第四章 静定结构的位移计算(2)

2019-04-15 12:19

(2)求 R 截面处的弯矩 M

力状态:撤除与弯矩相应的约束,将截面 C 由刚接改为铰接,注意 C 截面的弯矩为一对大小相等,方向相反的力偶组成(图4-2d)。

位移状态 :设 C 处的竖向位移为1,则 AC 、 BC 段的转角分别为:

2、 虚功原理在位移计算中的应用形式----虚力原理

虚功原理的关键是位移与力系是独立无关的。因此,可以把位移看成是虚设的,也可以把力系看成是虚设的,本部分正是把力系看作是虚设的,求刚体体系的位移。

下面通过实际例子一方面介绍虚功原理在计算位移的应用----虚力原理,另一方面通过此例子,应掌握支座移动时静定结构的位移计算。

如图6-2a中所示的静定粱,支座C向上移动了一个已知距离c1,现在求B处的位移Δ。

图6-2

为了应用虚功原理,计算图6-2a中的位移状态中的位移,应根据所求位移来虚设力系,由于位移状态为给定状态,力状态为虚设状态,因此称为虚力原理。

根据虚功原理力状态和位移状态除了结构形式和支座情况需要相同外,其它方面两者完全无关, 因此应根据所需来虚设力状态。为了使力状态上的力能够在实际状态的所求位移Δ上做虚功,应在该点施加一集中力大小为1(为什么)----在拟求位移的方向上设置单位荷载,而在其它处不再设置荷载(图6-2b)。应用平衡条件可求出支座反力。

利用虚功原理可得:

结论:在拟求位移的方向上虚设单位荷载,利用平衡条件求支反力。利用虚力原理列出虚力方程进行求解,由于是在所求位移处设置单位荷载,因此,这种解法又称单位荷载法。

6.2.2 变形体的虚功原理

(1). 变形体的虚功原理

虚功原理是力学中的一个基本原理,它有两个基本形式:

虚力原理、虚位移原理 变形体的虚功原理可表述为:

设变形体在力系作用下处于平衡状态,又设变形体由于其它原因产生符合约束条件的微小连续变形,则外力在位移上所做的虚功W恒等于各个微段的应力合力在变形上所做的内力虚功 Wi 。

可简单写成:外力功 W =内力功 Wi

虚功原理涉及两组彼此无关的量----作用于结构的平衡力系和符合结构约束条件的微小连续变形系。

(2)、变形体虚功原理的应用条件

变形体虚功原理的应用条件是: 力系应当满足平衡条件----力系是平衡的;位移应当符合支承情况并保持结构的连续性-----变形符合约束条件,且是微小连续的。

虚功原理可用于不同材料、不同结构,应用范围很广。 (3). 变形体虚功原理的表达式

对于任意一个结构则虚功原理的一般形式可表示为:

如果力系是给定的,位移是虚设的,则上式为变形体的虚位移方程,可用于求力系中的某未知力。

如果位移是给定的,力系是虚设的,则上式为变形体的虚力方程,可用于求给定变形状态中某未知位移。这也是本章的主要内容。

第三节、单位荷载法计算位移 一、教学目的

在进一步理解变形体的虚功原理的基础上,理解广义力、广义荷载和单位荷载法,利用虚功原理,根据所求位移,假设出虚设的力状态。正确理解结构位移计算的一般公式。

二. 主要内容 1. 单位荷载法 2. 位移计算的一般步骤 3. 广义力和广义位移 三. 学习指导

本节的主要内容是单位荷载法以及相应的表达式,对于相应的理论没有给出进一步的推导和证明,读者可以通过参考资料进行学习。本节的重点是单位荷载法。

四. 参考资料 《建筑力学教程》 P64 6.3.1. 单位荷载法

根据虚力原理的基本表达式:

为了能够计算某一结构位移Δ,我们选择的力系中只包含一个对拟求位移Δ做虚功的相应荷载 P 。这样上式就变成:

进一步令P=1,便有:

式中, 是结构在集中单位荷载P=1作用下的支反力和内力,

它们都可以有由静力平衡条件求出。而位移则是实际结构中的位移。

由于在假设中的力系是利用最简单的虚设力系-----单位荷载力系,通过上式计算位移,这就是单位荷载法计算位移的基本思路。

下面讨论位移计算的一般步骤和思路 6.3.2. 位移计算的一般步骤

求结构在某一点沿某一方向的位移Δ,其计算步骤为:

(1) 虚设一单位荷载状态,在结构的所求位移处作用与位移相应的单位荷载,注意单位荷载应与所求位移相一致。

(2) 在单位荷载作用下,根据平衡条件,求出结构的内力和支反力。 (3) 利用公式:

可求出相应的位移,计算出的结果为正值时,则表明所求位移与单位荷载方向一致,负值时则表明实际位移与单位荷载方向相反,具体计算可参考荷载作用下的位移计算和温度变化下的位移计算。

下面将讨论 如何建立虚设状态----单位荷载状态。 6.3.3. 广义位移和虚设状态

本章所讨论的位移可以引申为广义位移。它既可以是某点沿某一方向的线位移或某一截面的角位移,也可以是某两个截面的相对位移等。为了能够应用位移计算的一般公式,虚设单位荷载必须与所求位移产生虚功,因此,虚设单位荷载应与广义位移相一致。下面结合实例分析虚设单位荷载:


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