC)1(2ABCX2=12M图l111基本体系IIABC1X1=11M图lbbC)1(1单跨超静定梁有支座移动时的弯矩图AX111111121233llEIEI 13()AEIXl1)ABM图X1=11ABEI,lAABM图FQ图23AEIlAB3AEIl111X3113lEI133()EIXl 2)ABEI,lABM图X1=1lABM图FQ图33EIlAB23EIl0222121212111XXXXAEIl32211EIl6211202622121XXlEIXXA1242()()AAEIEIXXll3)ABEI,lAABX1X2A
19、BX1=111M图AB1X2=12M图FQ图26AEIlABABM图4AEIl2AEIl11111AlXEI1()AEIXl4)ABEI,lAABM图AEIl1M图ABX1=112221212121110XXXX311223llEIEIEIl2221121212320362XXlEIXXll5)ABEI,lABX2=1lABX1X22M图ABX1=111M图12236()12()EIXlEIXl ABM图FQ图312EIlAB26EIl26EIl依据3),很容易得到右图示内力图。ABM图FQ图26BEIlAB6)ABEI,lB4EIl2EIl6-5 温度变化及有弹簧支座结构的计算一、温度变化时
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