结构力学-第三章力法.ppt
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1、第三章 超静定结构的解法力法,Methods of Analysis of Statically Indeterminate Structures Mechanics,3-1 超静定结构的组成与超静定次数的确定,静力特征:仅由静力平衡方程不能求出所有内力和反力.,超静定问题的求解要同时考虑结构的“变形、本构、平衡”.,几何特征:有多余约束的几何不变体系。,超静定结构是相对于静定结构而言的。静定结构是几何不变而又没有多余约束的体系,其反力和内力只需静力平衡方程即可求得。所谓几何不变体系是指如果不考虑材料应变所产生的变形,体系在受到任何载荷作用后能够保持其固有的几何形状和位置的体系。超静定结构有以
2、下几个特征:,概述,拱,组合结构,桁架,超静定梁,刚架,3-1 超静定结构的组成与超静定次数的确定,桁架,(1)超静定次数结构多余约束或多余未知力的数 目,即为超静定次数。(2)确定超静定次数的方法通过去掉多余约束来 确定。(去掉n个多余约束,即为n次超静定)。(3)去掉(解除)多余约束的方式,2)超静定次数确定,a、撤去一个活动铰支座、去掉或切断一根链杆去掉1个约束(联系);,3-1 超静定结构的组成与超静定次数的确定,b、去掉一个单铰或一个固定铰支座 去掉2个约束;,c、切断刚性联系(梁式杆)或去掉一个固定端 去掉3个约束;,X3,3-1 超静定结构的组成与超静定次数的确定,d、将刚性连接
3、改为单铰 去掉1个约束。,注意事项,(1)对于同一超静定结构,可以采取不同方式去掉多余 约束,而得到不同形式的静定结构,但去掉多余约束的 总个数应相同。,(2)去掉多余约束后的体系,必须是几何不变的体系,因此,某些约束是不能去掉的。,3-1 超静定结构的组成与超静定次数的确定,几何可变体系不能作为基本体系,3-1 超静定结构的组成与超静定次数的确定,举例:,X1,X2,3-1 超静定结构的组成与超静定次数的确定,X4,X3,X1,X2,X1,X2,3-1 超静定结构的组成与超静定次数的确定,平衡方程个数:2816,未知数个数:16+3=19,多余约束力:19-163,3-1 超静定结构的组成与
4、超静定次数的确定,计算桁架超静定次数的简单公式(m+r)-2j=16+3-28=3 m(杆个数);r(支反力数目);j(节点数),X1,X2,X3,X1,X2,X3,每个无铰封闭框超三次静定,超静定次数3封闭框数=35=15,超静定次数3封闭框数单铰数目=353=12,3-1 超静定结构的组成与超静定次数的确定,一个无铰封闭框有三个多余约束.,3-1 超静定结构的组成与超静定次数的确定,3封闭框数单铰数目=334=5,3封闭框数单铰数目=333=6,力法的基本思想:1.找出未知问题不能求解的原因,2.将其化成能求解的问题,3.找出改造后的问题与原问题的差别,4.消除差别后,改造后的问题的解即为
5、原问题的 解,3-2 力法的基本原理及典型方程,解除多余约束,转化为静定结构。将多余约束以多余未知力代替。这种把多余约束力作为基本量的计算方法力法。,3-2 力法的基本原理及典型方程,看下面简单的例子:,如图3-6所示的双跨梁,它是二次超静定结构。在用力法计算时,可将其两个多余联系去掉。,图3-6a,图3-6c,图3-6b,3-2 力法的基本原理及典型方程,为了求出基本结构中多余的约束力,必须考虑原结构在多余联系处的已知变形条件。下面以求M1和M2(图3-6b)为例来说明。原结构(图3-6a)在均布载荷q作用下在固定端处的转角为零,在中间支座处转角连续。为使基本结构的受力和变形与原结构完全一致
6、,就应使基本结构在多余约束力M1、M2 载荷q作用下在支座1处的转角为零,在支座2处的转角连续,即:,支座1处的转角,支座2处的转角,3-2 力法的基本原理及典型方程,上式即为变形协调条件。利用两端自由支持单跨梁的弯曲要素表,可以得到转角与弯矩和外载荷之间的关系式,并将他们代入到上式,得到:,根据变形条件,求解:,3-2 力法的基本原理及典型方程,求出基本未知量M1和M2后,就可分别对两个静定单跨梁进行计算,并用叠加法画出梁1-2和2-3的弯矩图和剪力图,此即原双跨梁的弯矩图和剪力图。,第二种等效方法,固定端支反力,在均布载荷q作用下:,变形条件,求解:,3-2 力法的基本原理及典型方程,在集
7、中载荷R1作用下:,在集中载荷R2作用下:,力法基本原理:把去掉原结构上的多余联系后所得的静定结构作为基本结构,以多余约束力作为基本未知量,根据原结构在多余联系处的变形条件列力法方程,解之即得多余约束力;而以后的计算与静定结构相同。必须指出,基本结构的选取虽然可以不同,但它必须是几何不变的。否则不能用作计算超静定结构的计算图形。,上述基本原理可以用于分析任何类型的超静定结构,例如连续梁,刚架和桁架等。,3-2 力法的基本原理及典型方程,如果把图3-6b中的M1称为第一个多余约束力,记做X1;M2称为第二个多余约束力,记做X2。并且把力法方程组改写成:,式中:,(a),3-2 力法的基本原理及典
8、型方程,与图3-6b对照,可以看出:力法方程组(c)中的系数11就是当X1=1单独作用于基本结构时,在X1作用点沿X1方向的转角(广义位移),而21就是在X2作用点沿X2方向的转角;22就是当X2=1单独作用于基本结构时,在X2作用点沿X2方向的转角(注意基本结构有一对X2),而12在X1作用点沿X1方向的转角;1p就是当外载荷单独作用于基本结构时在X1作用点沿X1方向的转角;而2p就是当外载荷单独作用于基本结构时在X2作用点沿X2方向的转角,3-2 力法的基本原理及典型方程,对于n次超静定结构,其力法方程组可写为。,(3-1),注:对于有支座沉降的情况,右边相应的项就等于已知位移(沉降量),
9、而不等于零。,3-2 力法的基本原理及典型方程,(1)系数(柔度系数)、自由项,主系数ii(i 1,2,n)单位多余未知力 单独作用于基本结构时,所引起的沿其本身方向上的位移,恒为正;,自由项iP 荷载FP单独作用于基本体系时,所引起Xi方向的位移,可正、可负或为零。,3-2 力法的基本原理及典型方程,(3)最后弯矩,(2)典型方程的矩阵表示,3-2 力法的基本原理及典型方程,力法基本思路小结,解除多余约束,转化为静定结构。多余约束代以多余未知力基本未知力。,分析基本结构在单位基本未知力和外界因素作用下的位移,建立位移协调条件力法方程。,从力法方程解得基本未知力,由叠加原理获得结构内力。超静定
10、结构分析通过转化为静定结构获得了解决。,3-2 力法的基本原理及典型方程,3-3 刚性支座上连续梁与不可动节点简单刚架计算,3-3 刚性支座上连续梁与不可动节点简单刚架计算,图3-1(a),图3-1(b),图(3.1a)所示的为n-1跨的刚性支座上的连续梁,其两端刚性固定。首先判断它是一个n次超静定梁(无轴向载荷,故无轴向约束反力),将连续梁两端的刚性固定端改为固定铰支座,并以相应的多余约束力(端面弯距)代替,在每个中间支座处将梁切断,并以相应的约束反力(梁截面上的弯距)代替。得到如图(3.1b)所示的基本结构单跨梁。它会使得力法方程简化。,3-3 刚性支座上连续梁与不可动节点简单刚架计算,根
11、据原结构在刚性固定端转角为零和在支座处转角连续性条件,列出方程:,(3-2a),i=2,3,n-1,3-3 刚性支座上连续梁与不可动节点简单刚架计算,将上式整理后得到:,(3-2b),3-3 刚性支座上连续梁与不可动节点简单刚架计算,式中,i2,3,n-1;i(qi-1)第i-1跨梁上所有外荷引起得在支座i处的梁右端的转角;i(qi)表示第i跨梁上所有外荷引起的在支座i处梁左端的转角;1(q1)、n(qn-1)同理,并规定沿顺时针方向的转角为正,反之为负。由式(3-2)可见,每个方程中最多含三个未知弯距,故式(3-2)称为三弯距方程,改写为矩阵形式为:,3-3 刚性支座上连续梁与不可动节点简单
12、刚架计算,(3-3),3-3 刚性支座上连续梁与不可动节点简单刚架计算,式中系数矩阵是对称矩阵,ij=ji,且,(3-4),3-3 刚性支座上连续梁与不可动节点简单刚架计算,式中,i2,3,n-1。,(3-5),式中,i2,3,n-1。,式(3-3)在数学上称为三对角方程。当连续梁上支座数目较多时,可以采用追赶法在计算机上求解。,3-3 刚性支座上连续梁与不可动节点简单刚架计算,例题 1:计算图3.2所示的等截面三跨连续梁。已知l8m,P=ql/2=40kN,q=10kN/m,解:取其基本结构如图(b)所示。根据基本结构在支座1处的转角为零,在中间支座处转角连续的条件,列出三个力法方程。,将以
13、上三个方程两边同乘以6EI/l,整理得:,解得:,得到固定端和各截面的弯距后,就可以采用叠加法绘制剪力图和弯距图。,对于仅受到均布载荷的等截面、等跨度的连续梁,则连续梁每一跨度的变形均相同,中间支座处的转角为零。这种连续梁可作简化计算,只需取出一跨,将其作为两端刚性固定的单跨梁计算,无需对整个连续梁进行计算。目前,船体结构中的甲板纵骨及船体纵骨大都满足以上条件,所以都可以作为两端刚性固定的单跨梁处理。,回顾:,超静定结构,静定结构,多余联系,多余约束力,力法方程,连续性条件,力法,船体结构中的甲板纵骨、舷侧纵骨和船底纵骨这些纵向构件(超静定结构)可以采用三弯矩方程得以解决。对于由横梁、肋骨和肋
14、板组成的横向框架结构?,船体结构中的刚架大都是由横梁、肋骨和肋板组成的横向框架结构。刚架中杆件的相交点叫作刚架的节点。,图3.3,实际结构中,大多数刚架受力变形后节点位移可以不计,于是计算强度时在节点处加上固定铰支座,称为不可动节点刚架。少数情况,对于大开口船舶,舱口端横梁在载荷作用下会有较大线位移,因此在计算强度时只能加弹性支座或给定一个已知线位移,这种刚架称为可动节点刚架。,例题 2:计算图3.3所示的单甲板船在舱口部位的肋骨刚架,图3.4a,图3.4b,解:对图3.4a所示的刚架,可将其作为刚性支座上连续梁“折合”的结果,可以按照连续梁的方法求解。取其基本结构形式如图3.4b所示,另由于
15、此刚架结构为左右载荷对称、结构形式对称结构,所以M2=M5、M3=M4,这样就可以根据原结构在刚性支座处转角的连续性条件,列出两个力法方程:,求出节点弯距后,就可以绘制刚架的弯距图。由上式可见,刚架的内力与各杆的截面惯性距的比值有关,因而并不需要给出各杆件的惯性距,只要给出各杆件之间惯性距的比值即可。此外,当肋板的刚度远远大于肋骨的刚度时,即I3I2时,20,故可得:,这说明肋板可以作为肋骨的刚性支撑,肋骨相当于刚性固定在肋板上,这也就是如图3.5所示的肋骨刚架的计算结果。,图3.5,例题3:计算图3.6所示的刚架,画出弯距图,不计各杆的拉压变形。已知P=16kN,l=1m,I2/I1=6,图
16、3.6a,图3.6b,解:图3.6a所示的刚架,自身处于平衡状态,在不计刚架各杆件拉压变形的情况下,节点1、2、3、4处的线位移为零。因此,刚架属于不可动节点刚架,取其基本结构如图3.6b所示。由于刚架为几何对称结构,载荷也完全对称,所以由M1=M2=M3=M4。因此未知弯距只有一个,只需根据一个节点的转角连续性条件,列出一个力法方程即可。,弯距图,3-4 弹性支座与弹性固定端的实际概念,上一章我们曾经对弹性支座和弹性固定端下了定义,那么弹性支座和弹性固定端的实际概念是从何而来的呢?,我们看一下这个结构。,图3.7a,图3.7b,图3.7c,我们采用力法对其进行求解,取原结构的基本结构如图3.
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