结构力学(朱慈勉版)上.ppt

第6章 结构位移的计算,6.1 概述,一、结构的位移,1、线位移,结构在外部因素作用下，将产生尺寸形状的改变，这种改变称为变形；由于变形将导致结构各结点位置的移动，于是产生位移。,（1）水平线位移： H,（2）铅直线位移： V,2、角位移：,3、“相对位移”与“绝对位移”,第6章,2、计算超静定结构必须考虑位移条件。,4、上述各种位移统称为“广义位移”。与广义位移相对应的力称为“广义力”。,1、刚度验算：电动吊车梁跨中挠度 fmaxl/600。,二、计算结构位移的目的,3、施工技术的需要。,第6章,4、结构的动力计算和稳定分析中，都常需计算结 构的位移。,4、当杆件同时承受轴力与横向力作用时， 不考虑由于杆弯曲所引起的杆端轴力对弯矩及弯曲变形的影响。,满足以上要求的体系为“线变形体系”。因位移与荷载为线形关系，故求位移时可用叠加原理。,三、计算位移的有关假定,3、结构各部分之间为理想联结，不计摩擦阻力。,2、小变形假设。变形前后荷载作用位置不变。,1、结构材料服从“虎克定律”，即应力、应变成线形关系。,第6章,6.2 虚功原理,一、基本概念,1、功：一般来说，力所作的功与其作用点移动路线的形状、路程的长短有关。,2、实功：力由于自身所引起的位移而作功。作的功与其作用点移动路线的形状、路程的长短有关。,实功的计算式：,第6章,实功计算公式的建立,第6章,3、虚功：当位移与作功的力无关时，且在作功的过程中，力的大小保持不变，这样的功称为虚功。,式中为总位移D在力P方向的投影。,虚功的计算式为：,4、虚功对应的两种状态及应满足的条件：,（2）虚位移状态：为求真实力而虚设的位移状态，它应满足变形协调条。,（1）虚力状态：为求真实位移而虚设的力状态，它应满足静力平衡条件。,第6章,“杆件AB处于一静力可能的力状态，设另有一与其无关的几何可能的位移状态，则前者的外力由于后者的位移所做的虚外功T等于前者的切割面内力由于后者的变形所作的虚变形功V”。,二、变形杆件体系的虚功方程,虚功方程也可以简述为：“外力的虚功等于内力的虚变形功”。其具体表达式为：,当所研究的体系为刚体时，虚功方程则简化为：,第6章,二、变形杆件体系的虚功方程证明,令力状态上的力在位移状态的位移上作功,可得:,第6章,6.3 结构位移计算的一般公式 单位荷载法,一、虚功方程的意义及应用,1、意义：虚功方程的每一项都是广义力与广义位移的乘积。,2、虚位移原理：研究实际的平衡力系在虚设位移上的功，以计算结构的未知力（如支座反力等）。,3、虚力原理：研究虚设的平衡力系在实际位移上的功，以计算结构的未知位移（如挠度、转角等）。,第6章,1、定义：应用虚力原理，通过加单位力求实际位移的方法。,对上述两种状态应用虚功原理：,二、单位荷载法,第6章,2、计算结构位移的一般公式,位移状态,求哪个方向的位移就在要求位移的方向上施加相应的单位力。,三、如何施加单位荷载（求线位移、相对线位移）,第6章,施加单位荷载，求角位移、相对角位移,第6章,求哪个方向的位移就在要求位移的方向上施加相应的单位力。,6.4 荷载作用下静定结构的位移计算,一、位移计算公式的建立,根据材力公式：,因无支座移动：,第6章,二、位移计算公式的简化,1、梁和刚架（略去轴向变形和剪切变形影响）：,2、桁架（只考虑轴力影响）：,第6章,3、拱：一般只考虑弯曲变形,4、组合结构：,三、位移计算举例,第6章,对扁拱（压力线与拱轴接近）：,例题1 试求图示刚架A点的竖向位移AV。各杆材料相同，截面抗弯模量为EI。,第6章,解： （1）在A点加一单位力，建立坐标系如（图2）示，写出弯矩表达式,（2）荷载作用下（图1）的弯矩表达式,AB段：,BC段：,AB段：,BC段：,（3）将以上弯矩表达式代入求位移公式,第6章,例题2 试求图示桁架C点的竖向位移CV。各杆材料相同。,第6章,解： （1）在C点加一单位力，作出单位力作用下的桁架内力图（右图）,（2）作出荷载作用下的桁架内力图（左图）,第6章,例题3 试求图示半径为R的圆弧形曲梁B点的竖向位移BV。梁的抗弯刚度EI为常数。,第6章,解： （1）在B点加一单位力（右图） ，写出单位力作用下的弯矩表达式,（2）写出单位力作用下的弯矩表达式（左图）,第6章,练习题：试求图示连续梁C点的竖向位移CV和A截面的转角A ,截面抗弯模量为EI。,答案：,答案：,(1),(2),第6章,6.5 图乘法,一、图乘法应满足的条件,1、杆件为等截面直杆。,2、EI为常数。,第6章,二、图乘法证明,第6章,三、使用乘法时应注意的问题 1、yo必须取自直线图形,MK图,MP图,P,yo,第6章,MK图,MP图,1,y1,2、当MK为折线图形时，必须分段计算；,2,y2,第6章,MK图,MP图,1,y1,3、当杆件为变截面时亦应分段计算；,2,y2,第6章,4、图乘有正负之分：弯矩图在杆轴线同侧时，取正号； 异侧时，取负号。,MK图,MP图,P,yo,P,yo,第6章,MK图,MP图,1,y1,2,y2,5、若两个图形均为直线图形时，则面积、纵标可任意分别 取自两图形；,第6章,MK图,MP图,6、图乘时，可将弯矩图分解为简单图形，按叠加法分别 图乘。,a,b,c,d,l,第6章,MK图,MP图,6、图乘时，可将弯矩图分解为简单图形，按叠加法分别 图乘。,a,c,d,l,第6章,使用乘法时应注意的问题小结： 1、yo必须取自直线图形； 2、当MK为折线图形时，必须分段计算； 3、当杆件为变截面时亦应分段计算； 4、图乘有正负之分； 5、若两个图形均为直线图形时，则面积、纵标可任意分别取自两图形； 6、图乘时，可将弯矩图分解为简单图形，按叠加法分别图乘； 7、三角形、标准二次抛物线的面积、形心公式必须牢记。,第6章,解1（1）绘出荷载作用下的弯矩图（Mp图）,（2）为求C点的竖向位移，在C处加一单位力，绘出（Mk1图）,（Mp图）,（Mk1图）,例题 试求左图所示刚架C点的竖向位移AV和转角C。各杆材料相同，截面抗弯模量为:,第6章,解2： （1）绘出荷载作用下的弯矩图（Mp图）,（2）为求C点的转角，在C处加一单位力偶，绘出（Mk2图）,（Mp图）,（Mk2图）,例题 试求左图所示刚架C点的竖向位移AV和转角C。各杆材料相同，截面抗弯模量为:,第6章,6.6 静定结构在温度变化时的位移计算,一、由于温度改变引起的位移,图示悬臂梁由于温度改变而引起变形。为求CV，在C点加一单位力，根据求位移公式计算CV 。,第6章,将以上各式代入求位移的一般公式，可得温度改变位移计算式：,经分析：,若每一杆件沿其全长温度改变相同，且截面高度相同，则：,6.7静定结构支座移动时的位移计算,因支座移动不引起静定结构的内力，故虚功方程中变形功为零， 于是求位移公式简化为：,第6章,例题1 图示简支刚架内侧温度升高25C，外侧温度升高5C，各截面为 矩形，h=0.5m,线膨胀系数=1.010-5 ,试求梁中点的竖向位移 DV。,第6章,例题2 三铰刚架，支座B发生如图所示的位移：a=5cm,b=3cm,l=6m,h=5m。求由此而引起的左支座处杆端截面的转角A。,解：在要求位移方向上加单位力（图2），求出支座反力后依求位移公式计算位移：,（图2）,第6章,6.8 线弹性结构的互等定理,一、功的互等定理： 在线性变形体系中，状态一的外力由于状态二的位移所作的虚功等于状态二的外力由于状态一的位移所作的功。,P112=P221,二、位移互等定理： 如果作用在体系上的力是单位力，则在第一个单位力方向上，由于第二个单位力所引起的位移等于第二个单位力方向上，由于第一个单位力所引起的位移。,12=21,第6章,三、反力互等定理： 如果结构支座发生的是单位位移，则支座1由于支座2的单位位移所引起的反力r12等于支座2由于支座1的单位位移所引起的反力r21。,r12=r21,四、反力与位移互等定理： 由于单位荷载使体系中某一支座所产生的反力，等于该支座发生与反力方向相一致的单位位移时，在单位荷载作用处所引起的位移，唯符号相反。,r12=-21,第6章,一、 试绘制图示结构内力图。,二、试绘制图示结构弯矩图。,第6章,第6章,第6章,三、 试求图示桁架指定截面之内力。,第6章,A,B,C,D,P,P,0,E,1,1,（1）作1-1截面，研究其左半部：,（2）研究结点D：,（3）研究结点E：,K,第6章,P,P,1,2,3,4,a,a,a,a,a,a,A,B,C,P,P,0,3,3,（1）作1-1截面，研究其右半部：,（3）研究结点C：,1,1,2,2,D,n,0,0,0,0,0,（2）作2-2截面，研究其右半部：,作3-3截面，研究其左半部：,第6章,1,2,3,