结构力学
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结构力学. 结构力学教研室. 长安大学建筑工程学院. 第八章 力 法. §8.1 力法基本概念. 1 . 力法基本概念. 力法基本未知量. 超静定结构是有多余约束的几何不变体系,具有多余约束是其与静定结构在几何组成上的区别,也是造成其仅用静力平衡条件不能求解的显见原因。. 力法的基本未知量 是超静定结构多余约束中的多余力。. 力法基本体系. (a) 原结构. (b) 基本体系. 图 8-1-1. 如图 8-1-1(a) 所示为有一个多余约束的几何不变体系。取 B 支座链杆为多余约束,去掉后代以多余力 x1 ,见图 (b) 。. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
§8.1 力法基本概念
1. 力法基本概念
力法基本未知量超静定结构是有多余约束的几何不变体系,具有多余约束是其与静定结构在几何组成上的区别,也是造成其仅用静力平衡条件不能求解的显见原因。 力法的基本未知量是超静定结构多余约束中的多余力。
如图 8-1-1(a) 所示为有一个多余约束的几何不变体系。取 B支座链杆为多余约束,去掉后代以多余力 x1,见图 (b) 。
设想 x1是已知的,图 (b) 所示体系就是一个在荷载和多余力共同作用下的静定结构的计算问题。换句话说,如果 x1等于原结构 B支座的反力,则图 (b) 所示体系就能代替原结构进行分析。
超静定结构去掉多余约束,并代以多余力后的体系,作为原结构的力法基本体系。本章中,力法基本体系的结构一定是静定结构,力法基本体系的结构叫力法基本结构。力法基本方程 力法基本方程,应是求解结构多余约束中多余力的条件方程。
受力条件只能从原结构的外荷载、多余约束,与基本体系的外荷载及相应的多余约束力定性一致考虑,见图 8-1-1 。 变形和位移条件是结构内部对外力响应的外部表现形式,见图 8-1-2(a) 、(b) 所示,可以由基本结构中的多余力处沿该多余力方向的位移与原结构一致的条件定量分析。
A
q
B
(a) 原结构 x 1
q
BA
(b) 基本体系
该条件可表示为: 01 (a)
利用叠加原理,将基本体系分解为在荷载、多余力单独作用下的两种情况,分别分析后再叠加。分解后,见图 (c) 、 (d) 所示
BA
x 1(c)
q
BA
(d)
11 P1 叠加,与 得:
即: 11 P1 01 + = 11 P1+ = 0 (b)
111x11 = 使 式 (b) 改写成:
111x P1+
=
0 (c)
如图 8-1-3(a) 所示连续梁,去掉两个竖向支座链杆后为悬臂梁,见图(b) B CA
(a) 原结构
B CA
x 1 x 2
(b) 基本结构 1 x 2
B CA x 1 x 2
(c) 基本结构2 图 8-1-3
对于较复杂的超静定结构,则可采用拆除约束法。即,逐一拆除结构的约束,直到其成为静定结构(力法基本结构),则拆除的约束就是多余约束,其数量就是力法的基本未知量数。 拆除约束法常要用到约束的约束数,现归纳如下: 切断一根二力杆或去掉一根支座链杆, 相当于去掉一个约束;
2. 次超静定结构的力法方程(力法典型方程)
由两次超静定结构的力法方程推广,得:
0
0
2222222121
1111212111
Pnnjjii
Pnnjjii
xxxxx
xxxxx
……………..
0
0
2211
2211
jPnjnjjjijijj
iPninjijiiiii
xxxxx
xxxxx
……………..
02211 nPnnnjnjininn xxxxx
(8-2-1)
力法方程是力法基本结构与原结构一致的位移条件。 写成矩阵形式:
nnnjninn
jnjjjijj
inijiiii
nji
nji
21
21
21
2222221
1111211
n
j
i
x
x
x
x
x
1
1
nP
jP
iP
P
P
2
1
0
0
0
0
0
0
0
+ = (8-2-1a)
柔度矩阵特征
在柔度矩阵的主对角线上(左上角至右下角的斜直线)排列的是主系数。主对角线两侧,排列的是副系数。根据位移互等定理,在主对角线两侧对称位置上的副系数互等。所以,力法方程的柔度矩阵是一个对称方阵,其独立的柔度系数为 个。2/)( 2 nn
(2) 写力法方程。
02222121 pxx
01212111 pxx (a)
(3) 求力法方程中的系数和自由项。 1) 作基本结构分别在各多余力及荷载作用下的弯矩图。见图 (c) 、 (d) 、(e) 。
2) 图乘求系数和自由项。
EI
LL
EI 3)1
3
21
2
1(
12211
EI
LL
EI 6)1
3
11
2
1(
12112
EI
qLL
qL
EIPP 24)1
2
1
83
2(
1 32
21
11 可由 1M 的面积与该面积形心处的竖标相乘得出,叫做自乘。
12 2M可由 图的面积与该面积形心对应的图的竖标相乘得出(由位移互等定理,也可交换取面积和竖标),叫做互乘。由此,将求柔度系数和自由项的过程,演变成各弯矩图自乘或互乘的过程。
3) 将所的系数和自由项代入力法方程 (a) ,并求解多余力。
02436
02463
3
21
3
21
EI
qLx
EI
Lx
EI
L
EI
qLx
EI
Lx
EI
L
简化为:
082
1
082
1
2
21
2
21
qLxx
qLxx
(b)
利用前面已作各弯矩图,叠加求出杆端(控制截面)弯矩值:
PABABABAB MxMxMM 2211
PBABABABA MxMxMM 2211
1200)
12(1
2
2
2 qLx
qLM AB (上侧受拉)
120
1210
22
1
qLqLxM BA (下侧受拉)
说明:
(1) 超静定结构的内力只与杆件刚度 EI的 相对值有关,而与其绝对值无关。(2) 作最后弯矩图的叠加公式。
(3) 力法解题一般步骤:(针对梁和刚 架,并仅在荷载作用下) 确定结构的力法基本未知量,并绘出 相应的力法基本体系;
作基本结构的各单位多余力弯矩 图及荷载作用下的弯矩图; 求力法方程中的系数和自由项;
将系数和自由项代入力法方程, 求解多余未知力; 叠加法计算控制截面的弯矩值, 作结构的弯矩图; 由弯矩图作结构的剪力图,再由 剪力图作结构的轴力图;
(1) 确定基本未知量,并选择基本体系。 对图 (b) 、 (c) 所示的两个基本体系比较。
A
x 2
B C x 1
(b) 基本体系1
L/3
L/3
x 2
x 1
x 1
CB
Ax 2
(c) 基本体系 1
解:
x = 11
A
B C
L
(b1)
A
x = 12
L CB
L
(b2)
A
B C
(b3)
x 1
x = 11
CB
A1 / 2x 2
x = 12
CB
A
1
3 / 2
CB
A
F L / 4P
(c1) (c2) (c3)
(2) 计算系数和自由项
EI
LL
EI
LL
EI 12
5)1
3
21
2
1(
2
1)1
3
2
3
21
2
1
2
1
3
2
32
1
2
1(
111
EI
LL
EI 4
3)
2
3
3
2
2
3
2
1(
122
EI
LFL
LF
EIPP
P 32)1
2
1
42
1(
2
1 2
1
02 P
(3) 将系数和自由项代入力法方程,并求解:
04
3
03212
5
2
2
1
xL
LFx
L P
解得: 0
40
31
xEI
LFx P
(4) 计算杆端弯矩,并作弯矩图
EI
LF
EI
LFMxxM PP
PABAB 80
3)
40
3(
2
1
2
3
2
121 (右侧受拉)
EI
LFxMM P
BCBA 40
31 (左、上侧受拉)
在选择力法基本体系上注意比较对照,往往起到使力法方程解耦、或减少计算量的效果,节省时间并有利于得出正确的结果。 例 8-2-3 用力法计算图 (a) 所示组合结构,求出各桁架杆的轴力,并作梁式杆的弯矩图。已知梁式杆的抗弯刚度 EI=常数,各桁架杆的轴向刚度 EA= 常数,且 A=I/16。
力法方程为: 01111 px
(2) 计算力法方程中的系数和自由项
x = 11
x 1
D
BCA
(c) 因本例仅在梁式杆上有均布荷载,桁架
部分上无轴力发生,只有梁式杆上有弯矩,见图 (d) 。
q = 1 0 k N / m
3 0 k N4 0 k N m
D
BCA
1 0 k N
(d)
显然,计算系数或自由项均应分别考虑梁式杆和桁架杆不用变形特点的位移计算式。计算如下:
EIEIEA
78.169)2
3
242
2
1(
2]5)
6
5)(
6
5(2)311[(
111
EIEIP
67.266)2
2
14
8
410
3
22
3
2440
2
12(
1 2
1
(3) 将系数和自由项代入力法方程,并 解之:
067.26678.169
1 EI
xEI
kNx 57.11
(4) 计算内力
mkNMxMM PCACBCA 86.3640)57.1(22 1
(下侧受拉) 桁架杆轴力:
kNxFNDC 57.11 1 (压力)
kNxFF NDANDB 31.16
51 (拉力)
EA
LF Ni
ii
2
LEA
FF NPNi
iP LEA
FF NjNi
ij
对于曲杆或拱结构,将梁和刚架相应的计算式中对 x 的积分换乘对曲线杆轴的积分,即将 dx 换成 ds 。
组合结构中的梁式杆和桁架杆分别按各自的计算式计算后叠加。
桁架:
判定结构的力法基本未知量,确 定基本体系,并写出力法方程; 计算基本结构在各因数单独作用下 的内力,然后计算力法方程中的系 数和自由项; 将系数和自由项代入力法方程,并 求解出多余力; 计算控制截面内力,做内力图,并 进行最后结果的校核。
力法解题的主要步骤为:
例 8-3-1 计算并绘制一超静定刚架分别在图 (a) 、 (b) 所示荷载作用下的弯矩图。 C
A `A
B B `
L /2 L /2
L/2
L/2
C
A `A
B B `
L /2 L /2
L/2
L/2
(b)
(a)
由图 (a2) 、 (a3) 图乘求系数和自由项:
A `A
B B `C C `
(a3)
EI
LLLL
EI 3
2)
3
2
2
1(
2 3
11
EI
LFL
LLF
EIPP
P 24
5)
6
5
222
1(
2 3
1
x 2
C
A `
x 2
A
B B `C `
x 2
C
A `
x = 12
A
BB `
C `
(b1)
(b2)
C
A `A
B B `C `
(b3)
由图 (b2) 、 (b3) 图乘求系数和自由项:
EI
LLLLLL
L
EI 12
7)
23
2
222
1
22(
2 3
22
EI
LFLLLF
EIPP
P 8)
2222
1(
2 3
2
代入力法方程,解得: 14
3
22
22
PP Fx
计算杆端弯矩:
28
11
2)
14
3(
2PPP
AB
FLFFLM (左侧受拉)
28
3)
14
3(
2
LFFLM PP
BA (右侧受拉)
弯矩图见图(d) 。 C
A `A
B B `
11 F L /2 8P
3 F L / 2 8P
(d)
力法利用对称性需要且仅需要 (1) 取对称的基本结构; (2) 使多余力具有正对称或(和)反对称性。这两条必须同时满足。而不需要考虑荷载是否具有对称或反对称性。
B
q
A `
B `
A
C
(a) 原结构
如上述图 (a) 所示为一般荷载作用下的对称结构,力法基本未知量为 3,因而力法方程为:
0
0
0
3333232131
3332222121
1313212111
P
P
P
xxx
xxx
xxx
(a)
取对称的基本结构如图 (b) ,其上的 多余力具有正对称和反对称性。
x 1
x 3
x 2
B
x 2
x 1
q
A `
B `
A
C C `
x 3
(b) 基本体系
其上的多余力具有正对称和反对称性。基本结构在各多余力单独作用下弯矩图自然具有相应的对称和反对称性。
q
B
A `
B `
A
C C `
(c)
C C `B
A `
B `
A
(d) x 2x 2
B
A `
C
A
C ` B `
(e)
x 3
x 3
CC `
B
A `
B `
A
(f)
032233113 代入方程 (a) ,得:
0
0
0
3333
2222121
1212111
P
P
P
x
xx
xx
(b)
副系数为两个单位弯矩图的互乘,由于正对称与反对称的弯矩图互乘等于零,所以有副系数:
仍然取与图 (c) 相同的基本结构,所不用的是将在对称位置上的两个多余力进行分组,分成一组正对称的和一组反对称的,见图 (b) 所示。
C C `
x 2 `
A
x 1 `
B
x 2 `
x 1 `
q = 6 k N / m
(b)
计算系数和自由项:
EIEI
18)3
3
233
2
1(
211
EIEIEI
78)646(
2
1)
3
233
2
1(
222
EIEIP 4
243)3
4
3327
3
1(
11
EIEIEIP 4
1539)6427(
2
1)3
4
3327
3
1(
12
代入力法方程,求多余力:
0
0
2222
1111
P
P
x
x
93.4
38.3
2
1
x
x
计算杆端弯矩:
mkNxxMM BAAB 58.26027 21
(左侧受拉)
mkNxxM BC 07.23327 21
(上侧受拉)
与荷载作用下力法思路和建立方程的方法相同,所不同的是: 基本结构(静定结构)在支座移 动时是刚体位移,并且无内力发生 ;
1. 支座移动时的内力计算
基本结构多余力处沿多余力方向上 与原结构一致的位移条件一般不全 等于零。
叠加基本结构在各因数单独作用下的位移,得力法方程:
02222121
1212111
xx
xx B
(a)
1 2式中 -分别表示基本结构在
支座移动时沿多余力方向上的位移 注:基本结构的支座移动,指基本结构保留的支座上的位移。
L
L
a / 2
a
A `A `
C
Aa / La / L
BB `
a / 2
x 2
x 1
A `
CB
a
B `
a / L
A
Laxx
xx
/
0
2222121
1212111
(a)
取基本体系如图 (b) 所示。力法方程为:
解:(a) (b)
EI
LLLL
EI 3
2)
3
2
2
1(
2 3
11
EI
LLL
EI 3
4)111
3
21
2
1(
122
EI
LLLLL
EI 6
5)
2
11
3
21
2
1(
1 2
2112
计算柔度系数方法同前,即:
CB
A E IL
a27
5 1
E IL
a27
18
(e)
结构在支座移动下的最后弯矩叠加公式仅含各多余力的影响。即:
Nijijijij MxMxMM 2211 (8-4-2)
弯矩图见图 (e)
图 8-4-2(a) 所示两次超静定梁,温度改变影响下的力法方程 :
0
0
2222121
1212111
t
t
xx
xx
(b)
t1 t2自由项 ——分别表示基本结构在温度改变时沿多余力 和 方向上的位移。
1x 2x
式中:
iNiit Ah
tLtF )()( 0 (8-4-3)
NiF iA ——分别表示基本结构在多 余力 =1 单独作用下,结构的杆件 中产生的轴力值和弯矩图的面积。
ix
自由项的计算式可写成一般形式:
式中:
例 8-4-2 图 (a) 所示结构,除承受图示的荷载外,内外侧的温度也发生了改变,其内侧升高了,外侧也升高了。杆件截面为矩形,尺寸见图示。已知:材料在温度下的线膨胀系数为 。用力法计算并作弯矩图和轴力图。
60 c
m4 0 c m
q = 2 0 k N / m
t 1
C D
A
t 2
B
x 1
q = 2 0 k N / m
t 1
C D
A
t 2
B
(a) 原结构 (b) 基本结构
011111 tPx (a)
该刚架为一次超静定结构,基本体系如图 (b) ,力法方程:
解 :
1 2 0 k N mq = 2 0 k N / m
C D
A
B
t 1
C D `
A
t 2
B `D
B
(c) (d)
1 / 6
C
A
1
x = 11
DB
1
1 / 6(1/ 6
)
( 0 )
(e)
BC D
A
(f)
EIEI
8)1611
3
261
2
1(
111
计算系数和自由项:由图 (e) 弯矩图自乘,得:
由图 (e) 和图 (c) 两弯矩图互乘,得 :
EIEIP
60)1
2
16
8
620
3
21
3
16120
2
1(
1 2
1
由式 (8-4-3) 计算:
1101 )()( A
h
tLFt Nt (b
)
321 1085.2)6161
2
1(
1060
2000001.06
6
11500001.0
t
由题给条件知:
Ctt
t
152
525
221
0 温度升高
Cttt 2052512 外侧温度高
则 ,
§8.5 超静定结构的位移计算 及力法结果的校核
1. 超静定结构的位移计算 cFds
EI
MMds
GA
FFkds
EA
FFR
QQNN
0 (7-3-3)
(1) 荷载作用下的位移计算 ds
EI
MMds
GA
FFkds
EA
FF PQPQNPN
0 (7-4-1)
超静定结构位移计算时的单位虚弯矩图可以是一个静定结构的计算。见图 8-5-1(e) 、 (f) 。 为了区别位移计算公式 (7-4-1)相同的内力符号(分别表示结构在荷载作用下的最后内力),并使位移计算公式更具一般形式,将式 (7-4-1) 改写成:
dsEI
MMds
GA
FFkds
EA
FF QQNN
0 (7-5-1)
计算超静定结构(原结构)在荷 载作用下的内力(实际状态);
超静定结构在荷载作用下的位移计算步骤:
在原结构的任意一个基本结构上 沿拟求位移方向施加虚单位力, 并计算由此产生的内力; 将以上所得两种状态内力代入位 移计算公式( 7-5-1 )计算。
L /2
A
CB
L /2
L
A
x 2
B C x 1
L/3
L/3
x 2
x 1
x 1
CB
Ax 2
(a) 原结构 (b) 基本结构 1 (c) 基本结构 2
例 8-5-1 求图 8-5-1(a) 所示刚架在
荷载作用下 C端截面的转角位移 C。
图 8-5-1
解 : 刚架在荷载作用下的最后弯矩图已在例 8-2-2 中得出,见图 (d) 。图 (e) 、(f) 示出了原结构的两个基本结构在虚单位力作用下的弯矩图,比较后,显然后者与最后弯矩图互乘较简单,因此取图 (f) 为原结构的虚力系。
EI
LFL
LFL
LF
EIPPP
C 40)1
2
1
42
11
3
1
40
3
2
1(
2
1 2
()
一般选择虚单位弯矩图在结构上分布尽可能少的基本结构作虚力系。
将图 (d) 、 (f) 互乘,得
注意
(2)虚设单位力见图 (g) ,作虚单位弯矩图并求支座反力(虚力状态 ) 。
F = 1P
A BC
b
A BC
B `
(g)虚单位弯矩图 (h)
A BC
F = 1PL /2
A BC
(i)虚单位弯矩图 (j)
根据所取虚单位力所在基本结构的 不同,公式 (a) 的右侧后一项做相应 的取舍。如若取悬臂梁建立虚单位 力系,见图 (i) 示,位移计算公式 (a) 为零。
16
5)
3
6
5
222
1(
12
bEI
L
bLL
EICV ()
说明:
即 ,
例 8-5-3 图 (a) 所示单跨超静定梁,其上下侧的温度改变量分别为 t1 、 t2 ,且 t2=3t1 , h=L/10,材料的线膨胀系数为。求梁 B端的转角位移 B。
L
A B
b
ht 2
t 1 B `A B
t 2
t 1
(a)
(b) 原结构
(1) 用力法计算超静定梁在温度改变时的内力,作弯矩图、轴力图。力法基本体系见图 (c) 。由单位多余力作用下的弯矩图见图 (f) ,自乘得:
EI
LL
EI 3)1
3
21
2
1(
111
解:
Ah
tLtFdx
EI
MMNB )()( 0
1111 5)1
2
1
10
3()1
3
130
2
1(
1tL
L
ttL
L
EIt
EI
()
若取虚单位力作用在悬臂梁上,见下页图 (i) ,则角位移 :
1111 5)1
10
3()1
30
2
1(
1tL
L
ttL
L
EIt
EIB
()
由公式 (8-5-2) 计算如下:
C 点的竖向位移等于零: 0CV
虚设单位力系见 (c) ,由图 (b) 、 (c)互乘得:
0)80
3
40
3(
2
11)
2
1
42
1
3
2
40
3
2
1(
2
1 2 LFLF
LEI
LLLF
LLLF
EIPPPP
cv
(2) 计算该位移
解:(1)选已知位移点
例 8-5-5 由力法得在支座移动时梁 的弯矩图见图 (b) ,校核该弯矩图。
L
A BC
bB ` A
B
23
L
E Ib
b
A B
B `
M = 1A B
(a)
(c)
(b)
(d)