结构力学课件8位移法

第8章位移法 §8-1位移法概述§8-2位移法未知量的确定§8-3杆端力与杆端位移的关系§8-4利用平衡条件建立位移法方程§8-5位移法举例§8-6基本体系和典型方程法§8-7对称性的利用§8-8其它各种情况的处理主要内容 §8-1位移法概述●位移法是计算超静定结构的另一种基本方法。分析超静定结构时，有两种基本方法：第一种：以多余未知力为基本未知量；先求其反力或内力，然后计算位移——力法。第二种：以结点未知位移为基本未知量；先求其位移，然后再计算内力——位移法。结构在外因作用下产生内力变形内力与变形间存在关系 §8-1位移法概述●位移法是以结点的位移作为的未知量的。●位移法是以力法作为基础的。下面以一个例题来介绍一下位移法的解题思路。结点位移与杆端位移分析BD伸长：DA伸长：DC伸长：杆端位移分析由材料力学可知：杆端力与杆端位移的关系D结点有一向下的位移△FPABCD45o45o §8-1位移法概述建立力的平衡方程由方程解得：位移法方程把△回代到杆端力的表达式中就可得到各杆的轴力：由结点平衡： §8-1位移法概述③由结点平衡或截面平衡，建立方程；⑤结点位移回代，得到杆端力。总结一下位移法解题的步骤：①确定结点位移的数量；②写出杆端力与杆端位移的关系式；④解方程，得到结点位移； §8-2位移法未知量的确定●位移法是以结点的位移作为的未知量的。●结点：指杆件与杆件的交结处，不包括支座结点（初学时）。●杆件：等截面的直杆，不能是折杆或曲杆。●为了减少未知量，忽略轴向变形，即认为杆件的EA=∞。只有一个刚结点B，由于忽略轴向变形，B结点只有只有一个刚结点B，由于忽略轴向变形及C结点的约束形式，B结点有一个转角和水平位移ABCABC例1：例2： §8-2位移法未知量的确定例3：有两个刚结点E、F、D、C，由于忽略轴向变形，E、F、D、C点的竖向位移为零，E、F点及D、C点的水平位移相等，因此该结构的未知量为：例4：有两个刚结点B、C，由于忽略轴向变形，B、C点的竖向位移为零，B、C点的水平位移相等，因此该结构的未知量为： §8-2位移法未知量的确定有两个刚结点B、C，由于忽略轴向变形及B、C点的约束，B、C点的竖向、水平位移均为零，因此该结构的未知量为：桁架杆件要考虑轴向变形。因此每个结点有两个线位移。该结构的未知量为：刚架（不带斜杆的）一个结点一个转角，一层一个侧移。结论：ABCD例5：ABCD例6： 排架结构，有两个铰结点A、B，由于忽略轴向变形，A、B两点的竖向位移为零，A、B两点的水平位移相等，因此该结构的未知量为：EA=∞ABCD§8-2位移法未知量的确定两跨排架结构，有四个结点A、B、C、D，同理A与B点、D与C点的水平位移相同，各结点的竖向位移为零，但D结点有一转角，因此该结构的未知量为：例7：EA=∞ABCDEFG例8： §8-2位移法未知量的确定该题的未知量为对图示有斜杆的刚架，未知量分析的方法是：对于转角位移，只需数刚结点，一个刚结点一个转角位移。对于线位移，首先把所有的刚结点变成铰结点，然后再加链杆，使其变成无多余约束的几何不变体系，加了几根链杆，就是有几个线位移。ABCDEABCDE例9： §8-2位移法未知量的确定分析方法：该题有一个刚结点，因此有一个转角位移。水平线位移的分析方法：假设B结点向左有一个水平位移△，BC杆平移至B’C’，然后它绕B’转至D点。结论：该题有两个未知量：其中BA杆的线位移为：△BC杆的线位移为：△例10：B’C’ABCD 刚架在均布荷载作用下，产生如图曲线所示的变形。§8-3杆端力与杆端位移的关系刚结点B处：两杆杆端都发生了角位移；杆长为：L未知量为：qABCEIEIqBCEI对于BC杆：其变形及受力情况与：一根一端固定一端铰结的单跨超静定梁，在均布荷载q以及在固定端B处有一角位移作用下的情况相同，其杆端力可以用力法求解。BC杆 对于BA杆：其变形与受力情况相当于：一根两端固定的单跨超静定梁，在B端发生了角位移的结果,其杆端力也可以用力法求解。§8-3杆端力与杆端位移的关系结论：在杆端力与杆端位移分析时，可以把结构中的杆件，看作一根根单跨的超静定梁，其杆端力可以由力法求解。BABA杆 §8-3杆端力与杆端位移的关系弯矩正负号的规定与原来不同了，现在是以使杆端顺时针转为正。剪力和轴力的规定与原来相同。为此，我们要把各种单跨超静定梁在支座位移及荷载作用下的杆端弯矩用力法求出，然后列出表格，以供查用。正弯矩：对杆端是顺时针转的，对结点是逆时针转的。下面开始对单跨超静定梁在支座位移及荷载作用下的杆端弯矩用力法进行逐个求解。 §8-3杆端力与杆端位移的关系1、两端固定单元，在A端发生一个顺时针的转角。由力法求得：2、两端固定单元，在B端发生一个顺时针的转角。由力法求得：ABEI,LMABMBAABEI,LMABMBA §8-3杆端力与杆端位移的关系3、两端固定单元，在B端发生一个向下的位移。由力法求得：4、一端固定一端铰结单元，在A端发生一个顺时针的转角。由力法求得：△ABEI,LMABMBAABEI,LMABMBA §8-3杆端力与杆端位移的关系由力法求得：6、一端固定一端滑动单元，在A端发生一个顺时针的转角。由力法求得：5、一端固定一端铰结单元，在B端发生一个向下的位移。MABABEI,LMBA△MABMBAABEI,L §8-3杆端力与杆端位移的关系由材力可知：由力法求得：7、两端铰结单元，在A端发生一个轴向位移。8、两端铰结单元，在B端发生一个轴向位移△。△EA,LABEAL△EAL△△EA,LABEAL△EAL△ §8-3杆端力与杆端位移的关系●前面研究的是：单个超静定梁在支座位移作用下的弯矩，至于在荷载作用下的情况，可以查书上的表格。●前面研究的是：单个超静定梁在一个支座位移作用下的弯矩，至于有多个支座位移同时作用的情况可以采用叠加原理进行。两端固定单元在荷载、支座位移共同作用下的杆端弯矩表达式： §8-3杆端力与杆端位移的关系一端固定一端铰结单元在荷载、支座位移共同作用下的杆端弯矩表达式：一端固定一端滑动单元在荷载、支座位移共同作用下的杆端弯矩表达式： §8-3杆端力与杆端位移的关系利用前面得到的单跨超静定梁的杆端弯矩表达式，就可写出结构中每根杆件的杆端力与杆端位移的表达式。例：杆长为：L未知量为：BC杆：可看作一端固定，一端铰结的梁，在B端发生了转角以及在均布荷载作用下，杆端弯矩表达式：BA杆：可看作两端固定的梁，但是在B端支座发生了转角，方向假设为顺时针，杆端弯矩表达式：AEIBCEIq §8-3杆端力与杆端位移的关系例：未知量2个：BA杆：可看作两端固定的梁，在B端支座发生了转角水平位移，还有均布荷载作用下，杆端弯矩表达式：BC杆：可看作一端固定，一端铰结的梁，在B端发生了转角、以及在集中力作用下，杆端弯矩表达式：qEI2EIABCFPLL/2L/2 §8-4利用平衡条件建立位移法方程基本思路——先拆、后装，即：1）化整为零——逐杆写出杆端弯矩式表达式；2）拼零为整——汇交于刚结点的各杆端弯矩应满足，对于任意的脱离体都应满足或。 §8-4利用平衡条件建立位移法方程——位移法方程BA杆：杆端弯矩表达式：BC杆：杆端弯矩表达式：建立位移法方程：取B结点，应该满足:AEIBCEIq杆长为：L未知量为：例: 例：未知量2个：—位移法方程①BA杆：杆端弯矩表达式：BC杆：端弯矩表达式：§8-4利用平衡条件建立位移法方程建立位移法方程：取B结点由:qEI2EIABCFPLL/2L/2 §8-4利用平衡条件建立位移法方程求FQBA,取BA杆,由……②把FQBA代入②式,得:----位移法方程②建立位移法方程：取BC截面由:FQBAqFQABMABMBABA §8-5位移法举例杆长为：LBA杆BC杆1.确定未知量未知量为:2.写出杆端力的表达式3.建立位移法方程取B结点，由,得:……①AEIBCEIq例1: §8-5位移法举例4.解方程，得:5.把结点位移回代，得杆端弯矩6.画弯矩图qL28qL214qL228ABCM图 §8-5位移法举例例2：1.位移法未知量未知量：2.杆端弯矩表达式3.建立位移方程取出B结点:……①……②LLqFP2EIEIABC §8-5位移法举例求FQBA求FQBC把FQBCFQBA代入方程②中得：……②后面的工作就省略了。 §8-5位移法举例例3：1.位移法未知量未知量：2.杆端弯矩表达式3.建立位移方程……① §8-5位移法举例……②取出EG截面：取出BEG截面：……② §8-5位移法举例位移法方程：……③……③……②……① 小结：（1）用位移法计算两类结构（无侧移、有侧移)思路与方法基本相同；（2）在计算有侧移刚架时，同无侧移刚架相比，在具体作法上增加了一些新内容：▲在基本未知量中，要含结点线位移；▲在杆件计算中，要考虑线位移的影响；▲在建立基本方程时，要增加与结点线位移对应的平衡方程。§8-5位移法举例 §8-6基本体系和典型方程法1、位移法基本体系1）基本体系——单跨超静定梁的组合体。（用位移法计算超静定结构时，把每一根杆件都作为单跨超静定梁看待）。2）构造基本体系（1）在每个刚结点处添加一个附加刚臂——阻止刚结点转动（不能阻止移动）；（2）在可能发生线位移的结点，加上附加链杆——阻止结点线位移（移动）。 §8-6基本体系和典型方程法例：构造图示结构位移法的基本体系。▲未知量2个：基本体系在有转角位移的结点处先加一刚臂，阻止转动，然后再让其发生转角。经过以上处理，原结构就成为一个由n个独立单跨超静定梁组成的组合体——即为位移法的基本体系。在有线位移的结点处先加一链杆，阻止线位移，然后再让其发生线位移。EIEIABCLqLq原结构 2、利用基本体系建立位移法方程1）基本原理——先锁、后松。锁住——将原结构转换成基本结构。把原结构“拆成”孤立的单个超静定杆件；放松——将基本结构还原成原结构。即强行使“锁住”的结点发生与原结构相同的转角或线位移。§8-6基本体系和典型方程法2）位移法典型方程的建立与求解 §8-6基本体系和典型方程法EIEIABCqLL原结构EIEIABCq基本体系3i4i2iM1图×Z1M2图×Z2qL28Z1=1Z1Z2Z2=1MP图==++6EIL26EIL2在M1、M2、MP三个图中的附加刚臂和链杆中一定有力产生，而三个图中的力加起来应等于零。 §8-6基本体系和典型方程法3i4i2iM1图×Z1Z1=1Z1基本体系EIEIABCqZ2qL28MP图+6EIL26EIL2M2图×Z2Z2=1+=k11k21F1Pk22F2Pk12附加刚臂和链杆上产生的力 §8-6基本体系和典型方程法位移法典型方程由反力互等定理可知：在M1、M2、MP三个图中附加刚臂和链杆中产生的附加力加起来应等于零，则有：方程中的系数和自由项就是M1、M2、MP三个图中刚臂和链杆中产生的附加力。 §8-6基本体系和典型方程法求系数和自由项——方法是：取各个弯矩图中的结点或截面利用平衡原理求得。由M2图：由M1图：3i4ik11k11k21FQBA6i/Lk12k12k22FQBA §8-6基本体系和典型方程法由MP图：把系数和自由项代入典型方程，有：——位移法方程F1PqL28F1PF2PFQBA=0 §8-6基本体系和典型方程法3、解方程，得结点位移4、画弯矩图计算步骤:1、确定未知量，画出基本结构；2、画出M1、…MP图；3、求出系数和自由项，得到位移法方程；4、解方程，得到结点位移；5、按下式画弯矩图： §8-6基本体系和典型方程法如果结构有n个未知量，那么位移法方程为：其中：是主系数，永远是正的。是副系数，有正有负。由反力互等定理可知：——物理意义是：由第j个结点位移发生单位位移后，在第i个结点位移处产生的反力。 §8-6基本体系和典型方程法例1：用典型方程法计算图示结构，杆长均为L，EI为常数。解：1、未知量：2、基本结构如上图所示3、位移法方程MABCEDLLL原结构CMABEDZ3Z1Z2 §8-6基本体系和典型方程法4、求系数和自由项取B结点：取E结点：取BE截面：Z1=1ABEDi4i2i3iM1图 §8-6基本体系和典型方程法取B结点：取E结点：取BE截面：Z2=14i2i2i4iM2图 §8-6基本体系和典型方程法取B结点：取E结点：取BE截面：Z3=13i/L6i/L6i/LM3图 §8-6基本体系和典型方程法MP图取B结点：取E结点：取BE截面：M §8-6基本体系和典型方程法把系数和自由项代入位移法典型方程中，得：后面的计算省略了。 §8-6基本体系和典型方程法例2：用典型方程法计算图示桁架，杆长EA为常数。解：1、未知量：2、基本结构如上图所示原结构3、位移法方程BCDAFP1FP2FP1FP2Z4Z2基本体系BCDAZ5Z3Z1 §8-6基本体系和典型方程法4、求系数和自由项取D结点：取B结点：取C结点：BCDAZ1=1EA2LEALN1图EALEA2LEA2LEAL 小结：——与力法进行对此分析。位移法分析超静定结构，其解题步骤与方法同力法极为相似。（1）确定基本未知量，取基本体系。未知量：力法——多余未知力；位移法——未知角位移、线位移。基本体系：力法——静定结构；位移法——单跨超静定梁的组合体。§8-6基本体系和典型方程法 （2）列典型方程建立方程力法——去掉多余约束处的位移条件；条件：位移法——附加约束上约束反力的平衡条件。方程的力法——变形协调方程；性质：位移法——力的平衡方程。§8-6基本体系和典型方程法（3）作MP、图，求系数和自由项M力法：先作出静定结构分别在载荷FP、多余未知力作用下的弯矩图MP、；Mi 然后应用图乘法求出载荷FP，单位多余未知力（xi=1)所引起的去掉多余未知力处的位移，即系数和自由项：ΔiP、δij、δii、δjj；§8-6基本体系和典型方程法位移法：先作出基本体系分别在载荷FP、单位位移（i=1)作用下所引起的弯矩图（借助于转角位移方程或图表画）；然后利用结点或截面的平衡，求出刚臂中的反力矩和链杆中的反力，即位移法的系数和自由项Fip、kij、kij、kii： （4）解典型方程，求基本未知量力法：解多元一次方程组，求得多余未知力xi；位移法：解多元一次方程组，求得结点角位移与结点线位移Zi。（5）绘制最后内力图——采用迭加法。§8-6基本体系和典型方程法力法：位移法： §8-7对称性的利用对于对称结构用位移法求解时，可以取半刚架进行计算，所以下面先介绍半刚架的取法。红线是结构在对称荷载作用下的变形，对称点C的位移和内力如下：取半刚架如左图所示：在C点用滑动支座描述它的位移和内力以单跨刚架为例1、奇数跨对称刚架在对称荷载作用下 §8-7对称性的利用红线是结构在对称荷载作用下的变形，对称点C的位移和内力如下：取半刚架如左图所示：2、偶数跨对称刚架在对称荷载作用下以双跨刚架为例在C点应用固定支座描述它的位移和内力，CB杆由于处在对称轴上，弯矩等于零，因此没有必要画上去。 §8-7对称性的利用红线是结构在反对称荷载作用下的变形，对称点C的位移和内力如下：取半刚架如左图所示：在C点应用竖向可动铰支座描述它的位移和内力3、奇数跨对称刚架在反对称荷载作用下以单跨刚架为例 §8-7对称性的利用红线是结构在反对称荷载作用下的变形，在对称点C处只有一对剪力FQC存在。取半刚架如下图所示：4、偶数跨对称刚架在反对称荷载作用下以双跨刚架为例对原结构进行改造，如图1、图2所示。图1图2FPFP 小结：（1）对称结构受对称荷载作用时，变形一定对称，在对称点处只有对称内力存在，反对称的内力一定为零；（2）对称结构受反对称荷载作用时，变形一定反对称，在对称点处只有反对称内力存在，对称的内力一定为零；（3）对于对称结构，若荷载是任意的，则可把荷载变换成：对称与反对称两种情况之和；（4）在对称结构计算中，对取的半结构，可选用任何适宜的方法进行计算（如位移法、力法），其原则就是哪一种未知量个数少，就优先选用谁。§8-7对称性的利用 §8-7对称性的利用例1：利用对称性计算图示结构，EI为常数。解：由于有两根对称轴，可以取1/4刚架进行计算。原结构1、未知量：2、杆端弯矩表达式：LqqLACBD基本体系qAEFL/2L/2 §8-7对称性的利用……①3、建立位移法方程4、解方程，得：5、回代，得杆端弯矩：6、画弯矩图qL224qL224qL224qL224qL212M图 §8-7对称性的利用例2：利用对称性计算图示结构。所有杆长均为L，EI也均相同。原结构解：1、由于该结构的反力是静定的，求出后用反力代替约束。2、该结构有两根对称轴，因此把力变换成对称与反对称的。==原结构=对称+反对称FPFPFP/2FP/2FP/2FP/2FP/4FP/4FP/4FP/4FP/2FP/2FP/4FP/4FP/4FP/4+ §8-7对称性的利用原结构对称情况，只是三根柱受轴力，由于忽略向变形，不会产生弯矩，因此不用计算。反对称情况，梁发生相对错对，因此会产生弯矩，但左右两半是对称的，可取半刚架计算。由于对称，中柱弯矩为零，因此可以不予考虑。FP/4FP/2FP/4FP/4FP/4FP/2FP/2FP/4FP/4FP/4FP/4+FP/2 §8-7对称性的利用反对称情况的半刚架：此半刚架还是个对称结构，荷载是反对称的，因此还继续可取半刚架。对此进行求解……①反对称=…②1、未知量：2、杆端弯矩：3、建立位移法方程：FP/4FP/4FP/4ABCFP/4FQAB §8-8其它各种情况的处理1、支座移动时的计算例：图示结构的A支座发生了一个转角，用位移法求解。1、未知量：解：未知量确定和计算与荷载作用时相同，即把支座移动看作是一种广义的荷载。2、杆端弯矩：LABCEIEIL §8-8其它各种情况的处理3、建立位移法方程：……①取BC截面：……② §8-8其它各种情况的处理2、温度发生变化时的计算例：图示结构的温度较竣工使发生了变化，用位移法求解。1、未知量：解：未知量确定和计算与荷载作用时相同，即把温度变化看作是一种广义的荷载。2、杆端弯矩：BA杆轴线处温度提高17.5°,杆件伸长：17.5×L×BC杆轴线处温度提高15°,杆件伸长：15×L×由温度引起的侧移：B的位置BACLEIEIL200150100B’ §8-8其它各种情况的处理3、建立位移法方程：……①LBACEIEILB’200150100 §8-8其它各种情况的处理3、组合结构的计算例：用位移法求解图示组合结构。1、未知量：解：3、建立位移法方程：……①2、杆端弯矩和轴力：LLLEIEIEIEAAEDCBq §8-8其它各种情况的处理取BC截面:……②qFQBDFQCEFNBA §8-8其它各种情况的处理4、弹性支座的计算例：用位移法求解图示有弹性支座的结构。1、未知量：解：2、杆端弯矩：3、建立位移法方程：……①qEIEICBALL §8-8其它各种情况的处理取C结点：……②CFYCFQCBqFQCBFQBCMBC §8-8其它各种情况的处理2、杆端弯矩：5、带斜杆刚架的计算例：用位移法求解图示有斜杆的刚架。1、未知量：解：EIEIABCFPLLLFPEIEI△△ §8-8其它各种情况的处理5、带斜杆刚架的计算3、建立位移法方程：其中： §8-8其它各种情况的处理6、有无剪力杆件结构的计算例：用位移法求解图示有无剪力杆件的刚架。常规计算未知量是：剪力是静定的基本体系原结构一端固定一端滑动单元但请注意：BA杆的剪力是静定的,若只把B结点的转角固定起来,它的受力与一端固定一端滑动单元相同。因此,此题的未知量可只取一个:。 §8-8其它各种情况的处理杆端弯矩：AB杆的杆端弯矩，应按一端固定一端滑动单元来写。位移法方程：……①上述计算方法称为：无剪力法。只能用于上列结构，即有侧移的杆件其剪力是静定的。 §8-8其它各种情况的处理特别要提醒的是固端弯矩的计算：AB杆的固端弯矩：用FP查一端固定一端滑动单元。BC杆的固端弯矩：应用2FP查一端固定一端滑动单元。原因是：上层的力对下面层有影响，例如AB杆的剪力是：FP，BC杆的剪力是2FP。 §8-8其它各种情况的处理7、有刚度无穷大杆件的刚架计算例：用位移法求解图示有刚度无穷大杆件的刚架。由于CD杆的抗弯刚度为无穷大，因此C、D结点不可能发生转角，即：未知量只有：由于BA杆只能绕A点转动，因此BA杆的侧移为，BC杆的侧移为。又由于BC杆的刚度无穷大，不可能发生弯曲变形，为了保持原先的夹角，BA杆的B端必然发生转角。EI=∞ABCDFPEIEI=∞ABCLLL §8-8其它各种情况的处理杆端弯矩：位移法方程： §8-8其它各种情况的处理8、支座位移也可以作为未知量例：用位移法求解图示刚架。此题未知量通常只取一个，是把BC杆看作一端固定一端铰结单元。同样也可取两个未知量，这时是把BC杆看作两端固定单元。杆端弯矩：AEIBCEIM §8-8其它各种情况的处理位移法方程：取B结点取C结点……①解方程，得：……②其结果与取一个未知量的完全相同。