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《工程力学》网上辅导材料之五:
第5章 位移法
理论提要
本章重点是掌握位移法的基本原理并能熟练解题。原理要点基本未知量、基本系和典型方程三个环节。
1、位移法选与计算杆端弯矩有关的独立的结点位移作为基本未知量。一旦求出这些未知量,则可据单跨超静定梁的形常数、载常数表计算各杆杆端内力。确定的方法一般是:结构的刚结点个数即为角位移个数;把结构所有刚结点和固定支座均换成铰,为使该铰结体系几何不变所需附加的最少连杆数即为原结构的独立的结点线位移个数。两者之和即为总的结点位移个数。
2、位移法的基本系,常用附加约束法来建立。在选定结点角位移的刚结点处附加一个仅能控制转动而不能控制移动的刚臂,在选定独立的结点线位移处附加一个仅能控制移动而不能控制转动的连杆,如此所得的使原结构成为单跨超静定梁系的附加约束结构,即为位移法的基本系。
3、位移法的典型方程是基本系还原成原结构的条件。比较基本系与原结构在附加约束处的受力条件,建立与结点位移基本未知量数目相同的典型方程。然后即可解得这些基本未知量,从而可据叠加原理内力,作力图。
例5-1 试用位移法计算图示结构并作内力图。EI=常数。
图5-1
解
(1)基本未知量1个角位移。
基本系如5-1 (b)所示。
典型方程
系数和自由项作和图,如图5-1(c)、(d)所示,由结点B平衡,得
(5)结点位移将系数和自由项代入典型方程
(6)内力图据叠加计算式求各杆端最后弯矩:
, ,
,
从而可作出M图如图5-1(e)。
由M图,取各杆考虑平衡,可求得杆端剪力:,,
从而可作出图如图5-1(f)。
由图,取各结点考虑平衡,可求得杆端轴力:
从而可作出图如图5-1(g)。
校核取任一隔离体,例如取结点B,图5-1(),满足平衡条件。取整体,如图5-1()所示,满足平衡条件:
,,
。
可见,计算无误本题用位移法比用力法简便得多。
图5-2
在转角位移方程中,铰结端的角位移和滑动支承端的线位移都不是独立的杆端位移分量,而与其它杆端位移分量保持确定的关系。为了减少基本方程数目,上述位移分量不引入基本未知量。如图5-2(a)所示的等截面直杆(B端铰结)具有杆端位移、、。利用两端刚结杆转角位移方程,有
(a)
式中和分别指两端固定时A端和B端的固端弯矩。若B端的铰结,则有。
由式(a)第二式,有
(b)
代入式(a)第一式,得
(c)
其中(其值为A端固结B端铰结时的固端弯矩)。当使用式(c)时,铰结端角位移不再作为独立未知量而隐含于和之中。
再如图5-2(b)所示的等截面直杆,B端为滑动支承。将和代入两端刚结的转角位移方程中,有
即 (d)
其中为杆上荷载对点A力矩代数和(顺时针为正)。将上述关系代入式(a),得
(e)
其中
它们为一端固定一端滑动杆的固端弯矩。
在位移法计算中使用式(e)时,滑动支承端的侧移便不作为基本未知量而隐含于中。
若不引入式(b)和式(d),则铰结端角位移和滑动支承端线位移仍作为独立未知量。此时杆端弯矩一律采用式(a)。基本未知量增多,基本方程数目也相应增多,但计算结果相同。下面以图5-3所示刚架为例,说明这两种计算的异同。
图5-3
(1)基本未知量取和(B、C结点水平位移),则
由结点B的力矩平衡条件和两柱的剪力平衡条件建立基本方程
(f)
解得
(2)考虑铰结端转角作为独立未知量,取基本未知量为,,和,则杆端弯矩表达式为
柱上端剪力为
应列出四个基本方程。由结点B的力矩平衡条件及、和立柱BA、CD上端剪力平衡条件分别列出:
(g)
(h)
(i)
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