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结构力学中的位移法
位移法是基于以下假设的：结构单元之间的约束全部通过边界条件来
体现，结构中的材料是线弹性材料，结构中的每个单元之间是相互独立和
互不干扰的。
位移法的基本思想是首先假设结构的位移场，然后利用位移场的表达
式和边界条件，推导出结构的应力、应变和位移等信息。
具体步骤如下：
1.确定结构的约束条件：根据结构的平衡条件，确定结构各部分之间
的约束关系。
一般包括边界条件和连接条件等。
2.建立位移场：通过将结构的变形分解为一系列位移函数的线性组合，建立位移场。
常用的位移函数包括常数、线性函数、二次函数等。
3.推导位移场的表达式：利用结构的几何关系和材料的力学性质，根
据平衡条件和应力-应变关系，推导出位移场的表达式。
4.边界条件和连接条件：利用结构的边界条件和连接条件，确定位移
场中的待定系数。
5.应力和应变的计算：利用位移场的表达式和应力-应变关系，计算
结构中各点的应力和应变。
6.变形和位移的计算：利用位移场的表达式，计算结构中各点的变形
和位移。
7.校核：通过校核位移场的可行性和合理性，验证所得结果的准确性。
位移法的优点是可以处理各种复杂的边界条件和载荷情况，适用于各
种不规则结构。
但是位移法也存在一些局限性，如要求解一些复杂结构时，可能需要大量的计算和繁琐的推导过程。
总之，位移法是结构力学中一种重要的解决结构问题的方法，通过确定结构的位移场来分析结构的力学性能，具有广泛的应用前景。
在实际工程中，位移法被广泛运用于结构设计和分析中，是一种非常有效的结构分析方法。
结构力学位移法结构力学是研究结构物的力学性能和变形规律的科学，位移法是结构力学中常用的一种分析方法。
它通过计算结构物各个节点的位移，进而求解出结构物的应力、应变等力学参数。
下面将详细介绍位移法的原理和应用。
一、位移法的原理位移法是一种基于力的平衡方程和位移的相关性质来计算结构物响应的方法。
它的基本原理是通过建立结构物的整体刚度方程，解这个方程得到各节点的位移，再根据位移计算出相应节点上的应力和应变。
在应用位移法时，首先需要确定结构物的受力状态，即施加在结构物上的外力和边界条件。
然后，根据结构物的几何约束条件和材料特性，建立结构物的整体刚度方程。
这个方程是一个描述结构物节点位移与受力关系的方程，通常表示为[K]{D}={F}，其中[K]是结构物的刚度矩阵，{D}是节点位移矩阵，{F}是节点受力矩阵。
解刚度方程可以得到节点位移矩阵{D}，再通过位移与应力或应变的关系，计算出各个节点上的应力和应变。
常用的位移与应力或应变的关系包括伯努利梁理论、平面假设等。
最后，根据应力或应变条件，判断结构物的安全性和稳定性。
二、位移法的应用位移法广泛应用于各种结构物的力学分析和设计中，特别是对于复杂结构和非线性问题的分析更具优势。
1.梁和框架的分析对于梁和框架结构，可以根据位移法计算出节点上的位移、弯矩、剪力和轴力等力学参数。
通过对结构物的力学性能的准确分析，可以进行合理的结构设计和优化。
2.刚架和刚构的计算在刚架和刚构的计算中，位移法可以用来求解节点刚度，从而得到结构物的受力分布和变形情况。
这对于评估结构物的稳定性和刚度有重要意义。
3.非线性问题的分析位移法还可以应用于非线性结构的分析，如软土地基的承载力计算、非线性材料的应力分析等。
在这些情况下，结构物的刚度和应力等参数会随着受力状态的变化而发生变化，需要通过迭代的方法来求解。
4.动力分析位移法也可以用于结构物的动力分析。
动力分析主要研究结构物在动态载荷下的响应和振动特性。
第7 章位移法一.教学目的掌握位移法的基本概念；正确的判断位移法基本未知量的个数；熟悉等截面杆件的转角位移方程；熟练掌握用位移法计算荷载作用下的刚架的方法了解位移法基本体系与典型方程的物理概念和解法。
二.主要章节§7-1 位移法的基本概念§7-2 杆件单元的形常数和载常数—位移法的前期工作§7-3 位移法解无侧移刚架§7-4 位移法解有侧移刚架§7-5 位移法的基本体系§7-6 对称结构的计算＊§ 7-7 支座位移和温度改变时的位移法分析（选学内容）§7-8 小结§7-9 思考与讨论三.学习指导位移法解超静定结构的基础是确定结构的基本未知量以及各个杆件的转角位移方程，它不仅可以解超静定结构，同时还可以求解静定结构，另外，要注意杆端弯矩的正负号有新规定。
四.参考资料《结构力学（I）基本教程第3版》P224〜P257第六章我们学习了力法，力法和位移法是计算超静定结构的两个基本方法，力法发展较早，位移法稍晚一些。
力法把结构的多余力作为基本未知量，将超静定结构转变为将定结构，按照位移条件建立力法方程求解的；而我们今天开始学的这一章位移法则是以结构的某些位移作为未知量，先设法求出他们，在据以求出结构的内力和其他位移。
由位移法的基本原理可以衍生出其他几种在工程实际中应用十分普遍的计算方法，例如力矩分配法和迭代法等。
因此学习本章内容，不仅为了掌握位移法的基本原理，还未以后学习其他的计算方法打下良好的基础。
此外，应用微机计算所用的直接刚度法也是由位移法而来的，所以本章的内容也是学习电算应用的一个基础。
本章讨论位移法的原理和应用位移法计算刚架，取刚架的结点位移做为基本未知量，由结点的平衡条件建立位移法方程。
位移法方程有两种表现形式：①直接写平衡返程的形式（便于了解和计算）②基本体系典型方程的形式（利于与力法及后面的计算机计算为基础的矩阵位移法相对比，加深理解）§ 7-1位移法的基本概念1.关于位移法的简例为了具体的了解位移法的基本思路，我们先看一个简单的桁架的例子:课本P225。
第七章 结构位移计算到上节课为止，我们把五种静定杆件结构的计算问题全讨论过了。
我们知道内力计算问题属强度问题→是结力讨论的首要任务。
讲第一章时，结力的第二大任务：刚度问题，而要解决…，首先应该…杆件结构位移计算 （结构变形+刚度位移）→{刚度校核截面设计确定P max又是超静定结构计算的基础（双重作用）。
另外本章主要讨论各种杆件结构的位移计算问题。
结构位移计算的依据是虚功原理，所以本章先讨论刚体、变形体的虚功原理，然后推导出杆件结构位移计算的一般公式，再讨论各种具体结构的位移计算。
§7-1概述一、结构的位移画图：梁、刚架、桁架 （内力N 、Q 、M ——拉伸、剪切、弯曲）截面C 线位移：C ∆ 角位移：C ϕ结点的线位移： 两点（截面）相对线位移： 杆件的角位移： AB ϕ 两截面相对角位移： 两杆件相对角位移：1、位移定义：由于结构变形或其它原因使结构各点的位置产生（相对）移动（线位移），使杆件横截面产生（相对）转动（角位移）。
截面C 线位移：C ∆。
一般 分解成水平、垂直两方向：CH ∆、CV ∆ 角位移：C ϕ2、位移的分类：6种绝对位移：点（截面）线位移——分解成水平、垂直两方向截面角位移：杆件角位移：相对位移：两点（截面）相对线位移——沿连线方向两截面相对角位移：两杆件相对角位移：统称为：广义位移：角、线位移；相对、绝对位移Δki：k：产生位移的方向；i：引起位移原因。
如ΔA P、Δat、ΔA C广义力：集中力、力偶、分布荷载，也可以是上述各种力的综合二、引起位移的原因1、荷载作用：（荷载→内力→变形→位移）2、温度改变：静定结构，温度改变，→0应力非0应变→结构变形（材料胀缩引起的位移性质同）3、支座移动；(无应力，无应变，但几何位置发生变化){刚体位移（制造误差同）变形位移三、计算位移的目的1）刚度验算：最大挠度的限制（框架结构弹性层间位移限值1/450）2）为超静定结构的弹性分析打下基础3）预先知道变形后的位置，以便作出一定的施工措施：（起重机吊梁、板）（屋架安装）（建筑起拱）（屋窗、门、过梁）（结构要求高，精密）四、计算位移的有关假定（简化计算）1）弹性假设2）小变形假设建立平衡、应变与位移、位移与荷载成线性关系3）理想约束（联结，不考虑阻力摩擦）变形体系{ 线性变形体系（线弹性体系）荷载和位移呈线性关系，且荷载全撤除后位移将全部消失，无残余变形，（可用位移叠加原理）非线形变形体系（分段线形叠加）4）位移叠加原理（类似内力、反力叠加）§7-2 变形体系的虚功原理一、 位移实位移：外因作用下结构实际位移虚位移：根据解题需要，虚设位移状态 （满足变形协调＋边界条件） 统称为：广义位移二、功：力所做的功：该力大小乘以力方向上的相应位移常力的功： T ＝P ×Δ＝P ×D ×cos a （大小、方向、作用点不变） 变力的功：Ｔ＝⎰s dT ＝⎰s P ×cos （P ，d s ）×d s力偶所做的功：功两要素：力与位移P ：广义力（力、力偶、相对力、相对力偶）Δ：和广义力相对应的广义位移（线、角、相对线、相对角）注意：在定义功T 时，没有说位移Δ是由力P 引起的，可能由P 或其它原因，但P 力照样作功。
第7章位移法一. 教学目的掌握位移法的基本概念；正确的判断位移法基本未知量的个数；熟悉等截面杆件的转角位移方程；熟练掌握用位移法计算荷载作用下的刚架的方法了解位移法基本体系与典型方程的物理概念和解法。
二. 主要章节§7-1 位移法的基本概念§7-2 杆件单元的形常数和载常数—位移法的前期工作§7-3 位移法解无侧移刚架§7-4 位移法解有侧移刚架§7-5 位移法的基本体系§7-6 对称结构的计算＊§7-7支座位移和温度改变时的位移法分析（选学内容）§7-8小结§7-9思考与讨论三. 学习指导位移法解超静定结构的基础是确定结构的基本未知量以及各个杆件的转角位移方程，它不仅可以解超静定结构，同时还可以求解静定结构，另外，要注意杆端弯矩的正负号有新规定。
四. 参考资料《结构力学(Ⅰ)-基本教程第3版》P224～P257第六章我们学习了力法，力法和位移法是计算超静定结构的两个基本方法，力法发展较早，位移法稍晚一些。
力法把结构的多余力作为基本未知量，将超静定结构转变为将定结构，按照位移条件建立力法方程求解的；而我们今天开始学的这一章位移法则是以结构的某些位移作为未知量，先设法求出他们，在据以求出结构的内力和其他位移。
由位移法的基本原理可以衍生出其他几种在工程实际中应用十分普遍的计算方法，例如力矩分配法和迭代法等。
因此学习本章内容，不仅为了掌握位移法的基本原理，还未以后学习其他的计算方法打下良好的基础。
此外，应用微机计算所用的直接刚度法也是由位移法而来的，所以本章的内容也是学习电算应用的一个基础。
本章讨论位移法的原理和应用位移法计算刚架，取刚架的结点位移做为基本未知量，由结点的平衡条件建立位移法方程。
位移法方程有两种表现形式：①直接写平衡返程的形式（便于了解和计算）② 基本体系典型方程的形式（利于与力法及后面的计算机计算为基础的矩阵位移法相对比，加深理解）§7-1 位移法的基本概念1.关于位移法的简例为了具体的了解位移法的基本思路，我们先看一个简单的桁架的例子：课本P225。
图7-1和图7-2所示。
(a) (a)(b) (b)图7-1 图7-2第一步：从结构中取出一个杆件进行分析。
（杆件分析）图7-2中杆件AB 如已知杆端B 沿杆轴向的位移为i u （即杆件的伸长）则杆端力Ni F 为：i iiNi u l EA F（7-1） E-为弹性模量，A-为杆件截面面积，i l -为杆件长度iil EA --使杆端产生单位位移时所需施加的杆端力 -- 刚度系数 公式（7-1）的物理意义：表明杆件的杆端力Ni F 与杆端位移i u 之间的关系---杆件的刚度方程。
第二步：把各杆件综合成结构。
（整体分析）各杆端位移i u 与基本未知量∆之间的关系为：i i Sin u α∆= (a) B 点的平衡条件为0=∑y F 得：p i i Ni F Sin F =∑=α51 （b ）由7-1式和（a ）式带入(b)式得：p i i ii F Sin l EA=∑=∆α251 （c ）（c ）式就是位移法的基本方程，它表明结构的位移∆与荷载p F 之间的关系。
由（c ）式可得：∑==512i i iiPSin l EA F α∆ （d ） 完成了位移法中的关键一步 求各杆轴力可将求得的∆代入（a ）式得i i i iiPi Sin Sin l EA F u αα∑==512再代入（7-1）得：P i i iii iiNi F Sin l EA Sin l EA F ∑==512αα (e)在图7-1中如果只是两根杆时结构是静定的（相当于固定一个结点的方式，用两根不共线的链杆）。
当杆数大于2时，结构式超静定的。
所以用位移法计算时，计算方法并不因结构是静定结构还是超静定结构而有所不同。
由以上简例可以归纳出位移法的要点如下：（1） 位移法的基本未知量是结构的结点位移（图7-1中的B 点的位移∆） （2） 位移法的基本方程是平衡方程（B 点的y 方向的投影平衡方程式0=∑y F ） （3） 建立基本方程的过程分为两步：a ：将结构拆成杆件，进行杆件分析得出杆件的刚度方程；b ：再把杆件综合成结构，进行整体分析得出基本方程。
（4）根据位移法方程解出基本未知量并由此计算各杆的内力。
位移法就是将结构拆了再搭的计算过程—基本思路。
杆件分析是结构分析的基础，杆件的刚度方程是位移法的基本方程的基础。
因此位移法也称为刚度法。
位移法与力法的区别：1.主要区别是基本未知量不同：力法是取结构中的多余未知力作为基本未知量；位移法是以结点位移(线位移和角位移)作为基本未知量。
2.建立的基本方程不同：力法是由变形协调条件建立位移方程；位移法是由平衡条件建立的平衡方程。
注：力法的基本未知量的数目等于超静定次数，而位移法的基本未知量与超静定次数无关。
如左图所示：力法计算, 9个基本未知量；位移法计算, 1个基本未知量2.位移法计算刚架的基本思路以上结合链杆系的情况对位移法的基本思路做了简短的说明。
现在再结合刚架的情况作进一步的介绍。
在刚架的分析中，通常只考虑弯曲变形，忽略剪切和拉伸变形。
下面结合简单实例说明位移法的基本思路。
图7-3如图7-3a 所示的刚架，在荷载的作用下发生变形，杆件AB、BC 在结点B处有相同的转角θ，称为结点B的角位移。
将整个刚架分解为AB、BC 杆件，则AB 杆件相当于两端固定的单跨粱，固定端B 发生一转角θ( 图7-3b )，BC 杆相当于一端固定另一端铰支的单跨粱，受荷载作用，同时在 B 端发生角位移( 图7-3c )。
如果能够求出角位移，则能够计算出杆件的内力，问题的关键是求结点的角位移。
用位移法计算刚架，结点的位移是处于关键地位的未知量，基本思路是拆了再搭，将刚架拆成杆件，进行求解；再将杆件合成为刚架，利用平衡条件求出位移。
对于位移法的基本计算将在今后具体分析。
§7-2 等截面杆件的刚度方程一. 教学目的本节是位移法的基础，理解杆端力与杆端位移及荷载之间的关系，正确理解杆端剪力和弯矩的符号，掌握杆端位移方程，能够判定和选择杆端剪力和弯矩。
二. 主要内容1. 由杆端位移求杆端弯矩(1) 由杆端位移求杆端弯矩(2)2. 由荷载求固端弯矩(1) 由荷载求固端弯矩(2) 三. 学习指导本节主要讨论一个杆件的杆端力与杆端位移及荷载之间的关系，要正确理解其中的关系和符号。
根据位移法的基本思路，以及为了更好的进行位移法的计算，需要讨论等截面杆件的两个问题：由杆端位移求杆端弯矩和由荷载求固端弯矩。
四. 参考资料《结构力学教程(Ⅰ)》 P227～P232 7.2.1 由杆端位移求杆端弯矩(1)图7-4为等截面杆件，截面惯性矩为常数。
已知端点A 和B 的角位移分别是θA 和θ B ，两端垂直于杆轴的相对线位移为Δ，拟求杆端弯矩AB M 、BA M 。
图7-4在位移法中位移的正负号规定为：结点转角，弦转角和杆端弯矩一律以顺时针为正。
这一点一定要注意与以前的不同。
应用单位荷载法可得出：杆件的线刚度i=EI/l解联立方程可得：利用平衡条件可求出杆端剪力如下：于是可将上式写为：则矩阵称为杆件的刚度矩阵，其中的系数称为刚度系数，又称为形常数。
上面公式利用力法计算过程：1.用力法来计算简支梁在两端力偶AB M 、BA M 作用下产生的杆端转角'A θ、'B θ。
图2M (d)11=X 图1M (c)1)6131(]212322)([1BA AB BA BA AB A M M EI l l M l M M EI -=⨯⋅-⨯⋅+=θ BABM BAM 图P M (b)BAM2.考虑两端有相对竖向位移 ∆，图7-5l ''B ''A ∆θθ==杆件的线刚度 i =EI /l ，所以：下面讨论杆端具有不同约束时的刚度方程。
7.2.1 由杆端位移求杆端弯矩(2)根据前面的讨论得出一般情况下的刚度方程以下将利用以上结论讨论杆件在不同的支承条件下的刚度方程。
对于图7-6a B 端为固定支座，θB = 0 ，则得)6131(]212312)([1AB BA BA BA AB B M M EI l l M l M M EI -=⨯⋅-⨯⋅+=θ对于图7-6b B 端为铰支座，M BA = 0 ，则得对于图7-6c B 端为滑动支座，θB =0 和 F QAB = 0 F QBA =0 ，则得图7-6下面将讨论由荷载引起的固端弯矩。
7.2.3 由荷载求固端弯矩(1)—载常数对于常见的三种粱：两端固定；一端固定、另一端简支；一端固定另一端滑动支承，下表给出常见荷载作用下的杆端弯矩和剪力，又称固端弯矩和剪力用F AB M 、F BA M 、FQBA F 、F QBA F 表示，其正负号要注意。
因为它们只与荷载形势有关的常数，所以又称载常数。
下面是固端弯矩和剪力，表7-1。
单跨超静定梁由单位杆端位移引起的杆端力称为形常数。
最后利用叠加原理得到杆端弯矩的一般公式为：上式也称为等截面直杆的转角-位移方程。
§7-3 无侧移刚架的计算一. 教学目的本节是位移法在计算刚架中的直接应用，能够正确的确定基本未知量，熟练的掌握转角位移方程的应用并能够求解无侧移刚架和粱的内力。
二. 主要内容1. 一般概念及过程2. 实例分析三. 学习指导本节的关键是转角位移方程的应用，其中荷载项可查表计算，注意正负号的规定，要多进行练习。
四. 参考资料《结构力学(Ⅰ)》P232～P2357.3.1 一般概念及过程无侧移刚架：刚架的各结点（不包括支座）只有角位移而没有线位移。
下面通过连续梁的计算来介绍位移法的实际过程。
图7-8a 为一连续粱，试分析内力。
图7-81. 基本未知量只有结点B 的角位移θB2. 查表列出各杆的固端弯矩158-=-=L F MP F ABMpa ；158==L F M P FBA Mpa ；982-=-=qL M F BC Mpa 3.各杆的杆端弯矩：4. 建立位移法基本方程，结点B 为隔离体图7-8b ，列平衡方程，并求解5. 计算各杆杆端弯矩最后画出弯矩图（图7-8c ）。
画图时注意弯矩画在受拉一侧。
一般的情况，每一个刚结点由一个结点转角----基本未知量；与此相应，在每一个刚结点处又可写一个力矩平衡方程----基本方程。
刚架分析 7.3.2 实例分析利用位移法计算图7-9a 刚架的内力。
图7-91. 基本未知量共有两个刚结点，因而有两个基本未知量：θ B 和θC 2. 用转角位移方程表达杆端弯矩固端弯矩各杆线刚度的计算列各杆的杆端弯矩3.利用结点B、C的力矩平衡方程（图7-9b）4.求基本未知量θB = 1.15θC = -4.895.计算杆端弯矩并画弯矩图(图7-9c)§7-4 有侧移刚架的计算一. 教学目的通过本节的学习，要能够正确的确定位移法基本未知量----刚结点的角位移、独立的结点线位移，掌握转角位移方程的应用并能够求解有侧移刚架的内力。
