结构力学 位移法PPT幻灯片课件.ppt

基本要求 熟练掌握位移法解题的基本原理和超静定梁 刚架在荷载作用下内力的计算 掌握位移法方程建立的两种途径 一是利用直接平衡法建立平衡方程 便于理解和手算 二是利用基本体系建立典型方程 为矩阵位移法打基础 便于用计算机电算 掌握对称性的利用 教学内容 位移法的基本概念 等截面直杆的形常数和载常数 位移法的基本未知量和基本体系 位移法方程 位移法计算连续梁和刚架 位移法计算对称结构 第7章位移法 一 位移法是计算超静定结构的另一种基本方法 分析超静定结构时 有两种基本方法 第一种 以多余未知力为基本未知量 先求其反力或内力 然后计算位移 力法 第二种 以结点未知位移为基本未知量 先求其位移 然后再计算内力 位移法 7 1位移法的基本概念 力法 由变形协调条件建立位移方程 位移法 由平衡条件建立的平衡方程 二 位移法与力法的区别 1 主要区别是基本未知量选取不同 力法 多余未知力作为基本未知量 位移法 结点位移 线位移和角位移 作为基本未知量 2 建立的基本方程不同 注意 力法的基本未知量的数目等于超静定次数 而位移法的基本未知量与超静定次数无关 1 刚结点所连接的各杆端截面变形后有相同的角位移 2 各杆端之间的连线长度变形前后保持不变 即忽略杆件的轴向变形 3 结点线位移的弧线运动用垂直于杆轴的切线代替 即结点线位移垂直于杆轴发生 三 位移法的基本假定 下面以一个例题来介绍一下位移法的解题思路 结点位移与杆端位移分析 四 位移法的基本思路 由方程解得 位移法方程 把 回代到杆端力的表达式中就可得到各杆的轴力 由结点平衡 由结点平衡或截面平衡 建立方程 结点位移回代 得到杆端力 总结一下直接平衡法解题的步骤 确定结点位移的数量 写出杆端力与杆端位移的关系式 解方程 得到结点位移 ql2 48 基本体系法解题要点 1 位移法的基本未知量是结点位移 3 位移法的基本方程是平衡方程 4 建立基本方程的过程分为两步 1 把结构拆成杆件 进行杆件分析 2 再把杆件综合成结构 进行整体分析 5 杆件分析是结构分析的基础 2 位移法的基本结构 单跨梁系 一 杆端力和杆端位移的正负规定 二 形常数和载常数 1 杆端转角 杆两端相对位移 以使杆件顺时针转动为正号 2 杆端弯矩 对杆端顺时针转动为正号 对支座或结点逆时针转动为正号 杆端剪力以使作用截面顺时针转动为正号 形常数 由单位杆端位移引起的单跨超静定梁的杆端力 载常数 由荷载引起的固端力 7 2等截面直杆的刚度方程 根据力法可求解 其中i EI l 称为杆件的线刚度 1 由杆端位移求杆端内力 形常数 图 1 图 2 1 求图 1 中的 A1 B1 a b c 2 求图 2 中 A2和 B2 3 叠加得到 变换式上式可得杆端内力的刚度方程 转角位移方程 由平衡条件得杆端剪力 见图 d d 由单位杆端位移引起的形常数 4i 2i 0 3i 0 i i 0 2 由荷载求杆端内力 固端弯矩和固端剪力 载常数 独立的结点位移 包括角位移和线位移 结点角位移数 刚结点的数目 独立结点线位移数 铰结体系的自由度 7 3位移法的基本未知量 一 位移法基本未知量 结点 指杆件与杆件的交结处 不包括支座结点 杆件 等截面的直杆 不能是折杆或曲杆 为了减少未知量 忽略轴向变形 即认为杆件的EA 2 有侧移结构 1 无侧移结构基本未知量 所有刚结点的转角 二 基本未知量的确定 例1 例2 例3 有两个刚结点E F D C 由于忽略轴向变形 E F D C点的竖向位移为零 E F点及D C点的水平位移相等 因此该结构的未知量为 例4 有两个刚结点B C 由于忽略轴向变形 B C点的竖向位移为零 B C点的水平位移相等 因此该结构的未知量为 结论 刚架 不带斜杆的 一个结点一个转角 一层一个侧移 有两个刚结点B C 由于忽略轴向变形及B C点的约束 B C点的竖向 水平位移均为零 因此该结构的未知量为 例7 例8 例9 结点转角的数目 7个 独立结点线位移的数目 3个 结论 该题有两个未知量 其中BA杆的线位移为 BC杆的线位移为 例10 B C 注意 1 铰处的转角不作基本未知量 2 剪力静定杆的杆端侧移也可不作为基本未知量 3 结构带无限刚性梁时 即EI 时 若柱子平行 则梁端结点转角为0 若柱子不平行 则梁端结点转角可由柱顶侧移表示出来 4 对于平行柱刚架不论横梁是平的 还是斜的 柱子等高或不等高 柱顶线位移都相等 7 4位移法举例 杆长为 l BA杆 BC杆 2 写出杆端力的表达式 3 建立位移法方程 取B结点 由 得 A EI B C EI q 例1 4 解方程 得 5 把结点位移回代 得杆端弯矩 6 画弯矩图 M图 例2 1 基本未知量 B C 2 列杆端力表达式 令EI 1 3 列位移法方程 4 解方程 B 1 15 C 4 89 43 5 46 9 24 5 14 7 9 78 4 89 3 4 1 7 62 5 3 4 M图 kN M 位移不是真值 5 回代 6 画M图 例3 取出B结点 求FQBA 求FQBC 把FQBCFQBA代入方程 中得 例4 1 未知量2个 位移法方程 求FQBA 取BA杆 由 小结 1 用位移法计算两类结构 无侧移 有侧移 思路与方法基本相同 2 在计算有侧移刚架时 同无侧移刚架相比 在具体作法上增加了一些新内容 在基本未知量中 要含结点线位移 在杆件计算中 要考虑线位移的影响 在建立基本方程时 要增加与结点线位移对应的平衡方程 7 5基本体系和典型方程法 2 建立基本体系 1 在每个刚结点处添加一个附加刚臂 阻止刚结点转动 不能阻止移动 2 在可能发生线位移的结点 加上附加链杆 阻止结点线位移 移动 一 位移法基本体系 1 基本体系 单跨超静定梁的组合体用位移法计算超静定结构时 把每一根杆件都作为单跨超静定梁看待 经过以上处理 原结构就成为一个由n个独立单跨超静定梁组成的组合体 即为位移法的基本体系 例 建立图示结构位移法的基本体系 基本体系 原结构 二 利用基本体系建立位移法方程 锁住 将原结构转换成基本体系 把原结构 拆成 孤立的单个超静定杆件 放松 将基本结构还原成原结构 即强行使 锁住 的结点发生与原结构相同的转角或线位移 2 位移法典型方程的建立与求解 1 基本原理 先锁 后松 原结构 基本体系 Z1 Z2 MP图 附加刚臂和链杆上产生的反力 由反力互等定理可知 求系数和自由项 取各个弯矩图中的结点或截面利用平衡原理求得 由MP图 位移法方程 如果结构有n个未知量 那么位移法方程为 是副系数 有正有负 由反力互等定理可知 物理意义是 由第j个结点位移发生单位位移后 在第i个结点位移处产生的反力 例1 用位移法计算图 a 所示结构 并作内力图 已知各杆EI为常数 解 1 在结点B加一刚臂得基本结构 图 b 只有一个未知量Z1 2 位移法典型方程为 k11Z1 F1P 0 3 求系数和自由项绘M1图 图 c 求得k11 3i 4i 7i 绘MP图 图 d 求得F1P 5 40 35kN m 4 求未知量Z1将k11 F1P之值代入典型方程 得 7iZ1 35 0 故Z1 5 i 5 用叠加法绘最后弯矩图 图 e 6 绘制剪力 轴力图 例2 用位移法计算图 a 所示结构 并作弯矩图 已知各杆长度均为l EI为常数 解 1 基本结构如图 b 所示 2 位移法方程为 k11Z1 F1P 0 3 求系数和自由项绘M1图 图 c 求得k11 4i 4i 3i 11i如图 d 所示 结点D被刚臂锁住 加外力偶后不能转动 所以各杆均无弯曲变形 因此无弯矩图 即MP 0 截取结点D 图 d 由结点力矩平衡条件 MD 0 得F1P m 0 故F1P m 若外力偶m是逆时针方向的 则 F1P m 写成一般式 当结点受外力偶作用时 F1P m 当外力偶为顺时针时m取负号 为逆时针时m取正号 解方程 求Z1 Z1 F1P k11 m 11i 按叠加法绘最后弯矩图 图 e M M1Z1 MP M1Z1 当结点上有外力偶 各杆上还有外力作用时 F1P M固端 m式中 外力偶为顺时针时 m取负号 反之 m取正号 例3 用位移法计算图 a 所示排架 并绘M图 解 基本结构如图 b 所示 有一个基本未知量Z1 位移法方程为k11Z1 F1P 0 绘M1图如图 c 所示 得 k11 3i l2 12i l2绘MP图如图 d 所示 得 F1P 3ql 4将k11 F1P之值代入位移法方程 解得 Z1 F1P k11 ql3 16i按叠加法绘最后弯矩图 例4 用位移法计算图 a 所示刚架 并绘M图 解 此刚架具有两个刚结点B和C 无结点线位移 其基本结构如图 b 所示 列位移法典型方程 k11Z1 k12Z2 F1P 0 k21Z1 k22Z2 F2P 0 分别绘出M1图 c M2图 d 和MP图 e 各系数和自由项分别计算如下 k11 4i 8i 12i k21 k12 4i k22 8i 6i 4i 18i F1P 26 67 10 36 67kN m F2P 26 67 30 3 33kN m 将上述所求系数和自由项代入位移法方程 解得 Z1 3 23 iZ2 0 53 i 按叠加法公式M M1Z1 M2Z2 MP绘出最后弯矩图如图 f 所示 例5 用位移法计算图 a 所示刚架 并绘M图 解 此刚架具有一个独立转角Z1和一个独立线位移Z2 基本体系如图 b 所示 根据附加刚臂和附加支杆上的反力矩和反力应等于零的条件 可建立位移法方程如下 k11Z1 k12Z2 F1P 0 k21Z1 k22Z2 F2P 0分别绘出M1图 c M2图 d 和MP图 e 由M1图 k11 3i 4i 7i 由M2图 k12 3i 2 由MP图 F1P 0 求k21可在M1图上经二柱顶引截面 根据柱端弯矩计算出作用于柱顶的剪力 取其上部为隔离体 图2 a 由 X 0k21 QCD 0 故k21 QCD k12 图2 为求k22 可在M2图上引截面 由隔离体 图2 b 的平衡条件 X 0 可推出计算公式如下 对于本例 同理可求得F2P 由MP图 F2P 60kN 将上述所求系数和自由项代入位移法方程 解得 Z1 20 87 iZ2 97 39 i按叠加法公式M M1Z1 M2Z2 MP绘出最后弯矩图如图 f 所示 小结 1 确定基本未知量 取基本体系 位移法的解题步骤与方法同力法相比较 3 作MP Mi图 求系数和自由项 2 建立典型方程 位移法 先作出基本体系分别在载荷FP 单位位移 Zi 1 作用下所引起的弯矩图 借助于转角位移方程或图表 然后利用结点或截面的平衡 求出附加刚臂中的反力矩和附加链杆中的反力 即位移法的系数和自由项 Fip kij kii 4 解典型方程 求基本未知量 5 绘制最后内力图 采用叠加法 力法 位移法 7 6对称结构的计算 对于对称结构用位移法求解时 可以取半边结构进行计算 所以下面先介绍半边结构的取法 以单跨刚架为例 对称点C的位移和内力如下 1 奇数跨对称结构在对称荷载作用下 变形正对称 对称轴截面不能水平移动 也不能转动 但是可以竖向移动 取半边结构时可以用滑动支座代替对称轴截面 对称轴截面上一般有弯矩和轴力 但没有剪力 2 偶数跨对称刚架在对称荷载作用下 以双跨刚架为例 对称点C的位移和内力如下 变形正对称 对称轴截面无水平位移和角位移 又因忽略竖柱的轴向变形 故对称轴截面也不会产生竖向线位移 可以用固定端支座代替 中柱无弯曲变形 故不会产生弯矩和剪力 但有轴力 对称轴截面对梁端来说一般存在弯矩 轴力和剪力 对柱端截面来说只有轴力 3 奇数跨对称刚架在反对称荷载作用下 以单跨刚架为例 对称点C的位移和内力如下 变形反对称 对称轴截面左半部分梁向下弯曲 右半部分梁向上弯曲 由于结构是一个整体 在对称轴截面C处不会上下错开 故对称轴截面C在竖直方向不会移动 但是会发生水平移动和转动 故可用链杆支座代替 对称轴截面C上无弯矩和轴力 但一般有剪力 4 偶数跨对称刚架在反对称荷载作用下 以两跨刚架为例 图1 变形反对称 中柱在左侧荷载作用下受压 在右侧荷载作用下受拉 二者等值反向 故总轴力等于零 对称轴截面不会产生竖向位移 但是会发生水平移动和转动 是由中柱的弯曲变形引起的 中柱由左侧荷载和右侧荷载作用产生的弯曲变形的方向和作用效果相同 故中柱有弯曲变形并产生弯矩和剪力 取半边结构时可取原结构对称轴竖柱抗弯刚度的一半来计算 小结 1 对称结构受对称荷载作用时 变形一定对称 在对称点处只有对称内力存在 反对称的内力一定为零 2 对称结构受反对称荷载作用时 变形一定反对称 在对称点处只有反对称内力存在 对称的内力一定为零 3 对于对称结构 若荷载是任意的 则可把荷载变换成 对称与反对称两种情况之和 4 在对称结构计算中 对取的半边结构 可选用任何适宜的方法进行计算 如位移法 力法 其原则就是哪一种未知量个数少 就优先选用谁 例1 利用对称性计算图示结构 EI为常数 解 由于有两根对称轴 可以取1 4刚架进行计算 原结构 1 未知量 2 杆端弯矩表达式 q q L 3 建立位移法方程 4 解方程 得 5 回代 得杆端弯矩 6 画弯矩图 M图 例2 利用对称性计算图示结构 所有杆长均为L EI也均相同 原结构 解 1 由于该结构的反力是静定的 求出后用反力代替约束 2 该结构有两根对称轴 因此把力变换成对称与反对称的 原结构 对称 反对称 反对称情况的半刚架 对此进行求解 1 未知量 2 杆端弯矩 3 建立位移法方程 7 6其它各种情况的处理 一 支座移动时的