第四章结构位移计算ppt课件

1、结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:306-1 6-1 概概 述述6-2 6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理6-3 6-3 位移计算的一般公式位移计算的一般公式 单位荷载法单位荷载法6-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计算静定结构在荷载作用下的位移计算6-5 6-5 图乘法图乘法6-6 6-6 静定结构温度变化时的位移计算静定结构温度变化时的位移计算6-7 6-7 静定结构支座移动时的位移计算静定结构支座移动时的位移计算6-8 6-8 线弹性结构的互等定理线弹性结构的互等定理第六章第六章 结构位移计算结构位移计算 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:301. 1. 结构

2、的位移是指结构上的某一截面在荷载或其它结构的位移是指结构上的某一截面在荷载或其它因素作用下由某一位置移动到另一位置，这个移动因素作用下由某一位置移动到另一位置，这个移动的量就称为该截面的位移线位移和角位移）。的量就称为该截面的位移线位移和角位移）。 思索：变形与位移的差别？思索：变形与位移的差别？6-1 概述概述结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30AAAAAxAyPAxAy2. 2. 位移的分类位移的分类6-1 概述概述结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30ABDCCDVCDDVCV 截面截面C C、D D 的相对竖向的相对竖向线位移为线位移为 : :VVVDCCDDC CD 截

3、面截面C C、D D 的相对角位移为的相对角位移为: : AB CDDCC D6-1 概述概述结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30AAAPAxAyt 3.3.位移产生的原因位移产生的原因6-1 概述概述结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30铁路工程技术规范规定铁路工程技术规范规定: : 二、计算位移的目的(1) (1) 刚度要求刚度要求在工程上，吊车梁允许的挠度在工程上，吊车梁允许的挠度1/600 1/600 跨度；跨度；桥梁在竖向静活载下，钢板桥梁和钢桁梁桥梁在竖向静活载下，钢板桥梁和钢桁梁最大挠度最大挠度1/700 1/700 和和1/9001/900跨度跨度高层建筑的最大位

4、移高层建筑的最大位移1/1000 1/1000 高度。高度。 最大层间位移最大层间位移1/800 1/800 层高。层高。6-1 概述概述结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30(2) (2) 超静定结构、动力和稳定计算的基础超静定结构、动力和稳定计算的基础(3(3施工要求施工要求 超静定结构的内力不能仅由平衡条件确定，分析时必须超静定结构的内力不能仅由平衡条件确定，分析时必须考虑变形条件，因而需要计算结构的位移。考虑变形条件，因而需要计算结构的位移。 在结构的施工过程中，常需预先知道结构变形后的位置，在结构的施工过程中，常需预先知道结构变形后的位置，以便采取一定的施工措施，使结构物符合设

5、计图纸的要求。以便采取一定的施工措施，使结构物符合设计图纸的要求。6-1 概述概述结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30（3 3理想联结理想联结 (Ideal Constraint)(Ideal Constraint)。(1) (1) 线弹性线弹性 (Linear Elastic),(Linear Elastic),(2) (2) 小变形小变形 (Small Deformation),(Small Deformation),6-1 概述概述结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30本章只讨论应用虚功原理求解结构位移。本章只讨论应用虚功原理求解结构位移。2. 功能法功能法虚功原理虚功原理

6、应变能应变能( (卡氏定理卡氏定理) ) 研究变形和位移的几何关系，用求解微分方程研究变形和位移的几何关系，用求解微分方程式的办法求出某截面的位移材料力学用过，但对式的办法求出某截面的位移材料力学用过，但对复杂的杆系不适用）。复杂的杆系不适用）。1.1.几何法几何法 6-1 概述概述结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30 一、基本概念一、基本概念0dFWl AOFFFBd F实功：实功： 力在其本身引起的位移上所作的功。力在其本身引起的位移上所作的功。位移位移是由外力是由外力F引起的，引起的，F 做的功可表示为做的功可表示为: 1.1.外力的实功外力的实功6-2 变形体系的虚功原理变形体

7、系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30 实功的数值就等于图上三角形实功的数值就等于图上三角形OABOAB的面积。的面积。实功是外力的非线形函数，计算外力实功不能应实功是外力的非线形函数，计算外力实功不能应用叠加原理。用叠加原理。kFFkkW22121d220所以所以 设线弹性材料的弹性系数为设线弹性材料的弹性系数为k，那么，那么kF l AOFFFBd F6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:302.2.外力的虚功外力的虚功 虚功：力在其它原因引起的位移上所作的功，虚功：力在其它原因引起的位移上所作的功，即做功的力系和相应的位移是

8、彼此独立无关的。即做功的力系和相应的位移是彼此独立无关的。tFW 虚功的数值是位移曲线所围的矩形面积。虚功的数值是位移曲线所围的矩形面积。 虚功中的力与位移两者相互独立，计算外虚功中的力与位移两者相互独立，计算外力虚功可应用叠加原理。力虚功可应用叠加原理。 lFOtFABFtt6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30力力F1F1在力在力F2F2引起的位移引起的位移1212上作的功为虚功为上作的功为虚功为121FW 例例 F1F1力在其引起的位移力在其引起的位移11 11 上作的功为实功为上作的功为实功为 11121FW F1121211FF121

9、1212212126-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30 结构产生的各种位移，包括截面的结构产生的各种位移，包括截面的线位移、角位移、相对线位移、相对角位移或者是一线位移、角位移、相对线位移、相对角位移或者是一组位移等等都可泛称为广义位移。组位移等等都可泛称为广义位移。 3.3.广义位移和广义力广义位移和广义力广义位移广义位移 与广义位移对应的就是广义力，与广义位移对应的就是广义力，可以是一个集中力，集中力偶或一对大小相等方可以是一个集中力，集中力偶或一对大小相等方向相反的力或力偶，也可以是一组力系。向相反的力或力偶，也可以是一组力系。 留意：

10、广义位移与广义力的对应关系，能够留意：广义位移与广义力的对应关系，能够在某一组广义位移上做功的力系，才称为与这组在某一组广义位移上做功的力系，才称为与这组广义位移对应的广义力。广义位移对应的广义力。 广义力6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:304.4.内力功内力功 定义：从杆上截取一微段定义：从杆上截取一微段, ,作用在该微段上的内力作用在该微段上的内力在该微段的变形上做的功定义为该内力做的功。在该微段的变形上做的功定义为该内力做的功。该微段上相应的变形为该微段上相应的变形为轴向变形轴向变形 sdd剪力变形剪力变形 sdd弯曲变形弯曲变形 sk

11、dd1FNFNsdsd +dddsSFSddsMM6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30 如果变形就是由此内力引起的，则此微段上内如果变形就是由此内力引起的，则此微段上内力功应为实功，其为轴力、剪力和弯矩分别做的功力功应为实功，其为轴力、剪力和弯矩分别做的功之和：之和：d21d21d21dSNMnFFw由于由于sskssd1ddddddsMsFsFwd21d21d21dSN由胡克定律有：由胡克定律有： EIMGAFEAF1,SN故故 sEIMsGAFsEAFwd21d21d21d22S2N实功数值上就等于微段的应变能。实功数值上就等于微段的应变

12、能。 所以所以内力实功内力实功6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30 若变形与内力彼此无关，则此微段上的内力功若变形与内力彼此无关，则此微段上的内力功是虚功，其为是虚功，其为ddddSNiMFFw对于整根杆的内力虚功，则可对整根杆积分求得：对于整根杆的内力虚功，则可对整根杆积分求得： dddSNiMFFWsss原因而定。原因而定。 , 和和 的具体表达式要视引起这个变形的具体的具体表达式要视引起这个变形的具体ddd内力虚功内力虚功6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30二、虚功原理二、虚功原理 1

13、. 变形体的虚功原理变形体的虚功原理 设一变形体在外力系作用下处于平衡状态。当变形体由设一变形体在外力系作用下处于平衡状态。当变形体由于其他原因产生一符合约束条件的微小连续位移时，则外力于其他原因产生一符合约束条件的微小连续位移时，则外力系在位移上做的虚功的总和系在位移上做的虚功的总和WeWe，等于变形体的内力在变形，等于变形体的内力在变形上做的虚功的总和上做的虚功的总和WiWi，即，即， ieWW 这就是虚功方程。这就是虚功方程。 （证明略）（证明略）需注意：需注意： 外力系必须是平衡力系，物体处于平衡状态；外力系必须是平衡力系，物体处于平衡状态；6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理

14、结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30 位移必须满足虚位移的条件位移必须满足虚位移的条件满足约束条件满足约束条件的非常微小的连续位移；的非常微小的连续位移； 外力与位移两者之间是相互独立没有关联的。平外力与位移两者之间是相互独立没有关联的。平衡的外力系与相应的内力是力状态；符合约束条件的微衡的外力系与相应的内力是力状态；符合约束条件的微小位移与相应的变形是位移状态。力状态的外力在位移小位移与相应的变形是位移状态。力状态的外力在位移状态的位移上做功之和状态的位移上做功之和(外力虚功外力虚功)等于力状态的内力在位等于力状态的内力在位移状态的变形上做功之和移状态的变形上做功之和(内力虚功内力虚

15、功)。 对于两个相互无关的力状态和位移状态的，可以虚对于两个相互无关的力状态和位移状态的，可以虚设其中一个状态，让另一实际状态在此虚设状态下做功，设其中一个状态，让另一实际状态在此虚设状态下做功，列出虚功方程，可以求解不同的问题。列出虚功方程，可以求解不同的问题。 6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30位移状态位移状态FPFPFP FP /2/2FP FP /2/2（虚力状态（虚力状态）（虚力状态）（虚位移状态）（虚位移状态）（虚位移状态q q（3 3位移状态与力状态完全无关；位移状态与力状态完全无关；（2 2均为可能状态。即位移应满足变形协调

16、条件均为可能状态。即位移应满足变形协调条件, ,力状态应满足平衡条件。力状态应满足平衡条件。 （1 1属同一体系；属同一体系；6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:302.2.杆系结构虚功方程杆系结构虚功方程dddSNiMFFWssseiWW6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30虚位移原理虚位移原理 令实际的力状态在虚设的位移状态下做功所建立令实际的力状态在虚设的位移状态下做功所建立的虚功方程表达的是力的平衡条件。从中可以求出实的虚功方程表达的是力的平衡条件。从中可以求出实际力系中的未知力。这就是虚

17、位移原理。际力系中的未知力。这就是虚位移原理。 虚力原理虚力原理 令虚设的平衡力系在实际的位移状态下做功所令虚设的平衡力系在实际的位移状态下做功所建立虚功方程表达的是位移协调条件，从中可求出建立虚功方程表达的是位移协调条件，从中可求出位移状态中的一些未知位移。这就是虚力原理位移状态中的一些未知位移。这就是虚力原理( (也也称为余虚功原理称为余虚功原理) )。 一个力系平衡的充分必要条件是：一个力系平衡的充分必要条件是：对任意协调位移，虚功方程成立。对任意协调位移，虚功方程成立。 一个位移是协调的充分必要条件是：一个位移是协调的充分必要条件是：对任意平衡力系，虚功方程成立。对任意平衡力系，虚功方

18、程成立。3. 虚功原理的两种应用虚功原理的两种应用6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30 留意留意: 虚位移原理写出的虚功方程是一个平衡虚位移原理写出的虚功方程是一个平衡方程式，可用于求解平衡力系中的未知力。方程式，可用于求解平衡力系中的未知力。BCDEAFFaaaa/2/2a例如：应用虚位移原理求支座例如：应用虚位移原理求支座C C的反力的反力FCFC。ABCDEDEBCFCACDEFBF0EBCCFFF0)43()21(CCCCFFF即即 FFC45故故 撤除与撤除与FCFC相应的约束相应的约束, ,将将FCFC变成主动力，取与变成主动力，

19、取与FCFC正正向一致的刚体位移作为虚位向一致的刚体位移作为虚位移。移。列出虚功方程：列出虚功方程： 6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30 留意：虚力原理写出的虚功方程是一个几何留意：虚力原理写出的虚功方程是一个几何方程，可用于求解几何问题。方程，可用于求解几何问题。 例：当例：当A支座向上移动一个支座向上移动一个已知位移已知位移c1，求点，求点B产生的竖向产生的竖向位移位移。ACBc1Aba在拟求线位移的方向加单位力在拟求线位移的方向加单位力 由平衡条件由平衡条件 abFyAACBFyA1 令虚设的平衡力系在实际的位移状态下做功，得虚令虚设

20、的平衡力系在实际的位移状态下做功，得虚功方程功方程011 yAFc)()(111 cababcFcyA求得求得与单位力方向相同。与单位力方向相同。6-2 变形体系的虚功原理变形体系的虚功原理结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30单位荷载法单位荷载法 (Dummy-Unit Load Method) (Dummy-Unit Load Method) 是是 Maxwell, Maxwell, 18641864和和Mohr, 1874Mohr, 1874提出，故也称为提出，故也称为Maxwell-Mohr Maxwell-Mohr MethodMethod。图示结构，要求图示结构，要求 KK=

21、?=?实际状态实际状态 位移状态位移状态虚拟状态虚拟状态 力状态力状态6-3 位移计算的一般公式位移计算的一般公式 单位荷载法单位荷载法结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30112233KKWFRCR CR C 外NsWF duMdF rds内KNsF duMdF rdsRC 用虚功原理，位移状态即实际状态，另虚设一个力状用虚功原理，位移状态即实际状态，另虚设一个力状态称力虚设状态），要使虚拟力的虚功正好等于所求位态称力虚设状态），要使虚拟力的虚功正好等于所求位移，可接右图选取虚拟状态，用虚拟力为单位力，故称为移，可接右图选取虚拟状态，用虚拟力为单位力，故称为单位荷载法。单位荷载法。外力

22、虚功外力虚功: 内力虚功内力虚功:由虚功方程：由虚功方程：此式即为平面结构位移计算一般公式。此式即为平面结构位移计算一般公式。若结果为正，阐明若结果为正，阐明 在在 上做正功，这表明的实际上做正功，这表明的实际方向与方向相同。若结果为负，阐明方向与方向相同。若结果为负，阐明 在在 上做负功上做负功，这表明的实际方向与方向相反。，这表明的实际方向与方向相反。 K1KF 1KF K6-3 位移计算的一般公式位移计算的一般公式 单位荷载法单位荷载法结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30几点说明：几点说明：(1) (1) 所建立的虚功方程所建立的虚功方程 ，实质上是几何方程。，实质上是几何方程。

23、(2) (2) 虚设的力状态与实际位移状态无关，故可设单位虚设的力状态与实际位移状态无关，故可设单位广义力广义力 P=1P=1(3) (3) 求解时关键一步是找出虚力状态的静力平衡关系。求解时关键一步是找出虚力状态的静力平衡关系。特点特点: : 是用静力平衡法来解几何问题。是用静力平衡法来解几何问题。单位位移法的虚功方程单位位移法的虚功方程 平衡方程平衡方程单位荷载法的虚功方程单位荷载法的虚功方程 几何方程几何方程总的来讲：总的来讲：6-3 6-3 位移计算的一般公式位移计算的一般公式 单位荷载法单位荷载法结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:302. 2. 结构类型：梁、刚架、桁架、拱、组

24、合结构；结构类型：梁、刚架、桁架、拱、组合结构； 静定和超静定结构；静定和超静定结构；1. 1. 位移原因：荷载、温度改变、支座移动等；位移原因：荷载、温度改变、支座移动等；3. 3. 材料性质：线性、非线性；材料性质：线性、非线性；4. 4. 变形类型：弯曲变形、拉变形类型：弯曲变形、拉( (压压) )变形、剪切变形；变形、剪切变形；5. 5. 位移种类：线位移、角位移；相对线位移位移种类：线位移、角位移；相对线位移 和相对角位移。和相对角位移。一般公式的普遍性表现在：一般公式的普遍性表现在：6-3 位移计算的一般公式位移计算的一般公式 单位荷载法单位荷载法结构力学中南大学中南大学返 回退

25、出6:30BA?AB(b)试确定指定广义位移对应的单位广义力试确定指定广义位移对应的单位广义力A?A(a)F=1F=1F=16-3 位移计算的一般公式位移计算的一般公式 单位荷载法单位荷载法结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30F=1?A(c)A?AB(d)ABF=1F=16-3 位移计算的一般公式位移计算的一般公式 单位荷载法单位荷载法结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30ABCd?BC(e)dF1dF1ABC2d1d(f)?ACAB11d11d21d21d11BCBCBCWddd 外6-3 位移计算的一般公式位移计算的一般公式 单位荷载法单位荷载法结构力学中南大学中南大学返 回

26、退 出6:30AB?AB(g)F=1F=1C(h)C左右=？F=1F=16-3 位移计算的一般公式位移计算的一般公式 单位荷载法单位荷载法结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30由虚功原理有：由虚功原理有：W= WiW= WiNdddissssWFuMFs cFcFcFcFFWRKRRRKK1332211外力虚功外力虚功 变形虚功变形虚功 荷载作用引起的位移计算荷载作用引起的位移计算KP 等号左侧是虚设的单位外力在实际的位移上所做的等号左侧是虚设的单位外力在实际的位移上所做的外力虚力，右侧是虚设单位力状态的内力在实际位移状外力虚力，右侧是虚设单位力状态的内力在实际位移状态的变形上做的内力虚

27、功之和。态的变形上做的内力虚功之和。6-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计静定结构在荷载作用下的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30对于直杆，则可用对于直杆，则可用dxdx代替代替dsds。计算位移的公式为。计算位移的公式为NPSPPNSKP000dddlllFFMFxFxMxEAGAEI 单位力状态下结构的轴力、剪单位力状态下结构的轴力、剪力和矩方程式。力和矩方程式。MFF、SN 实际荷载引起结构的轴力、实际荷载引起结构的轴力、剪力和弯矩方程式。剪力和弯矩方程式。 PSPNPMFF、E、G 材料的弹性模量和剪力弹性模量材料的弹性模量和剪力弹性模量. . A、I 杆件的

28、横截面面积和横截面惯性矩杆件的横截面面积和横截面惯性矩. . 剪力在截面上分布的不均匀系数，对于矩形截面剪力在截面上分布的不均匀系数，对于矩形截面=1.2=1.2。 6-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计静定结构在荷载作用下的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30（1 1梁、刚架：只考虑弯矩梁、刚架：只考虑弯矩MpMp引起的位移。引起的位移。 （2 2桁架：只有轴力。桁架：只有轴力。 桁架各杆均为等截面直杆则桁架各杆均为等截面直杆则xEIMMdPxEAFFdNPNEAlFFNPN6-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计静定结构在荷载作用下的位移计算算结构力学中南大学中

29、南大学返 回退 出6:30 拱坝一类的厚度较大的拱形结构，其剪力也拱坝一类的厚度较大的拱形结构，其剪力也是不能忽略的。所以计算拱坝时，轴力、剪力和是不能忽略的。所以计算拱坝时，轴力、剪力和弯矩三项因素都须要考虑进去。弯矩三项因素都须要考虑进去。 (4) (4) 跨度较大的薄拱，其轴力和弯矩的影响相当，剪力跨度较大的薄拱，其轴力和弯矩的影响相当，剪力的影响不计，位移计算公式为的影响不计，位移计算公式为 sEIMMsEAFFssddPNPN6-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计静定结构在荷载作用下的位移计算算（3组合结构组合结构EAlFFsEIMMNPNPd1结构力学中南大学中南大学返 回退

30、 出6:30 例例6-1 图示刚架，已知各杆的弹性模量图示刚架，已知各杆的弹性模量E和截和截面惯性矩面惯性矩 I 均为常数，试求均为常数，试求B点的竖向位移点的竖向位移BV，水平位移水平位移BU, 和位移和位移B 。qaaACBxEI=常数 解解: (1) 作出荷载作用下的弯作出荷载作用下的弯矩图，写出各杆的弯矩方程。矩图，写出各杆的弯矩方程。横梁横梁BC BC 2P21)(qxxM)0(ax 竖柱竖柱CA CA 2P21)(qaxMACBql2MP0.5)0(ax 6-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计静定结构在荷载作用下的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30(2)求

31、求B 点的竖向位移点的竖向位移BVACaBMa1 写出各杆单位力作用下写出各杆单位力作用下的弯矩方程式，画出弯矩图的弯矩方程式，画出弯矩图横梁横梁BC BC 竖柱竖柱CA CA xxM)(axM)(aoBxEIMMdPVEIxqaaEIxqxxaoaod21d2122)(85212141434EIqaxaxEIqao)0(ax )0(ax 6-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计静定结构在荷载作用下的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30( 3 ) 求求 B 点 的 水 平 位 移点 的 水 平 位 移BU 在在B B点加单位水平力。点加单位水平力。画出弯矩图并写出各杆的弯

32、画出弯矩图并写出各杆的弯矩方程矩方程 BCM=a xxAaa-x1横梁横梁BC BC 0)(xM竖柱竖柱CA CA xxM)(aBxEIMM0PUdEIxqaxad21)(02)(414EIqa留意：负号表示位移留意：负号表示位移的方向与假设的单位的方向与假设的单位力的方向相反。力的方向相反。 )0(ax )0(ax 6-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计静定结构在荷载作用下的位移计算算（4 4求求B B点的线位移点的线位移B B 2U2VBBBEIqa4829结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30 例例6-3 平面桁架如图，已知各杆截面积均为平面桁架如图，已知各杆截面积均为A=0

33、.410-2m2弹性横量弹性横量E=200GPa，试求，试求B点和点和D点的竖向位移。点的竖向位移。4m4m3m3m24kNABC解解: (1) : (1) 求出实际荷载状态下各杆的内力。求出实际荷载状态下各杆的内力。 (2) 求求BV4m4m3m3m24kN-32kN-32kN-24kN40kN40kNABCFNP006-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计静定结构在荷载作用下的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30 在在B点加一向下的单位力点加一向下的单位力,求此单位力引起的各杆轴力求此单位力引起的各杆轴力FN 。EAlFFPBNNV4)32()333. 1( 2540

34、667. 1299104 . 01020016)224)(1(71080/144)341.25(666.8m1014.4-4BCFN001-1.333-1.333-11.6671.6674m4m3m3m24kN-32kN-32kN-24kN40kN40kNABCF00NP6-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计静定结构在荷载作用下的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:30(3) 求求DV 在在D点加一向下单位力，求出此虚设状态点加一向下单位力，求出此虚设状态ABCFN10.8330001-0.5-0.833EAlFFBNPNV29104 . 01020016)24()5 .

35、0(540833. 071080/ )726 .166(m1098. 24 各杆的轴力各杆的轴力FN 。4m4m3m3m24kN-32kN-32kN-24kN40kN40kNABCFNP006-4 6-4 静定结构在荷载作用下的位移计静定结构在荷载作用下的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31 在杆件数量多的情况下在杆件数量多的情况下, ,不方便不方便. . 下面介绍计下面介绍计算位移的图乘法。算位移的图乘法。 EIsMMPiPd6-5 图乘法图乘法 (Graphic Multiplication Method and its Applications)1. 1. 静定结构的内

36、力计算；静定结构的内力计算；2. 2. 利用位移计算公式求静定结构的位移；利用位移计算公式求静定结构的位移；3. 3. 刚架与梁在荷载作用下的位移计算公式刚架与梁在荷载作用下的位移计算公式, , 即即: :已有基础：结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31sEIMMPdsMMEIPd1xMxEIPdtan1 xxMEIPdtan ccyEIxEI 1tan(对于等对于等截面杆截面杆)(对于直杆对于直杆) xMMEIPd1)tan( xM 图乘法求位移公式为图乘法求位移公式为:EIycip图乘法的图乘法的适用条件是适用条件是什么什么? ?图乘法是图乘法是VereshaginVereshagi

37、n于于19251925年提出的，他当时年提出的，他当时为莫斯科铁路运输学院为莫斯科铁路运输学院的学生。的学生。6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31例例. .试求图示梁试求图示梁B B端转角。端转角。解解:sEIMMPBdEIycABP2/ l2/ lEIBAB1M4/Pl1MPMi)(1612142112EIPlPllEI为什么弯矩图在为什么弯矩图在杆件同侧图乘结杆件同侧图乘结果为正果为正?6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:316-5 图乘法图乘法 几种常见图形的面积和形心位置的确定方法几种常见图形的面积和形心位置的确定方法结构力学中南

38、大学中南大学返 回退 出6:31图乘法小结：图乘法小结：1. 1. 图乘法的应用条件图乘法的应用条件（1 1等截面直杆，等截面直杆，EIEI为常数；为常数；（2 2两个两个M M图中应有一个是直线；图中应有一个是直线；（3 3） 应取自直线图中。应取自直线图中。cy2.2.假设假设 与与 在杆件的同侧，在杆件的同侧， 取正值；反取正值；反之，取负值。之，取负值。cycy3. 3. 如图形较复杂，可分解为简单图形。如图形较复杂，可分解为简单图形。6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31(1) (1) 曲曲- -折组合折组合jjKiyyyyxMM 332211d图形分解图

39、形分解6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31(2) (2) 梯梯- -梯同侧组合梯同侧组合122211dyyxMMKi 3)2(3)2(21dcydcy6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31(3) (3) 梯梯- -梯异侧组合梯异侧组合1 1y2 2yABCDabcdKM图图M图图b c取取负负值值2211dyyxMMKi 3)2(3)2(21dcydcy6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31复杂图形的处理：复杂图形的处理：+=+=6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31B求求1MPM

40、i)(24)1322EIqlqllqllEIBAB4/2qllEIq42ql8/2qlq8/2ql6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31(4) (4) 阶梯形截面杆阶梯形截面杆jjjjKiIEyIEyIEyIEyxEIMM 333322221111d6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31例例 1. 1. 已知已知EIEI为常数，求为常数，求C C、D D两点相对水平位移两点相对水平位移 。CD 应用举例应用举例AlqBhq8/2qlh11hMPiM)(12832132EIqhlhlqlEIEIycCD解：作荷载弯

41、矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31 例例 2. 2. 图示梁图示梁EI EI 为常数，求为常数，求C C点竖向位移。点竖向位移。iM2/ lAl/2qBCl/2MP2/2ql1C)(1285)48224328331(1322EIqllqllllqlEIEIycC8/2ql)(241221231132EIqllqllEIEIycc6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:3132/2qliM2/ lAl/2qBCl/2MP2/2ql1C)(38417)231822123222212213223

42、2(14222EIqllqlllqlllqllEIEIycc8/2qlq8/2ql2/2ql2/2ql8/2ql6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31iM2/ lAl/2qBCl/2MP2/2ql1C)(38417)2218223242212438231(14222EIqllqlllqlllqllEIEIycc8/2qlq8/2ql2/qlq8/2ql4/2ql2/ql8/2ql8/2ql6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31例例3. 3. 试求图示结构试求图示结构B B点竖向位移。点竖向位移。解解:sEIMMPBydEIycPlMPMi

43、)(34)3221(13EIPlllPlllPlEI1lPEIBEIll6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31例例4.4.知知 EIEI为常数，求铰为常数，求铰C C 两侧截面相对转角两侧截面相对转角 。C解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图AlqBlClq4/ql4/qlMP110l /11iM)(2421832132EIqlqlEIEIycCD4/2ql4/2ql6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31 例例5.5.知知 EI EI 为常数，求为常数，求A A点竖向位移点竖向位移 。A)(4822)22182

44、322324221232421(14222EIqlEIlqlllqlllqllEIEIycCD解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图Aqlllq4/qlMP4/2ql2/11iM2/ l6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:316. 6. 求求B B点水平位移。点水平位移。解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图MP)(85412322113EIPlllPlEIllPlEIEIycBPlABllEI4PEIEI1留意留意: :各杆刚度各杆刚度可能不同可能不同iMl6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出

45、6:31 7. 7.已知已知EIEI为常数，求为常数，求B B截面转角。截面转角。MP解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图ABkN/m2m4kN6m2m31124Mi)(38)21443213112421(1EIEIEIycB6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31)(31123)32(21322113EIPlllPllllPlllPllPllEIEIycB解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图8. 8. 求求B B点水平位移点水平位移,EI=,EI=常数。常数。AlPBllMPPlPl2A1Bl 2MPl6-5

46、图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图)(434)2)(2(14322113EAPlEIPllPEAllPlEIEAlNNEIyPicB9. 9. 求求C C、D D 两点相对水平位移两点相对水平位移 。CD ABllEAEICDPPEIlMPPlPl11iMll6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图解：作荷载弯矩图和单位荷载弯矩图)(421212)2322212223122142(13kPEIPlkPlPlllPlllPlllPllEIEIycB10

47、.10.求求A A点竖向位移点竖向位移, EI=, EI=常数常数 。1/2iMMPPl2/Pl2/PllPlAk1k6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31AlPBlPl)(310)243221(13EIPllPlllPllEIEIycABY11.11.图示结构图示结构 EI EI 为常数，求为常数，求ABAB两点两点(1)(1)相对竖向位相对竖向位移移,(2),(2)相对水平位移相对水平位移,(3),(3)相对转角相对转角 。iMMP11Pll11lliM0EIycABX0EIycAB对称弯矩图对称弯矩图反对称弯矩图反对称弯矩图 对称结构的对称弯矩图与其反对称弯矩

48、图图乘,结果为零.1111iM6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31PPPl1111绘制变形图时，应根据弯矩图判断杆件的凹凸方向，绘制变形图时，应根据弯矩图判断杆件的凹凸方向，注意反弯点的利用。如：注意反弯点的利用。如：6-5 图乘法图乘法 结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31由温度变化引起的位移计算由温度变化引起的位移计算 (1)每根杆受的温度是均匀作用的，即每杆上各每根杆受的温度是均匀作用的，即每杆上各截面的温度是相同的。截面的温度是相同的。 (2)杆件的两侧的温度可以是不同的，但从高温一杆件的两侧的温度可以是不同的，但从高温一侧到低温一侧温度是按直线变

49、化的。侧到低温一侧温度是按直线变化的。 (3)由于假定温度沿杆长均匀分布由于假定温度沿杆长均匀分布,不可能出现剪不可能出现剪切变形切变形, 只有轴向变形只有轴向变形dut 和截面转角和截面转角d。假定：假定： 6-6 6-6 静定结构温度变化时的位移计静定结构温度变化时的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31温度引起的纤维轴向变形为：温度引起的纤维轴向变形为：t 其中其中材料的线膨胀系数，即温度升高材料的线膨胀系数，即温度升高11时杆的应变。时杆的应变。 设微段设微段 ds 的的 温度变化为：温度变化为：ht1t2st1t2t0h1h2dsdsdsdt0d6-6 6-6 静定结

50、构温度变化时的位移计静定结构温度变化时的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31梁段上侧、下侧和中心轴处纤维伸长分别为梁段上侧、下侧和中心轴处纤维伸长分别为studd11tstudd22tstudd00t由于截面内的温度呈直线变化，有由于截面内的温度呈直线变化，有 11012htthtt得：得： hhthtt21120shthststdddd12其中其中t= t2 t1 t= t2 t1 ，为杆两侧的温度变化之差。，为杆两侧的温度变化之差。 ht1t2st1t2t0h1h2dsdsdsdt0d6-6 6-6 静定结构温度变化时的位移计静定结构温度变化时的位移计算算结构力学中南大学

51、中南大学返 回退 出6:31 令虚设的力状态在结构的实际位移状态下做功。在令虚设的力状态在结构的实际位移状态下做功。在拟求位移的截面虚设一单位力，则外力在位移上做的功拟求位移的截面虚设一单位力，则外力在位移上做的功应等于内力在温度引起的变形上做的功之和，即应等于内力在温度引起的变形上做的功之和，即 dd1NFM sFtsMhtddN0式中式中 对结构中各杆求和。对结构中各杆求和。 MdAsM单位力弯矩图中该杆弯矩图的面积。单位力弯矩图中该杆弯矩图的面积。 NNdAsF单位力轴力图中该杆轴力图的面积。单位力轴力图中该杆轴力图的面积。 所以所以 N0MAtAht6-6 6-6 静定结构温度变化时的

52、位移计静定结构温度变化时的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31 正负符号取决于虚功是正功还是负功。若杆的轴正负符号取决于虚功是正功还是负功。若杆的轴心处的温度心处的温度t0 t0 是升高，而单位力轴力图中该杆受拉力，是升高，而单位力轴力图中该杆受拉力，则此杆的内力虚功为正功，此项取正号，反之取负号。则此杆的内力虚功为正功，此项取正号，反之取负号。 若温度变化若温度变化t使杆弯曲而某侧受拉，而单位力弯使杆弯曲而某侧受拉，而单位力弯矩图中该杆的弯矩也使该侧受拉，则虚内力做正功取矩图中该杆的弯矩也使该侧受拉，则虚内力做正功取正号，反之为负号。正号，反之为负号。6-6 6-6 静定结

53、构温度变化时的位移计静定结构温度变化时的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31 例例6-5 图示刚架，各杆均为矩形截面，截面高图示刚架，各杆均为矩形截面，截面高h=40cm，截面形心位于截面高度截面形心位于截面高度1/2处。处。l=4m设刚架内部温度上升设刚架内部温度上升10外部下降外部下降20。线膨胀系数。线膨胀系数=110-5，试求，试求D点的竖点的竖向位移。向位移。2m2m2m2mABCD-20 Co 10 Coh 解解 (1) (1) 在在D D点作用一向上的单位力点作用一向上的单位力F=1F=1，作弯矩图，作弯矩图 和轴力图和轴力图 MNF14m4mM 图111FN图

54、2214124442144NMAA6-6 6-6 静定结构温度变化时的位移计静定结构温度变化时的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31(2)计算计算 D点的竖向位移。点的竖向位移。CCCCC052)20(104 . 02 . 0)20(301000000.t两侧的温度差为两侧的温度差为 CCC30)20(100012ttt2)C5(244 . 0C30C11100005)(m0179. 0101800105N0MUAtAhtD有有杆轴线处的温升值为杆轴线处的温升值为6-6 6-6 静定结构温度变化时的位移计静定结构温度变化时的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:3

55、1 例例6-6 6-6 图示桁架，受日照均匀温升图示桁架，受日照均匀温升3030。求。求C C点点竖向位移。竖向位移。 A2mCB30 解：在解：在C C点作单位力点作单位力并求出各杆轴力并求出各杆轴力 。 NFA00-1.732-1.7322.02.0CB1己知各杆己知各杆 t0= 30,t = 0故故 NCAt0V )(m103866. 0732. 12122)C11(C301040056-6 6-6 静定结构温度变化时的位移计静定结构温度变化时的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31制造误差引起的位移计算：制造误差引起的位移计算：)(.)(mmA272348118每个上弦

56、杆加长每个上弦杆加长8mm,8mm,求由此引起的求由此引起的A A点竖点竖向位移。向位移。118/mm4886m11A1118/118/118/6-6 6-6 静定结构温度变化时的位移计静定结构温度变化时的位移计算算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31由支座移动引起的位移计算由支座移动引起的位移计算 求由支座移动引起的结点某点的位移只是一个单纯的几求由支座移动引起的结点某点的位移只是一个单纯的几何问题。可以用力学方法何问题。可以用力学方法刚体的虚力原理来求解。刚体的虚力原理来求解。 01 cRcR 式中 是由单位力F所引起的支座反力；c 是与反力 相应的已知的支座位移。当二者方向一致时

57、，其乘积取正值，相反时取负值。 在要求位移的点上沿位移的方向加一单位力在要求位移的点上沿位移的方向加一单位力F F，求出在，求出在此单位力作用下的支座反力此单位力作用下的支座反力R R 。所有外力虚功之和应为零有：所有外力虚功之和应为零有：R6-7 静定结构支座移动时的位移计算静定结构支座移动时的位移计算R结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31由平面杆件结构位移计算的一般公式：由平面杆件结构位移计算的一般公式： cFRKcdsFdMduFcFSNRK对于静定结构，支座移动不引起内力，材料不变形，对于静定结构，支座移动不引起内力，材料不变形，因此因此dudu、dd和和dsds为零，上式简化

58、为为零，上式简化为: : 负号系原来移项所得，不可漏掉！6-7 静定结构支座移动时的位移计算静定结构支座移动时的位移计算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31 例例6-7 6-7 三铰刚架如图所示，若支座三铰刚架如图所示，若支座A A下沉下沉C C，求，求BDBD柱的转角。柱的转角。 BCDaAcaaBD解：解：(1) (1) 在在BDBD柱上作用单位力矩柱上作用单位力矩M =1M =1，求支座反力。，求支座反力。 ADEBM=1a1a1a1a1(2) 代入公式计算得：代入公式计算得： acaccRBD)1( 结果得正值表示柱的转角方向与所假定的单位力结果得正值表示柱的转角方向与所假定的

59、单位力矩的方向相同。矩的方向相同。 6-7 静定结构支座移动时的位移计算静定结构支座移动时的位移计算结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31 例例6-8 6-8 图示刚架右边支座的竖向位移图示刚架右边支座的竖向位移By=0.06m(By=0.06m(向下向下) )，水平位移，水平位移Bx=0.04m(Bx=0.04m(向右向右) )，已知，已知l=12ml=12m，h=8mh=8m。试求由此引起的。试求由此引起的A A端转角端转角AA)211(xyRABhBlcF（顺时针方向）radhBlBxy0075. 08204. 01206. 026-7 静定结构支座移动时的位移计算静定结构支座移动

60、时的位移计算Bx=4cmBx=4cm结构力学中南大学中南大学返 回退 出6:31 1. 功的互等定理功的互等定理 F1作用下产生的内力和变形称为第一状态，作用下产生的内力和变形称为第一状态，F2作作用下产生的内力和变形称为第二状态。用下产生的内力和变形称为第二状态。 先加先加F1F1然后加然后加F2F2的情况，整个加载过中系统做的情况，整个加载过中系统做的总功为的总功为 121212122211112121FFFW表示由编号为表示由编号为j j 的力引起的力引起i i点的位移。点的位移。 ij先加先加F2F2后加后加F1F1，整个过程中系统做的总功为，整个过程中系统做的总功为 12122211