工程力学位移法计算超静定结构.ppt

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1、v位移法基本概念v等 截 面 直 杆 的 杆 端 力v位移法基本未知量v位移法之典型方程法v无 侧 移 刚 架、有 侧 移 刚 架算 例v位移法之直接平衡法v位 移 法 计 算 对 称 结 构v支 座 移 动 和 温 度 改 变 时 的 计 算11、超静定结构计算的总原则:欲求超静定结构先取一个基本体系,然后让基本体系在受力方面和变形方面与原结构完全一样。力法的特点：基本未知量多余未知力；基本体系静定结构；基本方程位移条件 （变形协调条件）。位移法的特点：基本未知量 基本体系 基本方程 独立结点位移平衡条件？一组单跨超静定梁11-1 位移法的基本概念2llqEI=常数ABCAqABCAF1F1

2、=0qABCF1Pql2/12ql2/12ABCAF11AAql2/12F1P4iF11qABCql2/245ql2/48ql2/483ABMABQABQBAMBA1、杆端力和杆端位移的正负规定 杆端转角A、B ，弦转角 /l都以顺时针为正。杆端弯矩对杆端以顺时针为正 对结点或支座以逆时针为正。用力法求解i=EI/l2、形常数：由单位杆端位移引起的杆端力MAB0MBA014i2iM11-2 等截面直杆的杆端力（形常数、载常数）4由单位杆端位移引起的杆端力称为形常数（表11-1）。单跨超静定梁简图MABMBAQAB=QBA4i2i=1ABAB1AB10AB=13i0AB=1ii063、载常数:由

3、跨中荷载引 起的固端力X1=1P/11 =3ql/81=11X1+1P=0ql2/2MPqBmABl，EIlX1=1DP1-=-=EIqlllqlEI84323114211d=EIlllEI3322132ql2/8 各种单跨超静定梁在各种荷载作用下的杆端力均可按力法计算出来，这就制成了载常数表11-2（P241）M图74、转角位移方程：杆端弯矩的一般公式：QBAQABMBAMABPMBAMAB=+P+mAB+mBA0BAQ0ABQBAQABQABMABQABQBAMBA5、已知杆端弯矩求剪力：取杆件为分离体建立矩平衡方程：转角位移方程注：1、MAB,MBA绕杆端顺时 针转向为正。2、是简支梁的

4、剪力。0ABQ81、基本未知量的确定：PPCDC 为了减小结点线位移数目，假定：忽略轴向变形，结点转角和弦转 角都很微小。位移法的基本未知量是独立的结点位移；基本体系是将基本未知量完全锁住后，得到的超静定梁的组合体。结点角位移的数目=刚结点的数目PP即：受弯直杆变形前后，两端之间的距离保持不变。结论：原结构独立结点线位移的数目=相应铰结体系的自由度。相应铰结体系的自由度。=刚架的层数（横梁竖柱的矩形框架）。刚架的层数（横梁竖柱的矩形框架）。2、基本体系的确定：11-3 位移法的基本未知量和基本体系9结点转角的数目：7个123相应的铰接体系的自由度=3独立结点线位移的数目：3个 也等于层数 3结

5、点转角的数目：3个独立结点线位移的数目：2个 不等于层数 1位移法基本未知量结点转角独立结点线位移数目=刚结点的数目数目=铰结体系的自由度 =矩形框架的层数在确定基本未知量时就考虑了变形协调条件。10112112F1F2F1=0F2=0F1PF2Pk211=11 1 2k112=1k22k12位 移 法基本体系F1=0F2=0F11、F21(k11、k21)基本体系在1(=1)单独作用时，附加约束1、2中产生的约束力矩和约束力；F12、F22(k12、k22)基本体系在2(=1)单独作用时，附加约束1、2中产生的约束力矩和约束力；F1P、F2P 基本体系在荷载单独作用时，附加约束1、2中产生的

6、约束力矩和约束力；位移法方程的含义：基本体系在结点位移和荷载共同作用下，产生的附加约束中的总约束力(矩)等于零。实质上是平衡条件。11-4 位移法典型方程11n个结点位移的位移法典型方程 主系数 kii 基本体系在i=1单独作用时，在第 i个附加约 束中产生的约束力矩和约束力，恒为正；付系数 kij=kji 基本体系在j=1单独作用时，在第 i个 附 加约束中产生的约束力矩和约束力，可正、可负、可为零；自由项 FiP 基本体系在荷载单独作用时，在第 i个 附加约 束中产生的约束力矩和约束力，可正、可负、可为零；再由结点矩平衡求附加刚臂中的约束力矩，由截面投影平衡求附加支杆中的约束力。1215k

7、N/m48kN4m4m2m2miii15kN/m48kN11基本体系F1当F1=015kN/m48kN202036MPM120360F1P=162i4i3ii4i3iik11=8i解之:1=F1P/k11=2/i 利用 叠加弯矩图 1=11628 3030302M图(kN.m)k11F1P+13由已知的弯矩图求剪力：15kN/m48kN4m4m2m2mii1628 3030302M图(kN.m)ABCD3327+31.5+16.5Q图(kN)由已知的Q图结点投影平衡求轴力：031.5 33NBDNAB0BX=0NAB=0Y=0NBD=64.5校核：B30228MB=02764.516.515k

8、N/m48kNY=27+64.5+16.5154+48 =014 位移法计算步骤可归纳如下：（位移法计算步骤可归纳如下：（P P2222）1 1）确定基本未知量；）确定基本未知量；2 2）确定位移法基本体系；）确定位移法基本体系；3 3）建立位移法典型方程；）建立位移法典型方程；4 4）画单位弯矩图、荷载弯矩图）画单位弯矩图、荷载弯矩图;5)5)由平衡求系数和自由项；由平衡求系数和自由项；6 6）解方程，求基本未知量；）解方程，求基本未知量；7 7）按）按 M=M M=Mi ii i+M+MP P 叠加最后弯矩图。叠加最后弯矩图。8 8）利用平衡条件由弯矩图求剪力；由剪力图求轴力。）利用平衡条

9、件由弯矩图求剪力；由剪力图求轴力。9 9）校核平衡条件。）校核平衡条件。1520kNABC3m3m6mii2kN/mABC16.7211.5792kN/m20kNABC1 1）确定基本未知量）确定基本未知量1 1=B B ；2 2）确定位移法基本体系；）确定位移法基本体系；3 3）建立位移法典型方程；）建立位移法典型方程；4 4）画）画M M、M MP P;由平衡求系由平衡求系 数和自由项；数和自由项；15159F1P15 9 F1P=159=61=12i4i ABC3ik114i 3i k11=4i+3i=6i5 5）解方程，求基本未知量；）解方程，求基本未知量；6 6）按）按 M=MM=M

10、i ii i+M+MP P 叠加最后弯矩图叠加最后弯矩图30M图 (kN.m)11.5711.577 7）校核平衡条件）校核平衡条件MB=0MPM111-5 位移法计算连续梁无侧移刚架164I4I5I3I3I1110.750.5i=1110.750.5ABCDEF5m4m4m4m2m20kN/m例：作弯矩图1 1、基本未知量、基本未知量2 2、基本体系、基本体系BAqlm=8420822mkN=.40BCqlm-=-=125201222CBmkNm=.7.41mkN-=.7.41令EI=1F1P=4041.7=1.7ABCDEF20kN/m3 3、典型方程、典型方程4 4）画）画M MP P、

11、M Mi i;由平衡求由平衡求k kijij、F FiPiP4041.741.7MPM1F2P=41.7ABCDEF3i4i2i3i1.5ik11=4i+3i+3i=10ik21=2i17M2ABCDEF3i4i2i2iik22=4i+3i+2i=9ik21=2i5 5）解方程，求基本未知量；）解方程，求基本未知量；M1ABCDEF3i4i2i3i1.5iABCDEF20kN/m4041.741.7MPABCDEF5m4m4m4m2m43.54046.924.562.514.79.84.93.41.7M图(kN.M)183kN/m8m4m2iii2213kN/m21F1F2F1=0F2=03k

12、N/mF1PF2Pk12k22乘2k11k21乘11=12=1F1Pk12k11F1Pk12k11F1Pk12k11F1Pk12k11F2Pk22k21F2Pk22k21F2Pk22k21F2Pk22k21F2Pk22k21 44MP F1P04 F1P=4 F2P=60F2P4i2i6i6i4i k11 k11=10i k21=1.5iM1 k12 0 1.5i k21 k22 M2 k12=1.5i k21=15i/161.5i1.5i0.75i解之:1=0.737/i，2=7.58/i利用 叠加弯矩图 13.624.425.69M图图(kN.m)11-6 位移法计算有侧移刚架 与线位移相

13、应的位移法方程是沿线位移方向的截面投与线位移相应的位移法方程是沿线位移方向的截面投影方程。方程中的系数和自由项是基本体系附加支杆中的影方程。方程中的系数和自由项是基本体系附加支杆中的反力，由截面投影方程来求。反力，由截面投影方程来求。191、转角位移方程：+mAB+mBAABMABQABQBAMBA两端刚结或固定的等直杆两端刚结或固定的等直杆一端铰结或铰支的等直杆一端铰结或铰支的等直杆一端为滑动支承的等直杆一端为滑动支承的等直杆MABAABMABABABMBA(4)已知杆端弯矩求剪力已知杆端弯矩求剪力11-9 用直接平衡法建立位移法方程20 位移法计算步骤可归纳如下：位移法计算步骤可归纳如下：

14、1 1）确定基本未知量；）确定基本未知量；2 2）由转角位移方程，写出各杆端力表达式；）由转角位移方程，写出各杆端力表达式；3 3）在由结点角位移处，建立结点的力矩平衡方程，）在由结点角位移处，建立结点的力矩平衡方程，在由结点线位移处，建立截面的剪力平衡方程，在由结点线位移处，建立截面的剪力平衡方程，得到位移法方程；得到位移法方程；4 4）解方程，求基本未知量；）解方程，求基本未知量；5)5)将已知的结点位移代入各杆端力表达式，得到将已知的结点位移代入各杆端力表达式，得到 杆端力；杆端力；6 6）按杆端力作弯矩图。）按杆端力作弯矩图。214I4I5I3I3I1110.750.5i=1110.7

15、50.5ABCDEF5m4m4m4m2m20kN/m例11-1 作弯矩图1、基本未知量B、C2、列杆端力表达式令EI=1BAqlm=8420822mkN=.40BCqlm-=-=125201222CBmkNm=.7.41mkN-=.7.41CCCFMqq=25.04BBEBMqq=5.175.02CBCBMqq+=7.4142CBBCMqq-+=7.4124BBAMq+=403CCFCMqq=5.02BBBEMqq=375.04CCDMq=33、列位移法方程0=+=CFCDCBCMMMM0=+=BEBCBABMMMM07.1210=-+CBqq07.4192=+CBqq4、解方程B=1.15

16、C=4.89=43.5=46.9=24.5=14.7=9.78=4.89MCBMCDMCF=3.4=1.7ABCDEF5m4m4m4m2m43.54046.924.562.514.79.84.93.41.7M图(kN.M)位移不是真值!5、回代6、画M图MBAMBCMBE22B3kN/m8m4m2iiiABCD)2(3=iMBBCq12434642+D-=iiMBBAq12434622-D-=iiMBABq0,0=+=QQXCDBA0,0=+=MMMBCBAB43D-=iMDC045.110=+D-iiBq1630D=+-=ilMQDCCD0616155.1=-D+-iiBJ6435.10-D

17、+-=+-=iiQlMMQBBABAABBAq解之：=0.74/i=7.58/i=13.89=4.42=4.44=5.694.424.4413.895.69M图(kN.m)1、基本未知量B、2、列杆端力表达式3、列位移法方程4、解方程5、回代6、画M图23Ph1h2h3I1I2I3作图示刚架的弯矩图。忽略梁的轴向变形。解：1）基本未知量只有2）各柱的杆端剪力侧移刚度J=3i/h2，则：Q1=J1，Q2=J2，Q3=J3Q1+Q2+Q3=PJ1+J2+J3=PPQ1Q2Q3iihJPJM=Qihi=i iJPJQ=P柱顶剪力：柱底弯矩：JhPJ11JhPJ33JhPJ223）位移法方程X=0M结

18、点集中力作为各柱总剪力，按结点集中力作为各柱总剪力，按各柱的侧移刚度分配给各柱。再各柱的侧移刚度分配给各柱。再由反弯点开始即可作出弯矩图。由反弯点开始即可作出弯矩图。仅使两端发生单位侧移时需在两仅使两端发生单位侧移时需在两端施加的杆端剪力。端施加的杆端剪力。24iilPEI=ABCD122liJBD=32liJAC=54/12/3/12222PlililiPJPJQBDBD=+=5/12/3/3222PlililiPJPJQACAC=+=M图PP/5P/5P/5P/54P/5l/2l/24P/54P/54P/5Pl/52Pl/52Pl/526122liJBD=32liJAC=54PJPJQBD

19、BD=5PJPJQACAC=ii8mEI=ABCD10kN/miiEI=ABCD10kN/mR3ql/8=30kNR=30kN=6kN=24kN4m4mR30kN80 6 6 648 24 24 24 96 96 M图(kN.M)12880 96 96 2712kN/m12kN/m12kN/m12kN/m24kN/m4m4m4mEIEIEI2EIEI2424 2472724208208M反对称M对称921643252M图(kN.m)4811-8 对称结构的计算2812kN/m4m3m4m4m4I4I5I4I5I4m12kN/mi=1i=1ACB ACAM2q=AACMq=4ABAMq+=162

20、Aq-=164AABMq-=12412420=+=ACABAMMM20168=-AAqqMABMACA=8kN.m=20kN.m=8kN.m=4kN.m482024482024M图图(kN.m)1）斜梁（静定或超静定）受竖向荷载作用时，其弯矩图与同跨度同荷载的水平梁弯矩图相同。2）对称结构在对称荷载作用下，与对称轴重合的杆弯矩=0，剪力=0。31 1)支座移动时的计算 基本方程和基本未知量以及作题步骤与荷载作用时一样,只是固端力一项不同。lliiABCMMBCBA=+0lBD=2qliiB=D-036qliiMBBCD-=33qiMBBA=3qliD-5.1=liD5.1=liD5.1M图*1

21、1-7 支座移动和温度改变时的计算32lliiABClliiABClliiABC/2/2/2/2liD5.1M反=033固端弯矩杆件内外温差产生的“固端弯矩”温变产生的轴向变形使结点产生已知位移，从而使 杆端产生相对横向侧移产生的“固端弯矩”CC对称结构对称荷载，对称轴上的点无转角和水平侧移立柱可自由伸长不产生内力，横梁伸长时，柱子产生侧移=TLM=3i/hllllhlllllh升温TCL2)温度改变时的计算346m6m4mCo30-Co30-Co10Co10Co30-例：图示结构各杆尺寸相同，截面高度h=0.6m。作弯矩图。6mCo30-Co30-Co106mCo10-Co10-Co10-Co10-Co20-Co20Co106mCo10Co20-Co20Co0Co0ABCDABCDAB柱缩短t0 l=40CD柱伸长t0 l=40BC梁缩短t0 l=60各杆端的相对线位移AB=60 BC=80mAB=mBAmBC=mCB356mCo20-Co20Co20-Co20Co0Co0ABCDmAB=mBA mBC=mCB杆端弯矩为aq4.5=Baq01.967.1=-BEIEI=86.5EI=49.6EI=81.8EI=49.7EI6m6m4m86.5M图EI49.781.83637