结构力学I-第章位移法PPT课件

1、浙江大学海洋学院浙江大学海洋学院 Tel :Email：第七章第七章 位移法位移法结构力学结构力学 IPage 2LOGO7-1 位移位移法基本概念法基本概念位移法是计算超静定结构的基本方法之一。用力法计算，9个未知量力法计算太困难了！Page 3LOGO7-1位移法基本概念位移法基本概念一、位移法的提出（Displacement Method）力法与位移法是计算超静定结构的两种基本方法。 力法：以未知力为基本未知量,运用位移协调条件建立力法方程,求出未知力,计算出全部的内力和相应的位移。 在一定的外因作用下，线弹性结构的内力与位移之间存在确定的关系。可以先设定某些位移为基本未知量。 位移法：

2、以结点的位移(角位移和线位移）为基本未知量, 运用结点或截面的平衡条件建立位移法方程求出未知位移利用位移与内力之间确定的关系计算相应的内力。Page 4LOGO7-1位移法基本概念位移法基本概念00vh 基本未知量杆的伸长杆端力为NiFiusiniiu 2nd:综合成结构3rd:结点B的平衡条件51sin0NiiiF1st:取一个杆件分析iNiiiEAFul刚度系数刚度方程Page 5LOGO7-1位移法基本概念位移法基本概念521sinPiiiiFEAl 关键的一步！各杆的轴力：521sinsiniiiNiPiiiiEAlFFEAl将杆数由5减少为2，这时的结构是静定的；如果杆数大于（或等于

3、）3时，结构是超静定的。以上两种情况都可以用上述方法计算！位移法基本方程：521siniiPiiEAFlPage 6LOGO7-1位移法基本概念位移法基本概念由上面的简例，可归纳出位移法的要点如下：一、位移法的基本未知量1. 独立的结点角位移和独立的结点线位移结点角位移基本未知量数目=刚结点的数目。铰结点处(包括铰支座处的铰结点)的角位移，在计算杆端弯矩时不独立，一般不选作基本未知量。注意：在可忽略直杆的轴向变形时，受弯直杆两端之间的两端之间的距离距离保持不变。Page 7LOGO7-1位移法基本概念位移法基本概念2. 确定独立结点线位移的方法 观察法、换铰法。观察法 结构有1个独立的线位移（

4、Z3），2个独立的结点角位移（Z1、Z2），共三个位移法的基本未知量。Page 8LOGO7-1位移法基本概念位移法基本概念 对于不易观察的结构用换铰法。先将原结构的每一个刚结点(包括固定支座)都变成铰结点，从而得到一个相应的铰结链杆体系。为保持该体系为几何不变所需增加链杆的最少数目就是原结构独立的结点线位移的数目。只需增加一根链杆，1个独立的线位移Page 9LOGO7-1位移法基本概念位移法基本概念ZZZZABCDEFBCDEFAFF111222ZZZZABCDEFBCDEFAFF111222结构有四个刚结点四个结点角位移。需增加两根链杆， 2个独立的线位移。位移法的基本未知量的数目为6个

5、。需注意：对于曲杆及需考虑轴向变形的杆件，变形后两端之间的距离不能看作是不变的。 Page 10LOGO7-1位移法基本概念位移法基本概念EA oo1122思考题：图示结构独立的结点线位移数目是几？ 答：结点1和2的水平线位移都是独立的，独立结点线位移数目应为2。默认状态: EI 不等于无穷大, EA 等于无穷大。Page 11LOGO7-1位移法基本概念位移法基本概念二、位移法计算钢架的基本思路忽略剪切和拉伸变形！在给定荷载作用下，结点A发生角位移和水平线位移。（注意：支座处的位移不作为基本未知量。）基本未知量：,A拆搭Page 12LOGO7-1位移法基本概念位移法基本概念二、位移法的基本

6、方程用位移表示的平衡方程521siniiPiiEAFl两步：第一步：把结构拆成杆件，进行杆件分析，得出杆件的刚度方程。第二步：再把杆件综合成结构，进行整体分析，得出基本方程。杆件分析是结构分析的基础，杆件的刚度方程是位移法基本方程的基础。因此位移法也称为刚度法。Page 13LOGO7-2 单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数FPxy 本节主要解决单跨超静定梁在荷载、温本节主要解决单跨超静定梁在荷载、温度改变和支座移动共同作用下单跨梁的内力度改变和支座移动共同作用下单跨梁的内力结果。结果。Page 14LOGO7-2 单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数

7、位移法中杆端内力、杆端位移符号规定：位移法中杆端内力、杆端位移符号规定： (1) 杆端弯矩以顺时针为正,反之为负。对结点或支座而言,则以逆时针方向为正。弯矩图仍画在杆件受拉纤维一侧。剪力的规定同前.(2)杆件转角以顺时针为正,反之为负。杆件两端在垂直于杆轴方向上的相对线位移AB（侧移）以使杆件顺时针转动为正,反之为负。 A BABAB ABPBAQBA 0QAB 0PBAMAB 0MBA 02015-12-21Page 15LOGO7-2 单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数等截面梁的形常数等截面梁的形常数为给位移法计算刚架作准备等截面杆件！杆端位移引起的杆端内力称为形常数

8、。杆端位移引起的杆端内力称为形常数。2015-12-21单位荷载法：11=361163AABBABABBAMMiiMMii =EIil线刚度=/ABl 综合综合，有力偶也有相对竖向位移时，杆端转角：11=3611=+63AABBABABBAMMiilMMiil Page 16LOGO7-2 单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数2015-12-2111=3611=+63AABBABABBAMMiilMMiil 由平衡条件求出杆端剪力：=426/=246/ABABBAABMiiilMiiil转角位移方程：转角位移方程：（1）26612=QABQBAABiiiFFlll （2）为

9、紧凑起见，写成矩阵的形式：2426 /246 /6 /6 /12 /ABABABQABMiii lMiii lFi li li l弯曲杆件的刚度方程刚度方程刚度系数刚度系数刚度系数是只与杆件的长度、截面尺寸和材料材料性质有关的常数，又称为形常数形常数。思考：用力法怎么计算？Page 17LOGO7-2单单跨超静定梁的形常数与载常数跨超静定梁的形常数与载常数FPxy取简支梁基本结构取简支梁基本结构11112212112222ABXXXX11223lEI12216lEI 作出作出 、 、 （略）（略）1M2MR12ABl 12426ABABEIEIEIXlll22246ABABEIEIEIXlll

10、解出用力法求解杆端内力：用力法求解杆端内力：Page 18LOGO7-2 单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数2015-12-21=426/=246/ABABBAABMiiilMiiil=46/=26/ABABAAMiilMiil0B11=3611=+63AABBABABBAMMiilMMiil 33/ABAMiil=0BAM00BQABQBAFFABABAAMiMi 不同支座时的刚度方程：不同支座时的刚度方程：Page 19LOGO7-2单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数2015-12-21由荷载求固端内力载常数载常数两端固定的等截面直杆记荷载单独作

11、用引起的杆端弯矩分别为：FABMFBAM杆端剪力分别为：FQABFFQBAF因为只与荷载形式有关，所以又称为载常数载常数。 22220222220liiFABPiliiFBAPia laq a a laMFdallalaq a alaMFdall Page 20LOGO7-2单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数如果等截面杆件既有已知荷载作用，又有已知的端点位移，则根据叠加原理，杆端弯矩的一般公式为杆端弯矩的一般公式为：=426/=246/FABABABFBAABBAMiiilMMiiilM杆端剪力的一般公式为杆端剪力的一般公式为：2266126612FQABABQABFQB

12、AABQBAiiiFFllliiiFFlll Page 21LOGO7-2单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数2015-12-21 用用位移法进行结构分析的基础是杆件分析。位移法的基位移法进行结构分析的基础是杆件分析。位移法的基本结构为以下三种单跨超静定梁本结构为以下三种单跨超静定梁: :AB两端固定梁两端固定梁BA一端固定、一端铰支梁一端固定、一端铰支梁一端固定、一端定向支承梁一端固定、一端定向支承梁 AB 仅由杆端位移引起的杆端内力是只与杆件截面尺寸、材仅由杆端位移引起的杆端内力是只与杆件截面尺寸、材料性质有关的常数，一般称为料性质有关的常数，一般称为形常数形常数。列于

13、表。列于表(7-1(7-1) ) 。 仅仅由荷载产生的杆端内力由荷载产生的杆端内力称为称为载常数载常数。列于表列于表(7-1(7-1) ) 。Page 22LOGO7-2单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数2015-12-211.1. 两端两端固定的等截面直杆固定的等截面直杆 lFABMMEIABABBAABF SFS AB ABA杆端弯矩的一般公式：杆端弯矩的一般公式：FF642624BAABABBABAABBAABABABBABAABABMliiiMMliiiMFQF6(2)6(2)ABABABABQABABABQBAABQBAiFFlliFFll 由两端固定等截面由两

14、端固定等截面直杆的转角位移方程可直杆的转角位移方程可得到其他支撑的转角位得到其他支撑的转角位移方程。移方程。 Page 23LOGO7-2单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数2015-12-212.2. 一端一端固定、一端铰支的等截面直杆固定、一端铰支的等截面直杆lABFFBAEIA BASFBASAMABMBA=0,B 是A 和AB的函数，转角位移方程为 033BAABABABAABABMMliiMFPage 24LOGO7-2单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数3.3. 一端一端固定、一端定向的等截面直杆固定、一端定向的等截面直杆 AMFABABEI

15、ABABBMBASlFABSFBAAFQBA=0 0, ,AB是是A 和和B的函的函数，转角位移方程为数，转角位移方程为 FFBABABAABBAABBABAABABMiiMMiiM 可见：可见：杆端弯矩表达式实际上就是基本结构各杆杆端弯矩表达式实际上就是基本结构各杆在基本未知量和荷载共同作用下的弯矩的叠加公式，在基本未知量和荷载共同作用下的弯矩的叠加公式，它已经把荷载和基本未知量的作用综合在一起了。它已经把荷载和基本未知量的作用综合在一起了。2015-12-21Page 25LOGO7-2单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数表表7.17.1要求记忆！要求记忆！2015-1

16、2-21Page 26LOGO7-2单跨超静定梁的形常数与载常数单跨超静定梁的形常数与载常数2015-12-21Page 27LOGO7-3 位移法解无侧移刚架位移法解无侧移刚架2015-12-21如果刚架的各结点只有角位移而没有线位移，这种刚架称为无侧移刚架无侧移刚架。为什么不选结点为什么不选结点C C？C C为支座结点！为支座结点！由表7-1可求出各杆的固端弯矩为：220 615kN m82 69kN m8FFABBAFBCMMM 215kN m415kN m39kN mABBBABBCBMiMiMiPage 28LOGO7-3 位移法解无侧移刚架位移法解无侧移刚架=0+=0BABBCMM

17、M，76 kN m0Bi位移法的基本方程位移法的基本方程6 kN m7Bi 位移法的基本作法位移法的基本作法：先拆散：先拆散：每个刚结点处只规定了一个转角，因此刚结点处的各杆杆端转角彼此相等结点处的变形连续条件。后组装：后组装：1. 在结点处各个杆件的变形要协调一致；2. 装配好的结点要满足平衡条件。2015-12-21Page 29LOGO7-3 位移法解无侧移刚架位移法解无侧移刚架例题：试作图所示刚架的弯矩图。解：1. 基本未知量2. 杆端弯矩固端弯矩，查表7-1求得22240 kN m841.7 kN m1241.7 kN m12FBAFBCFCBqlMqlMqlM 2015-12-21Pag