超静定结构内力计算.ppt

超静定结构内力计算现在学习的是第1页，共25页一、超静定结构的概念一、超静定结构的概念 有多余约束的几何不变体系，结构的支座反力和内力仅用有多余约束的几何不变体系，结构的支座反力和内力仅用静力平衡条件不能确定或不能全部确定。静力平衡条件不能确定或不能全部确定。ABPC 有一个多余约束，称为一有一个多余约束，称为一次超静定。次超静定。AB 有两个多余约束，称为二有两个多余约束，称为二次超静定。次超静定。多余约束中产生的约束力称为多余约束中产生的约束力称为“多余未知力多余未知力”。超静定结构超静定结构概述概述现在学习的是第2页，共25页二、超静定次数的确定二、超静定次数的确定 结构中结构中多余约束的数目多余约束的数目称为结构的超静定次数。判断超称为结构的超静定次数。判断超静定次数的方法是去掉多余约束使原结构变成静定结构。静定次数的方法是去掉多余约束使原结构变成静定结构。常见的去掉多余约束方式有以下几种：常见的去掉多余约束方式有以下几种：1 1、去掉支座处的一根支杆、去掉支座处的一根支杆(可动铰可动铰支座支座)，相当于去掉一，相当于去掉一个约束。个约束。2 2、去掉一个固定铰支座，相当于去掉两个约束。、去掉一个固定铰支座，相当于去掉两个约束。3 3、将固定端支座改成铰支座，相当于去掉一个约束。、将固定端支座改成铰支座，相当于去掉一个约束。4 4、去掉一个固定端支座，相当于去掉三个约束。、去掉一个固定端支座，相当于去掉三个约束。现在学习的是第3页，共25页力法、位移法力法、位移法概述概述力法和位移法是计算超静定力法和位移法是计算超静定 结构的两种基本方法。结构的两种基本方法。在力法中，通过综合考虑平衡条件、物理条件及几何条件先在力法中，通过综合考虑平衡条件、物理条件及几何条件先求出多余约束力，进而求出内力和位移；求出多余约束力，进而求出内力和位移；而位移法则是先求结点位移，再计算内力。而位移法则是先求结点位移，再计算内力。在力法和位移法计算中都要建立求解基本未知量的典型方程。在力法和位移法计算中都要建立求解基本未知量的典型方程。现在学习的是第4页，共25页1 1、计算途径的比较、计算途径的比较 力法以多余未知力为基本未知量，位移法以结点位移为基本未知量。力法以多余未知力为基本未知量，位移法以结点位移为基本未知量。从典型方程建立的过程看，力法的基本方程是位移协调方程；位移从典型方程建立的过程看，力法的基本方程是位移协调方程；位移法的基本方程是与附加约束相连的原结构的某一结点或一部分的平衡法的基本方程是与附加约束相连的原结构的某一结点或一部分的平衡方程。方程。2 2、适用范围的比较、适用范围的比较 凡多余约束数多而结点位移少的结构，宜采用位移法；反之宜采用力法。凡多余约束数多而结点位移少的结构，宜采用位移法；反之宜采用力法。当两种方法的未知量数目差不多时，宜选用位移法。当两种方法的未知量数目差不多时，宜选用位移法。力矩分配法计算较为简便，但单纯用力矩分配法只能计算无结力矩分配法计算较为简便，但单纯用力矩分配法只能计算无结点线位移的结构。点线位移的结构。现在学习的是第5页，共25页一、力法一、力法基本未知量的确定基本未知量的确定 结构中结构中多余约束的数目即多余约束的数目即结构的超静定次数为结构的超静定次数为力法力法基本未知基本未知量数目量数目。判断超静定次数的方法是去掉多余约束使原结。判断超静定次数的方法是去掉多余约束使原结构变成静定结构。构变成静定结构。现在学习的是第6页，共25页位移法位移法基本未知量的确定基本未知量的确定 位移法的基本未知量为结点位移。结点位移分为结点角位移位移法的基本未知量为结点位移。结点位移分为结点角位移和结点线位移两类。和结点线位移两类。1、结点角位移、结点角位移PABCDABCDP 由于由于A A、B B、C C为固定端支座，为固定端支座，所以其位移均已知为零，不需所以其位移均已知为零，不需作为未知量；而同一刚结点处作为未知量；而同一刚结点处各杆的杆端转角相等，所以各杆的杆端转角相等，所以每每个刚结点处只有一个独立的结个刚结点处只有一个独立的结点转角未知量。点转角未知量。故上图刚架只故上图刚架只有一个结点转角未知量。有一个结点转角未知量。由于由于A A、D D为铰支座，已知弯矩为铰支座，已知弯矩为零，不取为基本未知量；为零，不取为基本未知量；B B、C C为刚结点，所以图示连续梁为刚结点，所以图示连续梁 有两有两个结点角位移。个结点角位移。所以，结点角位移的数目等所以，结点角位移的数目等于该结构的刚结点数！于该结构的刚结点数！现在学习的是第7页，共25页2、独立结点线位移、独立结点线位移 在微弯状态下，假定受弯直杆两端之间距离在变形前后在微弯状态下，假定受弯直杆两端之间距离在变形前后保持不变，即杆长保持不变。保持不变，即杆长保持不变。ABCDCD 由于杆由于杆AC、BD两端的距离假设不变两端的距离假设不变故故C、D结点都没有竖向位移；结点都没有竖向位移；C、D结点虽然有水平位移，但由于结点虽然有水平位移，但由于CD杆杆的长度不变，因此结点的长度不变，因此结点C和和D D的水平的水平位移相等。所以只有一个独立结点线位位移相等。所以只有一个独立结点线位移。移。所以该刚架有三个基本未知量。所以该刚架有三个基本未知量。现在学习的是第8页，共25页*三三.用力矩分配法计算用力矩分配法计算超静定结构超静定结构 力矩分配法是以位移法为基础的力矩分配法是以位移法为基础的渐近解法渐近解法，在计，在计算过程中采用逐步修正的步骤，最后收敛于真实状算过程中采用逐步修正的步骤，最后收敛于真实状态即求得每段杆两端的弯矩；再运用迭加法画各段态即求得每段杆两端的弯矩；再运用迭加法画各段杆弯矩图。杆弯矩图。力矩分配法的适用条件：力矩分配法的适用条件：无侧移刚架和连续梁。无侧移刚架和连续梁。正负号规定：正负号规定：杆端弯矩以顺时针为正及转动约束杆端弯矩以顺时针为正及转动约束中的约束力矩也均以顺时针为正。中的约束力矩也均以顺时针为正。现在学习的是第9页，共25页 力矩分配法的基本概念力矩分配法的基本概念一、力矩分配法的基本参数一、力矩分配法的基本参数 1 1、转动刚度、转动刚度 SAB:使使AB杆的杆的A端（也称近端）产生单端（也称近端）产生单位转角时所需施加的力矩。位转角时所需施加的力矩。ABABABAB=1=1=1=1SAB=4 iSAB=iSAB=3 i 转动刚度的大小不仅与该梁的线刚度转动刚度的大小不仅与该梁的线刚度i 有关（有关（i=EI/L），而且与远端的支承情况有关。），而且与远端的支承情况有关。转动刚度反映了杆端抵抗转动的能力。转动刚度越大，转动刚度反映了杆端抵抗转动的能力。转动刚度越大，表示杆端产生单位转角所需施加的力矩越大。表示杆端产生单位转角所需施加的力矩越大。当 1 1时时:MAB=SAB 现在学习的是第10页，共25页2 2、分配系数、分配系数令：令：Ak=SAk SAA Ak称为分配系数称为分配系数3 3、传递系数、传递系数 C 表示当杆件近端有转角时，杆件远端弯矩与近端弯矩的表示当杆件近端有转角时，杆件远端弯矩与近端弯矩的比值。它的大小与远端的支承情况有关。比值。它的大小与远端的支承情况有关。远端固定：远端固定：C=0.5远端远端 铰支：铰支：C=0远端定向远端定向 支座：支座：C=1 汇交于同一结点各杆的分配系数之和等于汇交于同一结点各杆的分配系数之和等于1 1，即：，即：=AB ACAD=1 A现在学习的是第11页，共25页ABCDmAAA把上述问题归纳如下：把上述问题归纳如下：当结点当结点A A作用有力偶荷载作用有力偶荷载 m m 时，结点时，结点A A上各杆近端得到按各上各杆近端得到按各杆的分配系数乘以杆的分配系数乘以 m m 的近端弯矩，的近端弯矩，也称也称分配弯矩分配弯矩。以上是用力矩的分配和传递的概念解决结点力偶荷载作用下以上是用力矩的分配和传递的概念解决结点力偶荷载作用下的计算问题，故称为力矩分配法。的计算问题，故称为力矩分配法。远端支承情况远端支承情况转动刚度转动刚度传递系数传递系数固固 定定4i0.5铰铰 支支3i0滑滑 动动i1 各杆的远端则有传递系数乘以近端弯矩（或分配弯矩）的远各杆的远端则有传递系数乘以近端弯矩（或分配弯矩）的远端弯矩，也称端弯矩，也称传递弯矩传递弯矩。现在学习的是第12页，共25页单结点连续梁或刚架跨间有荷载作用时单结点连续梁或刚架跨间有荷载作用时例：例：32kN20kN/mABCMBMFBAMFBCMBBABCMB 解：解：1 1、先在、先在B B点加上点加上阻止转动的约束力矩阻止转动的约束力矩MB，这时，这时B B点相当于固点相当于固端，查表端，查表6-16-1求得各固端求得各固端弯矩。弯矩。MFBA=qL2/12=60kNmMFAB=qL2/12=60kNmMFBC=3PL/16=36kNmMFCB=0所以：所以：MB=6036=24kNm 2 2、放松结点、放松结点B B，这相当于在结点，这相当于在结点B B上上加一个外力偶加一个外力偶（MB），按分配系数，按分配系数分配于两杆的分配于两杆的B B端，并使两杆的远端端，并使两杆的远端产生传递弯矩。具体计算如下：产生传递弯矩。具体计算如下：32kN20kN/m3m3m6mABCEIEI设设 i=EI/6现在学习的是第13页，共25页AC32kN20kN/m3m3m6mABCEIEISBA=4i SBC=3i 分配系数：分配系数：BA=4/7=0.571BC=3/7=0.429分配弯矩：分配弯矩：MBA=0.571(24)=13.7kNmMBC=0.429(24)=10.3kNm传递弯矩：传递弯矩：MAB=0.5(13.7)=6.85kNmcMCB=0c最后杆端弯矩：最后杆端弯矩：MAB=MFAB MCAB=66.85kNmMBA=MFBA MBA=46.3kNmMBC=MFBC MBC=46.3kNmMCB=060603600.571 0.42913.710.36.85046.366.8546.3066.8546.39033.434824.85AMM图图（kNmkNm）现在学习的是第14页，共25页多结点的力矩分配多结点的力矩分配32kN20kN/mABCD步骤：步骤：1、先锁：、先锁：加约束锁紧全部刚结点，计算各杆的固端弯矩加约束锁紧全部刚结点，计算各杆的固端弯矩和结点的约束力矩。约束力矩和结点的约束力矩。约束力矩 MB=MfBj 2、逐次放松：、逐次放松：每次放松一个结点（邻近结点仍锁住）每次放松一个结点（邻近结点仍锁住）进行单结点的力矩分配和传递。轮流放松各结点，经多进行单结点的力矩分配和传递。轮流放松各结点，经多次循环后各结点渐趋平衡。实际计算一般进行次循环后各结点渐趋平衡。实际计算一般进行23个循环个循环就可获得足够的精度。就可获得足够的精度。3、叠加：、叠加：将各次计算所得杆端弯矩相加（代数和）就将各次计算所得杆端弯矩相加（代数和）就得到杆端弯矩，即：得到杆端弯矩，即：M=MfM分配分配M传递传递现在学习的是第15页，共25页1、力矩分配法的适用条件：、力矩分配法的适用条件：无侧移刚架和连续梁。无侧移刚架和连续梁。力矩分配法要点力矩分配法要点2 2、力矩分配法的基本参数、力矩分配法的基本参数（1 1）、转动刚度）、转动刚度 SAB*固固 4i*铰支铰支 3i滑滑 i其中其中 i=EI/L（2 2）、分配系数）、分配系数AB AB=SAB SAA（3 3）、传递系数）、传递系数 CAB*固定固定 CAB=0.5*铰铰 支支CAB=0 现在学习的是第16页，共25页重点：掌握三跨连续梁两节点的分配如：6m30kNABCD4kN/m8m3m3mA40kN10kN/mBCD4m4m8m8mi=1i=1i=1EI3EI2EI注意：各段的线刚度现在学习的是第17页，共25页题型题型5 5、用力矩分配法绘制图示连续梁的弯矩图。、用力矩分配法绘制图示连续梁的弯矩图。EIEI为常数。为常数。6m30kNABCD4kN/m8m3m3m注意：查表时对应符号现在学习的是第18页，共25页APBABPAB注意：注意：BA现在学习的是第19页，共25页1、计算各杆的固端计算各杆的固端 弯矩弯矩MfMfAB=0=1/8462=18MfBC=-1/8PL=-1/8306=-22.5MfCB=1/8PL=1/8306=22.5MfCD=MfDC=02、计算转动刚度转动刚度 S和分配系数和分配系数 B节点SBA=3i3EI/6SBC=4i4EI/6C节点SCB=4i4EI/6SCD=4i=4EI/8B节点C节点BA=SBA SBA+SBCBC=SBc SBA+SBC=3/7=4/7 SCB+SCDCB=SCBCD=SCD SCB+SCD=3/7=4/7现在学习的是第20页，共25页03/74/74/73/71822.522.50012.859.656.4254.8254.6856.2383.121.781.340.670.890.380.51023.06723.06710.9910.995.495(45)23.06710.995.495(18)M图(kNm)结果列入表格现在学习的是第21页，共25页例：用力矩分配法作图示梁的弯矩图。例：用力矩分配法作图示梁的弯矩图。A80kN20kN/mBCD4m4m8m8mi=1i=1i=1解：计算分配系数解：计算分配系数BA=4141 41=0.5BC=4141 41=0.5 0.5 0.5 0.571 0.429808080800 00 01601600 091.3691.3668.6468.6445.6845.6862.8462.8462.8462.8431.4231.4231.4231.4217.9417.9413.4813.488.978.974.4854.485 4.4854.4852.242.242.242.241.281.280.960.960.640.640.320.320.320.32113.66113.6612.3612.3612.3612.3676.9276.9276.9276.920 0现在学习的是第22页，共25页113.66113.6612.3612.3616096.9196.9176.9276.92160121.54121.54ABCDMM图图（kNmkNm）0.5 0.5 0.571 0.429808080800 00 01601600 091.3691.3668.6468.6445.6845.6862.8462.84 62.8462.8431.4231.4217.9417.9413.4813.488.978.974.4854.485 4.4854.4852.242.242.242.241.281.280.960.960.640.640.320.32 0.320.3212.3612.36 12.3612.3676.9276.92 76.9276.920 0113.66113.6631.4231.42现在学习的是第23页，共25页3030kN/m4040kN8 8m8 8m4 4m4 4m2EI2EI2EI2EIEIEIA AB BC CD D分配系数分配系数固端弯矩固端弯矩分配弯矩分配弯矩 及及传递弯矩传递弯矩0.60.40.40.600-160160-600966432-52.8-79.2-26.40最后杆端弯矩最后杆端弯矩15.8410.5605.28-2.11-3.170-1.060.640.4200.210.21-0.08-0.13112.48-112.48142.5-142.500现在学习的是第24页，共25页力矩分配法解题注意事项：力矩分配法解题注意事项：1、力矩分配（放松结点）过程宜从约束力矩大的结点开始，、力矩分配（放松结点）过程宜从约束力矩大的结点开始，可加快收敛速度。可加快收敛速度。2、进行力矩分配时，相邻结点不可同时放松，应逐个放松、进行力矩分配时，相邻结点不可同时放松，应逐个放松、传递。当结点较多（大于传递。当结点较多（大于3个）时，可以同时放松所有的不个）时，可以同时放松所有的不相邻结点，以加快计算过程。相邻结点，以加快计算过程。3、力矩分配法是一种增量渐近法，精度可以控制。一、力矩分配法是一种增量渐近法，精度可以控制。一般当传递力矩达到固端弯矩的般当传递力矩达到固端弯矩的5 以下时，即可终止计算，以下时，即可终止计算，不再传递力矩。不再传递力矩。现在学习的是第25页，共25页