结构力学课件：第六章《结构位移计算》.ppt

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1、A第六章 结构位移计算61 概述62 变形体系的虚功原理63 位移计算的一般公式64 静定结构在荷载作用下的位移计算65 图乘法66 静定结构温度变化时的位移计算67 静定结构支座移动时的位移计算68 线弹性结构的互等定理 61 概 述1.变形和位移 在荷载作用下，结构将产生变形和位移。变形：是指结构形状的改变。位移：是指结构各处位置的移动。2.位移的分类APA A线位移：角位移：A(A)AyAxAyAxA绝对位移相对位移PABCDCDC D CD=C+D返返返返 回回回回C D3.计算位移的目的 （1）校核结构的刚度。（2）结构施工的需要。除荷载外，还有一些因素如温度变化、支座移动、材料收缩

2、、制造误差等，也会使结构产生位移。结构力学中计算位移的一般方法是以虚功原理为 基础的。本章先介绍变形体系的虚功原理，然后讨论 静定结构的位移计算。（3）为分析超静定结构打基础。起拱高度返返返返 回回回回62 变形体系的虚功原理1.功、实功与虚功AdW=PdW=Pw=（a a）（1）功PdSS BdSdS CosCos dWdW=P PCosCos dSdS返返返返 回回回回常力功W=W=(b)(b)变力功由AB,W=W=（c c）力偶功PPAB（d d）dP AB常力常力 W=W=变力变力 W=W=P PCosCos 2 21 1P PCosCos M M 2 21 1M M 力由0PM=Pd

3、M=Pd返返返返 回回回回（2）实功与虚功实功：ABP11虚功：W=ABP22 力在其它因素引起的位移上所作的功。力与位移是彼此无关的量，分别属于同一体系的两种彼此无关的状态。例如：例如：W12=P12力在本身引起的位移上所作的功。12返返返返 回回回回 2.变形体的虚功原理：变形体平衡的必要和充分条件是：对任意微小虚位移，外力所作的虚功总和等于此变形体各微段上内力所作的变形虚功总和。（证明从略）即 W外=W内或写成W=Wi （61）式(61）称为虚功方程，式中 WWi外力虚功 内力虚功返返返返 回回回回AB力状态PqMdS内力虚功的计算给定力状态RARB给定位移状态位移状态位移状态dWi=N

4、du+QdS+MdWi=微段dS上内力的变形虚功为整个结构内力的变形虚功为（62)虚功方程为W=（63)qN NN+dNN+dNQQQ+dQQ+dQMMM+dMM+dMdSdsdSdudS dxdxd d dSAB返返返返 回回回回1.位移计算的一般公式 设平面杆系结构由 于荷载、温度变化及支 座移动等因素引起位移 如图示。P2P1KkkKK K利用虚功原理计算c1c2c3kkPK=1实际状态位移状态c1、c2、c3、Kdu、d、dsds虚拟状态力状态dsK外力虚功W=内力虚功Wi=可得 求任一指定截面K K 沿任一指定方向 kk 上 的 位 移K 。(75)t1t2(64)这便是平面杆系结构

5、位移计算的一般公式，若计算结 果为正，所求位移K与假设的 PK=1同向，反之反向。这种方法又称为单位荷载法单位荷载法。63 位移计算的一般公式 单位荷载法返返返返 回回回回2.虚拟状态的设置 在应用单位荷载法计算时，应据所求位移不同，设置相应的虚拟力状态。例如:A求求AHAH实际状态虚拟状态A1A求求 A A1虚拟状态AA虚拟状态虚拟状态B求求ABAB11B求求 ABAB11广义力与广义力与广义力与广义力与广义位移广义位移广义位移广义位移返返返返 回回回回64 静定结构在荷载作用下的位移计算 当结构只受到荷载作用时，求K点沿指定方向的位 移KP，此时没有支座位移，故式（64）为KP=式中：为虚

6、拟状态中微段上的内力；dP、duP、Pds为实际状态中微段上的变形。由材料力学知 （a）dP=duP=Pds=将以上诸式代入式（a a）得KP=（65）这就是平面杆件结构在荷载作用下的位移计算公式。这就是平面杆件结构在荷载作用下的位移计算公式。这就是平面杆件结构在荷载作用下的位移计算公式。这就是平面杆件结构在荷载作用下的位移计算公式。返返返返 回回回回讨讨 论论1.梁和刚架梁和刚架KP=（66）2.2.桁架桁架KP=（67）3.组合结构组合结构KP=（68）在实际计算时，根据结构的具体情况,式（65）可以简化：返返返返 回回回回 例 61 求图示刚架A点 的 竖 向位移Ay。E、A、I为常数。

7、ABCqL LLA实际状态实际状态实际状态实际状态虚拟状态虚拟状态虚拟状态虚拟状态ABC1解：1.设置虚拟状态xx选取坐标如图。则各杆弯矩方程为:AB段：x,BC段：2.实际状态中各杆弯矩方程为AB段：BC段：MP=MP=xx3.代入公式（66）得Ay=，()=(-x)(-2qx2)EIdx+(-L)(-2qL2)EIdx返返返返 回回回回65 图 乘 法KP=当结构符合下述条件时：（1）杆轴为直线；（2）EI=常数；上述 积分可以得到简化。MP图图 和M两个弯矩图 中至少有一个是直线图形。（3）xy面积面积 设等截面直杆AB段的两个弯矩图中，为一段直线，MP图为任意形状，ABO则上式中的ds

8、可用dx代替。ABMPdx故有=xtg,且tg=常数，则d=MPdxxEItgxMPdx=EItgxd 1.图乘法:计算梁和刚架在荷载作用下的位移时，要计算下面的积分返返返返 回回回回MP图xy形心形心C面积 ABOABMPdxd=MPdxxxC有yCyC=xCtg 则积分运算化简为一个弯矩图的面积乘以其形心处所对应的另一个直线弯矩图上的竖标 yC。如果结构上所有各杆段均可图乘则位移计算公式（66）可写成KP=(69)而EIxdtgEIxCtgEIyCEIyC返返返返 回回回回2.图乘法的注意事项 （1）必须符合上述三个前提条件；（2）竖标yC只能取自直线图形；（3）与yC若在杆件同侧则乘积取

9、正号，反之取负号。3.常用的几种简单图形的面积和形心Lh2L/3L/3Lhab（L+a)/3(L+b)/3形心形心返返返返 回回回回Lh二次抛物线顶点L/2二次抛物线Lh4L/5L/53L/85L/8 1 21=2/3(hL)2=1/3(hL)顶点返返返返 回回回回4.图乘的技巧 当图形的面积和形心位置不便确定时，将它分解成简单图形，之后分别与另一图形相乘，然后把所得结果叠加。例如：MP图abcd dL则ya=2/3c+1/3dyb=1/3c+2/3dMP图abcd dyayb此时ya=2/3c1/3dyb=2/3d1/3cybya返返返返 回回回回MAQAMAQBMBMB 对于在均布荷载作用

10、下的任何一段直杆，其弯矩图均可看成一个梯形与一个标准抛物线图形的叠加。叠加后的抛物线图形（）与原抛物线图形（）的面积大小和形心位置以及形心处的竖标仍然是相同的。ABL返返返返 回回回回 当yC所属图形是由若干段直线组成时，或各杆段的截面不相等时，均应分段相乘，然后叠加。123y1y2y3123y1y2y3=(1y1+2y2+3y3)I1I2I3=返返返返 回回回回 例 62 求下图所示刚架C、D两点间距离的改变。设EI=常数。ABCDLhq解：1.作实际状态的MP图。MP图2.设置虚拟状态并作。11hhyC=h3.按式（69）计算（）CD=EIyC=EI1(328qL2L)h=12EIqhL2

11、形心返返返返 回回回回 例 63 求图示刚架A点的竖向位移Ay。ABCDEIEI2EIPLLL/2解：1.作MP图、PPLMP图1L；2.图乘计算。Ay=（）EIyC=EI1(2LL2PL(L4=16EIPL2)-2EI123L)PL返返返返 回回回回 例 64 求图示外伸梁C点的竖向位移Cy。EI=常数。qABCL图11y2y3+解：1.作MP图2.作图3.图乘计算y1=y2=y3=Cy=y1MP图23返返返返 回回回回例 65 试求图示梁试求图示梁B端转角端转角解解:MPMi例 66 试求图示结构试求图示结构B点竖向位移点竖向位移解解:MPMi图图（）图图BAq例 67 求图示梁求图示梁(

12、EI=常数常数,跨长为跨长为l)B截面转角截面转角解解:例 69 已知已知 EI 为常数，求铰为常数，求铰C两侧截面相对转角两侧截面相对转角 。解：解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图lqllqMP例 610 已知已知 EI 为常数，求为常数，求A点竖向位移点竖向位移 。解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图qlllqMP例 611 图示梁图示梁EI 为常数，求为常数，求C点竖向位移。点竖向位移。l/2ql/2MP例 611 图示梁图示梁 EI 为常数，求为常数，求C点竖向位移点竖向位移。l/2ql/2MP例 611 图示梁图示梁 EI 为常数

13、，求为常数，求C点竖向位移点竖向位移。l/2ql/2MPlPlPl 图示结构图示结构 EI 为常数，求为常数，求AB两点两点(1)相对竖向位相对竖向位移移,(2)相对水平位移相对水平位移,(3)相对转角相对转角。MP1111对称弯矩图对称弯矩图反对称弯矩图反对称弯矩图 对称结构的对称弯矩图与对称结构的对称弯矩图与其反对称弯矩图图乘其反对称弯矩图图乘,结果结果为零为零.11PP11绘制变形图时，应根据弯矩图判断杆件的凹凸方向，注意绘制变形图时，应根据弯矩图判断杆件的凹凸方向，注意反弯点的利用。如：反弯点的利用。如：求求B点水平位移。点水平位移。解：解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图作荷载弯矩图和单

14、位荷载弯矩图MPll注意注意:各杆刚度各杆刚度可能不同可能不同 已知已知 EI 为常数，求为常数，求B截面转角。截面转角。MP解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图Mi解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图求求B点水平位移点水平位移,EI=常数。常数。lPllMP1MP解：解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图求求C、D两点相对水平位移两点相对水平位移 。lllMP 已知：已知：E、I、A为常数，求为常数，求 。ABCPaD解：作荷载内力图和单位荷载内力图解：作荷载内力图和单位荷载内力图ABCPaDABC1aD若把二力杆

15、换成弹簧若把二力杆换成弹簧,该如何计算该如何计算?B支座处为刚度支座处为刚度k的弹簧，该如何计算的弹簧，该如何计算C点竖向位移？点竖向位移？ABCk=1PABCk有弹簧支座的结构位移计算公式为有弹簧支座的结构位移计算公式为:解：解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图求求A点竖向位移点竖向位移,EI=常数常数。MPlllAkk66 静定结构温度变化时的位移计算 当静定结构温度发生变化时，由于材料热胀冷缩，结构将产生 变形和位移。设结构(见图)外侧温度升高 t1，内侧温度升高 t2,求K点的竖向位移Kt。t t1 1t t2 2KKKt 现研究实际状态中任一微段ds,由于温度

16、变化产生的变形。dsdsKt=此时由式（64）可得ht1t2t2dst1dsdtdut=(t1ds+t2ds)/2=tds(a)(b)KdsPK=1ds实虚式中dt=(t2ds-t1ds)/h=t=t2t1 (c)htds 式中将式（b)、(c)代入式（a)，得Kt=（610）温度变化不会引起剪切变形，即t=0返返返返 回回回回Kt（610）若各杆均为等截面时，则有Kt（611）在应用上面二式计算时，应注意正负号的确定。当实际温度变形与虚拟内力方向一致时其乘积为正，相反时为负。梁和刚架可略去轴力的影响。桁架在温度变化时的位移计算公式为Kt=（612）桁架因制造误差引起的位移计算与上式类似。设各

17、杆长度的制造误差为L,其位移计算公式为K=（613）返返返返 回回回回 例：65 图示刚架施工时温度为20，求冬季外侧温度为10，内侧温度为0时A点的竖向位移 Ay。已知L=4m，=105，各杆均为矩形截面，高度h=0.4m。LLt1t2实实解：外侧温度变化绘图，AA1虚虚1代入式（611），并注意正负号(判断)，LAy可得 t1=1020=30,内侧温度变 化 t2=020=20。t=(t1+t2)/2=25,t=t2t1=10返返返返 回回回回67 静定结构支座移动时的位移计算 对于静定结构，支座移动并不引起内力。此时，位移计算公式化简为Kc=（614）例：图示三铰刚架右边支座的竖向位移B

18、y=0.06m水平位移Bx=0.04m,已知 L=12m，h=8m。求A。hL/2L/2BxBxByBy实ABC解：虚拟状态如图。ABC1 由（614）式得A=0.0075rad虚返返返返 回回回回68 线弹性结构的互等定理（1）功的互等定理：第一状态M1、N1、Q1、P1、2112P12112P212 第二状态M2、N2、Q2、P2、12据虚功原理有 W21=Wi21W12=W21=或W12=W21故P112=P221（615），），（616）第一状态的外力在第二状态的位移上所作的虚功，等于第二状态的外力在第一状态的位移上所作的虚功。P112P221W12=Wi12，证明如下：返返返返 回回

19、回回 （2）位移互等定理:12P1=1 2112P2=1 12据功的互等定理112=121（影响系数）即12=21（617）P1=1AABBCCAM=1fCA=fc又如：第二个单位力所引起的第一 个单位力作用点沿其方向的位移，等于第一个单位力 所引起的第二个单位力作用点沿其方向的位移。有返返返返 回回回回 （3）反力互等定理：1=12=1据功的互等定理r121=r212即r12=r21 （618）（4）反力位移互等定理：支座1发生单位位移所引起 的支座2的反力，等于支座2发生单位位移所引起的支 座1的反力。12r2112r12 单位力所引起的某支 座反力，等于该支座发生单位位移时所引起的单位力 作用点沿其方向的位移。（略）返返返返 回回回回