第六章靜定結(jié)構(gòu)的位移計算PPT課件

1、 AAAPAxAyt 第1頁/共57頁鐵路工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定: (1) 剛度要求在工程上，吊車梁允許的撓度 1/600 跨度；橋梁在豎向活載下，鋼板橋梁和鋼桁梁最大撓度 1/700 和1/900跨度高層建筑的最大位移 1/1000 高度。 最大層間位移 1/800 層高。(2) 超靜定、動力和穩(wěn)定計算(3）施工要求第2頁/共57頁（3）理想聯(lián)結(jié) (Ideal Constraint)。（principle of superposition)(1) 線彈性 (Linear Elastic),(2) 小變形 (Small Deformation), (Dummy-Unit Load Method)第3

2、頁/共57頁 (Principle of Virtual Work)一、功(Work)、實功(Real Work)和虛功(Virtual Work)力力作用點沿力方向上的位移力在自身所產(chǎn)生的位移上所作的功PPW21力在非自身所產(chǎn)生的位移上所作的功tPWPCtt第4頁/共57頁 (Principle of Virtual Work)一、功(Work)、實功(Real Work)和虛功(Virtual Work)1P11122P21221P2P12位移狀態(tài)（虛力狀態(tài)）（虛位移狀態(tài)）（1）屬同一體系；（2）均為可能狀態(tài)。即位移 應(yīng)滿足變形協(xié)調(diào)條件； 力狀態(tài)應(yīng)滿足平衡條件。 （3）位移狀態(tài)與力狀態(tài)完全

3、無關(guān)；第5頁/共57頁 (Principle of Virtual Work)二、廣義力(Generalized force)、廣義位移(Generalized displacement) P PWMW MABMMMMMMWBABA)(PPABPPPPWBABA)(P1 P2 第6頁/共57頁（1）質(zhì)點系的虛位移原理具有理想約束的質(zhì)點系，在某一位置處于平衡的必要和充分條件是：1PF2NF1NF2PF1m2mfi ri=0對于任何可能的虛位移，作用于質(zhì)點系的主動力所做虛功之和為零。也即第7頁/共57頁（2）剛體系的虛位移原理 去掉約束而代以相應(yīng)的反力，該反力便可看成外力。則有：剛體系處于平衡的必

4、要和充分條件是： 對于任何可能的虛位移，作用于剛體系的所有外力所做虛功之和為零。P0 AX2/PYB 2/PYA 23/2023222 PPP第8頁/共57頁原理的表述： 任何一個處于平衡狀態(tài)的變形體，當(dāng)發(fā)生任意一個虛位移時，變形體所受外力在虛位移上所作的總虛功We，恒等于變形體各微段外力在微段變形位移上作的虛功之和Wi。也即恒有如下虛功方程成立We =Wi（3）變形體的虛功原理第9頁/共57頁 任何一個處于平衡狀態(tài)的變形體，當(dāng)發(fā)生任意一個虛位移時，變形體所受外力在虛位移上所作的總虛功We,恒等于變形體各微段外力在微段變形位移上作的虛功之和Wi。變形體虛功原理的證明: xq1.利用變形連續(xù)性條

5、件計算 所有微段的外力虛功之和 W微段外力分為兩部分體系外力相互作用力微段外力功分為兩部分體系外力功dWe相互作用力功dWn微段外力功 dW= dWe+dWn所有微段的外力功之和: W=dWe+dWn =dWe =We2.利用平衡條件條件計算 所有微段的外力虛功之和 W微段外力功分為兩部分在剛體位移上的功dWg在變形位移上的功dWi微段外力功 dW= dWg+dWi所有微段的外力功之和: W=dWi =Wiabab微段位移分為兩部分剛體位移變形位移baab baba 故有We=Wi成立。abab b第10頁/共57頁 任何一個處于平衡狀態(tài)的變形體，當(dāng)發(fā)生任意一個虛位移時，變形體所受外力在虛位移

6、上所作的總虛功We,恒等于變形體各微段外力在微段變形位移上作的虛功之和Wi。變形體虛功原理的證明: xq1.利用變形連續(xù)性條件計算 所有微段的外力虛功之和 W微段外力分為兩部分體系外力相互作用力微段外力功分為兩部分體系外力功dWe相互作用力功dWn微段外力功 dW= dWe+dWn所有微段的外力功之和: W=dWe+dWn =dWe =We2.利用平衡條件條件計算 所有微段的外力虛功之和 W微段外力功分為兩部分在剛體位移上的功dWg在變形位移上的功dWi微段外力功 dW= dWg+dWi所有微段的外力功之和: W=dWi =Wiabab微段位移分為兩部分剛體位移變形位移baab baba 故有

7、We=Wi成立。abab b幾個問題:1. 虛功原理里存在兩個狀態(tài)： 力狀態(tài)必須滿足平衡條件；位移狀態(tài)必須滿足協(xié)調(diào)條件。因此原理僅是必要性命題。2. 原理的證明表明:原理適用于任何 (線性和非線性)的變形體，適用于任何結(jié)構(gòu)。3. 原理可有兩種應(yīng)用： 實際待分析的平衡力狀態(tài)，虛設(shè)的協(xié)調(diào)位移狀態(tài)，將平衡問題化為幾何問題來求解。 實際待分析的協(xié)調(diào)位移狀態(tài)，虛設(shè)的平衡力狀態(tài)，將位移分析化為平衡問題來求解。第11頁/共57頁Wi 的計算:Wi =N+Q+Mds微段外力: 微段變形可看成由如下幾部分組成:（4）變形體虛功方程的展開式MdMM NdNN QdQQqds微段剪切ds微段拉伸dsds微段彎曲對于

8、直桿體系，由于變形互不耦連，有:We =N+Q+Mds外力功也就等于內(nèi)力功，即第12頁/共57頁 1）虛功原理用于虛設(shè)的協(xié)調(diào)位移狀態(tài)與實際的平衡力狀態(tài)之間。例. 求 A 端的支座反力(Reaction at Support)。解：去掉A端約束并代以反力 X，構(gòu)造相應(yīng)的虛位移狀態(tài).ABaC(a)bPX(b)PX C (c)直線待分析平衡的力狀態(tài)虛設(shè)協(xié)調(diào)的位移狀態(tài)0CXPX由外力虛功總和為零，即：baCX/將代入得:abPX/通常取xX 1單位位移法(Unit-Displacement Method)(1)對靜定結(jié)構(gòu)，這里實際用的是剛體虛位移原理，實質(zhì)上是實際受力狀態(tài)的平衡方程(2)虛位移與實際力

9、狀態(tài)無關(guān),故可設(shè)(3)求解時關(guān)鍵一步是找出虛位移狀態(tài)的位移關(guān)系。(4)用幾何法來解靜力平衡問題0 BM1 x第13頁/共57頁例. 求 A 端支座發(fā)生豎向位移 c 時引起C點的豎向位移 . 2）虛功原理用于虛設(shè)的平衡力狀態(tài)與實際的協(xié)調(diào)位移狀態(tài)之間。解：首先構(gòu)造出相應(yīng)的虛設(shè)力狀態(tài)。即，在擬求位移之點（C點）沿擬求位移方向（豎向）設(shè)置單位荷載。ABaCbAC c1ABCAY由 求得： 0BMabYA/ 01cYAacb/解得： 這是單位荷載法 (Dummy-Unit Load Method)它是 Maxwell, 1864和Mohr, 1874提出，故也稱為Maxwell-Mohr Method(

10、1)所建立的虛功方程,實質(zhì)上是幾何方程。(2)虛設(shè)的力狀態(tài)與實際位移狀態(tài)無關(guān)，故可設(shè)單位廣義力 P=1(3)求解時關(guān)鍵一步是找出虛力狀態(tài)的靜力平衡關(guān)系。(4)是用靜力平衡法來解幾何問題。虛功方程為：第14頁/共57頁單位位移法的虛功方程 平衡方程單位荷載法的虛功方程 幾何方程 第一種應(yīng)用一些文獻(xiàn)稱為“虛位移原理”，而將第二種應(yīng)用稱為“虛力原理”。更確切的說法為，兩種應(yīng)用的依據(jù)是上述兩原理的必要性命題。上述兩原理都是充分、必要性命題，它們和虛功原理是有區(qū)別的。 虛位移原理:一個力系平衡的充分必要條件是:對 任意協(xié)調(diào)位移,虛功方程成立. 虛力原理:一個位移是協(xié)調(diào)的充分必要條件是:對 任意平衡力系,

11、虛功方程成立”。第15頁/共57頁 3.3 荷載作用產(chǎn)生的位移計算一.單位荷載法kiP1P求k點豎向位移.由變形體虛功方程:變形協(xié)調(diào)的位移狀態(tài)(P)平衡的力狀態(tài)(i)We =Wi We =P iPWi =NiP +QiP +MiP ds iP =NiP +QiP +MiP ds 適用于各種桿件體系(線性,非線性).第16頁/共57頁 3.3 荷載作用產(chǎn)生的位移計算一.單位荷載法kiP1P求k點豎向位移.變形協(xié)調(diào)的位移狀態(tài)(P)平衡的力狀態(tài)(i)iP =NiP +QiP +MiP ds -適用于各種桿件體系(線性,非線性).對于由線彈性直桿組成的結(jié)構(gòu)，有：EIMGAQkEANPPPPPP , ,

12、dsEIMMGAQkQEANNiPPPipii 適用于線彈性直桿體系,第17頁/共57頁qPQPM1 PiQiMxl dsEIMMGAQkQEANNiPPPipii 例 1：已知圖示粱的E 、G,求A點的豎向位移。解：構(gòu)造虛設(shè)單位力狀態(tài).0)(, 0)(xNxNPi)()(, 1)(xlqxQxQPi1Px2/)()(,)(2xlqxMlxxMPilhbqAdxEIxlqGAkxlql2)()(03)(8242EIqlGAqkl)(5 . 2/,10/1/, 5/6,12/,3鋼砼GElhkbhIbhAGAqklEIqlQM2,8:24設(shè)24GAlEIkMQ1001MQ 對于細(xì)長桿,剪切變形對

13、位移的貢獻(xiàn)與彎曲變形相比可略去不計.第18頁/共57頁例 2：求曲梁B點的豎向位移(EI、EA、GA已知)ROBAP解：構(gòu)造虛設(shè)的力狀態(tài)如圖示RddsNPNQPQRMPRMiPiPiPsin,sincos,cossin,sinP=1RPRPMPNPQdsEIMMGAQkQEANNiPPPipii )(4443EIPRGAkPREAPR)(5 . 2/,10/1/, 5/6,12/,3鋼砼GERhkbhIbhAEAPRGAkPREIPRNQM4,4,4:3設(shè)12001MN4001MQ 小曲率桿可利用直桿公式近似計算;軸向變形,剪切變形對位移的影響可略去不計第19頁/共57頁 3.3 荷載作用產(chǎn)生

14、的位移計算一.單位荷載法1.梁與剛架二.位移計算公式dsEIMMiPip 2.桁架dsEANNiPip EAlNNiP3.組合結(jié)構(gòu) EIlNNdsEIMMiPiPip4.拱dsEANNEIMMiPiPip第20頁/共57頁解：例:求圖示桁架(各桿EA相同)k點水平位移.Paak100PPP2NP11122NiEAlNNiPkx)()21 (2222) 1)() 1)(1EAPaaPaPaPEA練習(xí):求圖示桁架(各桿EA相同)k點豎向位移.aaPk1110200P2PNPNiEAlNNiPkx)()221 (2)2)(2(11EAPaaPaPEA第21頁/共57頁例: 1)求A點水平位移 3.3

15、 荷載作用產(chǎn)生的位移計算一.單位荷載法二.位移計算公式 所加單位廣義力與所求廣義位移相對應(yīng),該單位廣義力在所求廣義位移上做功.三.單位力狀態(tài)的確定PAB2)求A截面轉(zhuǎn)角3)求AB兩點相對水平位移4)求AB兩截面相對轉(zhuǎn)角1P1P1P1P第22頁/共57頁 在桿件數(shù)量多的情況下,不方便. 下面介紹計算位移的圖乘法. EIsMMPiPd (Graphic Multiplication Method and its Applications)剛架與梁的位移計算公式為：第23頁/共57頁一、圖乘法sEIMMPdsMMEIPd1xMxEIPdtan1 xxMEIPdtan ccyEIxEI 1tan(對于

16、等截面桿)(對于直桿) xMMEIPd1)tan( xM 圖乘法求位移公式為: EIycip 圖乘法的適用條件是什么?第24頁/共57頁例. 試求圖示梁B端轉(zhuǎn)角.解:sEIMMPBdEIycABP2/ l2/ lEIBAB1M4/Pl1MPMi)(1612142112EIPlPllEI為什么彎矩圖在桿件同側(cè)圖乘結(jié)果為正?第25頁/共57頁例. 試求圖示結(jié)構(gòu)B點豎向位移.解:sEIMMPBydEIycPlMPMi)(34)3221(13EIPlllPlllPlEI1lPEIBEIll第26頁/共57頁二、幾種常見圖形的面積和形心位置的確定方法C2nl2)1(nln1nhl h二次拋物線第27頁/

17、共57頁M圖21EIqlqllEIB3224121)8132(1（ ）PM圖281qlBAq1例:求圖示梁(EI=常數(shù),跨長為l)B截面轉(zhuǎn)角B解:第28頁/共57頁三、圖形分解B求1ABmkN 20mkN 40m10EI4020MPMiABmkN 20ABmkN 4040203/23/1)(3500)3120102132401021(1EIEIB第29頁/共57頁三、圖形分解B求1ABmkN 20mkN 40m10EI4020MPMi3/22/1)(3500)21201032201021(1EIEIB)(3500)322020(110211EIEIB 當(dāng)兩個圖形均為直線圖形時,取那個圖形的面積

18、均可.第30頁/共57頁)(16)431212214212243221221(12EIPlPllPlllPllEIB4/PlMP三、圖形分解B求1Mi)(16)21421(12EIPlPllEIB 取 yc的圖形必須是直線,不能是曲線或折線.AB2/ lEI2/ lP2/1能用 Mi圖面積乘MP圖豎標(biāo)嗎?第31頁/共57頁三、圖形分解B求1ABmkN 20mkN 40m10EIMPMi)(100)203260(110211EIEIB)(100)21102032601021(1EIEIB402060204020)(100)31102032401021(1EIEIB第32頁/共57頁三、圖形分解B

19、求1MPMi)(24)1322EIqlqllqllEIBAB4/2qllEIq42ql8/2qlq8/2ql第33頁/共57頁三、圖形分解C求C截面豎向位移MPMi)(404819)16332323421163218)4/(432163323234321163218)4/3(4332(142222EIqllqllllqllqllllqlEIB16/3l8/2ql4/3l4/ lABEIqC1P32/32qlq32/32ql4/3lq32/32qlq32/32ql4/ lq32/32ql8/) 4/3 (2lq8/) 4/(2lq第34頁/共57頁三、圖乘法小結(jié)1. 圖

20、乘法的應(yīng)用條件：（1）等截面直桿，EI為常數(shù)；（2）兩個M圖中應(yīng)有一個是直線；（3） 應(yīng)取自直線圖中。cy2. 若 與 在桿件的同側(cè)， 取正值；反之，取負(fù)值。cycy3. 如圖形較復(fù)雜，可分解為簡單圖形.第35頁/共57頁 例 1. 已知 EI 為常數(shù)，求C、D兩點相對水平位移 。CD 三、應(yīng)用舉例AlqBhq8/2qlh11hMPiM)(12832132EIqhlhlqlEIEIycCD 解：作荷載彎矩圖和單位荷載彎矩圖CD第36頁/共57頁 例 2. 已知 EI 為常數(shù)，求鉸C兩側(cè)截面相對轉(zhuǎn)角 。C三、應(yīng)用舉例解：作荷載彎矩圖和單位荷載彎矩圖AlqBlClq4/ql4/qlMP110l /

21、11iM)(2421832132EIqlqlEIEIycCD4/2ql4/2ql第37頁/共57頁 例 3. 圖示梁EI 為常數(shù)，求C點豎向位移。三、應(yīng)用舉例iM2/ lAl/2qBCl/2MP2/2ql1C)(1285)48224328331(1322EIqllqllllqlEIEIycC8/2ql)(241221231132EIqllqllEIEIycc第38頁/共57頁32/2ql 例 4. 圖示梁 EI 為常數(shù)，求C點豎向位移 。三、應(yīng)用舉例iM2/ lAl/2qBCl/2MP2/2ql1C)(38417)2318221232222122132232(14222EIqllqlllqll

22、lqllEIEIycc8/2qlq8/2ql2/2ql2/2ql8/2ql第39頁/共57頁 例 4. 圖示梁 EI 為常數(shù)，求C點豎向位移 。iM2/ lAl/2qBCl/2MP2/2ql1C)(38417)2218223242212438231(14222EIqllqlllqlllqllEIEIycc8/2qlq8/2ql2/qlq8/2ql4/2ql2/ql8/2ql8/2ql第40頁/共57頁4. 5 靜定結(jié)構(gòu)溫度變化時的位移計算變形體虛功方程為:We =Wi We =1kPWi =MikPds kP =MikPds 其中:荷載作用求K點豎向位移./EIkPPMWe =1kP溫度作用求

23、K點豎向位移.Wi =Nit + Qit +Mikt ds 關(guān)鍵是計算微段的溫度變形第41頁/共57頁設(shè)溫度沿桿件截面高度線性變化，桿軸溫度 ，上、下邊緣的溫差 ,線膨脹系數(shù)為 .0tt12tttstutdd0 hththtthhtt211212110 )(微段的溫度變形分析hsttdd 無剪應(yīng)變hsMtsNthstMstNdskMQNiiitttKydddd)(iitii00若,/ 221hhh2120/)(ttt第42頁/共57頁MiithtlNt)(0溫度引起的位移計算公式:hsMtsNtiitddi0對等 截 面 直 桿:上式中的正、負(fù)號：若 和 使桿件的同一邊產(chǎn)生拉伸變形，其乘積為正

24、。 Mt 第43頁/共57頁例： 剛架施工時溫度為20 ，試求冬季外側(cè)溫度為 -10 ，內(nèi)側(cè)溫度為 0 時A點的豎向位移 。已知 l=4 m, ,各桿均為矩形截面桿，高度 h=0.4 mC0C0C0Ay 510 解：構(gòu)造虛擬狀態(tài)CtCt0001030202522002010)(,)()(iiAyhtlNt0lMi1Nil )(125llhllh10121101)(.m0050第44頁/共57頁例： 求圖示桁架溫度改變引起的AB桿轉(zhuǎn)角.解：構(gòu)造虛擬狀態(tài)lNtiAB0Ni41aat)/(a4ttttaABa21a210a/1a/1a/1a/1a/1)( t 4第45頁/共57頁1c2c3cKKKC1K1R2R3R變形體虛功方程為:We =Wi We =1kC+R1 C1 +R2 C2+R3 C3Wi =0 其中:計算公式為:iiicCR第46頁/共57頁例1：求?CxCBAP=11AX1CY1AY解：構(gòu)造虛設(shè)力狀態(tài)1c2c3cCBAll)()111 (321321CCCCCCCx第47頁/共57頁解：構(gòu)造虛設(shè)力狀態(tài)( )rad .)(00750211BxByiiAhlcR例 2：已知 l=12 m , h=8 m , m 04. 0Bx m 06. 0By ?A , 求第48頁/共57頁制造誤差引起的位移計算)(.)(mmA2723481