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m. F. q. q. ↓↓↓↓↓↓↑↑↑↑↑↑. ↓↓↓↓↓↓↓↓↓. EI 1. F. F 1. F 1. EI. F 1. F 1. l/2. l/2. EI 2. 对称轴. EI. EI 2. 对称轴. EI 1. 对称轴. 对称轴. a/2. a/2. 反对称荷载. 对称轴. 对称轴. 对称荷载. §7-6 对称结构的计算. 对称结构是几何形状、. 支座、. 刚度. 1 、结构的对称性:. 都对称。. EI. EI. EI. 2 、荷载的对称性:.
E N D
m F q q ↓↓↓↓↓↓↑↑↑↑↑↑ ↓↓↓↓↓↓↓↓↓ EI1 F F1 F1 EI F1 F1 l/2 l/2 EI2 对称轴 EI EI2 对称轴 EI1 对称轴 对称轴 a/2 a/2 反对称荷载 对称轴 对称轴 对称荷载 §7-6 对称结构的计算 对称结构是几何形状、 支座、 刚度 1、结构的对称性: 都对称。 EI EI EI 2、荷载的对称性: (正)对称荷载——绕对称轴对折后,对称轴两边的荷载等值、作用点重合、同向。 反对称荷载——绕对称轴对折后,对称轴两边的荷载等值、作用点重合、反向。
F/2 F/2 F/2 F/2 F P P F2 W W F1 正对称荷载 反对称荷载 一般荷载 a a a a a 任何荷载都可以分解成正对称荷载+反对称荷载。 F1=W+P,F2=W—P
X1=1 X2 X2=1 X3=1 F X1 X2 X2 F2 X3 一般荷载 3、利用对称性简化计算: 1)取对称的基本体系(荷载任意,仅用于力法) 力法方程降阶 如果荷载对称,MP对称, Δ3P=0,X3=0; 如果荷载反对称,MP反对 称,Δ1P=0, Δ2P=0, X1= X2 =0。 对称结构在对称荷载作用下,内力、变形及位移是对称的。 对称结构在反对称荷载作用下,内力、变形及位移是反对称的。
C F F F F C C C FSC F F F F F F F F F MC FNC FNC 2)取等代结构计算(对称或反对称荷载,适用于各种计算方法) ①对称结构在对称荷载作用下,内力、变形及位移是对称的。 FSC=0 uc=0、θc=0 , 内力 a)位于对称轴上的截面的位移 EI EI EI 对称:uc=0,θc=0 中柱: vc=0 对称:uc=0, θc=0 C C c)偶数跨对称结构在对称荷载下等代结构取法:将对称轴 上的刚结点、组合结点化成固定端;铰结点化成固定铰支座。 等代结构 等代结构 vc=0 中柱: 对称:uc=0 b)奇数跨对称结 构的等代结构是将 对称轴上的截面设 置成定向支座。 vc=0 中柱: 等代结构
C F F F F C FSC F F 2EI C F F 2EI F F F MC C FNC FNC F F 2EI ②对称结构在反对称荷载作用下,内力、变形及位移是反对称的。 vc=0 ,内力 FNC=0,MC=0 a)、位于对称轴上的截面的位移 b)奇数跨对称结构的等代结构是将对称轴上的截面设置成支杆 c)偶数跨对称结构的等代结构 将中柱刚度折半,结点形式不变 EI EI EI C 等代结构 EI EI 等代结构 等代结构
↑↑↑↑↑↑↑ EI EI EI 2EI EI 6m 46kN/m 81 103.5 6m 6m kNm 135 81 198 EI EI EI 23kN/m 6m 103.5 M 81 K kN·m 103.5 6m 135 kNm 198 135 198 • 利用对称性计算要点: • ①选取等代结构; • ②对等代结构进行计算,绘制弯矩图; • ③利用对称或反对称性作原结构的弯矩图; • ④非对称荷载分成对称和反对称荷载。 例:绘制图示结构的内力图。 ↑↑↑↑↑↑↑ 207 等代结构 等代结构的计算 396
F/2 F/2 F l/4 l/4 l/2 l/2 l/2 l/2 l/2 l/2 l/2 l/2 EI=常数 P F/2 F/2 F/2 X1 解: 11 x1+Δ1P=0 基本体系 11= Δ1P= 1 X1= X1=1 Mp 先叠加等代结构的弯矩图
F C F F B l/2 l/2 F l/2 l/2 l/2 l/2 A F F Fl/8 Fl/8 C B F F Fl/8 Fl/8 C B A F F F 作图示刚架的弯矩图。 EI=常数。
MP 4kN.m 4kN.m 4kN.m 4kN.m 4kN.m 4m 4m 2m 4m 4m 4m 4m X1 · é ù 1 1 2 4 256 d = · · · + · · = 4 4 4 4 4 ê ú 11 EI 2 3 3 EI ë û 1 64 D = · · = 4 4 4 1 P EI EI D 3 = - = - X 1 P d 1 4 2kN 2kN 2kN 11 例题:用力法计算图示结构并作M图。EI=常数。 4 3 1 3 1 M图(kN.m) 4 解: 11 x1+Δ1P=0 X1=1 4
F F F F F • 无弯矩状态的判定: • 在不考虑轴向变形的前提下,超静定结构在结点集中力作用下 • 有时无弯矩、无剪力,只产生轴力。 • 常见的无弯矩状态有以下三种: • 1)一对等值反向的集中力沿 一直杆轴线作用,只有该杆有轴力。 -F M=0 -F M=0 M=0 2)一集中力沿 一柱轴 作用,只有该柱有轴力。 3)无结点线位移的结构, 受结点集中力作用,只有轴力。 MP=0 Δ1P=0 δ11>0 MP=0 X1= Δ1P/δ11=0 M=M1X1+MP=0
例:求图示对称刚架在水平荷载作用下的弯矩图。例:求图示对称刚架在水平荷载作用下的弯矩图。 MP F/2 F/2 F/2 F/2 EI2 h F EI1 EI1 l l l 1 l l l 1 l h l 2 3 d = · · + · · · · = + h 6 k Fh 11 4 2 2 EI 2 2 2 3 EI EI 24 EI · F/2 X1 + 1 2 1 2 6 k 1 4 1 Fh l Fh l 2 + 6 k 2 Fh 等代结构 基本体系 D = · = h · 1P + 2 2 2 EI 8 EI 6 k 1 4 1 1 D I h = - = l/2 X k F/2 1 P 2 d 1 I l X1=1 6 k Fh 11 1 = - + l/2 6 k 1 2 l Fh/2 -F/2 M=0
Fh Fh 6 k Fh · 2 2 + 6 k 1 4 Fh Fh + 6 k 2 Fh · 4 4 + 6 k 1 4 20 18 Fh Fh I h 19 19 4 4 = k 2 I l 1 k很小 弱梁强柱 k很大 强梁弱柱 k=3 • 荷载作用下,内力只与各杆的刚度比值有关,而与各杆的刚度绝对值无关。 • 内力分布与各杆刚度大小有关,刚度大者,内力也大。
15 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P P/2 1 EI=C EI=C EI=C EI=C a a P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P/2 P EA EA 27 EA EA a X1 X1 等代结构 基本体系 X1=1 0 MP 0 3、绘 求系数 自由项 a a 5、按 绘弯矩图。 例:试用对称性计算图示刚架,并绘弯矩图。 反对称荷载作用 取等代结构如下 正对称结点荷载作 用下各杆弯矩为零 15 解:将荷载分为正对承和反对称两组 = + 1 27 M图 1、取基本结构; 2、力法方程: 4、解方程:
3m 16m §7-7 超静定拱的计算方法
M M y X1=1 d + D = X1=1 ò X 0 D = 1 P ds 11 1 1 p 1 p x EI 2 2 M F = - M y ò ò 0 M y d = + 1 N1 ds ds 1 ò D = - ds 11 EI EA = j F cos 1 P EI N1 j 2 2 y cos ò ò d = + ds ds 11 EI EA = - 0 M M FHy = j - f 0 FS FS cos FH sin j + j = 0 sin FN FS FH cos D D = = - - 1 1 P P FH FH d d 11 11 X1 MP=M 0 求出FH后,内力的计算与三铰拱相同 即: 由于拱是曲杆δ11Δ1P不能用图乘法 基本体系是曲梁,计算Δ1P时一般只 考虑弯曲变形, 计算δ11时,有时(在平拱中)还要 考虑轴向变形 三铰拱中: 两铰拱中:
落地式拱 E1A1 MP=M 0 00 MP=M 0 FH*=1 X1=1 FH=1 2 2 M F ò ò d = + 1 N1 ds ds 11 EI EA M M ò D = 1 P ds 1 P EI D = - 1 P FH d 11 带拉杆的拱作为屋盖结构 • 如果E1A1→∞,则FH*→FH,因而两者的受力状态基本相同。 • 如果E1A1→0,则FH*→0,这时,带拉杆的三铰拱实际一 • 简支曲梁,对拱肋的受力是很不利的。 • 由此可见,为了减少拱肋的弯矩,改善拱的受力状应适 • 当的加大拉杆的刚度。 = ≠
该例中,两铰拱与三铰拱的内力相等,这不是普遍性结论。该例中,两铰拱与三铰拱的内力相等,这不是普遍性结论。 如果在别的荷载作用下,或在计算位移时不忽略轴向变形的 影响,两者内力不一定相等。但是,在一般荷载作用下,两 铰拱的推力与三铰拱的推力及内力通常是比较接近的。 ↓↓↓↓↓↓↓ q y f x A B 0.5l 0.5l q ↓↓↓↓↓↓↓ x D 2 ql = - = 1 P FH 2 2 3 1 ql ql d 16 f ql ql 11 8 8 16 16 ( ) < < x l l 1 2 l l ò ò d = D = - 2 0 y dx yM dx/EI 11 1 p EI 0 0 2 2 ql ql x 64 64 2 2 æ ö 1 4 f 8 f l ( ) l ò d = - = ç x l x dx 11 2 EI l 15 EI è ø 0 = - 0 2 M qlx qx 3 1 8 2 ( ) = - 0 M ql l x 1 8 例:EI=常数,求FH。拱轴线方程为 解: 简化假定:只考虑弯曲变形;近似地取 ds=dx,cos=1(平拱,f/l<0.2)。 ∴ M0 (0<x<0.5l) M=M0-FHy -FHy M
↓↓↓↓↓↓↓ q y f x A B 0.5l 0.5l q/2 q/2 q/2 q/2 ↓↓↓↓↓↓↓↑↑↑↑↑↑ ↓↓↓↓↓↓↓↑↑↑↑↑↑ ↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓ ↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓ q/2 q/2 X1 X1 2 2 ql ql 64 64 例:图示拱,EI=常数,求其水平推力FH。拱轴线方程为 = = ↓↓↓↓↓↓↓↑↑↑↑↑↑↑ M0 = M反对称 + = 对称荷载下,取三铰拱为基本体系, 其MP=0∴Δ1P=0,X1=Δ1P/δ11=0, 而 M= MP M对称=0 在反对称荷载下,对称未知力X1=0 = M0 M反对称=M1X1+MP=MP = M0-FHy 而 FH反= =0 基本体系
- y y a ò ò d = - = - ds ds 12 EI EI y y ¢ y‘ y C C1 ò ds a ¢ - X1 y 1 X1 x’ EI ò ò = + = = x ds a ds 0 a o O O1 X2 X2 1 EI EI ò F ds M M k F FN F X1 ò ò ò + d = + X3 ds ds ds S1 1 2 S2 1 N2 EI X2 12 EI GA EA d + d + D = X X 0 M 1 = = = M 1 0 0 F FN1 11 1 12 2 1 P ò ò D = d = ds ds X3 P 1 S1 d + d + D = X X 0 1 P 11 EI EI 21 1 22 2 2 P = = - = = - j j M M y x FN3 FN2 cos sin j d + D = yM y cos 2 2 X 0 3 2 ò ò ò D = - d = + ds ds ds P 33 3 3 P 2 P 22 EI EI EA xM x ¢ 2 ò ò D = d = ds ds P 3 P 33 EI EI F1 F1 F2 F2 F1 F2 对称无铰拱的计算 = X1=1引起: X2=1引起: 对称的基本体系 X3=1引起: δ12= δ21=0 → O点的物理含义:
y‘ 1/EI ¢ y ò y‘ x‘ ds 弹性中心 EI = a a 1 ò O ds EI 刚臂的端点O就是弹性面积的形心,叫弹性中心。
q=10kN/m ↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓ y q=10kN/m x ↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓ y ¢ = j = + = j X1 X1 x x R sin y y a R cos A f=2.5m A x’ ¢ y ds ò ò = = a ds 5 . 39 m D X2 X2 EI EI R R φ y‘ R R ¢ = = - = - M 1 M y a y a Φ0 Φ0 Φ0 Φ0 1 2 ò = = d EI M ds 1 . 855 R 2 11 1 O O ò d = = EI M ds 0 . 027 R l =10m 2 3 22 2 例7-3等截面圆弧无铰拱求内力。 解:求R和φ0 R=6.25m
q = M x 2 P 2 ò D = = - EI M M ds 0 . 224 qR 3 1 P 1 P ò D = = - EI M M ds 0 . 0223 qR 4 2 P 2 P D = - = = X 0 . 121 qR 47 . 1 kN . m 2 1 P d 1 11 D = - = = X 0 . 827 qR 51 . 7 kN 2 P d 2 22 = = FH X 51 . 7 kN 2 = - - = M X X ( R a ) 2 . 76 kN . m · M ql 10 10 0 2 2 C 1 2 ¢ = = = = FH 50 kN = = + - j = C M M X X ( a R cos ) 6 . 98 kN . m · f 8 f 8 2 . 5 A B 1 2 0 ¢ - - FH FH 51 . 7 50 = = % 3 ¢ FH 50 三铰拱的水平推力
§7-8 温度改变、支座移动时超静定结构的内力 由于超静定结构有多余约束,所以在无荷载作用时,只要有发生变形的因素,如温度改变、支座移动、材料收缩、制造误差等,都可以产生内力(自内力)。
-35° -35° 6m 8m 6 6 +15° +15° -35° -35° +15° +15° +15° +15° -35° -35° 60cm · · é ù 1 6 6 2 6 432 40cm d = · · + · = X1 6 8 6 2 ê ú 11 EI 2 3 EI ë û D = - - = t 15 ( 35 ) 50 C 50 o a a D D t t D = a · + · · - a · = a ( 6 8 6 6 / 2 2 ) ( 10 )( 1 8 ) 6800 D a 6800 å å å å Δit= ± Δit= a a w w ± ± w w t t = - = - = - a X 15 . 74 EI 1 t 0 . 6 1 t 0 0 N N M M h h d 1 432 EI 11 - 15 35 = = - t 10 C o 0 2 = M M X 1 1 = FN X F N1 1 1、温度内力的计算(仅自由项计算不同) 例7-6图示刚架施工时的温度为15°C,使用期间(冬季)温度 如图。求温度变化产生的内力。EI=常数。 δ11X1+Δ1t=0 基本体系 X1=1 94.2 FN=-15.74 温度改变时的力法计算特点: 1)自内力全由多余未知力引起,且与杆件刚度的绝 对值有关; 2)系数计算同前; 3)自由项计算 M&FN×αEI
X1 1) 2) X1 3) a a X1 θ θ X1=1 a 3) a a a 1/l l/3 2l/3 1.5/l 2、 支座移动时的计算 EI l 支座移动时的力法计算特点:1)取不同的基本体系计算时,不仅力法方程代表的位移条件不同,而且力法方程的形式也不一样。基本体系的支座位移产生自由项。与多余未知力对应的支座位移出现在方程的右边。 2)系数计算同前;自由项 ΔiC=-∑R·c c是基本体系支座位移。3)内力全由多余未知力引起,且与杆件刚度的绝对值有关 Δ1=δ11x1+Δ1c= 0 Δ1=δ11x1+Δ1c=-a Δ1=δ11x1+Δ1c= θ l X1=1 1 X1=1 δ11= Δ1c= δ11= 1.5 1 Δ1c=-θl X1= X1= Δ1c= δ11= X1= M
· 1 1 l 2 l d = = = d θA 11 22 EI 2 3 3 EI θB · X2 1 l l 1 l Δ Δ d = - = - = d 12 21 EI 2 3 6 EI X1 X1 D X2 D = = D X1=1 1 C 2 C l 1/l 1/l 1 D l l M - + = q X X 1 1 1 2 A 3 EI 6 EI l M D 2 l l X2=1 - + + = q X X 1 2 B 6 EI 3 EI l D é ù EI = q + 2q - X 4 6 ê ú 1 A B l l ë û D é ù EI = q + 2q - X 4 6 ê ú 2 B A l l û ë 用力法求解单跨超静定梁
X2 D X1 ↑↑↑↑↑↑↑ X1 C D 81 EI ↑↑↑↑↑↑↑ X2 q=23kN/m 103.5 EI EI M q=23kN/m 基本体系 kNm A B 6m 6m 135 198 X D 1 1 3 1.5 M =-13.5 =36 §7-9 超静定结构位移计算 G 原结构与基本体系 受力和变形相同 Δ1=0 Δ2=0 当 { 求原结构的位移就归 结求基本体系的位移。 1134 = —— EI 求 ΔDH 1 6 = — — (2×6×135-6×81) EI 6 虚拟的单位荷载可以 加在任一基本体系上,计算结果相同。 =1 G 例:ΔGV M 6×1.5 81 729 =- ——— · — = - —— 2EI 2 4EI 6
c1 F=1 F=1 M FN FS R c2 M FN FS t2 a a a a D D D D t1 M t t t t FN kFS k = + + + + e = + + + + a a a a g = t t t t 0 0 0 0 EI h h h h EA GA 超静定结构在支座移动和温度改变下的位移计算 M FN FS M FN FS
EI l M F=1 å l/2 F=1 - R c a l/4 l/2 1/2 综合影响下的位移计算公式 例7-7求例7-5中超静定梁 跨中挠度。
EI, l,t0 ,Δt c F=1 求超静定结构因温度改变、支座移动产生的位移时,若选原结构建立虚拟力状态,计算将会更简单。 ① ② 而:
EI l a l/2 l/2 F=1 F=1 l/2 A 3Fl/16 l/2 F=1 15° l 15° 5F/16 25° 15° 1/2 1/2 1 1/2 -∑R*×c 1 - + - 例:求超静定梁跨中挠度。 Δc= 例:求超静定结构, 各杆EI为常数,截 面为矩形,h=0.1l, 求 A点水平位移。
F=1 C 3 l 40 l/2 l/2 F=1 15° l 1/2 1/2 15° 25° 15° 3 l 40 3/40 - - - 例:超静定结构, 各杆EI为常数,截面 为矩形,h=0.1l, 求C点竖向位移。 解:在原超静定结 构上虚拟单位荷载, 并用力法求得其弯 矩图和轴力图。
1)重视校核工作,培养校核习惯。 • 2)校核不是重算,而是运用不同方法进行定量校核; • 或根据结构的性能进行定性的判断或近似的估算。 • 3)计算书要整洁易懂,层次分明。 • 4)分阶段校核,及时发现小错误,避免造成大返工。 §7-10超静定结构计算的校核 • 力法解题校核 • 1)阶段校核 • ①计算前校核计算简图和原始数据,基本体系是否 • 几何不变。 • ②求系数和自由项时,先校核内力图,并注意正负号。 • ③解方程后校核多余未知力是否满足力法方程。
2)最后内力图总校核 100 75 22.5 60 200kN 30 I=2 I=2 40 B 125 11.3 4m 2m 2m 4m 150 I=1 I=1 15 FS图(kN) M图(kN.m) 20 15 60 100 11.3 40 200 3.7 11.3 15 3.7 FN图(kN) 75 22.5 147.5 147.5 22.5 + + + + - - - - + ∑M=0 ∑X=3.7+11.3-15=0 ∑Y=75+147.5-200 -22.5 =0
3) 变形条件校核 δii=∫MiMi/EI×ds>0 解方程,求多余未知力; 按 M=∑Mj·Xj+MP 叠加最后弯矩图。 δij=∫MjMi/EI×ds=δji ΔiP=∫MPMi/EI×ds ( ) M å ò M M = + dx i M X M ò i dx j j P EI EI M M M M å ò ò å i j = + i P dxX dx = d + D = D = X 0 0 j EI EI ij j iP i 力法基本体系与原结构等价的条件是n个位移条件, Δ1=0、 Δ2=0、 ……Δn=0 将它们展开得到力法方程 Δi=∑δijXj+ Δ iP=0 i,j=1,2,……n 其中: δij δij δij δij ΔiP ΔiP ΔiP ΔiP 即: 这样,超静定结构的最后弯矩图,与任意基本体系的任一多 余未知力的单位弯矩图图乘结果如果等于零,则满足变形条件。 注意:这个结论对温度改变或支座移动引起的超静定结构计算是不成立的。
100 60 200kN X1=1 4 A A 30 I=2 XA=1 I=2 40 B 1 4m 2m 2m 4m 200 150 4 I=1 I=1 M图(kN.m) 20 1 1 15 · · · · - é ù 1 200 4 4 100 4 2 4 4 4 20 40 80 D = - + = - V ê ú A 2 2 2 2 3 1 2 3 ë û M M M å ò ò D = = = ds ds 0 EI EI 封闭框 - - - é ù é ù é ù M 1 40 20 1 30 60 1 30 15 40 ò = · + · + · = ¹ ds 4 4 4 0 ê ú ê ú ê ú I 1 2 2 2 1 2 1 ë û ë û ë û 结论:当结构只受荷载作用时, 沿封闭框形的M/EI图形的 总面积应等于零。
X1 =1 X1 ↑↑↑↑↑↑↑ EI M1 q=23kN/m EI EI · · · · é ù 1 6 198 2 6 2 103 . 5 6 6 6 ( ) = - + + · · - · 6 6 D 2 6 135 81 6 ê ú A B 1 6m EI 2 3 3 2 6 ë û 6m 1 ( ( ) ) · · - - · · 1 é é ù ù 81 1 1 81 81 6 6 2 2 135 135 81 81 6 6 D D = = - - + + · · 1 1 ê ê ú ú 1 1 EI EI 2 2 3 3 2 2 ë ë û û 103.5 M = 0 kNm 1 135 198 =0 M1 X1=1
荷载作用 支座移动 温度改变 内力 静定结构 变形 位移 内力 超静定结构 变形 位 移 静定结构和超静定结构在各种因素作用下的位移计算公式一览表 由平衡条件求 不产生内力 不产生变形 综合考虑平衡条件和变形连续条件来求 …… αΔt —— h M =—— EI κ +
F F l/2 l/2 l/2 l/2 F F Fl/4 Fl/4 超静定结构的特性: • 1、超静定结构结构是有多余约束的几何不变体系; • 2、超静定结构的全部内力和反力仅有平衡条件求不出, • 还必须考虑变形条件; • 3、温度改变、支座移动等非荷载外因对超静定结构会产 • 生内力。 • 4、超静定结构的内力与材料的物理性能和截面的几何特 • 征有关,即与刚度有关。 • 荷载引起的内力与各杆的刚度比值有关;非荷载 • 外因引起的内力与各杆的刚度绝对值有关。 • 5、超静定结构的多余约束破坏,仍能继续承载。具有较 • 高的防御能力。 • 6、超静定结构的整体性好,在局部荷载作用下可以减小 • 局部的内力幅值和位移幅值。
X1 X1 X2 X2 X1 ↑↑↑↑↑↑↑ =1 D X1 C ↑↑↑↑↑↑↑ M1 X2 X2 EI q=23kN/m 基本体系 q=23kN/m 6 6 EI EI A B 6m 6 6m =1 6 δ11X1+ δ12X2+Δ1P=0 M2 δ21X1+ δ22X2+Δ2P=0 MP 414 ↑↑↑↑↑↑↑ q=23kN/m 例题: 力法解图 示刚架。 1)确定超静定次数,选取力法基本体系; 2)按照位移条件,列出力法典型方程; 3)画单位弯矩图、荷载弯矩图, 4)用(A)式求系数和自由项 81 103.5 M kNm 5)解方程,求多余未知力 135 144X1+108X2-3726=0 108X1+288X2=0 198 X1=36, X2=-13.5 6)按 M=∑Mi·Xi+MP 叠加最后弯矩图