力矩分配法讲解.ppt
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1、,第十六章 力矩分配法,第十六章 力矩分配法,16.1 力矩分配法的基本原理,16.2 多结点的力矩分配法,返回,力法和位移法是计算超静定结构的两种基本方法。它们都要建立和求解联立方程,当基本未知量较多时,手算工作十分繁重。本章介绍的力矩分配法属于渐近解法,它的特点是不需建立和解算联立方程,直接分析结构的受力情况,从开始的近似状态,逐步修正,最后收敛于真实解,直接算得杆端弯矩值。,16.3 多层多跨刚架的近似计算,第十六章 力矩分配法,第十六章 力矩分配法,返回,【学习要求】1.了解转动刚度、分配弯矩和传递弯矩等概念,掌握力矩分配法的基本原理。2.熟练掌握用力矩分配法求解连续梁和无侧移刚架的内
2、力。3.掌握用分层法和反弯点法对多层多跨刚架进行近似计算。,目录,16.1 力矩分配法的基本原理,16.1.1 力矩分配法的解题思路,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,以具有一个刚结点的刚架图a为例说明其解题思路。,当不考虑杆件轴向变形时,在荷载作用下刚结点1处不产生线位移,只产生一个角位移Z1。,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,目录,刚架中各杆的杆端弯矩值可看成是由两种因素引起的,一种是刚结点处不产生角位移,只由荷载引起的杆端弯矩值,即相当于结点1处附加刚臂,以 约束转动时,荷载引起的杆端弯矩值,如图b所示,我们称其为固定状态。,R1F,于是我们可以分别对固定状态和放松状态
3、进行算,再把算得的各杆杆端弯矩值对应叠加,即得到原刚架各杆的杆端弯矩值。,另一种是刚结点产生Z1角位移所引起的杆端弯矩值,即相当于在结点1处施加一力矩,使结点1转动Z1角时的杆端弯矩值,如图c所示,我们称其为放松状态。,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,目录,M1=R1F,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,16.1.2 力矩分配法的基本运算,1固端弯矩 我们先对固定状态图b进行计算。在此状态中刚结点不产生角位移,故此情况下荷载引起的杆端弯矩称为固端弯矩,以 表示。刚架的固端弯矩值同位移法计算一样,可根据荷载情况及杆两端约束情况从表15.1中查出,然后利用图d中结点1的力矩
4、平衡条件可以求得1点约束力矩。即,R1F,上式表明,约束力矩 等于汇交于该结点的各杆固端弯矩的代数和,以顺时针转向为正。汇交于结点的各杆的固端弯矩不能平衡,其离平衡所差的力矩值正好等于约束力矩,故 也称为不平衡力矩。,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,目录,写成一般式为,现在对放松状态图c进行计算。此状态中,在结点1的力矩M1的作用下,各杆1端都产生了Z1角位移,由表15.1,各杆1端的杆端弯矩为,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,2.力矩分配系数和分配弯矩,式中,S1j(j=2,3,4)杆件在1端的转动刚度。,(a),目录,转动刚度 SAB 是指杆件AB在A端产生单位角位移时
5、,在A端所需施加的力矩值。其中转动端(A端)又称为近端,不转动端(B端)又称为远端。下图给出了等截面的直杆远端为不同约束时的转动刚度。,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,(f),SAB=4i,SAB=3i,SAB=i,SAB=0,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,由结点1的平衡条件(图e),有,汇交于结点1的各杆1端转动刚度之和。,式中:,故,S12Z1S13Z1S14Z1=M1,或,M12 M13M14=M1,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,目录,将Z1代入式(a),得,(b),目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,由此可见,各杆1端的弯矩与各
6、杆1端转动刚度成正比。式(b)可写为,(c),(d),则式(c)可表示为 Mij=ij Mi,令,式中:ij力矩分配系数。显然,同一结点各杆力矩分配系数之和应等于1,即,ij=1,目录,利用上式计算各杆近端分配弯矩的过程,又称为力矩分配。,为了区别由其他运算得到的杆端弯矩值,把由式(d)算得的杆端弯矩以M表示,称为分配弯矩。即,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,等直杆ij,当i端转动时,杆ij变形,从而使远端j也产生一定弯矩。在放松状态中,通过力矩分配运算,各杆的近端弯矩已经得出,现在考虑远端弯矩的计算。杆的远端弯矩与近端弯矩的比值,称为
7、由近端向远端传递弯矩的传递系数。即,3传递系数和传递弯矩,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,当远端取不同约束时,由上图可知其传递系数为 远端固定 Cij=1/2 远端铰支 Cij=0 远端定向支承 Cij=1,SAB=4i,SAB=3i,SAB=i,SAB=0,2i,i,0,C=1/2,C=1,C=0,0,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,利用传递系数的概念,各杆的远端弯矩为,(e),为了区别由其他运算得到的杆端弯矩值,把由式(e)算得的杆端弯矩以 表示,称为传递弯矩。即,利用上式计算各杆远端传递弯矩的过程称为力矩传递。,综合以上运算过程,把固定状态下各杆固端弯矩与
8、放松状态中对应各杆的分配弯矩值及传递弯矩值相叠加,就得到各杆的杆端最后弯矩值,据此可绘出弯矩图。这种计算方法称为力矩分配法。,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,4)叠加计算各杆端最后弯矩。将各杆固端弯矩与对应的分配弯矩或传递弯矩叠加,便得到各杆端最后弯矩。即。5)绘制原结构的内力图。,单结点力矩分配法的计算步骤可归纳如下:,1)由式 计算结点处各杆的力矩分配系数ij(可由 ij=1验算)。,2)固定结点。查表15.1算得各杆固端弯矩,计算不平衡力矩=。,3)放松结点。相当于在结点处施加一转动力矩。由式=ij Mi计算分配弯矩,由式 计算传递弯矩。,16.1.2 单结点的力矩分配法
9、,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,【例16.1】试用力矩分配法计算图a所示两跨连续梁,并绘制弯矩图。,【解】1)计算力矩分配系数。,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,2)计算固端弯矩和不平衡力矩,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,3)计算分配弯矩。,4)计算传递弯矩。,5)计算杆端最后弯矩。,MCB=0,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,以上计算过程也可列表进行(见下面算表)。,(b),(b)M图(kNm),6)绘M图。根据杆端最后弯矩值,绘出M图如图b所示。,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,【例16.2】试用力矩分配法
10、计算图a所示刚架,并绘制弯矩图。已知各杆弯曲刚度EI 为常数。,则有,BD=0,【解】1)计算力矩分配系数。令,SBD=0,SBC=41=4,SBA=31=3,目录,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,2)计算固端弯矩和不平衡力矩。,3)力矩分配与力矩传递计算列表进行(见下面算表)。,第十六章 力矩分配法力矩分配法的基本原理,目录,4)根据杆端最后弯矩绘出M图如图b所示。,(b)M图(kNm),目录,第十六章 力矩分配法多结点的力矩分配法,16.2 多结点的力矩分配法,连续梁在中间跨受集中荷载作用,其变形曲线的实际情况如图a的虚线所示。为计算梁的弯矩,可按以下步骤进行。,第一步,在结点B
11、、C处加刚臂约束转动。然后再加荷载F,结点B、C的不平衡力矩分为、。此时,仅在荷载作用跨有变形如图b所示。,目录,第十六章 力矩分配法多结点的力矩分配法,第二步,松开B点的约束刚臂(C点约束刚臂仍夹紧),B点产生一个角位移,如图c所示。同时消除了B点的不平衡力矩,即将 反号进行力矩分配、传递。这时C结点上的不平衡力矩又新增加了,它等于B点力矩分配时传递来的传递力矩。,目录,第十六章 力矩分配法多结点的力矩分配法,第三步,重新约束B点,然后松开C点的约束刚臂,C点产生一个角位移,如图d所示。同时将C点的不平衡力矩 反号进行力矩分配、传递。这时B结点又重新产生了一个不平衡力矩,它等于C点放松时传递
12、过来的传递力矩。,目录,第十六章 力矩分配法多结点的力矩分配法,至此,完成了第一轮计算。连续梁变形曲线和杆端弯矩已比较接近实际情况,为了进一步消除不平衡力矩,可重复第二步和第三步,进行第二轮计算。依次类推,经过几轮计算后,直到各点不平衡力矩很小时,就可停止力矩分配、传递。,第四步,把以上计算过程中各杆杆端的固端弯矩、分配弯矩、传递弯矩 对应叠加,就得到该杆端弯矩的最后值。,由上可见,对于具有多个刚结点的连续梁和无侧移的刚架,用力矩分配法得到的结果是渐近解,因而该法属于渐近法。为了使计算的收敛速度较快,通常可从不平衡力矩较大的刚结点开始计算。,目录,第十六章 力矩分配法多结点的力矩分配法,【例1
13、6.3】试用力矩分配法计算图a所示连续梁,并绘制弯矩图。已知各杆弯曲刚度EI为 常数。,【解】1)计算力矩分配系数。,2)计算固端弯矩。,3)放松结点C,固定结点B(因C结点的不平衡力矩较大),进行力矩分配和传递。,4)固定结点C,放松结点B,进行力矩分配和传递。,目录,第十六章 力矩分配法多结点的力矩分配法,5)将固端弯矩 与各轮计算中的分配弯矩、传递弯矩 叠加得杆端最后弯矩Mij。计算过程见,6)由各杆端最后弯矩绘出M图,如图b所示。,例16.3 算表,目录,第十六章 力矩分配法多结点的力矩分配法,【例16.4】试用力矩分配法计算图a所示连续梁,并绘制弯矩图。已知各杆弯曲刚度EI为常数。,
14、【解】连续梁具有伸臂部分EF,EF为静定部分,其内力可由平衡条件求得。为了计算简便,可将该部分对梁的作用等效替换到E点,并将E点变为铰支座如图b所示,以此代替原结构进行计算。,1)计算力矩分配系数。,2)计算固端弯矩。,目录,第十六章 力矩分配法多结点的力矩分配法,3)力矩分配和传递。为了使计算的收敛速度快一些,当结点数多于两个时,放松过程可分两组进行。第一组为结点B和结点D同时放松,结点C固定。第二组为结点C放松,同时固定B、D两点。计算过程见,例16.4算表,4)由杆端最后弯矩绘出M图,如图c所示。,目录,第十六章 力矩分配法多结点的力矩分配法,【例16.5】试用力矩分配法计算图a所示两层
15、单跨刚架,并绘制弯矩图。,【解】利用对称性,取图b所示半刚架进行计算。,1)计算力矩分配系数。,2)计算固端弯矩。,目录,第十六章 力矩分配法多结点的力矩分配法,3)力矩分配和传递过程见,例16.5算表,4)由杆端最后弯矩及对称性绘出M图,如图c所示。,目录,第十六章 力矩分配法多层多跨刚架的近似计算,16.3 多层多跨刚架的近似计算,用精确法计算多层多跨刚架,通常计算工作量很大,如不借助于计算机,计算往往非常困难。在一定条件下,近似法可以用较小的计算工作量,取得较为粗略的解答,用于初步设计和估算具有一定实用价值。,16.3.1 竖向荷载作用下的近似计算法分层法,分层法适用于计算多层多跨承受竖
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