结构力学I-第三章 静定结构的受力分析(桁架、组合结构)

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选定外力的,不连续点,为,控制截面,求出控制截面的弯矩值;,由弯矩图求剪力图,单元端部取矩可以求得端部剪力;,在弯矩图上利用微分关系作每单元的剪力图,连成结构剪力图;,回顾,10:05,作轴力图(同剪力图),取结点由平衡求单元端部轴力;,利用微分关系作每单元的轴力图,连成结构轴力图;,静定梁、静定平面刚架求解的一般步骤,回顾,10:05, 分析组成次序;, 求支座反力和关键截面内力;, 作弯矩图;,根据弯矩图作剪力图;,根据剪力图求轴力图,A,B,C,D,E,F,G,2kN,4kN/m,4m,4m,2m,2m,基本,部分,附属部分,少求或不求反力作弯矩图,回顾,10:05,作弯矩图的依据,形状特征(微分关系),无荷载为直线,铰处为零,荷载曲线凸,刚结点力矩平衡,特殊部分,(,悬臂部分,简支部分,),区段叠加法,对称性,外力与杆轴关系,(,平行,垂直,重合,),思考与小结,回顾,10:05,少求或不求反力作弯矩图, 形状特征(微分关系),无荷载为直线,铰处为零,荷载曲线凸,刚结点力矩平衡;,特殊部分,(,悬臂部分,),例,1,:不,经计算画图示,结,构,弯矩图,F,P,思考与小结,回顾,10:05,少求或不求反力作弯矩图,5kN,30,40,20,20,75,45,例,2,:绘制,图示,刚架弯矩图,其他内,力图课后自己,画,区段叠加法,思考与小结,回顾,10:05,少求或不求反力作弯矩图,例,3,:绘制,图示,刚架弯矩图,F,P,F,P,F,P,F,P,a,F,P,a,F,P,a,F,P,a,F,P,a,F,P,a,2,F,P,2,F,P,思考与小结,回顾,10:05,少求或不求反力作弯矩图,例,4,:绘制,图示,刚架弯矩图,M,图,(,单位:,kNm),2m,4m,5m,1m,8m,30,kN,40,kN,120,kN m,40,40,40,60,180,120,思考与小结,回顾,10:05,少求或不求反力作弯矩图,例,5,:绘制,图示,刚架弯矩图,F,P,a,a,a,a,a,F,P,a,F,P,a,F,P,a,F,P,a,2,F,P,a,2,F,P,平行,第三章,静定结构的受力分析,主要内容,梁的内力计算的回顾,静定多跨梁,静定平面刚架,静定平面桁架,静定组合结构,三铰拱,隔离体法及截取顺序的优选,虚设位移法,小结:静定结构的一般性质,桁架的特点和组成,静定平面桁架,10:05,定义:,由杆件相互连接组成的,格构状体系,,它的结点均为,完全铰结,的结点,,武汉长江大桥所采用的桁架型式,它受力合理用料省,在建筑工程中得到广泛的应用。,桁架的特点和组成,静定平面桁架,10:05,定义:,由杆件相互连接组成的,格构状体系,,它的结点均为,完全铰结,的结点。,内力计算假定:, 结点都是光滑的铰接点;,屋架,计算简图, 各杆的轴线都是直线,并通过铰的中心;, 荷载和支座反力都作用在铰接点上。,实际的铰结点,如何能够受力平衡?,二力杆,材料充分利用,分类,静定平面桁架,10:05,依据:几何组成规律,静定平面桁架,联合桁架,复杂桁架,简单桁架,由二元体搭建而成,由几个简单桁架联合组成,不属于前两类的,桁架的内力计算,比例关系,静定平面桁架,10:05,结点法,最适用于计算简单桁架,计算关键:隔离体的选取,方法:结点法、截面法、联合应用,取,结点为隔离体,建立(汇交力系)平衡方程,求解;,原则上应使每一结点只有两根未知内力的杆件。,1,2,3,4,F,N1,F,N3,F,N2,?,F,N4,?,平面结点的平衡方程有几个?,桁架的内力计算,结点法,静定平面桁架,10:05,:例,1,试用结点法求三角形桁架各杆轴力。,解,:,求,支座反力,(),(),依次,截取结点,A,,,G,,,E,,,C,,,画出受力图,由平衡条件求其未知,轴力,;,桁架的内力计算,结点法:例,1,静定平面桁架,10:05, 取,A,点为隔离体,由,(拉),所以,(压),有,桁架的内力计算,结点法:例,1,静定平面桁架,10:05, 取,G,点,为隔离,体,零杆,其它杆均垂直于该杆,且结点无外力,为零杆,桁架的内力计算,结点法:例,1,静定平面桁架,10:05, 取,E,点,为隔离,体,由,联立解出,,,思考:能否更快呢?,桁架的内力计算,结点法:例,1,静定平面桁架,10:05, 取,C,点,为隔离,体,得,,,,,桁架的内力计算,结点法:例,1,已求得轴力杆件,静定平面桁架,10:05,利用对称性,A,:,F,N,AE,,,F,N,AG,G,:,F,N,EG,,,F,N,GD,E,:,F,N,EC,,,F,N,ED,C,:,F,N,CD,,,F,N,CF,F,N,DF,=,F,N,DE,,,F,N,DH,= F,N,DG,,,F,N,HF,=,F,N,GE,,,F,N,HB,=,F,N,GA,,,F,N,BF,=,F,N,AE,结论,:若结构对称,,荷载也对称,则内力也是对称的。,桁架的内力计算,结点法,按与“,组成顺序相反,”的原则,逐次建立各结点的平衡方程,则桁架各结点未知内力数目一定不超过独立平衡方程数;,结点单杆,:,静定平面桁架,10:05,结点单杆内力,可由该结点平衡条件直接求出;,2,根未知力杆,且不共线;,3,根未知力杆,,2,根共线,,第,3,根为单杆;,ED,为单杆,结点无荷载作用,单杆为零杆。,零杆,桁架的内力计算,结点法,结点单杆:,结点无荷载作用,单杆为,零杆;,静定平面桁架,10:05,零杆特性:剔出零杆,可简化计算。,F,P,/2,F,P,/2,F,P,F,P,F,P,桁架的内力计算,结点法,利用,零杆,:练习,1,:试指出零杆,静定平面桁架,10:05,思考:受力分析时可以去掉零杆,是否说该杆在结构中是可有可无的,?,桁架的内力计算,结点法,:练习,2,:,试指出零杆,静定平面桁架,10:05,下图示对称结构在正对称荷载作用下,若,A,点,无外荷载,则位于对称轴上的,杆,1,、,2,都是零杆,。,为什么,?,F,桁架的内力计算,结点法,:,静定平面桁架,10:05,F,Ay,F,By,对称,结构受对称荷载,作用,,,内力和反力均为,对称;,受,反对称荷载,作用,内力,和反力均为反对称。,E,点无荷载,红色杆不受力,F,Ay,F,By,垂直对称轴的杆不受力,对称轴处的杆不受力,桁架的内力计算,结点法,:练习,3,:,试指出零杆(不讲),静定平面桁架,10:05,桁架的内力计算,结点法,:练习,4,:,试指出零杆(不讲),静定平面桁架,10:05,桁架的内力计算,截面法,最适用于联合桁架,或指定杆件内力的计算,静定平面桁架,10:05,联合,桁架,(,联合杆件),指定杆件,(,如斜杆,),从桁架中截出一部分为,隔离体,(,包含,2,个以上的结点,),,根据平面力系的,3,个平衡方程,计算所切各杆的未知轴力;,桁架的内力计算,截面法,静定平面桁架,10:05,计算步骤,求,反,力;,作截面,取隔离体;, ,列力矩平衡方程,(,力矩法,),;,or, 列投影方程,(,投影法,),;, 解方程。,注意事项,截断的杆件不超过,3,根(隔离体上,未知力不超过,3,个,);,避免求解联立方程, 选择适宜的平衡方程,最好每个方程中只含,1,个未知力;,截面单杆。,桁架的内力计算,截面法,静定平面桁架,10:05,例,1,:试求图示桁架中杆,EF,、,ED,,,CD,,,DG,的内力。,截面如何选择?,桁架的内力计算,截面法,静定平面桁架,10:05,例,1,:试求图示桁架中杆,EF,、,ED,,,CD,,,DG,的内力。,解,:,求出支座反力,F,A,和,F,B,;,求下弦杆,CD,内力,利用,I,-,I,截面,,力矩法;,F,A,d,-,F,N,CD,h,= 0,若,M,0,E, 0,,,则,F,N,CD,0,(,下,弦杆受,拉,),取,EF,和,ED,杆的,交点,E,为,矩心,,CD,杆内力臂为,竖杆,高,h,,,由,力矩,平衡方程,M,E,= 0,,可求,CD,杆内力,。,F,N,CD,=,F,A,d,/,h,=,M,0,E,/,h,I,I,II,II,F,A,F,B,F,A,F,B,F,3,F,1,F,2,F,4,F,5,6,d,M,M,0,E,M,0,E,是什么?,桁架的内力计算,截面法,静定平面桁架,10:05,例,1,:试求图示桁架中杆,EF,、,ED,,,CD,,,DG,的内力。,解,:,求上弦杆,EF,内力,,力矩法;,F,A,2,d,-,F,1,d +,F,xEF,H,= 0,若,M,0,D, 0,,,则,F,N,EF,0,(,上,弦杆,受,拉压,),取,ED,和,CD,杆的,交点,D,为矩心,先求,EF,杆的水平分力,F,xEF,,由力矩平衡方程,M,D,=,0,,,F,xEF,=,-,(2,F,A,d,-,F,1,d,),/,H,=,-,M,0,D,/,H,I,I,II,II,F,A,F,B,F,A,F,B,F,3,F,1,F,2,F,4,F,5,6,d,M,M,0,D,再由比例关系求,F,N,EF,。,桁架的内力计算,截面法,静定平面桁架,10:05,例,1,:试求图示桁架中杆,EF,、,ED,,,CD,,,DG,的内力。,解,:,斜杆,ED,,,投影,法;,F,CD,+ F,xEF,+,F,xED,= 0,思考:,ED,杆受压受拉?,取,x,方向为投影方向,考虑,ACE,的平衡,由投影,平衡方程,F,x,=,0,可得,,F,xED,=,-,(,F,CD,+,F,xEF,),=,M,0,D,/,H,-,M,0,E,/,h,I,I,II,II,F,A,F,B,再由比例关系求,F,N,ED,F,B,F,A,F,3,F,1,F,2,F,4,F,5,6,d,M,M,0,D,M,0,E,(,H /h,),M,0,E,若重合,,ED,杆轴力为,0,桁架的内力计算,截面法,静定平面桁架,10:05,例,1,:试求图示桁架中杆,EF,、,ED,,,CD,,,DG,的内力。,解,:利用,I,-,I,截面,,已得:,斜杆,DG,如何求?,I,I,II,II,F,A,F,B,F,B,F,A,F,3,F,1,F,2,F,4,F,5,6,d,M,M,0,D,M,0,E,F,N,CD,=,M,0,E,/,h,F,xEF,=,-,M,0,D,/,H,F,xED,=,M,0,D,/,H,-,M,0,E,/,h,利用,I,-,I,截面,投影法!,F,A,-,F,1,-,F,2,+,F,yDG,= 0,F,yDG,=,F,1,+,F,2,-,F,A,再由比例关系求,F,N,DG,桁架的内力计算,截面法,静定平面桁架,10:05,例,2,:对如图所示桁架,求,AK,杆轴力;,解: 求支座反力;,0.5,F,P,F,P,0.5,F,P, 选取截面;,分析:截断,4,根杆,, 但有,3,根平行;,0.5,F,P,F,N,AK,F,N,DK,F,N,EG,F,N,JB,截面单杆,桁架的内力计算,截面法,静定平面桁架,10:05,截面单杆,:,截面切开后,通过一个方程可直接求出内力的杆。,未知,轴力,的杆件只有,3,个,,,3,杆,均为单,杆;,未知,轴力,的杆件除,1,个,外交,于,1,点,,,该杆为,单,杆(交点为矩),;,未知,轴力,的杆件除,1,个,均,平行,该杆,为,单杆(投影法),。,桁架的内力计算,截面法,静定平面桁架,10:05,截面单杆:例,n,杆交于,1,点,a,为截面单,杆!,n,杆平行,b,为,截面单,杆!,桁架的内力计算,截面法,静定平面桁架,10:05,练习,:利用单杆,(不讲),桁架的内力计算,联合法,静定平面桁架,10:05,同时应用结点法和截面法才能确定杆件内力的方法,适用:, 联合桁架或复杂桁架;, 求特定的几个杆力;,例,:书,P51,,图,3,-,27,,求,1,、,2,两根斜杆的轴力,A,G,1,2,解: 求支座反力;, 截面法?,合理选择截面,杆件数大于,3,!,考虑左部平衡,由方程,F,y,= 0,F,yA,F,N2,y,-,F,N1,y,= F,yA,桁架的内力计算,联合法,静定平面桁架,10:05,例,:书,P51,,图,3,-,27,,求,1,、,2,两根斜杆的轴力,解:, 求支座反力;, 截面法,A,G,1,2,F,yA,F,N2,y,-,F,N1,y,= F,yA, 结点法,F,N1,x,+,F,N2,x,=,0, 联合法:联合和可得:,F,N2y,=,-,F,N1,y,=,0.5,F,yA,再由比例关系求,F,N1,,,F,N2,思考:有没有其它方法?,桁架的内力计算,联合法,静定平面桁架,10:05,例,1,:试求图示桁架,a,杆,的内力。,解: 求支座反力;,思考:很难直接求,a,杆;,若首先求出,F,N,EC,,然后取结点,E,就可求出,a,杆的轴力。, 作,截面,-,,,取,截面左侧,部份为隔离体,由,故,桁架的内力计算,联合法,静定平面桁架,10:05,例,1,:试求图示桁架,a,杆,的内力。,解: 求支座反力;,F,N,EC,= 87.5kN,;, 取结点,E,为隔离体,由,思考:,是否,还有其它的途径求,出,F,N,?,桁架的内力计算,联合法,静定平面桁架,10:05,例,2,:对如图所示桁架,寻找只计算杆,a,轴力时的简捷方法,并求出杆,a,轴力;,解: 求支座反力;,F,P,F,P, 分析:, 若,EH,轴力已知,则,a,为 结点单杆;,方法,1,:,由结点,H,知:,F,N,EH,=,F,P,由结点,E,知:,F,N,EB,=,-,F,N,EH,=,-,2,F,P,/2,由比例关系,F,N,EB,=,-,5,F,P,/3, 截断的,5,根杆,,有四根交于,A,点,,a,为截面单杆;,方法,2,:,以铰,A,为矩心,由,M,A,= 0,知:,F,P,2,d + F,N,xEB,2,d,+ F,N,yEB,2,d =,0;,由几何关系,F,N,EB,=,-,5,F,P,/3,桁架的内力计算,联合法,静定平面桁架,10:05,练习,1,:求图示桁架指定杆件内力(只需指出所选截面即可),0,a,杆:先支反力,后截面法;,b,杆:先截面法求反力;,后结点法。,b,杆:结点法;,桁架的内力计算,联合法,静定平面桁架,10:05,练习,2,:求指定杆件内力,(只需指出所选截面即可),c,杆:先结点法;,b,杆:支座反力;,再截面法,,最后结点法;,0,0,截面法;,结点单杆;,桁架的内力计算,联合法,静定平面桁架,10:05,练习,3,:求指定杆件内力(不讲),紫粉色杆为零杆!,思考:为什么?,桁架的内力计算,对称性的利用,静定平面桁架,10:05,对称结构:几何形状和支座对某轴对称的结构;,对称荷载:对某轴作用点对称,大小相等,,方向对称,的荷载;,对称荷载,M,M,反对称荷载:对某轴作用点对称,大小相等,,方向反对称,的荷载;,反对称荷载,桁架的内力计算,对称性的利用,静定平面桁架,10:05,:在对称荷载作用下内力对称,在反对称荷载作用 下内力反对称;,对称,平衡,反对称,平衡,桁架的内力计算,对称性的利用,静定平面桁架,10:05,例,1,:试求图示桁架,A,支座反力;,对称荷载,反对称荷载,0,B,0,C,桁架的内力计算,对称性的利用,静定平面桁架,10:05,练习:试求图示桁架各杆内力;,只要结构对称,就能简化,(载荷分解为对称反对称),组合结构的特点,定义:由链杆和梁式杆混合组成的结构;,静定组合结构,10:05,受力特点:,链杆:,只受轴力;,梁式杆:,同时受有弯矩和剪力;,受力分析:用截面法时注意区,分,链杆,和,梁式杆,;,P,思考:,FD,杆是零杆吗?,F,D,F,上杆为梁式杆,有弯矩和剪力,故,FD,杆并非零杆。,组合结构受力分析,静定组合结构,10:05,注意事项:,区分,链杆,和,梁式杆,;,哪些是,梁式杆,?,只在结点受力,分析步骤:, 先求支座反力;, 计算各链杆轴力;,分析受弯杆件。,应将求解,梁的方法和求解桁架的方法结合,应用,组合结构受力分析,静定组合结构,10:05,例,3,-,10 ( P63 ),:试求图,3,-,10a,所示,下撑式五星屋架的内力图, 先求支座反力;,思考:能否利用结点法求出,AF,、,AD,杆内力?,不能!,C,F,D,E,G,A,B,q =,1kN/m,3m,3m,3m,3m,f,1,= 0.5m,f,2,= 0.7m,f,l, F,x,= 0,F,xA,= 0, M,B,= 0,F,yA,= 6 (kN), M,A,= 0,F,yB,= 6 (kN),6kN,6kN,组合结构受力分析,静定组合结构,10:05,例,3,-,10,:, 链杆内力的计算;, M,C,= 0,F,N,DE,=,ql,2,/ 8,f,= 15(kN),C,F,D,E,G,A,B,q =,1kN/m,3m,3m,3m,3m,f,1,f,2,f,l,6kN,6kN,6kN,F,N,DE,C,0,F,yA,l,/2,-,ql,l,/4,-,F,N,DE,f,= 0,D,F,N,DE,F,N,DF,F,N,DA,D,结点平衡,F,N,DA, (1+ 8,qf,2,2,/,l,2,),F,N,DE,=,15.4(kN),F,N,DF,-,(4,f,2,/,l,),F,N,DE,=,-,3.5(kN),组合结构受力分析,静定组合结构,10:05,例,3,-,10,:,C,F,D,E,G,A,B,q =,1kN/m,3m,3m,3m,3m,f,1,f,2,f,l,6kN,6kN,15,15.4,-,3.5,15.4,-,3.5, 链杆轴力, 支座 反力, 梁式杆的内力图;,q =,1kN/m,15,15,2.5,3.5,sin,tan,2,f,1,/,l =,0.0835,;,cos,1,-,2,f,1,2,/,l,2,=,0.996,;,A,C, 弯矩图,15,15,+,3.5,=,+,5.25,无弯矩贡献!,q =,1kN/m,4.75,1.125,1.125,0.75,0.75,0.75, 剪力图,+,-,无剪力贡献!,1.743,1.743,2.988,2.988,0,0,+,+,-,-,1.245,1.245,1.743,1.743,组合结构受力分析,静定组合结构,10:05,例,3,-,10,:, 梁式杆的内力图;,q =,1kN/m,15,15,2.5,3.5,sin,tan,2,f,1,/,l =,0.0835,;,cos,1,-,2,f,1,2,/,l,2,=,0.996,;,A,C, 轴力图,15,15,+,3.5,=,+,q =,1kN/m,0.146,0.146,+,-,15.06,15.06,-,-,0.251,0.251,+,-,15.17,14.96,14.92,15.21,-,-,组合结构受力分析,静定组合结构,10:05,例,3,-,10,:, 梁式杆的内力图;,-,-,15.17,14.96,14.92,15.21,F,N,AC,0.75,0.75,0.75,M,AC,+,+,-,-,1.255,1.255,1.743,1.743,F,Q,AC,q =,1kN/m,15,15,2.5,3.5,sin,tan,2,f,1,/,l =,0.0835,;,cos,1,-,2,f,1,2,/,l,2,=,0.996,;,A,C,单位:,kN m,单位:,kN,单位:,kN,组合结构受力分析,静定组合结构,10:05,例,3,-,10,:五星屋架的内力图(梁式杆弯矩,链杆轴力),C,F,D,E,G,A,B,f,1,f,2,f,l,6kN,6kN,15,15.4,-,3.5,0.75,0.75,0.75, 最大弯矩, 位置:,AF,段剪力为,0,处,+,+,-,-,1.255,1.255,1.743,1.743,F,Q,AC,x,M,0.75,0.75,0.75,M,AC,组合结构受力分析,静定组合结构,10:05,例,3,-,10,:,C,F,D,E,G,A,B,f,1,f,2,f,l,F,N,DE,F,N,DF,M,F,M,AF,q, 一般结论,F,N,DE,=,ql,2,/,8,f,f l, 链杆轴力,F,N,DF,=,-,(,f,2,/2,f,),ql, 梁式杆弯矩(下方受拉为正),M,F,=,(1/32,-,f,2,/16,f,),ql,2,M,AF,= (3/128,-,f,2,/32,f,),ql,2, 弯矩极正值(下方受拉为正),位置:,x,M,=,(,f,1,/4,f,),l,+,+,-,-,1.743,F,Q,AC,x,M,大小:,M,M,=,(,f,1,2,/32,f,2,),ql,2,与高跨比,f,/,l,有关;,与分配,f,1,/,f,2,有关;,组合结构受力分析,静定组合结构,10:05,例,3,-,10,:, 一般结论,F,N,DE,=,ql,2,/,8,f = M,C,0,/,f,只与,f,成反比,M,F,= (1/32,-,f,2,/16,f,),ql,2,C,F,D,E,G,A,B,f,1,f,2,f,l,F,N,DE,M,F,q,固定,l,=,12m,,,f,=,1.2m, 极端情况,M,AF,= (3/128,-,f,2,/32,f,),ql,2,f,1,= 0,极值:,M,M,= (,f,1,2,/32,f,2,),ql,2,M,F,=,-,1/32,ql,2,M,AF,=,-,1/128,ql,2,4.5,4.5,f,1,=,f,M,F,= 1/32,ql,2,M,AF,= 3/128,ql,2,4.5,4.5,f,1,= ?,时弯矩绝对值最小?,M,M,=,-,M,F,时,,f,1,= (2,-,1),f,星型结构有效减少最大弯矩,静定组合结构,10:05,q,组合结构受力分析,例:求梁式杆弯矩,哪些是梁式杆?,解: 链杆内力分析;,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 梁式杆弯矩分析;,利用了结点零杆特性、对称性,作业,课后习题,静定平面桁架、组合结构、隔离体选择,3-5 (b) (c) (d) (f),3-6 (b) (c),3-7 (e) (f),3-9 (c),3-19,3-20 (b),要求有解题思路、步骤;,
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