关于某个平面九杆桁架问题的分析
一、问题描述
如图，平面九杆桁架的材料特性为：弹性模量Pa E 11100.2?=，泊松比
3.0=υ，质量密度3/7860m kg =ρ，所有杆件横截面积为23105.2m -?。
（Ⅰ）求该桁架结构的前5阶频率；
（Ⅱ）若KN F 200=，求出变形图、轴力图和各点的位移及轴力； （Ⅲ）若F 为KN 200的阶跃力，求节点4竖直方向的位移； （Ⅳ）试比较Ⅱ、Ⅲ两种情况下4节点的位移，可以得出什么结论?
二、桁架结构的前5阶频率计算
由ANSYS 软件计算得到该桁架结构的前5阶频率，如表2-1所示。
表2-1 前五阶频率
对此桁架结构运用MATLAB 计算其前五阶频率，结果和ANSYS 得到的完全一致。这可以说明用有限元方法计算桁架问题得到的是精确解。另外，在分析过程中发现该桁架结构只有9阶模态。这是偶然，还是必然？桁架结构属于离散体系，还是连续体系？还是其他体系？
三、4节点在集中力作用下的内力与变形分析
当KN
时，由ANSYS软件分析可得其变形图、轴力图和各点的位移F200
及杆件轴力。分别如图3-1、图3-2、表3-1、表3-2所示。
图3-1 变形图
图3-2 轴力图
表3-1 节点位移
表3-2 各杆轴力
在ANSYS中如何显示轴力和应力？
四、阶跃力作用下瞬态响应分析
当F为KN
200的阶跃力时，运用ANSYS软件可分析该桁架结构的瞬态响应。经分析4节点的竖直方向的位移图，如图4-1所示。
图4-1 4节点竖直方向位移图
经计算阶跃力作用下4节点最大位移为mm 210756.13-?.
在运用ANSYS 解多荷载子步问题时，如何改变系统参数，让ANSYS 可以解决1000步以上的问题？若其他几种瞬态分析方法，如何实现加载？
五、比较两种加载方式下的结构位移变化
Ⅰ、在静力作用下，节点位移是一个固定值。而在阶跃力作用下，节点位移是随时间变化的。
Ⅱ、比较两种加载方式下4节点位移，在静力荷载作用下4节点竖向位移为
mm 210398.7-?，而相应的在阶跃力作用下4节点竖向位移最大值为mm 210756.13-?。可见，在动力作用下，位移响应要比静力作用下大得多。在这
个问题中动力作用下4节点最大位移比在静力作用下增加了85.94%。因此，我们在工程实践中要特别注意结构在动力荷载作用下的响应。
Ⅲ、影响动力作用效果的因素有哪些？怎么可以减小结构的动力响应？……
第二节平面静定桁架的内力计算 桁架是工程中常见的一种杆系结构，它是由若干直杆在其两端用铰链连接而成的几何形状不变的结构。桁架中各杆件的连接处称为节点。由于桁架结构受力合理，使用材料比较经济，因而在工程实际中被广泛采用。房屋的屋架（见图3－10）、桥梁的拱架、高压输电塔、电视塔、修建高层建筑用的塔吊等便是例子。 图3－10房屋屋架 杆件轴线都在同一平面内的桁架称为平面桁架（如一些屋架、桥梁桁架等），否则称为空间桁架（如输电铁塔、电视发射塔等）。本节只讨论平面桁架的基本概念和初步计算，有关桁架的详细理论可参考“结构力学”课本。在平面桁架计算中，通常引用如下假定： １）组成桁架的各杆均为直杆； ２）所有外力（载荷和支座反力）都作用在桁架所处的平面内，且都作用于节点处； ３）组成桁架的各杆件彼此都用光滑铰链连接，杆件自重不计，桁架的每根杆件都是二力杆。 满足上述假定的桁架称为理想桁架，实际的桁架与上述假定是有差别的，如钢桁架结构的节点为铆接（见图3－11）或焊接，钢筋混凝土桁架结构的节点是有一定刚性的整体节点， 图3－11 钢桁架结构的节点 它们都有一定的弹性变形，杆件的中心线也不可能是绝对直的，但上述三点假定已反映了实际桁架的主要受力特征，其计算结果可满足工程实际的需要。 分析静定平面桁架内力的基本方法有节点法和截面法，下面分别予以介绍。 一、节点法 因为桁架中各杆都是二力杆，所以每个节点都受到平面汇交力系的作用，为计算各杆内力，可以逐个地取节点为研究对象，分别列出平衡方程，即可由已知力求出全部杆件的内力，这就是节点法。由于平面汇交力系只能列出两个独立平衡方程，所以应用节点法往往从只含两个未知力的节点开始计算。 例3－8 平面桁架的受力及尺寸如图3－12ａ所示，试求桁架各杆的内力。
3.4 静定平面桁架 教学要求 掌握静定平面桁架结构的受力特点和结构特点，熟练掌握桁架结构的内力计算方法——结点法、截面法、联合法 3.4.1 桁架的特点和组成 静定平面桁架 桁架结构是指若干直杆在两端铰接组成的静定结构。这种结构形式在桥梁和房屋建筑中应用较为广泛，如南京长江大桥、钢木屋架等。 实际的桁架结构形式和各杆件之间的联结以及所用的材料是多种多样的，实际受力情况复杂，要对它们进行精确的分析是困难的。但根据对桁架的实际工作情况和对桁架进行结构实验的结果表明，由于大多数的常用桁架是由比较细长的杆件所组成，而且承受的荷载大多数都是通过其它杆件传到结点上，这就使得桁架结点的刚性对杆件内力的影响可以大大的减小，接近于铰的作用，结构中所有的杆件在荷载作用下，主要承受轴向力，而弯矩和剪力很小，可以忽略不计。因此，为了简化计算，在取桁架的计算简图时，作如下三个方面的假定： （1）桁架的结点都是光滑的铰结点。 （2）各杆的轴线都是直线并通过铰的中心。 （3）荷载和支座反力都作用在铰结点上。 通常把符合上述假定条件的桁架称为理想桁架。 桁架的受力特点 桁架的杆件只在两端受力。因此，桁架中的所有杆件均为二力杆。在杆的截面上只有轴力。 桁架的分类 （1）简单桁架：由基础或一个基本铰接三角形开始，逐次增加二元体所组成的几何不变体。（图3-14a） （2）联合桁架：由几个简单桁架联合组成的几何不变的铰接体系。（图3-14b） （3）复杂桁架：不属于前两类的桁架。（图3-14c）
3.4.2 桁架内力计算的方法 桁架结构的内力计算方法主要为：结点法、截面法、联合法 结点法――适用于计算简单桁架。 截面法――适用于计算联合桁架、简单桁架中少数杆件的计算。 联合法――在解决一些复杂的桁架时，单独应用结点法或截面法往往不能够求解结构的内力，这时需要将这两种方法进行联合应用，从而进行解题。 解题的关键是从几何构造分析着手，利用结点单杆、截面单杆的特点，使问题可解。 在具体计算时，规定内力符号以杆件受拉为正，受压为负。结点隔离体上拉力的指向是离开结点，压力指向是指向结点。对于方向已知的内力应该按照实际方向画出，对于方向未知的内力，通常假设为拉力，如果计算结果为负值，则说明此内力为压力。 常见的以上几种情况可使计算简化： 1、不共线的两杆结点，当结点上无荷载作用时，两杆内力为零（图3-15a）。 F1=F2=0 2、由三杆构成的结点，当有两杆共线且结点上无荷载作用时（图3-15b），则不共线的第三杆内力必为零，共线的两杆内力相等，符号相同。 F1=F2 F3=0 3、由四根杆件构成的“K”型结点，其中两杆共线，另两杆在此直线的同侧且夹角相同（图3-15c），当结点上无荷载作用时，则不共线的两杆内力相等，符号相反。
3.4静定平面桁架 教学要求 掌握静定平面桁架结构的受力特点和结构特点，熟练掌握桁架结构的内力计算方法结点法、截面法、联合法 3.4.1桁架的特点和组成 341.1静定平面桁架 桁架结构是指若干直杆在两端铰接组成的静定结构。这种结构形式在桥梁和房屋建筑 中应用较为广泛，如南京长江大桥、钢木屋架等。 实际的桁架结构形式和各杆件之间的联结以及所用的材料是多种多样的，实际受力情况复杂，要对它们进行精确的分析是困难的。但根据对桁架的实际工作情况和对桁架进行 结构实验的结果表明，由于大多数的常用桁架是由比较细长的杆件所组成，而且承受的荷 载大多数都是通过其它杆件传到结点上，这就使得桁架结点的刚性对杆件内力的影响可以 大大的减小，接近于铰的作用，结构中所有的杆件在荷载作用下，主要承受轴向力，而弯 矩和剪力很小，可以忽略不计。因此，为了简化计算，在取桁架的计算简图时，作如下三个方面的假定：（1）桁架的结点都是光滑的铰结点。 （2）各杆的轴线都是直线并通过铰的中心。
（3）荷载和支座反力都作用在铰结点上。 通常把符合上述假定条件的桁架称为理想桁架。 341.2桁架的受力特点 桁架的杆件只在两端受力。因此，桁架中的所有杆件均为二力杆。在杆的截面上只有轴力。 3.4.1.3桁架的分类 （1 简单桁架：由基础或一个基本铰接三角形开始，逐次增加二兀体所组成的几何不变 ） 体。（图3-14a） （2 联合桁架：由几个简单桁架联合组成的几何不变的铰接体系。（图3-14b ）） （3 ）复杂桁架: 不属于前两类的桁架。（图3-14C ） 342桁架内力计算的方法 桁架结构的内力计算方法主要为：结点法、截面法、联合法
第二节静定平面桁架 一、桁架的内力计算中采用的假定 (1桁架的结点都是光滑的铰结点; (2各杆的轴线都是直线并通过铰的中心; (3荷载和支座反力都作用在结点上。 二、桁架的分类 (1简单桁架:由基础或一基本三角形开始,依次增加二元体形成。 (2联合桁架:由几个简单桁架按几何不变体系的组成规则形成。 (3复杂桁架:不属于前两类的桁架。 三、桁架的内力计算方法 1、结点法 取结点为隔离体,建立平衡方程求解的方法,每个结点最多只能含有两个未知力。该法最适用于计算简单桁架。 根据结点法,可以得出一些结点平衡的特殊情况,能使计算简化: (1两杆交于一点,若结点无荷载,则两杆的内力都为零(图2-2-1a 。 (2三杆交于一点,其中两杆共线,若结点无荷载,则第三杆是零杆,而共线的两杆内力大小相等,且性质相同(同为拉力或压力(图2-2-1b。 (3四杆交于一点,其中两两共线,若结点无荷载,则在同一直线上的两杆内力大小相等,且性质相同(图2-2-1c 。推论,若将其中一杆换成力F P ,则与F P 在同一直线上的杆的内力大小为F P ,性质与F P 相同(图2-2-1d 。 F N3
F N3=0 F N1=F N2=0 F N3=F N4(a (b(cF N4 (dF N3=F P F P N1F F N2 F N1 F N2 F N1 F N2 F N1 F N2 F N3 F N3 F N1=F N2,F N1=F N2, F N1=F N2, 图2-2-1
(4对称结构在正对称荷载作用下,对称轴处的“K ”型结点若无外荷载作用,则斜杆为零杆。例如 图2-2-2所示对称轴处与A 点相连的斜杆1、2都是零杆。 1A 2 F P F P A F P F P B F P F P B A (b(a X =0 图2-2-2 图2-2-3