结构力学第2章平面体系的几何组成分析

结构力学第结构力学第2 2章平面体系章平面体系的几何组成分析的几何组成分析第二章平面体系的几何组成分析 2.12.1 概述概述本章研究平面杆系结构的基本本章研究平面杆系结构的基本组成规律和合理形式。组成规律和合理形式。v 根据各类结构的几何组成，选择正确的计算方法和简捷的解题途径。v 了解和掌握结构的基本组成规律和合理组成形式。正确区分各类体系，判定结构；选择合理的结构形式。其目的在于其目的在于:几几个概念：个概念：v内部几何不变体系v 刚片v几何瞬变体系v几何不变体系、几何可变体系在不考虑材料的应变引起的结构的微小变形的条件下，体系的几何形状、位置都不改变的，叫作几何不变体系；几何形状和位置改变的叫作几何可变体系。(1)(1)几何不变体系、几何可变体系几何不变体系、几何可变体系几何不变体系几何可变体系(2)(2)内部几何不变体系内部几何不变体系若作为几何组成分析的结论，内部几何不变体系指仅除大地外的体系的整体。(a)(b)(c)(3)(3)刚片刚片在平面问题中，刚性体化为平面内的一个不会有变形的面，则称这个面为刚片.刚片在其平面内，任意两点间的距离都保持不变。对体系加载时，体系在瞬时内发生微小位移，然后便成为几何不变体系。这种体系叫作几何瞬变体系（瞬变体系）(4)(4)几何瞬变体系几何瞬变体系(a)(b)(c)注意：注意：v 瞬变体系在微小荷载作用下也会产生非常大的内力。v 瞬变体系是绝对不能用来作为结构使用的。2.22.2平面体系的自由度和约束平面体系的自由度和约束 什么叫体系的自由度什么叫体系的自由度？体系可独立运动的方式叫体系的自由度，所具有的独立运动方式的数目叫体系的自由度数。确定体系的自由度（数）就是确定体系位置所需的独立坐标的数目。-即确定平面体系在平面内的位置时所需的独立坐标的数目。平面体系的自由度平面体系的自由度 在平面内，一个点有两个自由度；一个刚片有三个自由度。(a)(b)约束和多余约束约束和多余约束 能减少体系自由度数的装置叫约束(联系)，即必要约束。多余约束具有约束的形式，但并不改变体系原有的自由度数。-连接两个刚片或两个点的装置叫单约束。(1)单约束单约束(a)(b)1根链杆（单链杆），或1个活动铰支座，相当于1个约束。(d)(c)(e)1个单铰，或1个固定铰支座，相当于2个约束。(a)(b)1个刚节点（单刚节点），或1个连续杆（梁式杆），或1个固定端，相当于3个约束。(a)(b)(c)-连接三个和三个以上刚片或结点的装置叫复约束。(2)复约束复约束(a)(b)(c)-不改变体系原自由度数的约束叫多余约束。(3)(3)多余约束多余约束(a)(b)-连接两个刚片的，不直接相连接的两根单链杆构成的联系，叫虚铰。虚铰的铰心在两根链杆（延长线）的交点上。(4)虚铰虚铰 (瞬铰瞬铰)(a)(b)(c)虚铰的典型运动特征为：虚铰的典型运动特征为：瞬心瞬心从瞬时运动角度来看，刚片刚片1 1与刚片2的相对运动，相当于绕两链杆的交点处的一个实铰的转动。(a)(b)两平行链杆构成一交点在无穷远的虚铰，其作用相当于无穷远处的一个实铰的作用。2.3 2.3 平面几何不变体系的基平面几何不变体系的基本组成规律本组成规律 1.1.基本组成规律的产生基本组成规律的产生(a)(b)(c)一个铰接三角形是无多余约束的几何不变体系（或是刚片，或是内部几何不变体系）基本三角形规则2.2.平面几何不变体系的基本平面几何不变体系的基本 组成规则组成规则 基本三角形规则可用以下(1)、(2)两个简单组成规则等效。(1)(1)两个刚片的组成规则两个刚片的组成规则 (两刚片规则两刚片规则)两个刚片，用既不全平行、也不全交于一点的3根链杆(或，用1个单铰和1根不通过该单铰中心的链杆)相连，组成无多余约束的几何不变体系。(a)(b)(c)(2)(2)三个刚片的组成规则三个刚片的组成规则(三三刚片规则刚片规则)三个刚片，用不全在一条直线上的3个单铰两两相连，组成无多余约束的几何不变体系。(a)(b)(c)(3)(3)二元体规则二元体规则 将二元体的两端铰B、C与任意体系相连，不改变原体系的自由度。显然，从任意体系上拆除一个二元体也不改变原体系的自由度。在任意体系上依次增加，或依次拆除二元体，原体系的自由度数不变。(a)(b)3 3、基本组成规则中约束方式、基本组成规则中约束方式的影响的影响 利用这两个规则的要点是规则中的三个要素：v 刚片及刚片数 v 约束、约束数及约束的方式 v 结论 v 当三个链杆平行并且长度相等时，是几何可变体系 v 当三个链杆平行但长度不全相等时，是几何瞬变体系两个刚片用三个链杆相连两个刚片用三个链杆相连的情况：的情况：(a)(b)v 当三个链杆的一端铰接于一点时，是几何可变体系；v 当三个链杆的延长线（或轴线搭接）交于一点时，是几何瞬变体系。(a)(b)三三个个刚刚片片用用三三个个单单铰铰两两两两相连的情况：相连的情况：当三个单铰在一条直线上时，是几何瞬变体系。见图（例2-1-3）。2.4 2.4 体系几何组成分析示例体系几何组成分析示例 例2-4-1(a)(b)分析图：分析图：例2-4-2(b)分析图：分析图：(a)例2-4-3(b)(a)分析图分析图:(c)(d)(e)1、通过本题中的两例可知，当上部体系和大地之间的联系符合两刚片规则时，体系几何组成分析的结论只与上部体系的几何组成有关。因此，当符合此条件时，可仅分析上部体系。说明：说明：2、(a)所示体系先去掉与大地的支座约束后，对上部体系可依次去掉二元体213、453、563后，体系简化成一铰接三角形，所以原体系是无多余约束的几何不变体系。3、利用二元体简化体系时，加二元体时，从大地开始或从体系内部开始依次加；减二元体时，必须从体系暴露在最外层的二元体开始依次减。例2-4-4(a)分析图：分析图：当可以只分析上部体系时，见图(b)、(c)，上部体系中的刚片都可用一根链杆代替。说明：说明：(c)(b)例2-4-5 (a)分析图分析图:(b)(c)比较本题两例，由于1、6两处支座约束的改变，两体系中刚片和约束的选取各不相同。灵活、恰当和正确的选取刚片和约束，能简化、精炼分析过程和找出正确的分析途径。说明说明:例2-4-6（多余约束）(a)分析图：分析图：对于有多余约束的几何不变体系，可以用去掉约束的方法，使体系成为无多余约束的几何不变体系，所去掉的约束数就是原体系所具有的多余约束数，这种方法叫拆除约束拆除约束法法。说明：说明：例2-4-7分析图：分析图：把四周用连续杆、刚结点及固定端构成的体系叫封闭框。一个封闭框是有3个多余约束的几何不变体系。说明：说明：例2-4-7分析图：分析图：2.5 含无穷远虚铰的体系含无穷远虚铰的体系 几何组成分析几何组成分析v 每个方向有一个无穷点，即该 方向上各平行线交于该无穷点 v 不同的方向有不同的无穷点 射影几何中关于无穷点和射影几何中关于无穷点和无穷线的几点结论：无穷线的几点结论：v 各无穷点都在同一直线上，该直线叫无穷线v 各有限点都不在无穷线上 例2-5-1分析图：分析图：例2-5-2(a)分析图：分析图：(b)例2-5-3分析图：分析图：