建筑力学(第二版)第三章力系的平衡

第3章力系的平衡第3章力系的平衡

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作用于物体上的力系分为平面力系和空间力系，工程中最常见的是平面力系。本章介绍平面力系向一点简化的结果及其计算，由此得到平面力系的平衡条件和平衡方程，着重讨论平衡方程的应用和物体系平衡问题的解法。本章是刚体静力分析的重点。【学习要求】1.理解力的平移定理。2.了解平面力系的简化理论和简化结果。

3.熟练掌握力在坐标轴上投影的计算。4.理解各种平面力系的平衡方程，熟练掌握运用平衡方程求解平衡问题的步骤和技巧。

1第3章力系的平衡第3章力系的平衡

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§3－1平面力系向一点的简化§3－2平面力系的平衡方程及其应用2第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录§3－1平面力系向一点的简化

作用于物体上各力的作用线都在同一平面内，这种力系称为平面力系。

例如，图示用起重机吊装钢筋混凝土大梁，作用于梁上的力有梁的重力W、绳索对梁的拉力，这三个力的作用线都在同一铅直平面内，组成一个平面力系。3第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

屋架受到屋面自重和积雪等重力载荷W、风力F以及支座反力FAx、FAy、FB的作用，这些力的作用线在同一平面内，组成一个平面力系(如图)。4第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

有时物体本身及作用于其上的各力都对称于某一平面，则作用于物体上的力系就可简化为该对称平面内的平面力系。

例如水坝(图a)，通常取单位长度的坝段进行受力分析，并将坝段所受的力简化为作用于坝段中央平面内的一个平面力系(图b)。5第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录3－1－1力的平移定理

平面力系向一点简化的理论基础是力的平移定理。

设在刚体上A点作用一个力F，现要将其平行移动到刚体内任一点O(图a)，但不能改变力对刚体的作用效应。6第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

根据加减平衡力系公理，可在O点加上一对平衡力F、F，力F

和F的作用线与原力F的作用线平行，且F

＝F

＝F(图b)。

力F

和F

组成一个力偶M，其力偶矩等于原力F对O点之矩。即7第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

由此得到力的平移定理：作用于刚体上的力可以平行移动到刚体内任一指定点，但必须同时附加一个力偶，此附加力偶的矩等于原力对指定点之矩。

8第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

根据力的平移定理，也可以将同一平面内的一个力和一个力偶合成为一个力，合成的过程如图所示。9第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

力的平移定理不仅是力系向一点简化的理论依据，而且也是分析力对物体作用效应的一个重要方法。

例如，在设计厂房的柱子时，通常都要将作用于牛腿上的力F(图a)平移到柱子的轴线上(图b)，可以看出，轴向力F＇使柱产生压缩，而力偶矩M将使柱弯曲。10第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录3－1－2平面力系向一点简化的结果

设在刚体上作用一个平面力系F1、F2、…、Fn

，各力的作用点分别为A1、A2、…、An(图a)。在平面内任意取一点O，称为简化中心。

利用力的平移定理，将各力都向O点平移，得到一个汇交于O点的平面汇交力系。和一个附加的平面力偶系MO1、MO2、…、Mon(图b)。这些附加力偶的矩分别等于原力系中的各力对O点之矩，即

MO1=MO（F1）、MO2=MO（F2）、…、MOn=MO（Fn）

11第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

平面汇交力系可以合成为一个作用于O点的合矢量(图c)，即

式中——平面力系中所有各力的矢量和，称为该力系的主矢。它的大小和方向与简化中心的选择无关。平面力偶系MO1、MO2、…、MOn可以合成为一个力偶，其矩MO为

12第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

即MO等于各附加力偶矩的代数和，也就是等于原力系中各力对简化中心O之矩的代数和。MO称为该力系对简化中心O的主矩。其大小和转向与简化中心的选择有关。

如果选取的简化中心不同，主矢不会改变，故它与简化中心的位置无关；但力系中各力对不同简化中心的矩一般是不相等的，因而主矩一般与简化中心的位置有关。13第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录3－1－3力在坐标轴上的投影

在力F作用的平面内建立直角坐标系Oxy。Fx=±a1b1Fy=±a2b2式中的正负号规定为：从a1到b1（或a2到b2）的指向与坐标轴正向相同时取正，相反时取负。

xyAB

由力F的起点A和终点B分别向坐标轴作垂线，设垂足分别为a1、b1和a2、b2，线段a1b1、a2b2冠以适当的正负号称为力F在xa1b1a2b2FxFy轴和y轴上的投影，分别记作Fx、Fy，即F14第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

由图可知，若已知力F的大小及力F与x、y轴正向间的夹角分别为和，则有即力在某轴上的投影等于力的大小乘以力与该轴正向间夹角的余弦。当、为钝角时，为了计算简便，往往先根据力与某轴所夹的锐角来计算力在该轴上投影的绝对值，再由观察来确定投影的正负号。

xyABa1b1a2b2FxFyF15第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

反之，若已知力F在直角坐标轴上的投影为Fx、Fy，则可求出力F的大小及方向，即

应该指出，力在坐标轴上的投影与力沿坐标轴的分力是两个不同的概念。力的投影是代数量，而力的分力是矢量。xyABa1b1a2b2FxFyF16第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录式中：i、j——坐标轴x、y正向的单位矢量。

在直角坐标系中，力在轴上的投影和力沿该轴的分力的大小相等，而投影的正负号可表明该分力的指向。因此，力F沿平面直角坐标轴分解的表达式为ijxyABa1b1a2b2FxFyF17第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录

例3－1试分别计算图示各力在x轴和y轴上的投影。已知F1=F2=100N，F3=150N，

F4=200N。18第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录解由公式可算出各力在x轴和y轴上的投影分别为

F1x=F1cos45°=100N×0.707=70.7NF1y=F1cos45°=100N×0.707=70.7NF2x=－F2cos30°=－100N×0.866=－86.6NF2y=－F2cos60°=－100N×0.5=－50NF3x=F3cos90°=0F3y=－F3cos0°=－150N×1=－150N19第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录F4x=F4cos60°=200N×0.5=100NF4y=－F4cos30°=－200N×0.866=－173.2N20第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录3－1－4主矢和主矩的计算

设主矢FR在x、y轴上的投影分别为FRx

、FRy

，力系中各力Fi(i=1，2，…，n)在x、y轴上的投影分别为Fix、Fiy。则

FR=FRx

i+FRyj

以及F1

+F2+…+Fn=(F1xi+F1yj)+(F2xi+F2yj)+…+(Fnxi+Fnyj)=(F1x

+F2x

+…+Fnx)i+（F1y+F2y+…+Fny）j=(∑Fix)i+(∑Fiy)j

21第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录比较后得到

FRx=∑Fix，FRy=∑Fiy

即主矢在某坐标轴上的投影，等于力系中各力在同一轴上投影的代数和。求得主矢在坐标轴的投影后，可求出主矢的大小和方向分别为

至于主矩可直接利用式MO=MO1+MO2+…+MOn=∑MOi进行计算。22第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录3－1－5平面力系向一点简化结果的讨论

平面力系向一点的简化结果，一般可得到一个力和一个力偶，而其最终结果为以下三种可能的情况：

(1)力系可简化为一个合力偶。当FR＝0、MO≠0时，力系与一个力偶等效，即力系可简化为一个合力偶。合力偶矩等于主矩。此时，主矩与简化中心的位置无关。

(2)力系可简化为一个合力。当FR≠0、MO＝0时，力系与一个力等效，即力系可简化为一个合力。合力的大小、方向与主矢相同，合力的作用线通过简化中心。23第3章力系的平衡\平面力系向一点的简化目录(3)力系处于平衡状态。当FR=0、MO＝0时，力系为平衡力系。当FR≠0、MO≠0时，根据力的平移定理逆过程，可将FR和MO

简化为一个合力（如图）。合力的大小、方向与主矢相同，合力作用线不通过简化中心。24第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录§3－2平面力系的平衡方程及其应用3－2－1平衡条件和平衡方程

如果平面力系向任一点简化后主矢和主矩都等于零，则该力系为平衡力系。反之，要使平面力系平衡，主矢和主矩都必须等于零，否则该力系将最终简化为一个力或一个力偶。因此，平面力系平衡的充分和必要条件是力系的主矢和力系对任一点的主矩都等于零，即25第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录上面的平衡条件可用下面的解析式表示

为书写方便，已将上式中的下标i略去。上式称为平面力系的平衡方程。其中前两式称为投影方程，它表示力系中所有各力在两个坐标轴上投影的代数和分别等于零；后一式称为力矩方程，它表示力系中所有各力对任一点之矩的代数和等于零。26第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

例3－2梁AB的A端为固定铰支座，B端为活动铰支座(如图)，梁上受集中力F与力偶M的作用。已知F=10kN，M=2kN·m，a=1m，试求支座A、B处的反力。27第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

解(1)取研究对象。由于已知力和待求力都作用于梁AB上，故选取梁AB为研究对象。

(2)画受力图。ABCFAxFAyFMFB4528第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录(3)列平衡方程。建立坐标系Axy，列出平衡方程

∑Fx=0，FAx－FBcos45°=0∑Fy=0，FAy－F+FBsin45°=0∑MA=0，－Fa－M+FBsin45×3a=0

由于力偶中的两个力在同一轴上投影的代数和等于零，故在写投影方程时不必考虑力偶。

(4)解方程。得

FAx=FBcos45°=4kNFAy=F－FBsin45°=6kNFAx、FAy和FB的计算结果均为正值，表示力的指向与假定的指向相同(若为负值，则表示力的指向与假定的指向相反)。

ABCFAxFAyFMFB45yx29第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录(5)讨论。本题若写出对A、B两点的力矩方程和对x轴的投影方程，则同样可求解。即由∑Fx=0，FAx－FBcos45°=0∑MA=0，－Fa－M+FBsin45×3a=0∑MB=0，－FAy×3a+F×2a－M=0解得FAx=4kN，FAy=6kN，FB=5.66kN

若写出对A、B、D三点的力矩方程∑MA=0，－Fa－M+FBsin45°×3a=0∑MB=0，－FAy×3a+F×2a－M=0∑MD=0，FAx×3a－Fa－M=0则也可得到同样的结果。ABCFAxFAyFMFB45yxD30第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

由上面例题的讨论可知，平面力系的平衡方程除了基本形式外，还有二力矩形式和三力矩形式，其形式如下：∑Fx=0（或∑Fy=0）∑MA=0∑MB=0其中A、B二点连线不能与x轴（或y轴）垂直。以及∑MA=0∑MB=0∑MC=0其中A、B、C三点不能共线。31第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

在应用二力矩形式或三力矩形式时，必须满足其限制条件，否则所列三个平衡方程将不都是独立的。

由上面的例题可看出，求解平面力系平衡问题的步骤如下：

(1)取研究对象。根据问题的已知条件和待求量，选取合适的研究对象。

(2)画受力图。画出所有作用于研究对象上的外力。

(3)列平衡方程。适当选取投影轴和矩心，列出平衡方程。

(4)解方程。32第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

在列平衡方程时，为使计算简单，通常尽可能选取与力系中多数未知力的作用线平行或垂直的投影轴，矩心选在两个未知力的交点上；尽可能多应用力矩方程，并使一个方程中只包含一个未知数。但是应注意，不管使用哪种形式的平衡方程，对于一个平面力系来说，它只有三个独立的平衡方程，因而只能求解三个未知量。任何第四个方程都不会是独立的，但可以利用它来校核计算的结果。

33第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录3－2－2平面力系的几个特殊情形

1.平面汇交力系对于平面汇交力系，平衡方程中的力矩方程自然满足，因而其平衡方程为

平面汇交力系只有两个独立的平衡方程，只能求解两个未知量。34第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

例3－3起重架可借绕过滑轮A的绳索将重W=20kN的重物吊起，滑轮A用AB及AC两杆支承(如图)。设两杆的自重及滑轮A的大小、自重均不计，试求杆AB、AC的受力。35第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

解如将杆AB、AC作用于滑轮A上的力求出，则两杆所受的力即可求出(互为作用力与反作用力)。因为重物的重力与绳索的拉力均作用于滑轮A上，故取滑轮A为研究对象。画出滑轮A的受力图(图b)。因不计滑轮A的大小，故诸力组成一个平面汇交力系。

36第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录建立坐标系Axy(如图)，列出平衡方程

∑Fx=0，－Wcos45°－FAC－FTcosl5°－FABcos75°=0∑Fy=0，－Wsin45°+FTsinl5°+FABsin75°=0解得FAC=－35.9kN解得37第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

FAB的计算结果为正值，表示力FAB的指向与假定的指向相同，杆AB所受的力FAB′与FAB等值反向，杆AB受拉力作用；同理，FAC的计算结果为负值，表示力FAC的指向与假定的指向相反，杆AC受压力作用(如图)。38第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

2．平面力偶系对于平面力偶系，平面力系平衡方程中的投影方程自然满足，且由于力偶对平面内任一点之矩都相同，故其平衡方程为∑M=0平面力偶系只有一个独立的平衡方程，只能求解一个未知量。

39第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

例3－4如图所示梁AB受一力偶的作用，力偶的矩M=20kN·m，梁的跨长l=5m，倾角＝60，试求支座A、B处的反力，梁的自重不计。

40第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

解取梁AB为研究对象。由力偶系的平衡方程，有得

故受力如图所示。41第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录3.平面平行力系

平面平行力系平衡方程的二力矩形式为式中A、B两点的连线不能平行于各力作用线。

若平面力系中各力作用线全部平行，称为平面平行力系。若取y轴平行于各力作用线，x轴垂直于各力作用线（如图），显然平衡方程中∑X=0自然满足，因此其平衡方程只有两个，即42第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

平面平行力系只有两个独立的平衡方程，只能求解两个未知量。

例3－5塔式起重机(如图)的机架重W=500kN，重力作用线与右轨的距离e=1.5m。最大起重载荷F=250kN，其作用线与右轨的距离l=10m。轨距b=3m，平衡锤重力作用线与左轨的距离a=6m。

(1)欲使起重机在满载和空载时均不致翻倒，试求平衡锤重W1的值；

(2)当平衡锤重W1=370kN时，试求满载时轨道对起重机轮子的约束力。43第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

解(1)取起重机为研究对象。先考虑满载时的情况。此时，作用于起重机上的力有机身重力W，起吊载荷F，平衡锤重力W1，以及轨道对轮子的约束力FA、FB，这些力组成一平面平行力系(如图)。满载时起重机翻倒，将是绕B点转动。在平衡的临界状态，FA等于零，平衡锤重达到允许的最小值W1min，列出平衡方程∑MB=0，W1min（a+b）－We－Fl=0

得W1min=

=361kN44第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

再考虑空载(F=0)的情况。此时，应使起重机不绕A点翻倒。在平衡的临界状态，FB等于零，平衡锤重达到允许的最大值W1max，列出平衡方程∑MA=0，W1maxa－W(e+b)=0得W1max==375kN

因此，要保证起重机在满载和空载时均不致翻倒，平衡锤重W1应满足如下关系：361kN≤W1≤375kN45第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

(2)取起重机为研究对象，画出受力图。取y轴向上为正，列出平衡方∑MA=0，

W1a+FBb－W(e+b)一F(l+b)=0FB==1093kN

∑Fy=0，FA+FB－W1－W－F=0得FA=W1+W+F－FB=27kN得46第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

物体所受的力，如果是沿着狭长面积或体积连续分布且相互平行的力系，则称为线分布力或线分布载荷。表示分布荷载分布规律的图形称为荷载图。均布荷载沿一直线分布时，其荷载图为一矩形。例如梁的自重，可简化为沿梁的轴线分布的线分布载荷(图a)；静水压力是非均布荷载，其荷载图是三角形(图b)。

单位长度上所受的力，称为分布力在该处的集度，通常用q表示，其单位是N／m或kN／m。47第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

利用合力矩定理可以证明：线分布荷载的合力的大小等于荷载图的面积，合力的作用线通过荷载图的形心，合力的指向与分布荷载的指向相同。在求解平衡问题时，线分布荷载可以用其合力来替换。

例3－6图示水平外伸梁上受均布载荷q，力偶M和集中力F的作用。试求支座A、B处的反力。48第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

解取梁为研究对象。画出受力图。均布载荷的合力FR(FR=qa，作用于均布载荷区段的中点)。建立坐标系Oxy，列出平衡方程FRMFFAyFAxFAyFBa/2a/2xyO∑Fx=0，FAx=0∑MA=0，FR×－M+FB×2a－F×3a=0

49第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录FRMFFAyFAxFAyFBa/2a/2xyO得FB=∑Fy=0，－FR+FAy+FB－F=0得FAy=

本例中，由于水平外伸梁上没有水平方向载荷作用，支座A处的反力FAx一定等于零，所以在受力分析时也可只画出反力FAy(如右图）。FRMFFAFAFBa/2a/2xyO50第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录3－2－3物体系的平衡问题

所谓物体系是指由若干个物体通过约束按一定方式连接而成的系统。若物体或物体系的所有约束力都可由平衡方程求出，则称为静定物体或静定物体系。

求解物体系统的平衡问题，通常有以下两种方法：

1）先整体后部分或先部分后整体。先取整个物体系统为研究对象，列出平衡方程，解得部分未知量，然后再取系统中某个部分（可以由一个或几个物体组成）为研究对象，列出平衡方程，直至解出所有未知量为止。有时也可先取某个部分为研究对象，解得部分未知量，然后再取整体为研究对象，解出所有未知量。

51第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

2）逐个考察每个物体。逐个取物体系统中每个物体为研究对象，列出平衡方程，解出全部未知量。至于采用何种方法求解，应根据问题的具体情况，恰当地选取研究对象，列出较少的方程，解出所求未知量。并且尽量使每一个方程中只包含一个未知量，以避免解联立方程。

52第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

例3－7三铰拱(如图)每半拱重W=300kN，跨长l=32m，拱高h=10m。试求：

(1)支座A、B处的反力；

(2)铰C处的约束力。53第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

解(1)求支座A、B处的反力先取三铰拱整体为研究对象，画出受力图(图b)。建立坐标系Axy，列出平衡方程∑MB=0，－FAy×32m+W×28m+W×4m=0得

FAy=300kN

54第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录∑Fy=0，FAy+FBy－2W=0

∑Fx=0，FAx－FBx=0FBy=2W－FAy=300kN得FAx=FBx

得55第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

再取半拱AC为研究对象，画出受力图(图c)。列出平衡方程∑MC=0，FAxh－FAy×+W×12m=0FAx=FBx

==120kN得56第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录

(2)求铰C处的约束力欲求铰C处的约束力，可以在上面计算的基础上，再列出半拱AC的其他平衡方程∑Fx=0，FAx－FCx=0

FCx=FAx=120kN得∑Fy=0，FAy－W+FCy=0FCy=W－FAy=0得57第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录下面给出另一种解法。

分别取半拱AC和BC为研究对象，画出它们的受力图(图c、d)。列出半拱AC的平衡方程∑MA=0，

FCxh+FCy－W×4m=0

(a)∑Fx=0，FAx－FCx=0(b)∑Fy=0，FAy+FCy－W=0(c)58第3章力系的平衡\平面力系的平衡方程及其应用目录列出半拱BC的平衡方程∑MB=0，－FCxh+FCy×+W×4m=0(d)∑Fx=0，FCx

－FBx=0(e)∑Fy=0，FBy－FCy

－W=0