2平面体系的机动分析(李廉锟_结构力学)

nullnull第二章 平面体系的机动分析null§2-1 引言一、几何不变体系 (geometrically stable system)：弹性变形几何不变 一个杆系，在荷载作用下，若略去杆件本身的弹性变形而能保持其几何形状和位置不变的体系。可称之为结构null二、几何可变体系(geometrically unstable system)：几何可变 一个杆系，在荷载作用下，即使略去杆件本身的弹性变形，它也不能保持其几何形状和位置，而发生机械运动的体系。 只能称之为机构§2-1 引言null三、杆系的机动分析： 机动分析就是判断一个杆系是否是几何不变体系，同时还要研究几何不变体系的组成规律。又称: 几何组成分析 几何构造分析机动分析的目的： 1、判别某一体系是否为几何不变，从而决定它能否作为结构。 2、区别静定结构、超静定结构，从而选定相应计算方法。 3、搞清结构各部分间的相互关系，以决定合理的计算顺序。§2-1 引言null形状可任意替换四、刚片：将体系中巳经肯定为几何不变的部分看作是一个刚片。一根梁、一根链杆或者支承体系的基础也可看作是一个刚片。§2-1 引言null一、平面体系的自由度 (degree of freedom of planar system)1.自由度数--确定物体位置所需要的独立坐标数体系运动时可独立改变的几何参数数目n=2平面内一点平面内一刚片n=3§2-2 平面体系的计算自由度null2.平面刚片系的组成§2-2 平面体系的计算自由度null 3.联系(constraint)1根链杆为1个联系联系（约束）--减少自由度的装置。n=3n=2(1) 链杆1个单铰为2个联系单铰联后 n=41个自由刚片3个自由度 2个自由刚片有6个自由度(2) 单铰§2-2 平面体系的计算自由度null 3.联系(constraint)(1) 链杆;(2) 单铰;(3) 复铰n个杆件组成的复铰， 相当于(n－1)个单铰。复铰 等于多少个 单铰？§2-2 平面体系的计算自由度null二、平面体系的计算自由度 计算自由度 = 刚片总自由度数减总约束数 m---刚片数 h---单铰数 r---单链杆数（支座链杆）W = 3m-(2h+r)§2-2 平面体系的计算自由度null平面链杆系的自由度(桁架): 链杆(link)——仅在杆件两端用铰连接的杆件。一个链杆→ 一个约束即两点间加一链杆，则减少一个自由度。设一个平面链杆系： 自由度：2j 约 束： b  约 束： r链杆数： b支座链杆数：r铰结点数： j则体系自由度：W = 2j-(b+r)§2-2 平面体系的计算自由度null例1：计算图示体系的自由度W=3×8-(2 ×10+4)=0AC CDB CE EF CF DF DG FG32311有几个单铰？有几个刚片？有几个支座链杆？§2-2 平面体系的计算自由度null例2：计算图示体系的自由度W=3 ×9-(2×12+3)=0按刚片计算3321129根杆, 9个刚片有几个单铰？3根支座链杆按铰结链杆计算W=2 ×6-(9+3)=0§2-2 平面体系的计算自由度null例3：计算图示体系的自由度解:§2-2 平面体系的计算自由度null解:j=9,b=15,r=3 例4：计算图示体系的自由度§2-2 平面体系的计算自由度null自由度的讨论： ⑵ W=0 ,具有成为几何不变所需的最少联系 几何可变⑴ W>0 ,几何可变§2-2 平面体系的计算自由度null(3) W<0 几何不变(4) W<0 几何可变§2-2 平面体系的计算自由度自由度的讨论： null体系几何可变体系几何不变因此，体系几何不变的必要条件：W≤0 W>0, 缺少足够联系，体系几何可变。 W=0, 具备成为几何不变体系所要求的最少联系数目。 W<0， 体系具有多余联系。 如果体系不与基础相连，即r=0时，体系对基础有三个自由度，仅研究体系本身的内部可变度V。§2-2 平面体系的计算自由度null ( Geometric construction analysis (Kinematics analysis）) 一、三刚片规则 三个刚片用不在同一直线上的三个单铰两两相连，所组成的平面体系几何不变。 §2-3 几何不变体系的简单组成规则null说明： 1.刚片通过支座链杆与地基相联， 地基可视为一刚片。§2-3 几何不变体系的简单组成规则null 2. 三刚片用位于同一直线上的三个铰相联，组成瞬变体系。( 几何可变 ) 不符合三刚片规则§2-3 几何不变体系的简单组成规则null地基、AC、BC为刚片; A、B、C为单铰无多余联系的几何不变体§2-3 几何不变体系的简单组成规则null二、 二元体规则 在刚片上增加一个二元体，是几何不变体系。 二元体: 在刚片上增加由两根链杆连接而成的一个新的铰结点，这个“两杆一铰”体系，称为二元体。§2-3 几何不变体系的简单组成规则null 几何不变体系中，增加或减少二元体，仍为 几何不变体系。§2-3 几何不变体系的简单组成规则null减二元体简化分析加二元体组成结构§2-3 几何不变体系的简单组成规则null如何减二元体？§2-3 几何不变体系的简单组成规则null三、两刚片规则： 两个刚片用一个铰和一个不通过该铰的链杆连接，组成几何不变体系。链杆铰§2-3 几何不变体系的简单组成规则null铰三、两刚片规则： 两个刚片用三根不全平行也不交于同一点的链杆相联，组成无多余联系的几何不变体系。§2-3 几何不变体系的简单组成规则nullO是虚 铰吗？有二元 体吗？是什么 体系？O不是有无多不变§2-3 几何不变体系的简单组成规则null有虚 铰吗？有二元 体吗？是什么 体系？无多余几何不变没有有试分析图示体系的几何组成§2-3 几何不变体系的简单组成规则null瞬变体系(instantaneously unstable system) --原为几何可变，经微小位移后即转化为 几何不变的体系。微小位移后，不能继续位移不能平衡铰结三角形规则——条件：三铰不共线§2-4 瞬变体系null例：（图2-17） 二刚片三链杆相联情况 （a）三链杆交于一点； （b）三链杆完全平行（不等长）； （c）三链杆完全平行（在刚片异侧） ； （d）三链杆完全平行（等长） 瞬变体系 ——小荷载引起巨大内力（图1） ——工程结构不能用瞬变体系几何可变体系: 瞬变 , 常变 §2-4 瞬变体系null例2-1 对图示体系作几何组成分析。 方法一:从基础出发;结论: 无多余联系的几何不变体.扩大刚片;反复利用两刚片规则;利用两刚片规则;方法二:加、减二元体§2-5 机动分析示例 null例2-2 对图示体系作几何组成分析。 1. 去支座后再分析体系本身，为什么可以这样？2.有二元体吗？有瞬变体系§2-5 机动分析示例 null加、减二元体无多几何不变§2-5 机动分析示例 null找出三个刚片无多余联系的几何不变体例2-3 对图示体系作几何组成分析。 §2-5 机动分析示例 null行吗？它可 变吗？瞬变体系找 刚片、找虚铰例2-4 对图示体系作几何组成分析。 行吗？§2-5 机动分析示例 null 1. 可首先通过自由度的计算，检查体系是否满足几何不变的必要条件(W≤0)。对于较为简单的体系，一般都略去自由度的计算，直接应用上述规则进行分折。 3. 如果体系仅通过三根既不完全平行，又不完全相交的支座链杆与基础相联接的体系，则可直接分析体系内部的几何组成。如果体系与基础相连的支座连杆数多于三根，应把基础也看成刚片作整体分析。 2. 在进行分折应时，宜先判别体系中有无二元体，如有，则应先撤去，以使体系得到简化。机动分析步骤总结：§2-5 机动分析示例 null 4. 已知为几何不变的部分宜作为大刚片。 7. 各杆件要么作为链杆，要么作为刚片，必须全部使用，且不可重复使用。 5. 两根链杆相当于其交点处的虚铰。 6. 运用三刚片规则时，如何选择三个刚片是关键，刚片选择的原则是使得三者之间彼此的连接方式是铰结。§2-5 机动分析示例 null唯一吗？如何变静定？§2-5 机动分析示例 null找刚片内部可 变性§2-5 机动分析示例 null如何才能不变？§2-5 机动分析示例 null加减二元体§2-5 机动分析示例 null§2-6 三刚片虚铰在无穷远处的讨论(a) 一铰无穷远情况null§2-6 三刚片虚铰在无穷远处的讨论null(b) 两铰无穷远情况§2-6 三刚片虚铰在无穷远处的讨论null§2-6 三刚片虚铰在无穷远处的讨论null§2-6 三刚片虚铰在无穷远处的讨论null三铰无穷远 如何?请大家 自行分析 !§2-6 三刚片虚铰在无穷远处的讨论null§2-7 几何构造与静定性的关系无多余 联系几何 不变。如何求支 座反力?null有多余 联系几何 不变。能否求全 部反力?§2-7 几何构造与静定性的关系null体系不可作结构小结:§2-7 几何构造与静定性的关系null结论与讨论 当计算自由度W >0 时，体系一定是可变的。但W≤0仅是体系几何不变的必要条件。 分析一个体系可变性时，应注意刚体形状可任意改换。按照找大刚体（或刚片）、减二元体、去支座分析内部可变性等，使体系得到最大限度简化后，再应用三角形规则分析。 超静定结构可通过合理地减少多余约束使其变成静定结构。 正确区分静定、超静定，正确判定超静定结构的多余约束数十分重要。结构的组装顺序和受力分析次序密切相关。null 3. 图示体系作几何分析时，可把A点看作杆1、杆2形成的瞬铰。一、判断题 1. 瞬变体系的计算自由度一定等零。2. 有多余约束的体系一定是几何不变体系。╳╳╳╳4. 图示体系是几何不变体系。题3图题4图本章自测题null本章自测题 3. 图示结构为了受力需要一共设置了五个支座链杆，对于保持其几何不变来说有 个多余约束，其中第 个链杆是必要约束，不能由其他约束来代替。 2. 三个刚片每两个刚片之间由一个铰相连接构成的体系是 。 1. 体系的计算自由度W≤0是保证体系为几何不变的 条件。二、选择填空 A.必要 B.充分 C.非必要 D. 必要和充分A21 A.几何可变体系 B. 无多余约束的几何不变体系 C.瞬变体系 D.体系的组成不确定Dnull5.下列个简图分别有几个多余约束： 图a 个约多余束 图b 个多余约束 图c 个多余约束 图d 个多余约束 4.多余约束”从哪个角度来看才是多余的?（ ） A.从对体系的自由度是否有影响的角度看 B.从对体系的计算自由度是否有影响的角度看 C.从对体系的受力和变形状态是否有影响的角度看 D.从区分静定与超静定两类问题的角度看A0132本章自测题null6.图a 属几何 体系。 A.不变，无多余约束 B.不变，有多余约束 C.可变，无多余约束 D.可变，有多余约束 图b属几何 体系。 A.不变，无多余约束 B.不变，有多余约束 C.可变，无多余约束 D.可变，有多余约束 BA本章自测题null 7.图示体系与大地之间用三根链杆相连成几何 的 体系。 A.不变且无多余约束 B.瞬变 C.常变 D. 不变，有多余约束B 8.图示体系为：———— A.几何不变无多余约束 B.几何不变有多余约束 C.几何常变 D.几何瞬变。 A题7图题8图本章自测题null 9.图示体系的计算自由度为 。 A. 0 B. 1 C. -1 D. -2 D三、考研题选解 1. 三个刚片用不在同一条直线上的三个虚铰两两相连， 则组成的体系是无多余约束的几何不变体系。( ） （北京交通大学1999年）√ 提示：规律3，其中的“铰”，可以是实铰，也可以是瞬（虚）铰。本章自测题null 2.图示平面体系中，试增添支承链杆，使其成为几何不变且无多余约束的体系。（6分）（浙江大学1996年） 3、图示体系几何组成为： （4分） （大连理工大学2000年）A.几何不变，无多余联系 B.几何不变，有多余联系 C.瞬变 D.常变C 解： 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 选C。提示：把刚片ABCD看成刚片I，EF看成刚片II，基础是刚片III，根据三刚片规律。解： 答案如图b所示。本章自测题null 5.图示体系A 铰可在竖直线上移动以改变等长杆AB、AC的长度，而其余结点位置不变。当图示 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 为哪种情况时，体系为几何不变。（西南交通大学1999年）（ ） A. h≠2m B. h≠4m和h≠∞ C. h≠4m D. h≠2m和h≠∞ 4.图示体系是 。（3分）（浙江大学1999年） A.无多余约束的几何不变体系 B.瞬变体系 B.有无多余约束的几何不变体系 D.常变体系题4图提示：体系用不交于一点的三根链杆与基础相连，只需分析体系本身。选择刚片示于图中，根据三刚片规律。A题5图 D本章自测题null 6.对图示结构作几何组成分析。（４分）（青岛建工学院1996年） 解： 将刚片ABC 做等效变换，变换成三角形，并选择刚片如图b。刚片I与基础III之间由铰A相连，刚片II与基础III之间由铰B 相连，刚片I、刚片II之间由链杆1、2 组成的无穷远处的瞬铰相连，由于铰A与铰B 的连线与链杆1、2平行，故该体系为瞬变体系。本章自测题null四、考国家一级注册结构师试题选解 1.图示体系的几何组成为： A.常变体系 B.无多余约束的几何不变体系 C.瞬变体系 D.有多余约束的几何不变体系 解：先去掉二元体35、55'，刚片2367仅需3个链杆即可构成无多余约束的几何不变体系，原体系有一个多余约束，所以答案选择 。D 本章自测题null 解：刚片124与基础用铰1相连，刚片356与基础用铰6相连，刚片124与刚片356之间用两个平行链杆45、23相连，二铰1、6的连线不与与两个平行链杆45、23平行，原体系为无多余约束的几何不变体系，所以答案选择 。 2.图示体系的几何组成为： A.常变体系 B.无多余约束的几何不变体系 C.瞬变体系 D.有多余约束 的几何不变体系 B本章自测题