第九章力矩分配法PPT讲稿.ppt

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1、第九章 力矩分配法第1页，共28页，编辑于2022年，星期二9.4 无剪力分配法无剪力分配法一、两个概念一、两个概念1 1、有侧移杆与无侧移杆、有侧移杆与无侧移杆杆件杆件两端没有垂直于杆轴的相对线位移两端没有垂直于杆轴的相对线位移，称无侧移杆，称无侧移杆杆件两端在垂直杆轴的方向上有相对线位移，称有侧移杆杆件两端在垂直杆轴的方向上有相对线位移，称有侧移杆2 2、剪力静定杆、剪力静定杆杆件内的各截面剪力可以杆件内的各截面剪力可以由静力平衡条件唯一确定由静力平衡条件唯一确定的杆的杆称为剪力静定杆称为剪力静定杆BAC图（图（A）第2页，共28页，编辑于2022年，星期二1 1、刚架特点：竖杆为剪力静定

2、杆，节点、刚架特点：竖杆为剪力静定杆，节点A A水平移动时，竖杆除受本身的水平移动时，竖杆除受本身的弹性约束外无其他杆件或支座的约束。弹性约束外无其他杆件或支座的约束。位移法解题：位移法解题：一般一般A A处加刚臂，处加刚臂，C C点加支杆，基本结构如右下图点加支杆，基本结构如右下图力矩分配法：力矩分配法：通常只适用于计算仅以通常只适用于计算仅以节点角位移节点角位移为基本未知量为基本未知量 的结构。是位移法解决的结构。是位移法解决基本未知量中基本未知量中无节点线位无节点线位 移的结构移的结构其内力的一种近似方法其内力的一种近似方法二、无剪力分配法二、无剪力分配法CBA图（图（B）如如 果果某某

3、结结构构为为有有节节点点线线位位移移的的结结构构，但但独独立立的的节节点点线线位位移移可可以以不不作作为为位位移移法法基基本本未未知知量量，而而只只以以角角位位移移为为基基本本未未知知量量，因因而而也也可可以以用用力力矩矩分分配配法法计计算算。第3页，共28页，编辑于2022年，星期二图示刚架，若只取节点图示刚架，若只取节点A A的转角为基本未知量的转角为基本未知量，也就是只在节点，也就是只在节点A A施加施加刚臂控制节点转动、不加水平链杆控制节点水平位移，刚臂控制节点转动、不加水平链杆控制节点水平位移，则竖杆则竖杆ABAB成为成为上端定向支承、下端固端支承的单跨梁；上端定向支承、下端固端支承

4、的单跨梁；梁梁BCBC仍可看作左端固定、右端仍可看作左端固定、右端铰支的单跨梁（因铰支的单跨梁（因A A、C C两点同时等量左右移动时不引起内力，无侧两点同时等量左右移动时不引起内力，无侧移杆）。此时图移杆）。此时图D D仍是各基本单跨梁的组合体，可用仍是各基本单跨梁的组合体，可用位移法（留为位移法（留为作业），作业），因此也可直接用因此也可直接用力矩分配法力矩分配法。BCA图（图（D）BAC图（图（C）第4页，共28页，编辑于2022年，星期二BACBACABMAB-MABQ=0SAB=iAB CAB=-1加刚臂阻止转动加刚臂阻止转动ASAB=iAB SAC=3iAC放松节点使产生真实转角放

5、松节点使产生真实转角(节点节点A处产生处产生不平衡力矩不平衡力矩)(A处不平衡力矩处不平衡力矩反号后待分配反号后待分配)右右2图图A处实际转角时，处实际转角时，水平杆在水平杆在A端有转动刚端有转动刚度，度，AB杆受弯（参与杆受弯（参与A节点不平衡力矩的分配）节点不平衡力矩的分配）右右1图因节点图因节点A,C 同时水同时水平移动，平移动，AC 杆作刚体平杆作刚体平 移不引起内力移不引起内力B第5页，共28页，编辑于2022年，星期二由以上知：由以上知：1）此类结构中侧移杆皆为剪力静定杆的有侧移刚架可采用力矩分配法（不）此类结构中侧移杆皆为剪力静定杆的有侧移刚架可采用力矩分配法（不这样称呼），此剪

6、力静定杆在力矩分配和传递时剪力为零，因此称为这样称呼），此剪力静定杆在力矩分配和传递时剪力为零，因此称为无剪无剪力分配法力分配法。2）求）求剪力静定杆剪力静定杆的固端弯矩时，对节点角位移处施加刚臂，按的固端弯矩时，对节点角位移处施加刚臂，按该端该端滑动、远端固定的杆滑动、远端固定的杆在在杆端剪力和杆上荷载共同作用下杆端剪力和杆上荷载共同作用下通过通过查载常数表查载常数表确定固端弯矩确定固端弯矩（若某剪力静定杆上（若某剪力静定杆上无直接作用荷载无直接作用荷载则可则可先由平衡条件求出杆端剪力先由平衡条件求出杆端剪力；将杆端剪力看作杆端荷载，按将杆端剪力看作杆端荷载，按该端滑动、远端固定该端滑动、远

7、端固定杆件计算固端弯杆件计算固端弯矩）矩）3）剪力静定杆件剪力静定杆件的转动刚度的转动刚度 S=i；传递系数；传递系数 C=-1。4）AC杆的计算与以前一样。杆的计算与以前一样。第6页，共28页，编辑于2022年，星期二三、应用条件三、应用条件结构中有线位移的杆件其剪力是静定的。结构中有线位移的杆件其剪力是静定的。即：刚架中除了无侧移杆外，其余有侧移杆件全是剪力静定杆。即：刚架中除了无侧移杆外，其余有侧移杆件全是剪力静定杆。PPPPPPABCDPPPABCD柱剪力图柱剪力图P2P3P剪力分配法剪力分配法（按侧移刚度分配）（按侧移刚度分配）第7页，共28页，编辑于2022年，星期二例题例题1、用

8、无剪力分配法求图示刚架的弯矩图。用无剪力分配法求图示刚架的弯矩图。解：选取结点角位移为基本未知解：选取结点角位移为基本未知量，加刚臂成基本体系，竖杆为量，加刚臂成基本体系，竖杆为剪力静定杆件，可用无剪力分配剪力静定杆件，可用无剪力分配法。法。（1）求固端弯矩）求固端弯矩MF2m2m4m5kNABC1kN/mi1=4i2=3BABC5KN第8页，共28页，编辑于2022年，星期二（2）求杆端转动刚度）求杆端转动刚度S、分配系数、分配系数 和传递系数和传递系数C0.20.8-2.67-3.75-5.331.285.14-1.28-1.391.39-6.61BAi2i2i2SBCSBA3i1CB1.

9、395.706.61M M图图(kNm)1.39第9页，共28页，编辑于2022年，星期二四、多四、多层单层单跨剪力静定刚架跨剪力静定刚架MAB1 1）AB、BC杆是剪力静定杆，由静力条件求出杆端剪力杆是剪力静定杆，由静力条件求出杆端剪力；2）将杆端剪力作为杆端荷载，按）将杆端剪力作为杆端荷载，按该端滑动、另端固定该端滑动、另端固定求杆求杆 件固端弯件固端弯1、施加刚臂约束节点的转动，用于求固端弯矩。、施加刚臂约束节点的转动，用于求固端弯矩。P1P2ABCDEP1P2ABP1MBABCMBCMCBP1+P2第10页，共28页，编辑于2022年，星期二2、逐次释放节点转角，反号分配不平衡弯矩并传

10、递、逐次释放节点转角，反号分配不平衡弯矩并传递 同前述单层刚架，在结点力矩作用下，剪力静定的杆件其剪力均同前述单层刚架，在结点力矩作用下，剪力静定的杆件其剪力均为零，也就是说为零，也就是说在放松结点时，弯矩的分配与传递均在零剪力条件在放松结点时，弯矩的分配与传递均在零剪力条件下进行下进行，这就是无剪力分配法名称的来源。，这就是无剪力分配法名称的来源。BCDEASBA=iABSBE=3iBESBC=iBCQ=0Q=0iABABCBA=-1MBA=Q=0BECBC=-1AMBC=-MBCQ=0iBCBAD第11页，共28页，编辑于2022年，星期二无剪力分配法的应用无剪力分配法的应用符合倍数关系的

11、多跨刚架符合倍数关系的多跨刚架在一定条件下多跨刚架可以分解成几个单跨对称刚架，多跨刚架的变形在一定条件下多跨刚架可以分解成几个单跨对称刚架，多跨刚架的变形（内力）状态可以分解成几个单跨对称刚架的变形（内力）状态。（内力）状态可以分解成几个单跨对称刚架的变形（内力）状态。先讨先讨论刚架在什么条件下才可能合并成一个多跨刚架。论刚架在什么条件下才可能合并成一个多跨刚架。一、倍数定理一、倍数定理独立倍数刚架独立倍数刚架ADB1E1i1i2i1P1B2E2ni1ni2ni1CFnP1h 位移位移内力成内力成1:n 的关系的关系结论表明：两个刚架的线刚度与荷载均成比例时，结论表明：两个刚架的线刚度与荷载均

12、成比例时，内力也成比例而变形相等内力也成比例而变形相等。刚架刚架和刚架和刚架线刚度成线刚度成1:1:n刚架刚架和刚架和刚架 荷载成荷载成1:1:n第12页，共28页，编辑于2022年，星期二刚架的串联刚架的串联ADB1E1i1i2i1P=（1+n）P1B2E2ni1ni2ni1CF 刚架串联且荷载叠加后，两个刚架的内力和位移（变形）与原分开时相同（刚度刚架串联且荷载叠加后，两个刚架的内力和位移（变形）与原分开时相同（刚度成比例时荷载也按比例分配）。成比例时荷载也按比例分配）。独立倍数刚架独立倍数刚架ADB1E1i1i2i1P1B2E2ni1ni2ni1CFnP1 内力成比例而变形（位移）相等内

13、力成比例而变形（位移）相等多跨刚架多跨刚架ADi1i2BE （n+1）i1ni2ni1CFP=（1+n）P1在刚架串联中两个中间柱子的变形相同，故可合二为一，其线刚度为两个相邻柱线刚度之和，内在刚架串联中两个中间柱子的变形相同，故可合二为一，其线刚度为两个相邻柱线刚度之和，内力等于两个柱之和。力等于两个柱之和。合成条件为：各单跨对称刚架的线刚度及结点水平荷载应符合倍数关系。合成条件为：各单跨对称刚架的线刚度及结点水平荷载应符合倍数关系。第13页，共28页，编辑于2022年，星期二二、计算步骤二、计算步骤例例:10kN(1)(1)分解分解(2)(2)基本单元计算基本单元计算0.20.8-2.5-

14、2.50.52.0-0.5-2.02.0-3.0(3)(3)单元弯矩图单元弯矩图2232344646623224496（4 4）原刚架弯矩图）原刚架弯矩图3mM(kNm)第14页，共28页，编辑于2022年，星期二抗剪柔度：抗剪柔度：单位侧向力所引起的杆端相对侧移。通常以单位侧向力所引起的杆端相对侧移。通常以 表示。表示。2022/9/259.5 剪力分配法剪力分配法的本质及其适用范围剪力分配法的本质及其适用范围剪力分配法是计算承受水平结点荷载的刚架内力的一种实用算法，它剪力分配法是计算承受水平结点荷载的刚架内力的一种实用算法，它假定刚架横梁为无限刚性假定刚架横梁为无限刚性，即不，即不计刚性结

15、点转动的影响、只考虑结点的侧移，从而使位移法的计算大为简化。计刚性结点转动的影响、只考虑结点的侧移，从而使位移法的计算大为简化。即，即，剪力分配法的适用范围为：刚性横梁的排架或刚架承受水平结点荷载。剪力分配法的适用范围为：刚性横梁的排架或刚架承受水平结点荷载。v基本概念基本概念抗剪刚度与抗剪柔度抗剪刚度与抗剪柔度实际工程中，横梁不是无限刚性，所以剪力分配法的计算结果是近似的。当横梁与实际工程中，横梁不是无限刚性，所以剪力分配法的计算结果是近似的。当横梁与立柱的线刚度之比立柱的线刚度之比 时，剪力分配法的计算精度能满足工程要求。当时，剪力分配法的计算精度能满足工程要求。当 时计算误差较大，可通过

16、修正立柱的剪切刚度（如时计算误差较大，可通过修正立柱的剪切刚度（如D值法）来调整计算。值法）来调整计算。抗剪刚度：抗剪刚度：杆件两端发生单位相对侧移时所需的侧向力。通常以杆件两端发生单位相对侧移时所需的侧向力。通常以 D 表示。表示。排架排架(多用于工业厂房)刚架刚架(不宜用于抗震结构)与杆件材料、几何特征、约束形式有关第15页，共28页，编辑于2022年，星期二2022/9/25v基本概念基本概念抗剪刚度与抗剪柔度抗剪刚度与抗剪柔度两端固定的等截面柱单柱的抗剪刚度与抗剪柔度单柱的抗剪刚度与抗剪柔度力法可求：柱子剪力为抗剪刚度为单柱的抗剪柔度与抗剪刚度互为倒数，即反弯点反弯点相对高度系数一端铰

17、接、一端固定的等截面柱力法可求：柱子剪力为所以，抗剪刚度为抗剪柔度为反弯点相对高度系数第16页，共28页，编辑于2022年，星期二2022/9/25单柱的抗剪刚度与抗剪柔度单柱的抗剪刚度与抗剪柔度一端铰接、一端固定的单阶柱（主要用于大跨单层工业厂房）从而可得柱子的抗剪柔度和抗剪柔度（略）。力法可求：柱子剪力为 ，其中，柱子的串联与并联柱子的串联与并联剪力分配除了与单柱的抗剪刚度有关外，还与柱子的连接方式有关。剪力分配除了与单柱的抗剪刚度有关外，还与柱子的连接方式有关。柱间连接一般可分为串联和并联两种方式。柱间连接一般可分为串联和并联两种方式。并联体系并联体系对图示结构，有几何条件：(1)物理条

18、件：(2)平衡条件：(3)第17页，共28页，编辑于2022年，星期二2022/9/25并联体系并联体系对图示结构，有几何条件：(1)物理条件：(2)平衡条件：(3)满足上述满足上述变形条件变形条件和和受力特征受力特征的体系，称为并联体系的体系，称为并联体系。所有柱子两端相对侧移 相同 代入，得 ；其中 ，称为结构总抗剪刚度。柱子剪力记 ，称为剪力分配系数剪力分配系数。（剪力平衡）并联体系结构总抗剪刚度等于柱子抗剪刚度之和，柱子剪力与柱子抗剪刚度成正比。并联体系结构总抗剪刚度等于柱子抗剪刚度之和，柱子剪力与柱子抗剪刚度成正比。第18页，共28页，编辑于2022年，星期二2022/9/25串联体

19、系串联体系对图示结构，有几何条件：(1)物理条件：(2)平衡条件：(3)满足上述满足上述变形条件变形条件和和受力特征受力特征的体系，称为并联体系。的体系，称为并联体系。代入，得 ；其中 ，称为结构总抗剪柔度。串联体系结构总抗剪柔度等于柱子抗剪柔度之和，柱子侧移与柱子抗剪柔度成正比。串联体系结构总抗剪柔度等于柱子抗剪柔度之和，柱子侧移与柱子抗剪柔度成正比。所有柱子剪力相同 第19页，共28页，编辑于2022年，星期二2022/9/25串并联体系的电工学模拟串并联体系的电工学模拟荷载作用点阳极地基基础阴极刚性梁导线弹性柱电阻已知条件总水平荷载电压柱抗剪刚度电阻值柱子剪力电流计算值两点说明两点说明柱

20、子的串并联关系除了与结构体系有关外，还与荷载作用位置有关。（A)（B)例：试分析图（A）和（B）所示结构中柱子的串并联关系。所有梁均为刚性梁，所有柱均为弹性柱。两部分并联三部分并联串并联体系的总抗剪刚度和总抗剪柔度计算公式只适用于无结点角位移的情况。例：对于图（C）所示单阶柱，上段柱的抗剪柔度为 ，下段柱的抗剪柔度为 ，两段柱子串联，故，总抗剪柔度为 。上述计算是否正确？（C）CAB不正确，因为结点C有角位移。P(1)P(2)P(1.1)P(1.2)P(1)P(2)P(3)P(3)表示力的传递路线第20页，共28页，编辑于2022年，星期二2022/9/25v应用例题应用例题【解解】首先分析柱

21、子的串并联关系。【例例1】试用剪力分配法绘制图示刚架的弯矩图。各柱子试用剪力分配法绘制图示刚架的弯矩图。各柱子 。力的传递与分配关系力的传递与分配关系P(1)P(2)P(3)P(4)P(4)P(4.1)P(4.2)由力的分配与传递路线可见：a、b、c与defg（d、e、f、g的联合体）并联；defg中d、e与fg串联；fg中f与g并联。结构变形图结构变形图荷载作用点位移最大，柱子的串并联关系也可以根据结构的变形图判别。柱子的串并联关系也可以根据结构的变形图判别。能否画出本例结构的变形图？能否画出本例结构的变形图？第21页，共28页，编辑于2022年，星期二2022/9/25v应用例题应用例题【

22、解解】首先分析柱子的串并联关系【例例1】试用剪力分配法绘制图示刚架的弯矩图。各柱子试用剪力分配法绘制图示刚架的弯矩图。各柱子 。计算剪力分配系数和柱子的剪力剪力分配系数只与相对刚度有关，为了简化计算，记，则f、g并联d、e、fg串联a、b、c、defg并联2092092091761768888柱子剪力柱子剪力(kN)如何确定柱子的剪力方向？如何确定柱子的剪力方向？根据剪力平根据剪力平衡条件或变衡条件或变形特征判别形特征判别剪力方向剪力方向第22页，共28页，编辑于2022年，星期二2022/9/25v应用例题应用例题【例例1】试用剪力分配法绘制图示刚架的弯矩图。各柱子试用剪力分配法绘制图示刚架

23、的弯矩图。各柱子 。2092092091761768888柱子剪力柱子剪力(kN)根据柱子的反弯点和剪力计算并绘制弹性柱子的弯矩图【解解】首先分析柱子的串并联关系计算剪力分配系数和柱子的剪力弯矩图弯矩图(kNm)41841841841841841817617635235288888888根据柱子的杆端弯矩，利用结点力矩平衡条件，确定刚性横梁的端弯矩值注意：注意：并非所有刚梁的端弯矩均能通过平衡条件充分确定。该结点左右两侧的杆端弯矩的计算属于超静定问题，必须考虑变形协调，在横梁刚度无穷大的条件下无法确定。通常假定两侧转动刚度相同，从而将结点不平衡力矩均分。418209209242440第23页，

24、共28页，编辑于2022年，星期二2022/9/25v应用例题应用例题【解解】剪力分配法只适用于结点荷载，对于非结点荷载必须等效化成结点荷载。【例例2】试用剪力分配法绘制图示排架的弯矩图。试用剪力分配法绘制图示排架的弯矩图。【例例3】试用剪力分配法绘制图示刚架的弯矩图。各柱子试用剪力分配法绘制图示刚架的弯矩图。各柱子 。67.5kNm45kNm112.5kNm多个结点荷载共同作用时，有以下两种处理方式：应用叠加原理：一次考虑一个结点荷载，然后叠加。将不同结点上的荷载等效化成同一结点上的荷载。两个荷载共同作用，如何处理？两个荷载共同作用，如何处理？第24页，共28页，编辑于2022年，星期二2022/9/25v应用例题应用例题【方法一方法一】应用叠加原理分解应用叠加原理分解【方法二方法二】将荷载向同一结点等效将荷载向同一结点等效R RR R均可剪力分配均可剪力分配第25页，共28页，编辑于2022年，星期二2、用 位 移 法 计 算 图 示 结 构，并 作 M 图。第26页，共28页，编辑于2022年，星期二3、用 位 移 法 计 算 图 示 结 构，并 作 M 图。第27页，共28页，编辑于2022年，星期二4、用 位 移 法 计 算 图 示 结 构，并 作 M 图。第28页，共28页，编辑于2022年，星期二