结构力学龙驭球力法

第5章静定结构位移计算的虚力法
5.1 复习笔记
本章重点介绍了虚力法的原理以及如何运用虚力法对不同结构在各种荷载作用下的指定位移进行求解。

遵循“化整为零、积零为整”的思想，对结构的局部位移公式进行了分项讨论，在虚力法的指导下叠加组成了结构的整体变形公式，随后将虚力法升华到了对广义单位荷载的设定以及对广义位移的求解；通过引入图乘法，结构的弯矩变形公式的求解变得更加快捷且精确；最后介绍了温度影响下结构的位移求解并归纳了线性变形体系的四个互等定理。

一、虚力法求刚体体系的位移（见表5-1-1）
表5-1-1 虚力法求刚体体系的位移
图5-1-1
二、虚力法求静定结构的位移（见表5-1-2）
表5-1-2 虚力法求静定结构的位移
表5-1-3 广义位移分类
三、两个对偶解法——虚力法求位移、虚位移法求内力（见表5-1-4）
表5-1-4 两个对偶解法——虚力法求位移、虚位移法求内力
四、荷载作用时静定结构的弹性位移计算（见表5-1-5）
表5-1-5 荷载作用时静定结构的弹性位移计算
五、图乘法（见表5-1-6）
表5-1-6 图乘法
图5-1-2 六、温度改变时静定结构位移计算（见表5-1-7）。

第6章力法一、选择题1．图6-1所示结构的弯矩图轮廓是（选项见图）（）。

[浙江大学2012研]图6-1【答案】A【解析】B项，将支座位移分成正对称和反对称两种情况来分析，在Δ/2正对称位移作用下，弯矩图为0；在Δ/2反对称位移作用下，弯矩图为反对称。

CD两项，根据竖杆的弯矩图判断出CD两项的两柱都有水平方向的剪力且方向相同，但由于原结构上无荷载作用，不满足∑=0F。

x2．设图6-2所示结构在荷载作用下，横梁跨中产生正弯矩。

现欲使横梁跨中产生负弯矩，应采用的方法是（）。

[哈尔滨工业大学2012研]A．减小加劲杆刚度及增大横梁刚度B．增大加劲杆刚度及减小横梁刚度C．增加横梁刚度D．减小加劲杆刚度图6-2【答案】B【解析】本题关键在于中间的竖杆。

当竖杆EA→0时，相当于没有竖杆，这时水平杆为简支梁，跨中弯矩为正弯矩；当竖杆EA→∞时，相当于刚性支座杆，这时水平杆为双跨梁，跨中弯矩为负弯矩。

因此增大劲杆刚度会使跨中产生负弯矩；同样如果减小横梁刚度，也就相当于劲杆的刚度相对增加了。

3．图6-3（a）、（b）所示两结构（EI＝常数），右端支座均沉降Δ＝1，两支座弯矩关系为（）。

[西南交通大学2009研]A．M B＞M DB．M B＝M DC．M B＜M DD．MB＝－M D图6-3【答案】C【解析】画出6-3（a）、（b）两图对应的图及支座位移引起的位移图，分别见图6-3（c）、（d）、（e）、（f），对应的力法方程分别为δ11X1＋Δ1C＝0和。

两式系数的关系为：，[因为图乘时图6-3（c）中斜杆的长度大于图6-3（e）中相应直杆的长度]，因此，而，所以M B＜M D。

二、填空题1．原结构及温度变化（E 1I1，）下的M图如图6-4所示，若材料的有关特性改为（E2I2，），且/＝1.063，E1I1/E2I2＝1.947，以外侧受拉为正，则M B＝________。

[天津大学2008研]图6-4【答案】61.84kN·m【解析】根据已知条件得：，因此M B缩小为原来的2.07倍，即M B2＝128/2.07＝61.84kN·m。

第5章静定结构位移计算的虚力法
5.1复习笔记
本章重点介绍了虚力法的原理以及如何运用虚力法对不同结构在各种荷载作用下的指定位移进行求解。

遵循“化整为零、积零为整”的思想，对结构的局部位移公式进行了分项讨论，在虚力法的指导下叠加组成了结构的整体变形公式，随后将虚力法升华到了对广义单位荷载的设定以及对广义位移的求解；通过引入图乘法，结构的弯矩变形公式的求解变得更加快捷且精确；最后介绍了温度影响下结构的位移求解并归纳了线性变形体系的四个互等定理。

一、虚力法求刚体体系的位移（见表5-1-1）
表5-1-1虚力法求刚体体系的位移
二、虚力法求静定结构的位移（见表5-1-2）
表5-1-2虚力法求静定结构的位移
表5-1-3广义位移分类
三、两个对偶解法——虚力法求位移、虚位移法求内力（见表5-1-4）
表5-1-4两个对偶解法——虚力法求位移、虚位移法求内力
四、荷载作用时静定结构的弹性位移计算（见表5-1-5）
表5-1-5荷载作用时静定结构的弹性位移计算。

第7章位移法7.1 复习笔记本章重点介绍了位移法的原理以及如何运用位移对超静定结构在各种荷载作用下的内力和位移进行求解。

位移法和力法像一幅对联，是超静定结构分析中的两个基本方法。

力法通过撤除多余约束达到简化计算的目的，而位移法通过添加约束达到此目的。

此外，二者对偶关系总结如下：力法：虚设单位力——求结构柔度——利用变形协调——求解未知约束力——算出结构内力。

位移法：虚设单位位移——求结构刚度——利用受力平衡——求解未知位移——算出结构内力。

两种方法殊途同归，在结构计算中应该综合考虑结构特点和求解目标选取合理的手法，使结构计算更加方便、快捷、准确。

一、位移法的基本概念（见表7-1-1）表7-1-1 位移法的基本概念二、杆件单元的形常数和载常数——位移法的前期工作采用位移法对刚架的等截面杆件进行分析时，杆件端部弯矩受两方面影响：①杆端位移产生的杆端弯矩——形常数；②外荷载产生的固端弯矩——载常数。

1．由杆端位移求杆端内力——形常数（见表7-1-2）表7-1-2 由杆端位移求杆端内力——形常数图7-1-12．由荷载求固端内力——载常数荷载作用下的杆端弯矩和杆端剪力，称为固端弯矩和固端剪力。

由于它们是只与荷载形式有关的常数，所以又称载常数，不同支座形式下杆件的固端弯矩和剪力值见表7-1-3。

表7-1-3 等截面杆件的固端弯矩和剪力三、位移法解无侧移刚架（见表7-1-4）表7-1-4 位移法解无侧移刚架四、位移法解有侧移刚架（表7-1-5）表7-1-5 位移法解有侧移刚架图7-1-2五、位移法的基本体系（见表7-1-6）表7-1-6 位移法的基本体系图7-1-3图7-1-4图7-1-5图7-1-6六、位移法解对称结构（见表7-1-7）表7-1-7 位移法解对称结构。

第6章力法6.1 复习笔记本章重点介绍了力法的原理以及如何运用力法对超静定结构在各种荷载作用下的内力和位移进行求解。

首先，从单次超静定结构到多次超静定结构，对力法的解题步骤进行了归纳并推导出了力法的典型方程；随后，论述了超静定结构超静定次数的判定方法，演示了刚架、排架、桁架、组合结构、对称结构在荷载作用以及支座移动和温度改变下的力法分析步骤，讨论了基于力法和虚功原理的超静定结构的位移计算思路；最后，强调了超静定结构计算中校核的重要性，以确保最终计算结构的准确性和可靠性。

一、力法的基本概念1．力法的基本未知量、基本体系和基本方程力法的基本概念，包括基本未知量、基本体系、基本结构以及基本方程见表6-1-1，此外，表中还归纳了超静定结构的力法分析步骤。

表6-1-1 力法的基本未知量、基本体系和基本方程2．多次超静定结构的力法分析（见表6-1-2）表6-1-2 多次超静定结构的力法分析步骤3．力法典型方程从一次超静定结构的力法分析到二次超静定结构的力法分析，可以发现一定的规律，那么具有n次超静定结构的力法典型方程归纳如下：式中，ΔiP表示由荷载产生的沿X i方向的位移；δij表示由单位力X j＝1产生的沿X i＝1方向的位移，常称为柔度系数，且δij＝δji。

在解得多余未知力之后，超静定结构的内力可根据叠加原理计算如下：或根据结构受力平衡求解。

二、超静定次数的确定——力法的前期工作（见表6-1-3）表6-1-3 超静定次数的确定——力法的前期工作三、力法解超静定刚架和排架（见表6-1-4）表6-1-4 力法解超静定刚架和排架四、力法解超静定桁架和组合结构（见表6-1-5）表6-1-5 力法解超静定桁架和组合结构五、力法解对称结构（表6-1-6）表6-1-6 力法解对称结构。

第6章力法6.1 复习笔记一、超静定次数的确定——力法的前期工作1．超静定结构的静力平衡特征和几何构造特征（1）静力平衡特征一个结构，如果它的支座反力和各截面的内力不能完全由静力平衡条件唯一地加以确定，就称为超静定结构。

（2）几何构造特征超静定结构是有多余约束的几何不变体系。

2．超静定次数的确定（1）从几何构造看，超静定次数＝多余约束的个数。

（2）从静力分析看，超静定次数＝未知力个数－平衡方程的个数。

（3）求超静定次数时，应注意以下事项：①撤去一根支杆或切断一根链杆，等于拆掉一个约束；②撤去一个铰支座或撤去一个单铰，等于拆掉两个约束；③撤去一个固定端或切断一个梁式杆，等于拆掉三个约束；④在连续杆中加入一个单铰，等于拆掉一个约束；⑤不要把必要约束拆掉；⑥要把全部多余约束都拆除。

二、力法的基本概念1.力法的基本未知量、基本体系和基本方程 （1）力法的基本未知量把多余未知力的计算问题当作超静定问题的关键问题，把多余未知力当作处于关键地位的未知力——称为力法的基本未知量。

（2）力法的基本体系和基本结构①含有多余未知力的静定结构，称为力法的“基本体系”； ②去掉多余约束力和荷载后的静定结构，称为力法的“基本结构”。

（3）力法的基本方程11δ——基本结构在单位未知力单独作用下沿1X 方向的位移；1X ——未知力；1P ∆——基本结构在荷载单独作用下沿1X 方向的位移。

2.多次超静定结构的计算 （1）二次超静定结构①图6-1-1（a ）为二次超静定结构，取B 点两个支杆为多余约束，用X 1、X 2作为基本未知量代替，则基本体系如图6-1-1（b ）所示。

图6-1-1②二次超静定结构的力法基本方程（2）多次超静定——力法典型方程——由荷载产生的沿方向的位移；——由单位力产生的沿方向的位移，常称为柔度系数。

在得到多余未知力的数值之后，超静定结构的内力可根据平衡条件求出，或者根据叠加原理用下式计算三、力法解超静定刚架和排架1.刚架的解法步骤（1）选取基本体系；（2）列出力法方程；（3）求系数和自由项；（4）求多余未知力；（5）作内力图。

第10章超静定结构总论10.1 复习笔记本章对超静定结构的相关知识进行了归纳总结。

主要探讨了超静定结构在不同因素影响下的受力特性，归纳了超静力影响线的绘制步骤。

较之静定结构，超静定结构的“超”主要表现在三个方面：①多余约束从无到有；②自内力状态从无到有；③刚度参数对内力的影响从无到有。

一、超静定结构的受力特性通常以力法的基本原理为指导，采用静定与超静定相比较的方法，探讨超静定结构在不同因素影响下的受力特性，具体分析见表10-1-1。

表10-1-1 各因素对超静定结构与静定结构受力特性影响的比较二、超静定力的影响线表10-1-2 超静定力的影响线表10-1-3 静定结构与超静定结构影响线解法对比10.2 课后习题详解10-1 试选择图10-2-1所示各结构的计算方法，并作M图。

图10-2-1解：（a）图10-2-1（a）中荷载可分解为一对正对称荷载与一对反对称荷载。

取正对称荷载下半边分析为二次超静定结构，取其基础结构如图10-2-2所示。

图10-2-2分别作M1、M2、M P图如图10-2-3、10-2-4和10-2-5所示。

图10-2-3 M1图图10-2-4 M2图图10-2-5 M P图所以δ11＝2h3/（3EI），δ12＝δ21＝5h2/（16EI），δ22＝7h/（3EI）Δ1P＝－F P h3/（3EI），Δ2P＝－F P h2/（12EI）由力法方程解得结构无弯矩。

取反对称荷载分析，取半边结构如图10-2-6所示。

图10-2-6图10-2-6所示为静定结构，中间杆为附属结构，对最下侧约束分析可得最上侧约束反力为2F P h/l。

先画弯矩图，如图10-2-7所示，再画整体结构弯矩图，如图10-2-8所示。

图10-2-7图10-2-8 M图（b）图10-2-1（b）所示为对称结构且施加对称荷载，取1/4结构如图10-2-9所示。

图10-2-9图10-2-9所示为有一个多余约束的几何不变体系。

第18章　结构力学与方法论18.1　复习笔记一、静定结构算法中蕴含的方法论1．结构计算简图（建模法）——分清主次，分合法的范例建模要点是善于分析综合，分清主次，剪枝留干。

2．隔离体方法——转化搭桥，过渡法的范例隔离体是截断约束后从结构中隔离出来自由刚体，在“变力”作用下，隔离体的“表现”一般是处于不平衡状态，然后进行对比，认出由不平衡到平衡的转化条件，建立平衡方程，最后求出约束力。

3．受力分析与构造分析之间的对偶关系——对偶呼应，对比法的范例（1）最理想情况每建立一个新的平衡方程时，只出现一个新的未知力。

（2）选取隔离体规律后打先拆。

（3）静定多跨梁先附属部分，后基本部分。

（4）简单桁架截取结点的顺序与桁架组成时添加结点的顺序相反。

（5）联合桁架先用截面法求，再按结点法求。

（6）复杂桁架代替杆法变成简单桁架，求出该杆轴力，然后用结点法求其余杆轴力。

4．内力影响线的机动作法——交叉比拟，对比法的范例（1）理论基础是虚功原理。

（2）应用虚功方程可以用几何方法来解静力问题，也可以用静力方法来解几何问题。

二、超静定结构算法中蕴含的方法论1．力法的策略——转化搭桥，过度法的范例（1）由静定向超静定过渡力法的基本未知量、基本体系和基本方程。

（2）归纳要点把不变量化为变量，把状态化为过程。

由过程转化为条件，建立起基本方程。

2．位移法的策略——拆了再搭，分合法的范例（1）力法和位移法区别①力法选取的是力，位移法选取的是位移；②力法采取的是去约束，位移法采取的是加约束；③力法是先切后连，位移法是先锁后松。

（2）计算步骤①把刚架离散成杆件，进行单元分析；②把单元装配成整体，进行整体分析。

（3）单元分析在杆端变量位移和给定荷载作用下求单元的内力，建立转角位移方程和导出固端弯矩和剪力。

（4）整体分析在装配结点建立位移协调条件和力的平衡条件。

3．力法、位移法与余能法、势能法对偶关系图18-14．混合法——杂交混合混合是优点的混合，分区混合法正是将力法和位移法各自的优点兼备于一身的方法。

第13章能量原理
一、判断题
1．用能量法计算无限自由度体系的临界荷载，所得计算结果均不小于精确解。

（）【答案】对
二、综合分析题
1．用余能驻值原理求图示结构的M图。

图13-1
解：（1）确定静力可能内力
选取力法基本体系如图13-2（a）所示。

在图示选定的坐标下，基本结构在荷载、多余力X1作用下的各段的弯矩分别为：BC段，M（x）＝X1×x；AB段，M（x）＝F P×x；DE 段，M（x）＝F P×x。

（2）求结构余能E C
（3）应用余能驻值条件即9X1＋0＝0；由此求得X1＝0.
（4）求内力
该结构的M图如图13-2（b）所示。

图13-2
2．图13-3所示超静定结构，各杆的抗拉（压）刚度EA相同，材料的线膨胀系数均为α。

设杆1在制造时长了δ，装配成结构以后，各杆温度又同时上升了t℃，试应用势能驻值原理求各杆的轴力。

图13-3
解：（1）确定几何可能位移
如图13-4所示，设A点的竖向位移为△，则AB、AD杆的伸长均为，从而可得
AC、AB、AD杆的应变为
图13-4
其中ε1由三部分构成，ε2、ε3由两部分构成如下：
可以求得
可以求得
（2）求结构的势能
结构的应变能为各杆的拉伸应变能之和
结构的荷载势能为：V P＝0 结构的势能为
（3）应用势能驻值原理
由此求得：
（4）求内力。