第二章 平面体系的几何构造分析_941305199

1 平面体系的几何构造分析 第二章 §2-1 几何构造分析的基本概念 §2-2 几何不变体系的组成规律 §2-3 平面体系的计算自由度 2 §2-1 几何构造分析的基本概念 一、几何构造分析的目的 1. 判断某个体系是否为几何不变体系，因为 只有几何不变体系才能作为结构使用；此 外应根据几何不变体系的规律设计新结构。 2. 正确区分静定结构与超静定结构。 二、基本概念 1. 几何不变体系与几何可变体系 几何不变体系—若不考虑材料的应变，体系 的位置和形状不会改变。 3 几何可变体系—若不考虑材料的应变，体系 的位置和形状是可以改变的。 几何不变体系 几何可变体系 常变体系 瞬变体系 常变体系 ——可以发生大位移的几何可变体系 叫作常变体系。 4 瞬变体系——本来几何可变，经微小位移后又成 为几何不变的体系称为瞬变体系。 常变体系 瞬变体系 几何可变体系不能作为结构来使用。 B1 BA C o 5 2. 刚片 由于不考虑材料的应变，可以把一根梁、一 根链杆或一个几何不变部分作为一个刚体，在 几何构造分析中称为刚片。 3. 自由度 体系在平面内运动时，可以独立变化的几何 参数称为自由度。 1）一个结点在平面内有两个自由度，因为确 定该结点在平面内的位置需要两个独立的几何 参数x、y。 6 2）一个刚片在平面内有三个自由度，因为确定 该刚片在平面内的位置需要三个独立的几何参 数x、y、φ。 结点自由度 x y A y x 刚片自由度 x y y x φ 4. 约束 凡是能减少体系自由度的装置就称为约束。 7 1）链杆 约束的种类分为： 链杆约束 x y x φ ,x  x y x y 321 ,,,, yx 1 32 简单链杆 仅连结两个结点的杆件称为简单链 杆。一根简单链杆能减少一个自由度，故一根 简单链杆相当于一个约束。 8 n=3 复杂链杆 连结三个或三个以上结点的杆件称 为复杂链杆，一根复杂链杆相当于（2n-3）个 约束，其中n为一根链杆连结的结点数。 (2 3) 2 3 3 3n      2）铰 一个简单铰能减少体系两个自由度，故相当于 两个约束。 简单铰 只与两个刚片连结的铰称为简单铰。 复杂铰 与三个或三个以上刚片连结的铰称为 复杂铰。 9 铰约束 x y x III 2 1 21,,, yx y x y x I IIIII 2(3-1)=4 12 3 321 ,,,, yx y 3）刚性连结 看作一个刚片 若连结的刚片数为m，则该复杂铰相当于(m-1) 个简单铰，故其提供的约束数为2(m-1)个。 10 4）瞬铰（虚铰） 两根链杆的约束作用相当于在链杆交点处一个简 单铰所起的约束作用。故两根链杆可以看作为在交 点处有一个瞬铰（虚铰）。 关于∞点的情况需强调几点： ——每一个方向有一个∞点; ——不同方向有不同∞点; ——各∞点都在同一直线上，此直线称为∞线; ——各有限点都不在∞线上。 相交在∞点A A 11 §2-2 几何不变体系的组成规律 一、几何不变体系的组成规律 基本规律就是三角形规律。 1. 规律1—— 一个结点与一个刚片的连接 一个结点与一个刚片用不共线的两根链杆 相连，则组成几何不变体系且无多余约束。 被约束对象：结点A，刚片I 提供的约束：两根链杆1，2 A 1 2 I 12 右图示体系，结点A、刚 片I由共线的链杆1，2相连， 是瞬变体系。 A1 2 I 2. 规律2—— 两个刚片之间的连接 两个刚片用一个铰以及与该铰不共线的一 根链杆相连，则组成几何不变体系且无多余 约束。 被约束对象：刚片 I，II 提供的约束：铰A及链杆1 A 1 I II 13 铰A也可以是瞬铰，如右图示。 3. 规律3—— 三个刚片之间的连接 三个刚片用三个铰两两相 连，且三个铰不在同一直线 上，则组成几何不变体系且 无多余约束。 A 1 I II A I II III B C被约束对象：刚片 I，II，III 提供的约束：铰A、B、C 14 刚片I, II——用铰A连接 刚片I, III——用铰B连接 刚片II,III——用铰C连接 4. 规律4—— 两个刚片之间的连接 两个刚片用三根不交于同一点的链杆相连，则 组成几何不变体系且无多余约束。 A 3 II I 21 提供的约束：链杆1，2，3 被约束对象：刚片 I，II A II I III B C 15 5. 关于无穷远瞬铰的情况 图示体系，一个瞬铰C在无穷远处，铰A、 B连线与形成瞬铰的链杆1、2不平行，故三个 铰不在同一直线上，该体系几何不变且无多 余约束。 A III 1 II B 2I C 16 图示体系，瞬铰B、C在两个不同方向的 无穷远处，它们对应于无穷线上两个不同的 点，铰A位于有限点。由于有限点不在无穷 线上，故三铰不共线，体系为几何不变且无 多余约束。 B III II CI A 17 图示体系，形成瞬铰B、C的四根链杆相互平 行（不等长），故铰B、C在同一无穷远点，所 以三个铰A、 B、C位于同一直线上，故体系为 瞬变体系,见图c）。 A III II C I B 18 二、举例 基础看作一个大刚片；要区分被约束的对象及 提供的约束；在被约束对象之间找约束；除复 杂链杆和复杂铰外，约束不能重复使用。 解题思路： 例2-2-1 试分析图a)所示体系的几何构造。 a） A B C D 19 1）被约束对象：刚片I, II及结点D。 刚片I、II用链杆1、2、3相连，符合规律4， 组成大刚片 ；I 解： 大刚片 、结点D用链杆4、5相连，符合规 律1。故体系为几何不变且无多余约束。 I a） 1 2 3 4 5 DI II（基础） A B C 20 2）被约束对象：刚片I,II,III及结点D，见图 b)。 II（基础）b） 刚片I、II用链杆1、2相连(瞬铰o)；刚片I、 III用铰B相连；刚片II、III用铰A相连。铰A、 B、o不共线，符合规律3，组成大刚片 。I A 1 2 3 4 DIIII B o 大刚片 与结点D用链杆3、4相连，符合规 律1。故体系几何不变且无多余约束。 I 解： C 21 例2-2-2 试分析图示体系的几何构造。 刚片I、II用链杆1、2、3相连，符合规律4。 故该体系几何不变且无多余约束。 1 2 3I II（基础）解： 22 例2-2-3 试分析图示体系的几何构造。 刚片I、 II用链杆1、2相连， （瞬铰A)； 刚片I、 III用链杆3、4相连， （瞬铰B)； 刚片II、III用链杆5、6相连， （瞬铰C)。 A、B、C三铰均在无穷远处，位于同一无 穷线上，故为可变体系(瞬变)。 解： B A C 6 I 1 2 5 III II 3 4 23 例2-2-4 试分析图示体系的几何构造。 刚片I、II用链杆1、2相连 （瞬铰A) 刚片I、III用链杆3、4相连（瞬铰B) （瞬铰C)刚片II、III用链杆5、6相连 因为A、B、C三铰不在同一直 线上，符合规律3，故该体系几 何不变且无多余约束。 解： C A1 2I III（基础） II 4 3 5 6 B 24 思考题 ： 试分析下图示各体系的几何构造组成。 a） b） 25 c） d） e） f） 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 I III II 26 小结： 3）注意约束的等效替换。 1）要正确选定被约束对象（刚片或结点）以及 所提供的约束。 2）要在被约束对象（刚片或结点）之间找约束， 除复杂链杆和复杂铰外，约束不能重复使用。 27 §2-3 平面体系的计算自由度 一、复杂链杆与复杂铰 1. 简单链杆与复杂链杆 简单链杆——仅连接两个结点的链杆称为简 单链杆，一根简单链杆相当于一个约束。 复杂链杆——连接三个或三个以上结点的链杆 称为复杂链杆。一根复杂链杆相当于（2n-3） 根简单链杆，其中n为一根链杆连接的结点数。 28 2. 简单铰与复杂铰 简单铰——只与两个刚片连接的铰称为简单铰。 若刚片数为m，则该复杂铰相当于 (m-1)个简单 铰，故其提供的约束数为2 (m-1)。 一个简单铰能减少体系两个自由度，故相当于 两个约束。 复杂铰——与三个或三个以上刚片连接的铰称 为复杂铰。 3. 封闭刚架 有三个多 余约束 无多余 约束 29 二、计算自由度 1. 将体系看作刚片、铰、刚结以及链杆组成的 体系，其中刚片为被约束对象，铰、刚结、链杆 为约束。则计算自由度公式为： m—刚片数； g—简单刚结数； h—简单铰数；b—简单链杆数 在求解时，地基的自由度为零，不计入刚片数。 3 (3 2 )W m g h b    30 2. 将体系看作结点以及链杆组成的体系，其中 结点为被约束对象，链杆为约束。则计算自由度 公式为： j—结点数； b—简单链杆数。 3. 混合公式——约束对象为刚片和结点，约束 为铰、刚结和链杆。则计算自由度公式为： m、j、g、h、b意义同前。 2W j b  (3 2 ) (3 2 )W m j g h b     31 4. 一个体系若求得W >0，一定是几何可变体 系；若W 0，则可能是几何不变体系，也可能 是几何可变体系，取决于具体的几何组成。  所以W 0是体系几何不变的必要条件，而非 充分条件。  三、例题 例2-3-1 试求图示体系的计算自由度。 解： 3 0 3 3 3 3 (2 3 3) 9 9 0 m g h b W             A B CI II III 1 2 3 32 例2-3-2 求图示体系的计算自由度。 解： AI II 1 2 3 4 5 例2-3-3 求图示体系的计算自由度。 解： 5 10 2 5 10 0 j b W       6 7D9 A 1 2 3 4 5 C E8 10 B 2 1 1 5 3 2 (3 1 2 1 5) 6 10 4 m g h b W                33 例2-3-4 求图示体系的计算自由度。 解: 用混合公式计算。 1 5 2 10 (3 1 2 5) (3 2 10) 13 16 3 m j g b W                B DA C E 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I 34 例2-3-5 求图示体系的计算自由度。 解: 用混合公式计算。 2 4 1 12 (3 2 2 4) (2 1 12) 14 14 0 m j h b W               1 B DA 2 4 3 5 6 7 8 9 10 C E 11 12I II 幻灯片编号 1 幻灯片编号 2 幻灯片编号 3 幻灯片编号 4 幻灯片编号 5 幻灯片编号 6 幻灯片编号 7 幻灯片编号 8 幻灯片编号 9 幻灯片编号 10 幻灯片编号 11 幻灯片编号 12 幻灯片编号 13 幻灯片编号 14 幻灯片编号 15 幻灯片编号 16 幻灯片编号 17 幻灯片编号 18 幻灯片编号 19 幻灯片编号 20 幻灯片编号 21 幻灯片编号 22 幻灯片编号 23 幻灯片编号 24 幻灯片编号 25 幻灯片编号 26 幻灯片编号 27 幻灯片编号 28 幻灯片编号 29 幻灯片编号 30 幻灯片编号 31 幻灯片编号 32 幻灯片编号 33 幻灯片编号 34