《结构力学》第4章：静定结构的位移计算.ppt

结构力学结构力学 张毅主编；董桂花，徐继忠，潘立常副主编 欢迎学习 张 毅 主 编 董桂花 徐继忠 潘立常 副主编 2006年6月 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 第第1 1章章 结构的计算简图结构的计算简图 第第2 2章章 平面结构体系的几何组成分析平面结构体系的几何组成分析 第第3 3章章 静定结构的内力分析静定结构的内力分析 第第4 4章章 静定结构的位移计算静定结构的位移计算 第第6 6章章 位移法位移法 第第8 8章章 影响线影响线 第第5 5章章 力法力法 第第7 7章章 力矩分配法力矩分配法 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 4.1 结构位移计算的目的的 4.2 变形体的虚功原理 4.3 荷载作用下的位移计算的一般公式 4.4 静定结构在荷载作用下的位移计算 4.5 图 乘 法 4.6 静定结构在支座移动时位移计算 4.7 功的互等定理 4.8 小 结 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 本章学习要求本章学习要求 l理解静定结构位移计算的重要性。 l了解实功、虚功、广义力、广义位移、虚功原理等概念和公 式推导。 l熟练掌握荷载作用下用单位荷载法，并采用图乘法计算结 构位移；对于支座移动时结构位移计算只要求了解。 l理解弹性体系的几个互等定理及其应用。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 4.1 结构位移计算的目的 计算结构位移的目的主要有如下几个方面： 在结构设计时，不仅要保证结构具有足够的强度，而且还要满足刚度的 要求。结构在荷载作用下如果变形太大，表明结构的刚度不够，影响结 构的正常使用。因此，设计时必须要验算结构的刚度。 1. 验算结构的刚度 结构在制作、施工架设过程中，常常需要预先知道结构变形后的位置， 以便采取必要的防范和加固。如屋架下弦杆的“建筑起拱下料”做法等 。 2. 结构在制作和施工架设中的位移计算 超静定结构的支座反力和内力仅用静力平衡条件不可能全部求出，还必 须利用结构的位移条件，建立补充方程，以求得全部未知力。 3. 为分析超静定结构创造条件 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 应该指出的是本章研究的结构仅限于线弹性变形体结构，即 结构必须具备如下条件： (1)材料的受力在弹性范围内，应力与应变的关系符合胡克定律 ； (2)结构的位移(或变形)是微小的。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 W=P 式中， W功； P做功的力； 沿力作用线方向的位移。 在力学中，功的定义是：一个不变的集中力所做的功等于 该力的大小与其作用点沿力作用线方向相应位移的乘积， 表达式为 4.2 变形体的虚功原理 1. 功 广义力 广义位移 对于其他形式力或力系所做的功，可用两个因子的乘积来表示， 其中与力相应的因子称为广义力，而另一个与位移相应的因子称为广 义位移。这样，功可以表示为广义力与广义位移的乘积。 常用的是牛顿米(Nm)或千牛顿米(kNm)。当力与位移方向一致 时，功为正值，相反时为负值。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 作为结构当视为弹性体时，作用在弹性体上的外力在由它引 起的力方向的位移所做的功，称为外力实功。 由物理学知道，能量既不能创造，也不能消失，只能从一 种形式转化为另一种形式，而能的总量保持不变，这就是能 量守恒定律。功则是能量变化的量度。 2. 外力实功 所谓“静力荷载”是指所加的荷载是从零缓慢地加到最终值。 也就是说，施力过程是平稳地进行并不能使结构产生加速度， 也就不产生惯性力，该过程称为静力过程。 对于线性变形结构，在任一位置上的x和作用力Px之间均保 持线性关系，即有 式中f为比例常数 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 如图4.1(b)所示，在荷载由零增加到P的过程中，荷载P所做 的总功为 图4.1 静力做功 (4.1) 即等于三角形的面积。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 弹性结构在荷载作用下产生变形，其结构内部将积蓄应变能。 在静力平衡过程中，略去其他微小能量的损耗，根据能量 守恒定律，则在加载过程中外力所做的实功W全部转化为结 构的弹性应变能，用U表示，即W=U。 3. 内力实功(应变能) 凡力在其他因素引起的 位移所做的功，称为虚功。 图4.2 力做虚功 4. 虚功 如图4.2所示直杆由温 度变化引起的荷载做功是 虚功。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 第一状态的外力和内力在第二状态的相应位移和变形上所做的 虚功相等。 5. 变形体的虚功原理 图4.3 虚功原理 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 式中，第一项是弯矩所引起的位移；第二项是剪力所引起的 位移；第三项是轴力所引起的位移。 利用虚功原理求结构在荷载作用下的位移计算问题。 4.3 荷载作用下的位移计算的一般公式 这就是变形体在荷载作用下，位移计算的一般公式。这个方 法称为单位荷载法。该法不仅适用于静定结构，而且也适用 于超静定结构；适用于弹性材料和非弹性材料结构。 (4.6) 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 静定结构在荷载作用下，用位移计算的一般公式(4.6)求结构位 移时，应根据结构的具体情况，只考虑其中的一项或两项。对于 梁和刚架等结构，位移主要是弯矩引起的，轴力和剪力的影响很 小，一般可以略去。 4.4 静定结构在荷载作用下的位移计算 梁和刚架位移计算公式可简化为 梁和刚架位移计算公式可简化为 (4.8) (4.7) 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 应特别强调的是：单位荷载必须根据所求位移而假设。例如图 4.4(a)所示悬臂刚架，横梁上作用有竖直荷载，当求此荷载作用下 的不同位移时，其虚设单位荷载有以下几种不同情况： (1)欲求A点沿水平方向的线位移，应在A点沿水平方向加一单位集 中力，如图4.4(b)所示。 图4.4 单位荷载的虚设 (2)欲求A点的角位移，应在A点加一单位力偶，如图4.4(c)所示。 (3)欲求A、B点的相对线位移(即A、B两点间相互靠拢或拉开的距 离)，应在A、B两点沿AB连线方向加一对反向的单位集中力，如图 4.4(d)所示。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 (4)欲求A、B两截面的相对角位移，应在A、B两截面处加一对反向 的单位力偶，如图4.4(e)所示。 由以上可见，不论属于哪种情况，虚设单位荷载必须是与所求广 义位移相应的单位广义力。计算结构位移的基本步骤是： (1)在欲求位移处沿所求位移方向虚设广义单位力，然后分别列出 各杆段内力方程。 (2)列实际荷载作用下各杆段内力方程。 (3)将各内力方程分别代入式，分段积分后再求总和即可计算出所 求位移。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 如图4.5所示为一等截面直杆段上的两个弯矩图，其中 图 为直线图形，Mp图为任意形状图形。对整个Mp图形的面积对y轴 的截面一次矩积分得 4.5 图 乘 法 上述积分运算等于一个弯矩图 的面积乘以其形心处所对应 另一个直线弯矩图上的纵距yc， 再除以EI。这就是所谓图形互 乘法，简称为图乘法。 图4.5 图乘公式 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 在使用图乘法时必须注意以下几点： 如果结构的各段均可图乘，则位移公式可写为 (1)必须符合下面的3个条件: 杆段的弯曲刚度EI为常数； 杆段的轴线为直线； 和 两个弯矩图中至少有一个为直线图形。 (2)纵坐标yc只能由直线图形上取得，且与另一个图形面积形 心相对应。 (3)若面积与纵坐标yc在杆件的同一侧时，乘积为正值，不 在同一侧，则乘积取负值。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 (1)若两个弯矩图均为直线图形，可取其中任一个图形作为面 积 ，乘上其形心所对应的另一直线图形上的纵坐标，所得计 算结果不变。 下面就图乘法在应用中遇到的计算问题说明如下： (2)若一个图形是曲线，另一个图形是由若干直线段组成的折 线图形，则按折线分段进行图乘。 (3)若两个图形都是在同一边的梯形，可将图的梯形分解为两 个三角形(或一个矩形和一个三角形)，分别与另一个梯形对应 相乘后再进行叠加。 (4)若遇到均布荷载作用下某杆段较复杂的图，可根据弯矩图 叠加原理将其分解为一个梯形和一个标准抛物线图形的叠加。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 【例4.4】简支梁AB，作用有均布荷载如图4.6(a)所示，梁的 EI为常数。求跨中C点的挠度cr。 解：(1)画实际荷载作用下的弯矩图 如图4.6(b)所示。 图4.6 (2)在跨中C点加虚设单位力P=1，其弯矩图如图4.6(c)所示。 (3)计算，yc注意要分段。 (4)计算cr。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 静定结构由于支座移动(如地基的不均匀沉陷)或者制作误 差都会产生位移。如图4.7(a)所示刚架产生位移，致使整个结 构由实线位置移到虚线位置。 4.6 静定结构在支座移动时位移计算 静定结构由于支座移动结构内部不产生变形，因此结构的内力 虚功应等于零，即 图4.7 支座移动引起位移 即 上式就是静定结构 在支座移动时的位 移计算公式。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 符号规定如下：当 与实际支座位移c的方向一致时，所得乘 积取正值，反之取负值。 式中， 为虚设单位力所产生的支座反力；c为支座处的实际 位移。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 4.7 功的互等定理 如图4.8所示，计算第一状态的外力及其所引起的内力在第二 状态的相应位移和变形上所做的虚功和第二状态的外力及其所 引起的内力在第一状态相对应的位移和变形上所做的虚功时， 有 图4.8 功的互等 上式表明，第一状态的外力在第二状态的位移上所做的虚功， 等于第二状态的外力在第一状态的位移上所做的虚功。这就是 功的互等定理。 1. 功的互等定理 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 在功的互等定理中，假如两个状态中的荷载都是单位力时(即 P1=1，P2=1)，为了明显起见，由单位力所引起的位移，用小写字 母12、21表示，如图4.9所示。代入功的互等定理则有 2. 位移互等定理 图4.9 位移互等 这就是位移互等定理。它表明：第二个单位力(P2=1)在第一个 单位力作用点沿其方向所引起的位移(12)，等于第一个单位力 (P1=1)在第二个单位力作用点沿其方向所引起的位移(21)。 建建筑力学筑力学 结构结构力学力学 4.8 小 结 静定结构位移计算是以虚功原理作为理论依据建立的方法。 虚功原理在结构分析中应用广泛，主要内容归纳如下： 1.结构在荷载、支座移动等外因影响下都会产生位移。关 于位移的计算，在工程实践和结构分析中占有重要地位。 2.用虚功原理必须要有两个互不相关的独立状态，即力状 态和位移状态；其中一个是实际的，而另一个则是根据计 算的需要虚设的。但两个状态发生在相同的体系上。 3.由虚功原理导出的平面结构的位移计算公式有： (1)荷载作用：