结构力学 矩阵位移法PPT课件

1、结构矩阵分析方法是电子计算机进入结构力学领域而产生的一种方法。第1页/共192页结构力学传统方法与结构矩阵分析方法，二者同源而有别：在原理上同源，在作法上有别。简单地说，前者在“手算”的年代形成，后者则着眼于“电算”，计算手段的不同，引起计算方法的差异。 第2页/共192页与传统的力法、位移法相对应，在结构矩阵分析中也有矩阵力法和矩阵位移法，或称柔度法与刚度法。矩阵位移法由于具有易于实现计算过程程序化的优点而广为流传，本章只对矩阵位移法进行讨论。 第3页/共192页矩阵位移法是有限元法的雏形，因此结构矩阵分析有时也称为杆件结构的有限元法。在本章中将使用有限元法中的一些术语和提法。第4页/共19

2、2页先把整体拆开，分解成若干个单元（在杆件结构中，一般把每个杆件取作一个单元），这个过程称作离散化。然后再将这些单元按一定条件集合成整体。在一分一合，先拆后搭的过程中，把复杂结构的计算问题转化为简单单元的分析和集合问题。 有限元法的要点 ：第5页/共192页有限元法包含两个基本环节： 1.单元分析 2.整体分析 第6页/共192页单元分析的任务: 建立单元刚度方程，形成单元刚度矩阵 第7页/共192页整体分析的主要任务 :将单元集合成整体，由单元刚度矩阵按照刚度集成规则形成整体刚度矩阵，建立整体结构的位移法基本方程，从而求出解答。第8页/共192页本节和下一节对平面结构的杆件单元进行单元分析，

3、得出单元刚度方程和单元刚度矩阵。 第9页/共192页位移法中给出的转角位移方程实际上就是梁单元的刚度方程。梁单元是杆件单元的特例。 本节推导单元刚度方程时有几点新的考虑：重新规定正负号规则，讨论杆件单元的一般情况，采用矩阵表示形式。第10页/共192页1.一般单元 图11-1所示为平面刚架中的一个等截面直杆单元 e图111 第11页/共192页设杆件除弯曲变形外，还有轴向变形。左右两端各有三个位移分量（两个移动、一个转动），杆件共有六个杆端位移分量，这是平面结构杆件单元的一般情况。由端点1到端点2的方向规定为杆轴的正方向，在图中用箭头表明。 第12页/共192页图中采用坐标系 yxx，轴与杆轴

4、重合。 这个坐标系称为单元坐标系或局部坐标系。 xy上面都划上一横，作为局部坐标系的标志。第13页/共192页在局部坐标系中，一般单元的每端各有三个位移分量 uv和对应的三个力分量 xFyFM第14页/共192页图11-2中所示的位移、力分量方向为正方向。 图112 第15页/共192页单元的六个杆端位移分量和六个杆端力分量按一定顺序排列，形成单元杆端位移向量 e和单元杆端力向量 eF如下： TeyxyxTeeTeTeeMFFMFFFFFFFFFvuvu222111)6()5()4()3()2()1(222111)6()5()4()3()2()1(（111） 第16页/共192页向量中的六个元

5、素的序码记为（1），（2），（6）。由于它们是在每个单元中各子编码的（不是在刚架所有单元中统一编码的），因此称为局部码杆端位移分量（或杆端力分量）的局部码。数码（1），（2），都加上括号，作为局部码的标志。第17页/共192页单元刚度方程是指由单元杆端位移求单元杆端力时所建立的方程记为 F第18页/共192页为了建立单元刚度方程，我们按照位移法基本体系的作法，在杆件两端加上人为控制的附加约束，使基本体系在两端发生任意指定的位移 e如下图11-3所示。然后根据 e推算相应的杆端力 eF第19页/共192页图11-3忽略轴向受力状态和弯曲受力状态之间的相互影响，分别推导轴向变形和弯曲变形的刚度方程

6、。 第20页/共192页首先，由杆端轴向位移 1u2u可推算出相应的杆端轴向力 1xF2xF)()(212211eeexeeexuulEAFuulEAF（112） 第21页/共192页其次，由杆端横向位移 ev1ev2和转角 e1e2可推算出相应的杆端横向力 1yF2yF和杆端力矩 1M2M第22页/共192页根据转角位移方程（85）和（86），并改用本章的记号和正负号，即得liiiMliiiMBABABAAB642624（85） lililiFFBAQBAQAB1266（86） )(12)(6)(12)(6)(642)(62421321222132121212212212211eeeeeye

7、eeeeyeeeeeeeeeevvlEIlEIFvvlEIlEIFvvlEIlEIlEIMvvlEIlEIlEIM（113） 第23页/共192页上面六个刚度方程（112）和（113）实际上在位移法中已经推导过。现在将它们合在一起，写成矩阵形式如下： eeeyxyxvuvulEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEAlEAlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEAlEAMFFMFF222111222323222323222111460260612061200000260460612061200000（114） 第24页/共192页上式可记为：eeekF（115） ) 1(

8、) 1() 1() 1() 1() 1() 6() 5() 4() 3() 2() 1 (222111vuvulEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEAlEAlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlEAlEAke460260612061200000260460612061200000)6()5()4()3()2() 1 (222323222323（116） 其中 第25页/共192页式（115）即为所求的 F称为在局部坐标系中的单元刚度方程。 矩阵 ek称为局部坐标系中的单元刚度矩阵。它是 方阵。 66第26页/共192页2单元刚度矩阵的性质 1）单元刚度系数的意义 ek

9、 中的每个元素称为单元刚度系数，代表由于单位杆端位移所引起的杆端力。例如，第（6）行第（3）列元素 )3)(6(ek（即元素 ） lEI2代表当第（3）个杆端位移11时引起的第（6）个杆端力分量 2M第27页/共192页一般来说，第（i）行第（j）列元素 代表当第（j）个杆端位移分量 等于1 （其他位移分量为零）时所引起的第（i）个杆端力分量 的值。ejik)()( j)(iF第28页/共192页eK 中某一列的六个元素分别表示当某个杆端位移分量等于1时所引起的六个杆端力分量。例如，第1列对应于单位位移 所引起的杆端力。为了帮助理解，在式（116）中，在 每一列的上方都标明了对应的单位位移分量

10、。 11ueK第29页/共192页2） 是对称矩阵 eK 的对称性是指其元素有如下关系： eKeijjiekk)()(（117） 这实际上是根据反力互等定理得出的结论。 第30页/共192页3） 一般单元的是奇异矩阵 eK的奇异性是指其行列式等于零，即eK0eK（118） 直接计算式（116）的矩阵行列式，便可验证上述结论。 第31页/共192页由此可知， 不存在逆矩阵。也就是说，根据单元刚度方程（115），可以由杆端位移 推算出杆端力 且 的解是唯一解；但不能由杆端力 反推出杆端位移 ， 可能无解，如有解，则为非唯一解。 eKeeFeFeFee第32页/共192页为了避免混淆，我们把正反两个

11、问题再从数学提法、力法模型、解的性质等方面作一对比。见下表：第33页/共192页 正问题 反问题 数学提法为任意指定值， 为待求量。为任意指定值， 为待求量。力学模型把单元按“两端有六个人工控制的附加约束的杆件”（位移法基本体系）来分析 由控制附加约束而加以指定。把单元按“两端自由的杆件”来分析 直接加在自由端作为指定的杆端力。解的性质 为任意值时， 都有解，且为唯一解。 总是一个平衡力系，不可能是不平衡力系。 为不平衡力系时， 没有解。 为平衡力系时， 有解，但为非唯一解（因为自由杆件除本身变形外还可有任意刚体位移）。 不存在。)(F)(F eeFeeFeeFeeFeFeFeeFe 1ek第

12、34页/共192页总之，正反两个问题的力学模型是截然不同的，不能把单元笼统地统称为“自由单元”。逆矩阵 的性质是跟据反问题确定的，这里的反问题是按“自由单元”分析，故得出 不存在的结论。 1ek 1ek第35页/共192页3.特殊单元 式（114）是一般单元的刚度方程，其中六个杆端位移可指定为任意值。在结构中还有一些特殊单元，单元的某个或某些杆端位移的值已知为零，而不能任意指定。各种特殊单元的刚度方程无需另行推导，只需对一般的单元刚度方程（114）作一些特殊处理便可自动得到。第36页/共192页举例来说，计算连续梁时，我们通常忽略轴向变形。如取每跨梁作为单元（图114），则只有两个杆端位移分量

13、 可指定为任意值，而其余四个分量均已知为零： 图114 21,返回第37页/共192页02211vuvu （a） 将式（a）代入式（114），即自动得出此特殊单元的刚度方程如下：eelEIlEIlEIlEIMM21214224（119） 第38页/共192页此时单元刚度矩阵为 lEIlEIlEIlEIKe4224（1110） 返回第39页/共192页在结构矩阵分析中，我们着眼于计算过程的程序化、标准化和自动化。因此只采用一种标准化形式一般单元的刚度矩阵（116），关于单元刚度矩阵的各种特殊形式将由计算机程序去自动形成。 第40页/共192页某些特殊单元的刚度矩阵是可逆的。例如式（1110）中的

14、 ，其逆矩阵存在。 eK对于图114所示特殊单元来说，正问题的力学模型如图115a所示，每端有两个支杆和一个控制转角的附加约束， 12可指定为任意值。 和 第41页/共192页图115 返回返回第42页/共192页反问题的力学模型如图115b所示，每端有两个支杆，杆端力矩 为任意值。 21,MM由于反问题的力学模型是一个几何不变体系，因此，当 为任意值时，杆端转角 有解，且为唯一解。由此得出 存在的结论。21,MM21, 1ek第43页/共192页选用局部坐标系的目的是希望导出的单元刚度矩阵具有最简单的形式。为了便于进行整体分析，必须选用一个统一的公共坐标系，称为整体坐标系。为了区别，用 表示

15、局部坐标，用 表示整体坐标。 yx,yx,第44页/共192页单元坐标转换矩阵 （1）图116a所示为一单元e，局部坐标系中的杆端力分量用 表示。整体坐标系中则用 表示，如图116b所示。 eeyexMFF,eeyexMFF,第45页/共192页图116 返回第46页/共192页显然，二者有下列关系： eeeyexeyeyexexeeeyexeyeyexexMMFFFFFFMMFFFFFF2222222211111111cossinsincoscossinsincos（1111） 第47页/共192页将式（1011）写成矩阵形式：2221212221211000000cossin0000sin

16、cos0000001000000cossin0000sincosMFFMFFMFFMFFyxxxeyxxx（1112） 或简写成eeTFF （1113）返回第48页/共192页式中T 称为单元坐标转换矩阵1000000cossin0000sincos0000001000000cossin0000sincosT（1114） 式（1113）是两种坐标系中单元杆端力的转换式。 第49页/共192页T1T T （1115） 或 T TTT T TI （1116） 式（1113）的逆转换式为eTeFTF（1117） 设局部坐标系中单元杆端位移列阵为 ，整体坐标系中单元杆端位移列阵为 ，则ee返回第50页

17、/共192页eeTeTeT （1118） （1119） 整体坐标系中的单元刚度矩阵 （2）单元杆端力与杆端位移在整体坐标系中的关系式可写为 eeekF（1120） 返回第51页/共192页 单元e在局部坐标系中的刚度方程为eeekF （a） 将式（1113）和（1118）代入式（a），得到eeeTkTF 等式两边各前乘 ，并引入式（1116），得 TTeeTeTkTF（b） 第52页/共192页表较式（b）与（1120），可知TkTkeTe （1121） 整体坐标系中的单元刚度矩阵 与 同阶，具有类似的性质：ekek元素 表示在整体坐标系中第（j）个杆端位移分量等于1时引起的第(i)个杆端力分

18、量。 )(jik（1）是对称矩阵。 ek（2）一般单元的是奇异矩阵。 ek（3）第53页/共192页例 111 试求图117所示刚架中各单元在整体坐标系中的刚度矩阵 。设各杆的杆长和截面尺寸相同。 ek图117 第54页/共192页解 :局部坐标系中的单元刚度矩阵ek由式（116）得kk410=mKNKNmKNKNKNmKNKNmKNmKNmKNmKNKNmKNKNKNmKNmKNmKNmKNmKN1003005030030/12030/12000/30000/3005030010030030/120/30/12000/30000/300（1） 第55页/共192页整体坐标系中的单元刚度矩阵e

19、k（2） 单元： IT ,00 k=k 单元： 单元坐标转换矩阵为 ,900100000001000010000000100000001000010T 第56页/共192页k =kTT T 410=mKNKNmKNKNmKNmKNKNmKNKNmKNmKNKNmKNKNmKNmKNKNmKNKNmKN100030500300/30000/3000300/12300/12500301000300/30000/3000300/12300/12第57页/共192页11-4连续梁的整体刚度矩阵 前两节进行了单元分析，建立了单元刚度方程，推导了单元刚度矩阵。从本节起转到整体分析，建立整体刚度方程，导出整

20、体刚度矩阵。本节以连续梁为例，下节讨论刚架的一般情况，并考虑杆件轴向变形的影响。 第58页/共192页整体刚度方程是按位移法建立的,具体做法有两种： 1.传统位移法 2.单元集成法（也称为刚度集成法或直接刚度法） 单元集成法的优点是便于实现计算过程的程序化。 第59页/共192页对于图11-8a所示的连续梁，位移法基本体系如图118b所示。 图118 第60页/共192页位移法的基本未知量为节点转角他们可指定为任意值，在基本体系中用控制附加约束加以指定。他们组成整体结构的节点位移向量 ：,321（ ）T 123与 对应的力是附加约束的力偶 它们组成整体结构的结点力向量F ,321321,FFF

21、第61页/共192页在传统作法中，分别考虑每个结点转角 独自引起的节点力偶，如图11-9a bc所示。,321第62页/共192页图119 第63页/共192页叠加得结点力偶 ；如下321,FFF321FFF22221114202442024iiiiiiii321（1122）记为： KF222211114202442024iiiiiiiiK（1124）（1123）式（11-22）或(11-23)称为整体刚度方程，K称为整体刚度矩阵。第64页/共192页1.单元集成法的力学模型和基本概念 传统位移法求结构的结点F时，分别考虑每个结点位移对F的单独贡献（采用图11-9中的力学模型），然后进行叠加。

22、 单元集成法求F时，分别考虑每个单元对F的单独贡献，然后进行叠加其特点就是“由单元直接集成”。 第65页/共192页首先，考虑单元的贡献，力学模型见图11-10。整个结构的结点力是由单元单独产生的，记为 F=(F1 F2 F3)T图1110第66页/共192页F1表示单元对结构结点力F的贡献。F1和F2可由单元的单元刚度矩阵k算出。已知F30 （a）k 11114224iiii（1025）得： )1(2)1(1FF2111114224iiii（b）第67页/共192页由（a）和（b）得：)1(2)1(1FF211111042024iiii（1026）记为F3K （1027）其中 K 00004

23、20241111iiii（1028）K表示单元对刚度矩阵提供的贡献，称为单元的贡献矩阵。第68页/共192页其次，考虑单元的贡献。力学模型见图11-11所示。 图1111已知 k 2212214224iiii故得 记为F=K 3212222)2(3)2(2)2(1420240000iiiiFFF（1129）（1130）（1131）第69页/共192页其中 K 2222420240000iiii（1132）K称为单元的贡献矩阵。 将式（11-27）和式（11-31）叠加，得： F=F+F=(k+k) （1133）由此得出整体刚度矩阵K为K=K+K= eeK（1134）第70页/共192页单元集成

24、法求整体刚度矩阵的步骤可表示为 KKkee其中： 为单元刚度矩阵， 单元贡献矩阵，K为整体刚度矩阵ekeK第71页/共192页2.按照单元定位向量由 求 ekeK注意以下3点： 1)结点位移（或结点力）有两种编码：在整体分析中，结点位移在结构中统一进行编码，称为总码。在单元分析中，每个单元的两个结点位移各自编码为（1）和（2），称为局部编码。（见下图11-12） 第72页/共192页（b）（a）图1112第73页/共192页2)注意每个单元的结点位移分量两种编码之间的对应关系，具体见下表： 单元对应关系单元定位向量局部码总码（1）1（2）2 （1）2（2）3 e21)1(32)2(第74页/共

25、192页3)注意单元刚度矩阵 和单元贡献矩阵 中元素的排列方式,见下表 ekeKeKijijijeejijiKk)( 在单元刚度 矩阵 中在单元贡献矩阵 中 换码元素的原行码(i)原列码（j）换成新行码新列码（i） （j） 重排座原排在(i)行（j）的元素改在 行 列ek第75页/共192页总之，由 求 的问题实质上就是 中的元素在 中如何定位的问题。定位规则是： ekeKekeKeejIjikk)(（1136）参见下表: 第76页/共192页单元单元刚度矩阵单元定位向量单元贡献矩阵（1）（2）（1）4i1 2i1（2）2i1 4i1 (1) (2) 1 2 3（1）1 4i1 2i1 0（2

26、）2 2i1 4i1 0 3 0 0 0（1）（2）（1）4i2 2i2（2）2i2 4i2 (1) (2) 1 2 3（1）1 0 0 0（2）2 0 4i2 2i2 3 0 2i2 4i2ekeeK2132第77页/共192页3.单元集成法的实施方案 单元集成法形成K的过程： 1)先将K置零，这时K=0 2)将k的元素在K中按定位 并进行累加，这时，K=K 3)将k的元素在K中按定位 并进行累加，这时，K=K+K按此作法对所有单元循环一遍，最后得到eeKK第78页/共192页现以图11-8a所示连续梁为例，说明上过程： 将k集成后，得到： 0000420241111iiii在此基础上将k集

27、成得最终结果： Kiiiiiiii222211114202442024第79页/共192页例11-2 试求图11-13a所示连续梁得整体刚度矩阵K 解 （1）结点位移分量总码（见图11-13a）图1113第80页/共192页（2）各单元得定位向量e 21 3203第81页/共192页（3）单元集成过程 ek)2() 1 ()2() 1 (单元单元刚度矩阵按单元定位向量换码 集成过程中得阶段结果 （1）（2）（1）4i1 2i1（2）2i1 4i1（1）1（2）2 1 2 3（1）1 4i1 2i1 0（2）2 2i1 4i1 0 3 0 0 0 （1）（2）（1）4i2 2i2（2）2i2 4

28、i2(1)2(2)3 1 2 3（1）1 4i1 2i1 0（2）2 2i1 4i1+(4i2) 2i2 3 0 2i2 4i2 （1）（2）（1）4i3 2i3 （ 2）2i3 4i3(1)3(2)0(2)0 1 2 3（1）1 4i1 2i1 0（2）2 2i1 4i1+(4i2) 2i2 3 0 2i2 4i2+4i ) 1 (第82页/共192页4.整体刚度矩阵的性质 （1）整体刚度系数的意义 K中的元素 称为整体刚度系数。它表示当第j个结点位移分量 （其他结点位移分量为零）时所产生的第i个结点力ijK1jiF(2)K是对称矩阵 (3)按本节方法计算连续梁时，K时可逆矩阵。第83页/共

29、192页图11-8a所示为下图11-14为例的反问题力学模型。当F为指定值时，均可得 的唯一解，故 是存在的。 1K图1114（4）K是稀疏矩阵和带状矩阵。 第84页/共192页对下图11-15，可导出其整体刚度矩阵： 图11151321nnFFFFF1321113322221111422)(4202)(42002)(42024nnnnnnnniiiiiiiiiiiiiiii（1137）第85页/共192页11-5 刚架的整体刚度矩阵 本节讨论用单元集成法求平面刚架的整体刚度矩阵K。思路的要点：K由 直接集成；集成包括将 的元素在K中定位和累加两个环节；定位是依据单元定位向量 进行的。 eke

30、ke第86页/共192页情况的复杂性表现在下列几个方面： 1）在一般情况下要考虑刚架中各杆的轴向变形，而忽略杆件轴向变形的情况则作为特例来处理；2）刚架中每个结点的位移分量要增加到三个：角位移和两个方向的线位移； 3）刚架中各杆方向不尽相同，在整体分析中需采用整体坐标；4）刚架中除刚结点外，还要考虑铰结点等其他情况。第87页/共192页1.结点位移分量的统一编码总码 图11-16所示刚架整体结构的结点位移向量 ：（ ）T（ ）T1234AuAvAC相应结点力向量为F=(F1 F2 F3 F4) T 第88页/共192页图1116第89页/共192页2.单元定位向量 单元单元局部编码总码单元定位

31、向量局部编码总码单元定位向量（1）1（2）2（3）3（4）0（5）0（6）4（1）1（2）2（3）3（4）0（5）0（6）0 400321000321第90页/共192页3.单元集成过程 首先，考虑单元； k （1） （2） （3） （4） （5） （6）（1） 300kN/m 0 0 -300kN/m 0 0（2） 0 12kN/m 30kN 0 -12kN/m 30kN（3） 4 （4） -300kN/m 0 0 300kN/m 0 0（5） 0 -12kN/m -30kN 0 12kN/m -30kN（6） （1138）第91页/共192页K的阶段结果 (1) (2) (3) (6) (

32、1)1 300kN/m 0 0 0(2)2 0 12kN/m 30kN 30kN 104（1139）第92页/共192页其次，考虑单元k= （1） （2） （3） （4） （5） （6）（1） 12kN/m 0 -30kN -12kN/m 0 -30kN（2） 0 300kN/m 0 0 -300kN/m 0 （3） 4 （4） -12kN/m 0 30kN 12kN/m 0 30kN（5） 0 -300kN/m 0 0 300kN/m 0 （6） （1140）第93页/共192页K= (1) (2) (3) 1 2 3 4(1)1 300+(12)kN/m 0+(0) 0+(-30)kN 0

33、 (2)2 0+(0) 12+(300)kN/m 30+(0)kN 30kN 104 （1141）第94页/共192页4铰结点的处理图11-17所示为具有铰结点的刚架。 图1117第95页/共192页1.考虑结点位移分量的统一编码（图中已标出）2.考虑单元定位向量各单元定位向量如下；分析过程：（1 2 3 4 5 6 ）T （1 2 3 0 0 0 ）T （4 5 7 0 0 0 ）T 第96页/共192页第一阶段结果，见式（1143）。 （1） （2） （3） （4） （5） （6） （1） 1 （2） 2 （3） 3 （4） 4 （5） 5410 (6) 6 7 30000-3000000

34、12300-123000301000-30500-30000300000 0-12-30012-300030500-30100000000001234567（1143） 第97页/共192页 （1） （2） （3）1234567（1） 1 （2） 24（3） 3300+（12）0+（0）0+（30）-3000000+（0）12+（300）30+（0）0-123000+（30）30+（0）100+（100）0-30500-30000300000 0-12-30012-300030500-3010000000000567410（1144） 第98页/共192页 在式（1140）中已给出。将其中的元

35、素按 在K中定位并与前阶段结果累加，即得K的第二阶段结果，见式（1144）。其次，考虑单元 ： k 最后，考虑单元： 与 相同。由 即得K最后结果，见式（1145）。 kk第99页/共192页 （1） （2） （3）（1）（2）（3）123456712345673120-30-3000000312300-12300-30302000-30500-30000300+（12）0+（0）00+（-30） 0-12-300+（0）12+（300）-300+（0）030500-3010000000+（30）0+（0）00+（100）410（1145） 第100页/共192页以上式（1143）、（1144

36、）、（1145）中各物理量是有单位的，这里只是表示单元集成的过程，故式中未标单位。 第101页/共192页1.1.位移法基本方程 116 等 效 结 点 荷 载第102页/共192页前两节讨论了结构的整体刚度矩阵K，建立了整体刚度方程KF （1146） 整体刚度方程（1146）是根据原结构的位移法基本体系建立的，它表示由结点位移 推算结点力（即在基本体系的附加约束中引起的约束力）F的关系式。它只反映结构的刚度性质，而不涉及到原结构上作用的实际荷载。它并不是用以分析原结构的位移法基本方程。第103页/共192页为了建立位移法基本方程，我们回顾一下本书（）85中的推导方法，分别考虑位移法基本体系的

37、两种状态： (1)设荷载单独作用（结点位移 设为零）此时在基本结构中引起的结点约束力，记为 。 PF(2)设结点位移 单独作用（荷载设为零）此时在基本结构中引起的结点约束力为 。 KF 第104页/共192页位移法基本方程为 00PPFKFF （1147） 2.等效结点荷载的概念 等效的原则是要求这两种荷载在基本结构中产生相同的结点约束力。 第105页/共192页如果原来荷载在基本结构中引起的结点约束力记为 ，则等效结点荷载 在基本结构中引起的结点约束力也应为 。由此即可得出如下结论：PFPPFPFP（1148） 将式（1148）代入式（1147），则位移法基本方程可写为 PK （1149）

38、第106页/共192页由式（1146）和式（1149）可知，如果把刚度方程（1146）中的结点约束力F换成等效节点荷载P，即得到位移法基本方程（1149）。 3按单元集成法求整体结构的等效结点荷载 (1)单元的等效结点荷载 eP先考虑局部坐标系。 第107页/共192页在单元两端加上六个附加约束，使两端固定。在给定荷载作用下，可求出六个固端约束力，它们组成固端约束力向量 ： ePFTPPyPxPPyPxePMFFMFFF)(222111（1150） 在表111中给出了几种典型荷载所引起的固端约束力。将固端约束力 反号，即得到单元等效结点荷载 （局部坐标系）： ePFeP第108页/共192页e

39、PeFP（1151） (2)单元的等效结点荷载 （整体坐标系） eP现考虑整体坐标系。由坐标转换公式（1117），得 eTePTP（1052） (3)整体结构的等效结点荷载P 依次将每个 中的元素按单元定位向量 在P中进行定位并累加，最后即得到P。 ePe 第109页/共192页表 111 单元固端约束力 （局部坐标系） ePF 荷载简图 始 端 1末 端 212PxFPyFPM0)21 (3322lalaqa)386(12222lalaqa0)21 (23lalaq)34(123lalqa0)21 (22lalbFP122abFP)21 (22lblaFP022lbaFPPxFPyFPM第1

40、10页/共192页3436lMab)32(lblbM36lMab)32(lalaM)6 . 132(43322lalaaq)2 . 132(6222lalaaq)6 . 13(423lalaq)8 . 01 (43lalqa0000PxFPxFPyFPyFPMPM第111页/共192页56PxFPxFPyFPyFPMPM)5 . 01 (laqalaq25 . 000000000lbFPlaFP第112页/共192页7)3(22lblalaqalbq22)3(22lblalaqalbq2200PxFPyFPM第113页/共192页例113 试求图1116a所示刚架在图1118给定荷载下的等效结

41、点荷载向量P。 图 1018 第114页/共192页解 （1）求局部坐标系中的固端约束力 ePF单元：由表111第1行， mkNq/48mla5得mNMNFFPPyPxk10k120111mNMNFFPPyPxk10k120222第115页/共192页单元：由表111第2行， KNFP8mba5 . 2得mNMNFFPPyPxk5k40111mNMNFFPPyPxk5k120222第116页/共192页因此 mkN10kN120mkN10kN120PFm5kNkN40mkN5kN40FP(2)各单元在整体坐标系中的等效结点荷载 eP单元、的倾角分别为 0100290第117页/共192页由式（

42、1151）和（1152）得 mkNkNmkNkNFFIFTPPPPT1012010120mkNkNmkNkNmkNkNmkNkNFTPPT504504540540100000001000010000000100000001000010第118页/共192页(3)求刚架的等效结点荷载 P两个单元的结点局部和总码见图1116。总码在图1118中用虚线重新示出。单元定位向量已知为400321 000321 第119页/共192页将 中得元素，按 在 中进行定位并累加即可得出 。 ePe PP首先，考虑单元： 的阶段结果为（4）、（5）行元素在 中无座位 PP（1） 1 （2） 2（3） 3 (6)

43、4mkN10mkN10kN120第120页/共192页其次,考虑单元 （1） 1 （2） 2（3） 34PmkN10mkN5kN12kN4mkN10mkN)5(10kN)0(12kN)4(0 117 计算步骤和算例 用矩阵位移法计算平面刚架的步骤如下： 第121页/共192页(1)整理原始数据，对单元和刚架进行局部编码和总体编码。 (2)形成局部坐标系中的单元刚度矩阵 ，用式（116）。 ek(3)形成整体坐标系中的单元刚度矩阵 ，用式（1121）。 ek(4)用单元集成法形成整体刚度矩阵 ，参看式（1135）。 K第122页/共192页(5)求局部坐标系的单元等效结点荷载 ，转换成整体结构的

44、等效结点荷载 ，用式（1151）和式（1152）；用单元集成法形成整体结构的等效结点荷载 。 ePePP(6)解方程 ，求出结点位移 。 PK (7)求各杆的杆端内力 ，用下面的式（1153）。 eF各杆的杆端内力是由两部分组成： 第123页/共192页一部分是在结点位移被约束住的条件下的杆端内力，即各杆的固端约束力 。另一部分是刚架在等效结点荷载 作用下的杆端内力，可由式（115）求出。将两部分内力叠加，即得 ePFPePeeeFkF （1152） 例 114 试求图1119a所示刚架得内力。设各杆为矩形截面，横梁 mmhb26. 15 . 022mmhb15 . 01立柱 第124页/共1

45、92页解 （1）原始数据及编码 原始数据计算如下（为了计算上得方便，设 ）。 1E图1119 第125页/共192页柱： 215 . 0 mA 41241mI ml613111094. 6lEI311103 .83lEA311109 .132lEI311108 .274lEI32111094. 66lEI33111031. 2lEI12梁： 21m5 . 0A 42121mI ml122322105 .52lEA3221094. 6lEI322109 .132lEI322108 .274lEI32221047. 36lEI33221058. 012lEI第126页/共192页(2)形成局部坐标

46、系中的单元刚度矩阵 ek单元和： 8 .2794. 609 .1394. 6094. 631. 2094. 631. 20003 .83003 .839 .1394. 608 .2794. 6094. 631. 2094. 631. 20003 .83003 .83103kk第127页/共192页单元： 8 .2747. 309 .1347. 3047. 358. 0047. 358. 00005 .52005 .529 .1347. 308 .2747. 3047. 358. 0047. 358. 00005 .52005 .52103k(3)计算整体坐标系中的单元刚度矩阵 ek第128页/

47、共192页单元和的坐标转换矩阵为09010000100100010T8 .27094. 69 .13094. 603 .83003 .83094. 6031. 294. 6031. 29 .13094. 68 .27094. 603 .83003 .83094. 6031. 294. 6031. 2103TkTkkT第129页/共192页单元： IT ,00kk(4)用单元集成法形成整体刚度矩阵K 由图1119b中单元局部编码与结点位移统一编码的关系，各杆的单元定位向量可写出如下： TTT）（000654)654321 ()000321第130页/共192页按照单元定位向量 ，依次将各单元 中

48、的元素在K中定位并累加，最后得到K如下： eek3106 .5547. 394. 69 .1347. 3047. 388.83047. 358. 0094. 6081.54005 .529 .1347. 306 .5547. 394. 647. 358. 0047. 388.830005 .5294. 6081.54第131页/共192页(5)求等效结点荷载P 首先，求单元固端约束力 ： ePF只有单元有 ， PF330330PF第132页/共192页其次，求单元在整体坐标系中的等效结点荷载 ： eP单元的倾角 ，由式（1151）和（1152） 230330 .3330330100001001

49、01000001010PTFTP第133页/共192页按单元定位向量 ，将 中的元素 在中定位，得 T)000321（PP000303P第134页/共192页(6)解基本方程 0003036 .5547. 394. 69 .1347. 3047. 388.83047. 358. 0094. 6081.54005 .529 .1347. 306 .5547. 394. 647. 358. 0047. 388.830005 .5294. 6081.54103BBBAaAvuvu第135页/共192页求得 5 .9613. 58244 .2813. 5847BBBAAAvuvu第136页/共192页

50、(7)求各杆杆端力 eF49. 843. 076. 409. 243. 024..2813. 58478 .27094. 69 .13094. 603 .83003 .83094. 6031. 294. 6031. 29 .13094. 68 .27094. 603 .83003 .83094. 6031. 294. 6031. 2103PFkF第137页/共192页49. 876. 443. 009. 224. 143. 0TFF第138页/共192页单元： 04. 343. 024. 109. 243. 024. 15 .9613. 58244 .2813. 58

51、478 .2747. 309 .1347. 3047. 358. 0047. 358. 00005 .52005 .529 .1347. 308 .2747. 3047. 358. 0047. 358. 00005 .52005 .52103kFF第139页/共192页单元： 38. 443. 024. 104. 343. 024. 10005 .9613. 58248 .27094. 69 .13094. 603 .83003 .83094. 6031. 294. 6031. 29 .13094. 68 .27094. 603 .83003 .83094. 6031. 294. 6031.

52、2103kF第140页/共192页38. 424. 143. 004. 324. 143. 0TFF第141页/共192页(8)根据杆端力绘制内力图，如图1120所示。 图1120 第142页/共192页118 忽略轴向变形时矩形刚架得整体分析 以图1121所示矩形刚架为例进行说明。 图1021 第143页/共192页首先，考虑结点位移分量统一编码： 在固定端B和D处，三个位移分量都为零，总码编为（0 0 0）。 在刚结点A处，在铰结点 和 处，竖向位移分量都为零，故其编码也应为零码。 1C2C 结点的总码编为（1 0 2） A 结点的总码编为（1 0 3）， 1C 结点的总码编为（1 0 4

53、） 2C第144页/共192页其次，考虑单元定位向量： 在图1121中，单元、的 轴正方向用箭头标明。各杆的单元定位向量可由图直接写出如下： xTTT)000401 ()000201 (301201）（ （a） 第145页/共192页最后，按单元、的次序进行单元集成。 设刚架中各杆尺寸相同，均采用例111中各杆的尺寸 首先，考虑单元： 在式（1138）中已给出。根据式（a）中的 进行定位，即得 的第一阶段结果如下： k K第146页/共192页（1）、（4） 1 （3） 2 （6） 34 （1）、（4） （3） （6）300-300-300+3000+00+000100500050100000

54、001234410其次，考虑单元： 第147页/共192页 在式（1040）中已给出。将其中的元素按 在 中定位并与前阶段结果累加，即得 的第二阶段结果如下： k KK（1） 1 （3） 234 （1） （3） 12340+（12）（-30）00（-30）100+（100）50005010000000第148页/共192页最后，考虑单元 :kk与相同。12+12-300-30-302005000501000-3000100 1 2 3 4 （1） （3） 1234（1）（3） K410即得k的最后结果如下： 由 第149页/共192页例11-5 试求图11-19a所示刚架的内力，截面尺寸同例1

55、1-4。忽略轴向变形的影响。解（1）原始数据及编码图11-22第150页/共192页除结点C和D为固定端，用0编码外，结点A和B的竖向位移均为零，用0编码。结点A和B的水平位移相同，编码同为1。（2）形成局部坐标系中的单元刚度矩阵（3）计算整体坐标系中的单元刚度矩阵ekek由图11-22中单元局部编码与结点位移的统一编码的对应关系，各杆的单元定位向量可写出如下：T)000201 (T)301201 (T)000301 (第151页/共192页按照单元定位向量 ，依次将各单元 中的元素在K中定位并累加，最后得到K如下：eke6 .559 .1394. 69 .136 .5594. 694. 69

56、4. 662. 4103K（5）求等效结点荷载P单元在整体坐标系中的等效结点荷载P同11-4按单元定位向量T)000201 (，将P中的元素在P中定位得033P第152页/共192页（6）解基本方程0336 .559 .1394. 69 .136 .5594. 694. 694. 662. 4103BAA求得0979. 00261. 0838. 0103BAA（7）求各杆杆端力eF单元：第153页/共192页41. 8075. 409. 2025. 13033030000261. 00838. 08 .27094. 69 .13094. 603 .83003 .83094. 6031. 294

57、. 6031. 29 .13094. 68 .27094. 603 .83003 .83094. 6031. 294. 6031. 2F41. 875. 4009. 225. 10FTF第154页/共192页单元：09. 343. 0009. 243. 000979. 00838. 00261. 00838. 08 .2747. 309 .1347. 3047. 358. 0047. 358. 00005 .52005 .529 .1347. 308 .2747. 3047. 358. 0047. 358. 00005 .52005 .52FF单元 ：47. 4025. 109. 3025.

58、10000979. 00838. 08 .27094. 69 .13094. 603 .83003 .83094. 6031. 294. 6031. 29 .13094. 68 .27094. 603 .83003 .83094. 6031. 294. 6031. 2F第155页/共192页47. 425. 1009. 325. 10FTF（8）根据杆端弯矩和剪力绘制M图和 图QFM图和 图如图11-23a、b所示。与图11-20相比，可见轴向变形的影响不大。QF由于假设杆件的轴向变形为零，因此根据刚度方程求出的杆端轴力为零。图11-23c中的 图是根据平衡条件由 得出的。QFNF第156页/

59、共192页图11-23第157页/共192页 119 桁架及组合结构的整体分析1.桁架桁架单元的刚度方程（局部坐标系，图11-24）已在式（11-2）中给出，其矩阵形式为eexxlEAlEAlEAlEAFF2121（a）图11-24第158页/共192页对于斜杆单元，其轴力和轴向位移在整体坐标系中将有沿x轴和y轴的两个分量。因此，整体坐标系中的杆端力向量和杆端位移向量为（图11-25）图11-25第159页/共192页2211yxyxeFFFFF2211e，可以从图11-25导出局部坐标系和整体坐标系中杆端力向量和杆端位移向量间的转换关系。11-3中对一般单元导出的转换关系具有一般性。桁架单元

60、是一般单元的一个特殊情况，只需按照桁架单元的特点，把11-3中坐标系转换矩阵T修改一下，则11-3中的其他转换公式均可应用。第160页/共192页为了便于利用以前的坐标转换关系，我们先将局部坐标系中的单元刚度方程（a）扩大为四阶的形式：eeyxyxlEAFFFF221122110000010100000101这里，在 和 中引入了 、 和 、 ，在 中添上了相应的零元素。式（11-54）与式（a）是等价的。eeF121yF2yFek（11-54）第161页/共192页式（11-12）是一般单元杆端力的转换式。对于桁架单元，由于 ， ，所以，删去坐标转换矩阵T式（11-14）中相应的行和列，便得