结构力学位移计算

1、2021-11-61第第 九九 章章2021-11-629-1 应用虚功原理求刚体体系的位移应用虚功原理求刚体体系的位移一、结构位移计算概述一、结构位移计算概述计算位移的目的：（计算位移的目的：（1 1）刚度验算，（）刚度验算，（2 2）超静定结构分析的基础）超静定结构分析的基础产生位移的原因：（产生位移的原因：（1 1）荷）荷载载cc1t12tt （2）温度变化、材料胀缩温度变化、材料胀缩（3）支座沉降、制造误差支座沉降、制造误差AVBV以上都是绝对位移以上都是绝对位移以上都是相对位移以上都是相对位移广义位移广义位移位移计算虽是几何问题，但是用虚功原理解决最方便位移计算虽是几何问题，但是用虚

2、功原理解决最方便2021-11-63二、虚功原理二、虚功原理 1、实功与虚功、实功与虚功 实功实功是力在自身引起的位移上所作的功。如是力在自身引起的位移上所作的功。如 T11，T22， 实功恒为正。实功恒为正。 虚功虚功是力在其它原因产生的位移上作的功。如是力在其它原因产生的位移上作的功。如T12， 如力与位移同向，虚功为正，反向时，虚功为负。如力与位移同向，虚功为正，反向时，虚功为负。P1P2112212荷载由零增大到荷载由零增大到P1，其作用点的位移也由零增大到，其作用点的位移也由零增大到11，对线弹性体系，对线弹性体系P与与成正比。成正比。P11P1元功：元功：再加再加P2， P2在自身

3、引起的位移在自身引起的位移22上作的功为：上作的功为：在在12过程中，过程中，P1的值不变，的值不变，12与与P1无关无关dTOABKj位移发生的位置位移发生的位置产生位移的原因产生位移的原因dPdT1111121PdTT2222221PT12112 PT2021-11-642、广义力与广义位移、广义力与广义位移 作功的两方面因素：力、位移。与力有关的因素，称为广义力作功的两方面因素：力、位移。与力有关的因素，称为广义力S S。与位移。与位移有关的因素，称为广义位移有关的因素，称为广义位移。 广义力与广义位移的关系是：它们的乘积是虚功。即：广义力与广义位移的关系是：它们的乘积是虚功。即：T T

4、= =S S1 1）广义力是单个力，则广义位移是该力的作用点的位移在力作用方向上的分量）广义力是单个力，则广义位移是该力的作用点的位移在力作用方向上的分量Pm2）广义力是一个力偶，则广义位移是它所作用的截面的转角广义力是一个力偶，则广义位移是它所作用的截面的转角。3）若广义力是等值、反向的一对力若广义力是等值、反向的一对力PPPttABBA这里这里是与广义力相应的广义位移。是与广义力相应的广义位移。表示表示ABAB两点间距的改变，即两点间距的改变，即ABAB两点的相对位移两点的相对位移。4）若广义力是一对等值、反向的力偶若广义力是一对等值、反向的力偶 m mABmm A B这里这里是与广义力相

5、应的广义位移。是与广义力相应的广义位移。表示表示ABAB两截面的相对转角。两截面的相对转角。BAPPT)(BAP PBAmmT)(BAm m2021-11-65abABC1c?P=1ABCab1R三、虚力原理三、虚力原理已知已知1c求求虚功方程虚功方程设虚力状态设虚力状态abR0bPaR110cR1111cab小结：小结： （1）形式是虚功方程，实质是几何方程；形式是虚功方程，实质是几何方程；（2）在拟求位移方向虚设一单位力，利用平衡条件求出与已知位移相在拟求位移方向虚设一单位力，利用平衡条件求出与已知位移相 应的支座反力。构造一个平衡力系；应的支座反力。构造一个平衡力系；（3）特点是用静力平

6、衡条件解决几何问题。特点是用静力平衡条件解决几何问题。单位荷载其虚功正好等于拟求位移。单位荷载其虚功正好等于拟求位移。虚设力系求刚体体系位移虚设力系求刚体体系位移2021-11-66四、支座位移时静定结构的位移计算四、支座位移时静定结构的位移计算（1）C点的竖向位移点的竖向位移c（2）杆）杆CD的转角的转角l3l 23lABCDABCD13143ABCD1l 21l2l 23已知位移已知位移Ac求求:cAc 03111DccAcc31 02112AclAcl 21 所得正号表明位移方所得正号表明位移方向与假设的单位力方向向与假设的单位力方向一致。一致。求解步求解步骤骤（1 1）沿所求位移方向加

7、单位力，求出虚反力；）沿所求位移方向加单位力，求出虚反力；（3）解方程得解方程得kkcR 定出方向定出方向。（2）建立虚功方建立虚功方程程01kkcR2021-11-67dBAaamaaBAdm1aaABMiiaMsin1虚功方程：虚功方程：01dMmdMmBAiiBAQdQ1AQsin1Q01dQQdQQ 例例1、悬臂梁在截面悬臂梁在截面B B处由于某种原因处由于某种原因产生相对转角产生相对转角d d ，试求，试求A A点在点在i ii i方向的方向的位移位移 。m 例例2、悬臂梁在截面悬臂梁在截面B B处由于某种原因处由于某种原因产生相对剪位移产生相对剪位移d d ，试求试求A A点在点在

8、i ii i方向方向的位移的位移 。Q2021-11-68 例例3 3、悬臂梁在截面、悬臂梁在截面B B处由于某种原因产生轴向位移处由于某种原因产生轴向位移d d 试求试求A A点在点在方向的位移方向的位移 。NBABAii NNBA 1NN由平衡条件：由平衡条件：cos1N虚功方程：虚功方程：01dNNdNN 当截面当截面B B同时产生三种相对位移时，在同时产生三种相对位移时，在i ii i方向所产生的位移方向所产生的位移 ，即是三者的叠加，有：即是三者的叠加，有：dNdQdMNQMd2021-11-699-2 9-2 结构位移计算的一般公式结构位移计算的一般公式 变形体的位移计算变形体的位

9、移计算推导位移计算公式的两种途径推导位移计算公式的两种途径由变形体虚功原理来推导由变形体虚功原理来推导；由刚体虚功原理来推导由刚体虚功原理来推导局部到整体局部到整体。一、局部变形时的位移计算公式一、局部变形时的位移计算公式基本思路：基本思路：dsdddRii ddsddsddRdsR1（1）三种变形：）三种变形：在刚性杆中，取微段在刚性杆中，取微段d ds s设为变形体，分析局部变形设为变形体，分析局部变形所引起的位移所引起的位移。2021-11-610dsRdsddsddsddsdddRiiddsddsddRds 1Q,N,M（2）微段两端相对位移微段两端相对位移：续基本思路：设续基本思路：

10、设,0ds 微段的变形以截面微段的变形以截面B B左右两端的相对位移的左右两端的相对位移的形式出现，形式出现，即刚体位移即刚体位移，于是可以利用刚体虚功原理求位移，于是可以利用刚体虚功原理求位移。（3）应用刚体虚功原理求位移应用刚体虚功原理求位移d d 即前例的结论即前例的结论。dQdNdMdQNM或或ds)QNM(d2021-11-611二、结构位移计算的一般公式二、结构位移计算的一般公式iids)QNM(d一根杆件各个微段变形引起的位移总和：一根杆件各个微段变形引起的位移总和：()dMNQds 如果结构由多个杆件组成，则整个结构变形引起某点的位移为如果结构由多个杆件组成，则整个结构变形引起

11、某点的位移为：ds)QNM(若结构的支座还有位移，则总的位移为：若结构的支座还有位移，则总的位移为：kkcRds)QNM(2021-11-612kkcRds)QNM(适用范围与特点：适用范围与特点：2） 形式上是虚功方程，实质是几何方程。形式上是虚功方程，实质是几何方程。关于公式普遍性的讨论：关于公式普遍性的讨论：（1 1）变形类型：轴向变形、剪切变形、弯曲变形。）变形类型：轴向变形、剪切变形、弯曲变形。（2 2）变形原因：荷载与非荷载。）变形原因：荷载与非荷载。（3 3）结构类型：各种杆件结构。）结构类型：各种杆件结构。（4 4）材料种类：各种变形固体材料。）材料种类：各种变形固体材料。1）

12、 适于小变形，可用叠加原理。适于小变形，可用叠加原理。2021-11-613位移计算公式也是变形体虚功原理的一种表达式。位移计算公式也是变形体虚功原理的一种表达式。kkcRds)QNM(1c2cdsds1t2tKK 11R2RdsddsdddsdsdsMdsNdsQ外虚功外虚功：kkecR1W内虚功：内虚功：dsQNMWi变形体虚功原理：各微段内力在应变上所作的内虚功总和变形体虚功原理：各微段内力在应变上所作的内虚功总和W Wi i ，等于荷载在位等于荷载在位移上以及支座反力在支座位移上所作的外虚功总和移上以及支座反力在支座位移上所作的外虚功总和W We e 。即：即：dsQNMcRkk120

13、21-11-614三、位移计算的一般步骤三、位移计算的一般步骤:1c2c1t2tKK 11R2R实际变形状态虚力状态kkcRds)QNM(1) (1) 建立虚力状态：在待求位移方向上加单位力；建立虚力状态：在待求位移方向上加单位力；(2) (2) 求虚力状态下的内力及反求虚力状态下的内力及反力力kR.Q.N.M表达式表达式;(3) 用位移公式计算所求位移，注意正负号问题用位移公式计算所求位移，注意正负号问题。kR.Q.N.M2021-11-6159-3 9-3 荷载作用下的位移计算荷载作用下的位移计算研究对象：静定结构、线性弹性材料。研究对象：静定结构、线性弹性材料。ds)QNM(重点在于解决

14、荷载作用下应变重点在于解决荷载作用下应变 的表达式。的表达式。、一、计算步骤一、计算步骤（1）在荷载作用下建立在荷载作用下建立 的方程的方程，可经由荷载可经由荷载内力内力应力应力应变应变 过程推导应变表达式过程推导应变表达式。PPPQ.N.M（2）由上面的内力计算应变，其表达式由材料力学知由上面的内力计算应变，其表达式由材料力学知GAQkEANEIMPPPk-为截面形状系数为截面形状系数1.29101AA(3) 荷载作用下的位移计算公式荷载作用下的位移计算公式dsGAQQkdsEANNdsEIMMPPP2021-11-616二、二、各类结构的位移计算公式各类结构的位移计算公式（1 1）梁与刚架

15、梁与刚架dsEIMMP（2 2）桁架桁架EAlNNdsEANNdsEANNPPP（3 3）拱拱dsEANNdsEIMMPP2021-11-617q2l2lACBAV(a) 实际状态实际状态xP=1ACB2l2l(b) 虚设状态虚设状态AC段段2lx00NP0MP0QP0NxM1QCB段段lx2l0NP2P2lx2qM2lxqQP0N xM1Qx例例1. 试计算悬臂梁试计算悬臂梁A A点的竖向位移点的竖向位移CEI,AV。1）列出两种状态列出两种状态的内力方程：的内力方程：2021-11-618AC段段2lx00NP0MP0QP0N xM1QCB段段lx2l0NP2P2lx2qM2lxqQP0N

16、 xM1Q2) 将上面各式代入位移公式分段积分计算将上面各式代入位移公式分段积分计算AVAC段段2lx0在荷载作用下的内力均为零，故积分也为零在荷载作用下的内力均为零，故积分也为零。CB段段lx2lllPP2l2ldxGAQQkdxEIMMl2lPM2l2lEIdx2lx2qxdxEIMM EI384ql7192l7EI2q442021-11-619CB段段lx2l0NP2P2lx2qM2lxqQP0N xM1Ql2lPM2l2lEIdx2lx2qxdxEIMM EI384ql7192l7EI2q44 l2lPQ2l2lGA20ql3GAdx2lxq12 . 1dxGAQQkGA20ql3EI

17、384ql724QM设为矩形截面设为矩形截面 k=1.22021-11-6203）讨论讨论比较剪切变形与弯曲变形对位移的影响。比较剪切变形与弯曲变形对位移的影响。GAqlEIqlQM20338472424223. 83847203GAlEIEIqlGAqlMQ设材料的泊松比设材料的泊松比 , 由材料力学公式由材料力学公式 。 313812GE设矩形截面的宽度为设矩形截面的宽度为b b、高度为、高度为h h，则有，则有,12bhI ,bhA3代入上式代入上式22283. 11213823. 823. 8lhlhGAlEIMQ%32. 7,51%;83. 1,101MQMQlhlh时当时当2021

18、-11-6212P2PPm/NqP4qlP 1111.51.5-4.74-4.42-0.954.51.53.0PN10.50.5-1.58-1.58001.51.5N2P2P例例2 计算屋架顶点的竖向位移计算屋架顶点的竖向位移。0.25l0.25l0.25l0.25lADCEFGB2021-11-6221111.51.5-4.74-4.42-0.954.51.53.0PN10.50.5-1.58-1.58001.51.5NEAlNNPCADDCDE材料杆件PNNlAEAlNNPEAlNNP钢筋砼钢CEAEEGccAEPl97. 1ccAEPl81. 3ssAEPl63. 0ssAEPl13. 1ssccCEAEAPl13. 181. 32ABCDEFGP74. 458. 1l263. 0P42. 458. 1l263