力法是分析超靜定結(jié)構(gòu)的第一種典型的方法,它以前面的幾何構(gòu)成分析、靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析、靜定結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算三章為基礎(chǔ),同時(shí)又為位移法打下基礎(chǔ)。前面的基礎(chǔ)打好了,學(xué)習(xí)力法就比較輕松。學(xué)習(xí)本章,首先必須仔細(xì)琢磨、深刻理解力法的基本原理,若對(duì)力法基本原理的理解不深就盲目做題,總會(huì)產(chǎn)生這樣那樣的困惑,就不能作到萬(wàn)變不離其宗,舉一反三。
本章復(fù)習(xí)要求:
深刻理解:超靜定次數(shù)、柔度系數(shù)、對(duì)稱結(jié)構(gòu)、對(duì)稱荷載、反對(duì)稱荷載等基本概念;超靜定次數(shù)的確定原則,力法的基本原理,力法的三個(gè)“基本”(基本未知量、基本體系、基本方程),力法計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)步驟,超靜定結(jié)構(gòu)在荷載作用下的內(nèi)力與變形特點(diǎn), 超靜定結(jié)構(gòu)在支座移動(dòng)等因素作用下的內(nèi)力與變形特點(diǎn),對(duì)稱結(jié)構(gòu)在對(duì)稱或反對(duì)稱荷載作用下的內(nèi)力與變形特點(diǎn)。
熟練掌握:判斷超靜定次數(shù),確定多余約束,
用力法計(jì)算荷載作用下超靜定梁、剛架的內(nèi)力,
利用對(duì)稱性取半邊結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化力法計(jì)算,
支座移動(dòng)情況下用力法計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)。
1、關(guān)于結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)與多余約束
正確判斷超靜定次數(shù)是用力法計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)的前提。教材上提到用公式確定結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù),建議大家不用此方法,還是利用幾何構(gòu)成分析來(lái)確定超靜定次數(shù)和多余約束,因?yàn)槟莾蓚€(gè)公式并不太好應(yīng)用,容易出錯(cuò),即使算出了超靜定次數(shù),還是要利用幾何構(gòu)成分析來(lái)確定多余約束。
● 判斷超靜定次數(shù)的基本原則:
去掉一根鏈桿支座或切斷一根鏈桿,或在梁式桿中加入一個(gè)單鉸,則去掉1個(gè)約束;
去掉一個(gè)鉸支座或切斷一個(gè)單鉸,則去掉2個(gè)約束;
去掉一個(gè)固定支座或切斷一根梁式桿,則去掉3個(gè)約束;
● 要正確保留必要約束,不要把原結(jié)構(gòu)拆成幾何可變體系;另外要明確,一個(gè)超靜定結(jié)構(gòu)可以拆成多種形式的靜定結(jié)構(gòu),但去掉的多余約束的個(gè)數(shù)相同。
2、深刻理解力法的基本原理 力法的基本原理和三個(gè)“基本”(基本未知量、基本體系、基本方程)在教材的第二節(jié),通過(guò)一個(gè)典型的一次超靜定梁作了闡述。在此作圖解式的說(shuō)明: 去掉多余約束,用多余未知力X1
代替,就是力法的基本未知量
滿足平衡條件的X1有無(wú)數(shù)個(gè)
(因?yàn)槠胶夥匠虜?shù)少于未知量數(shù))
形協(xié)調(diào)條件:?11X1??1P?0
就是力法的基本方程
即滿足平衡條件的X1有無(wú)數(shù)個(gè),
滿足平衡條件和變形條件的X1
有且僅有一個(gè)
3、深刻理解力法典型方程中每一個(gè)方程、每一項(xiàng)、每個(gè)符號(hào)的含義
n 次超靜定結(jié)構(gòu)的力法的基本方程是利用疊加原理導(dǎo)出的,無(wú)論結(jié)構(gòu)是什么型式、力法的基本未知量和基本體系怎么選取,其力法的基本方程均為此形式,也稱力法的典型方程:
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或 [?]?X????P???0? ?
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在深刻理解力法基本原理的基礎(chǔ)上,深刻理解力法典型方程中每一個(gè)方程、每一項(xiàng)、
每個(gè)符號(hào)的含義后,不管各種類型的考試中填空題、選擇題、判斷題、簡(jiǎn)答題等如何考查,都可在理解的基礎(chǔ)上用自己的語(yǔ)言解答,而不必死記硬背:
每個(gè)方程代表了某個(gè)多余約束處的變形條件,即基本體系在外載荷和所有多余未知力(基本未知量)共同作用下該多余約束處位移為零;
每一項(xiàng)代表了基本體系在一個(gè)因素單獨(dú)作用下某個(gè)多余約束處的位移; 柔度系數(shù)?ij表示了基本體系在單位力Xj?1作用下沿Xi方向產(chǎn)生的位移(附帶說(shuō)明:柔度系數(shù)、自由項(xiàng)皆有兩個(gè)下標(biāo),第一個(gè)下標(biāo)表示產(chǎn)生位移的地點(diǎn),第二個(gè)下
標(biāo)表示產(chǎn)生位移的原因,可簡(jiǎn)稱為“前地點(diǎn)、后原因”),柔度矩陣為對(duì)稱矩陣(位移互等定理),主系數(shù)?ii恒大于零;
自由項(xiàng)?iP表示了基本體系在外載荷單獨(dú)作用下沿Xi方向產(chǎn)生的位移。
4、力法計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)步驟
大家在深刻理解力法的基本原理和典型方程后,一定會(huì)覺(jué)得力法是非常標(biāo)準(zhǔn)化、模式化、程序化的一種方法,不論用力法計(jì)算何種型式的超靜定結(jié)構(gòu)(在荷載作用下),都可分為以下標(biāo)準(zhǔn)的五大步(以彎曲變形體系為例):
5、對(duì)稱性的利用
對(duì)稱結(jié)構(gòu)在是指幾何尺寸、支座、桿件剛度都關(guān)于某根軸線對(duì)稱的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)力學(xué)中對(duì)稱結(jié)構(gòu)是較常見的,在前面靜定結(jié)構(gòu)的分析中已處理過(guò)對(duì)稱靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形,細(xì)心的同學(xué)可能已總結(jié)過(guò)它們的特點(diǎn),現(xiàn)在對(duì)荷載作用下的對(duì)稱超靜定結(jié)構(gòu),最好利用對(duì)稱性簡(jiǎn)化力法的計(jì)算。
● 對(duì)稱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形特點(diǎn)總結(jié):
● 對(duì)稱結(jié)構(gòu)受對(duì)稱或反對(duì)稱荷載作用,用力法計(jì)算,有兩種處理方式:
選取對(duì)稱的基本結(jié)構(gòu),在對(duì)稱荷載作用下只考慮對(duì)稱基本未知量,在反對(duì)稱荷載作用下只考慮反對(duì)稱基本未知量;
沿對(duì)稱軸切開結(jié)構(gòu),根據(jù)對(duì)稱軸截面上的內(nèi)力或位移特點(diǎn),安上相應(yīng)的支座,對(duì)任一個(gè)半邊結(jié)構(gòu)計(jì)算,然后根據(jù)內(nèi)力圖對(duì)稱性補(bǔ)齊成整體的內(nèi)力圖。
● 對(duì)稱結(jié)構(gòu)受非對(duì)稱荷載作用,可將荷載分成對(duì)稱和反對(duì)稱兩組(除非荷載分解很復(fù)雜),再利用對(duì)稱性計(jì)算。
6、支座移動(dòng)時(shí)用力法計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)
與荷載作用下超靜定結(jié)構(gòu)的力法計(jì)算相比,支座移動(dòng)時(shí)用力法計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)相對(duì)難些,難點(diǎn)在于此時(shí)力法的基本方程不標(biāo)準(zhǔn),沒(méi)有統(tǒng)一的形式,但基本方程中自由項(xiàng)的計(jì)算比前面簡(jiǎn)單得多。
● 取不同的基本體系,力法的基本方程差別較大。一般來(lái)說(shuō),凡與基本未知量對(duì)應(yīng)的支座位移參數(shù)都出現(xiàn)在力法基本方程的右邊項(xiàng)中,其他的支座位移參數(shù)都出現(xiàn)在力法基本方程的右邊項(xiàng)中。
● 與前面荷載作用下超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形特點(diǎn)相反,支座移動(dòng)(還有溫度改變、制造和裝配誤差)作用下,超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與各桿的絕對(duì)剛度有關(guān),而位移與各桿的相對(duì)剛度有關(guān)。
7、超靜定結(jié)構(gòu)與靜定結(jié)構(gòu)的全面比較
學(xué)習(xí)了靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計(jì)算后,可以對(duì)兩種類型的結(jié)構(gòu)作一個(gè)全面的比較,以加深對(duì)它們的理解。