第五章超静定结构附加内力分析

超静定结构的受力分析及特性一、超静定结构的特征及超静定次数超静定结构的静力特征是仅由静力平衡条件不能唯一地确定全部未知反力和内力。

结构的多余约束数或用静力平衡条件计算全部未知反力和内力时所缺少的方程数称为结构的超静定次数。

通常采用去除多余约束的方法来确定结构的超静定次数。

即去除结构的全部多余约束，使之成为无多余约束的几何不变体系，这时所去除的约束数就是结构的超静定次数。

去除约束的方法有以下几种：(一)切断一根两端铰接的直杆(或支座链杆)，相当于去除一个约束。

(二)切断一根两端刚接的杆件，相当于去除三个约束。

(三)切断——个单铰(或支座固定铰)，相当于去除二个约束;切断一个复铰(连接n根杆件的铰)，相当于去除2(n—1)个约束。

(四)将单刚结点改为单铰节点，相当于去除一个约束;将连接n个杆件的复刚节点改为复铰节点，相当于去除n—1个约束。

去除一个超静定结构多余约束的方法可能有几种，但不管采用哪种方法，所得超静定次数一定相同。

去除图4—1a所示超静定结构的多余约束的方法之一如图4—1b所示，去除六个多余约束后，就成为静定结构，故为超静定六次。

再用其他去除多余约束的方案确定其超静定次数，结果是相同的。

二、力法的基本原理(一)力法基本结构和基本体系去除超静定结构的多余约束，代以相应的未知力Xi (i=1、2、…、n)，Xi 称为多余未知力或基本未知力，其方向可以任意假定。

去除多余约束后的结构称为力法基本结构。

力法基本结构在各多余未知力、外荷载(有时还有温度变化、支座位移等)共同作用下的体系称为力法基本体系，它是用力法计算超静定结构的基础。

选取力法基本结构应注意下面两点：1.基本结构一般为静定结构，即无多余约束的几何不变体系。

有时当简单超静定结构的解为已知时，也可以将它作为复杂超静定结构的基本结构，以简化计算。

2.选取的基本结构应使力法典型方程中的系数和自由项的计算尽可能简便，并尽量使较多的副系数和自由项等于零。

第一章荷载类型1、荷载与作用在概念上有何不同？荷载：是由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力。

作用：能使结构产生效应的各种因素总称。

2、说明直接作用和间接作用的区别。

将作用在结构上的力的因素称为直接作用，将不是作用力但同样引起结构效应的因素称为间接作用，如温度改变，地震，不均匀沉降等。

只有直接作用才可称为荷载。

3、作用有哪些类型？请举例说明哪些是直接作用？哪些是间接作用？①随时间的变异分类：永久作用、可变作用、偶然作用②随空间位置变异分类：固定作用、可动作用③按结构的反应分类：静态作用、动态作用。

4、什么是效应？是不是只有直接作用才能产生效应？效应：作用在结构上的荷载会使结构产生内力、变形等。

不是。

第二章重力1、结构自重如何计算？将结构人为地划分为许多容易计算的基本构件，先计算基本构件的重量，然后叠加即得到结构总自重。

2、土的重度与有效重度有何区别？成层土的自重应力如何计算？土的天然重度即单位体积中土颗粒所受的重力。

如果土层位于地下水位以下，由于受到水的浮力作用，单位体积中，土颗粒所受的重力扣除浮力后的重度称为土的有效重度。

3、何谓基本雪压？影响基本雪压的主要因素有哪些？基本雪压是指当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。

主要因素：雪深、雪重度、海拔高度、基本雪压的统计。

4、说明影响屋面雪压的主要因素及原因。

主要因素：风的漂积作用、屋面坡度对积雪的影响（一般随坡度的增加而减小，原因是风的作用和雪滑移）、屋面温度（屋面散发的热量使部分积雪融化，同时也使雪滑移更易发生）。

5、说明车列荷载与车道荷载的区别。

车列荷载考虑车的尺寸及车的排列方式，以集中荷载的形式作用于车轴位置；车道荷载则不考虑车的尺寸及车的排列，将车道荷载等效为均布荷载和一个可作用于任意位置的集中荷载形式。

第三章侧压力1.什么是土的侧压力？其大小与分布规律与哪些因素有关？土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的土压力。

第四节图乘法求位移略第五节超静定结构一、平面体系的几何组成分析（一）几何不变体系、几何可变体系1．几何不变体系在不考虑材料应变的条件下，任意荷载作用后体系的位置和形状均能保持不变[图5-56 (a)、(b)、(c)]。

这样的体系称为几何不变体系。

2．几何可变体系在不考虑材料应变的条件下，即使在微小的荷载作用下，也会产生机械运动而不能保持其原有形状和位置的体系[图5-56 (d)、(e)、(f)]称为几何可变体系（也称为常变体系）。

（二）自由度和约束的概念1．自由度图5-56在介绍自由度之前，先了解一下有关刚片的概念。

在几何组成分析中，把体系中的任何杆件都看成是不变形的平面刚体，简称刚片。

显然，每一杆件或每根梁、柱都可以看作是一个刚片，建筑物的基础或地球也可看作是一个大刚片，某一几何不变部分也可视为一个刚片。

这样，平面杆系的几何组成分析就在于分析体系各个刚片之间的连接方式能否保证体系的几何不变性。

图5-57自由度是指确定体系位置所需要的独立坐标（参数）的数目。

例如，一个点在平面内运动时，其位置可用两个坐标来确定，因此平面内的一个点有两个自由度[图5-57（a）]。

又如，一个刚片在平面内运动时，其位置要用x、y、φ三个独立参数来确定，因此平面内的一个刚片有三个自由度[图5-57 (b)]。

由此看出，体系几何不变的必要条件是自由度等于或小于零。

那么，如何适当、合理地给体系增加约束，使其成为几何不变体系是以下要解决的问题。

2．约束和多余约束减少体系自由度的装置称为约束。

减少一个自由度的装置即为一个约束，并以此类推。

约束主要有链杆（一根两端铰接于两个刚片的杆杆称为链杆，如直杆、曲杆、折杆）、单铰（即连接两个刚片的铰）和刚结点三种形式。

假设有两个刚片，其中一个不动设为基础，此时体系的自由度为3。

若用一链杆将它们连接起来，如图5-58（a）所示，则除了确定链杆连接处A的位置需一转角坐标外，确定刚片绕A转动时的位置还需一转角坐标，此时只需两个独立坐标就能确定该体系的运动位置，则体系的自由度为2，它比没有链杆时减少了一个自由度，所以一根链杆相当于一个约束；若用一个单铰把刚片同基础连接起来，如图5-58 (b)所示，则只需转角坐标够就能确定体系的运动位置，这时体系比原体系减少了两个自由度，所以一个单铰相当于两个约束；若将刚片同基础刚性连接起来，如图5-58 (c)，则它们成为一个整体，都不能动，体系的自由度为0，因此刚结点相当于三个约束。

超静定混凝土结构内力分析1、前言目前在超静定混凝土结构设计中，结构的内力分析、构件截面设计是不相协调的，结构的内力分析仍采用传统的弹性理论，而结构的截面设计考虑了材料的塑性性能。

实际上，超静定混凝土在承载过程中，由于混凝土的非弹性变形、裂缝的出现和发展、钢筋的锚固滑移，以及塑性铰的形成和转动等因素的影响，结构构件的刚度在各受力阶段不断发生变化，从而使结构的实际内力与变形明显地不同于按刚度不变的弹性理论算得的结果。

所以在设计混凝土连续梁、板时，恰当地考虑结构的内力重分布，就能达到结构的内力分析和截面设计变形相协调的目的。

2、应力重分布及内力重分布的概念分析钢筋混凝土受弯构件破坏的过程分为三个阶段：弹性阶段、带裂缝工作阶段及破坏阶段。

在弹性阶段，应力沿截面高度的分布近似为直线，到了带裂缝阶段和破坏阶段，应力沿截面高度的分布就不再是直线了。

这种由于钢筋混凝土的非弹性性质，使截面上应力的分布不再是从线弹性分布规律的现象，这称之为应力重分布。

应力重分布是指截面上应力之间的非弹性关系，它是静定的和超静定的钢筋混凝土结构都具有的一种基本属性。

结构计算出静力平衡条件外，还需按照变形协调条件才能确定内力的结构是超静定结构。

超静定结构是具有多余约束的结构体系，它在弹性工作阶段各截面内力之间的关系是由各个构件弹性刚度决定的；到了带裂缝工作阶段，刚度就改变了，裂缝截面的刚度小于未开裂截面的；当内力最大的截面进入破坏阶段出现塑性铰后，结构的计算简图也改变了，致使各截面内力间的关系改变的更大。

这种由于超静定钢筋混凝土结构非弹性性质而引起的各截面内力之间不再遵循弹性关系的现象，称之为塑性内力重分布。

由此可见应力重分布和内力重分布概念是不同的，一个指截面上应力重分布，一个是指结构截面内力间的关系不再服从线弹性分布规律，超静定结构所特有的一种现象。

3、内力充分的过程超静定钢筋混凝土结构的内力重分布可概括为两个过程：第一过程发生在受拉混凝土开裂到第一个塑性铰形成之前，主要是由于结构各部分弯曲刚度比值的改变而引起的内力重分布；第二个过程发生于第一个塑性铰形成以后直到形成机构、结构破坏，由于结构计算简图的改变而引起的内力重分布。

六超静定结构內力计算1．什么是超静定结构？它和静定结构有何区别？答：单靠静力平衡条件不能确定全部反力和內力的结构为超静定结构。

从几何组成的角度看，静定结构是没有多余约束的几何不变体系。

若去掉其中任何一个约束，静定结构即成为几何可变体系。

也就是说，静定结构的任何一个约束，对维持其几何不变性都是必要的，称为必要约束。

对于超静定结构，若去掉其中一个甚至多个约束后，结构仍可能是几何不变的。

2．什么是超静定结构的超静定次数？答：超静定结构多余约束的数目，或者多余约束力的数目，称为结构的超静定次数。

3．超静定结构的基本结构是否必须是静定结构？答：超静定结构的基本结构必须是静定结构。

4．如何确定超静定结构的超静定次数？答：确定结构超静定次数的方法是：去掉超静定结构的多余约束，使之变为静定结构，则去掉多余约束的个数，即为结构的超静定次数。

5．撤除多余约束的方法有哪几种？答：撤除多余约束常用方法如下：（1）去掉一根支座链杆或切断一根链杆，等于去掉一个约束。

（2）去掉一个固定铰支座或拆去一个单铰，等于去掉两个约束。

（3）去掉一个固定端支座或把刚性连接切开，等于去掉三个约束。

6．用力法计算超静定结构的基本思路是什么？答：用力法计算超静定结构的基本思路是：去掉超静定结构的多于约束，代之以多余未知力，形成静定的基本结构；取多余未知力作为基本未知量，通过基本结构的位移谐调条件建立力法方程，利用这一变形条件求解多余约束力；将已知外荷载和多余约束力所引起的基本结构的内力叠加，即为原超静定结构在荷载作用下产生的内力。

7．什么是力法的基本结构和基本未知量？答：力法的基本结构是：超静定结构去掉多余约束后得到的静定结构。

力法的基本未知量是对应于多余约束的约束反力。

8．简述n次超静定结构的力法方程，及求原结构的全部反力和內力的方法。

答：（1）n次超静定结构的力法方程对于n次超静定结构，撤去n个多余约束后可得到静定的基本结构，在去掉的n个多余约束处代以相应的多余未知力。

超静定组合结构内力和变形影响实验误差分析由于多余约束的存在产生的影响1、内力状态单由平衡条件不能唯一确定，必须同时考虑变形条件。

2、具有较强的防护能力，抵抗突然破坏。

3、内力分布范围广，分布较静定结构均匀，内力峰值也小。

4、结构刚度和稳定性都有所提高。

各杆刚度改变对内力的影响1、荷载作用下内力分布与各杆刚度比值有关，与其绝对值无关。

2、计算内力时，允许采用相对刚度。

3、设计结构断面时，需要经过一个试算过程。

4、可通过改变杆件刚度达到调整内力状态目的。

温度和沉陷等变形因素的影响1、在超静定结构中，支座移动、温度改变、材料收缩、制造误差等因素都可以引起内力，即在无荷载下产生自内力。

2、由上述因素引起的自内力，一般与各杆刚度的绝对值成正比。

不应盲目增大结构截面尺寸，以期提高结构抵抗能力。

3、预应力结构是主动利用自内力调节超静定结构内力的典型范例。

超静定结构是具有多余联系（约束）的静定结构，其反力和内力（归根结底是内力）不能或不能全部根据静力平衡条件确定。

力法计算超静定结构的过程一般是在去掉多余联系的静定基本结构上进行，并选取多余力（也称赘余力）为基本未知量（其个数等于原结构的超静定次数）。

根据基本体系应与原结构变形相同的位移条件建立方程，求解多余力后，原结构就转化为在荷载和多余力共同作用下的静定基本结构的计算问题。

这里，基本体系起了从超静定到静定、从静定再到超静定的过渡作用，即把未知的超静定问题转换成已知的静定问题来解决。

基本结构的选择（解题技巧）1、通常选取静定结构；也可根据需要采用比原结构超静定次数低的、内力已知的超静定结构；甚至可取几何可变（但能维持平衡）的特殊基本结构。

2、根据结构特点灵活选取，使力法方程中尽可能多的副系数δij=0。

3、应选易于绘制弯矩图或使弯矩图限于局部、并且便于图乘计算的基本结构。

4、对称取基本结构；或利用对称性取半结构；或求弹性中心；以减少未知力数目，并使力法方程解。

超静定内力分布超静定内力分布是指在一个物体或系统中，内力的大小和方向在各点上保持静止不变的分布状态。

这种内力分布的特点是平衡稳定，不会因外部扰动而改变。

在物理学中，超静定内力分布常常用于描述结构体系的稳定性和强度分析。

超静定内力分布的特点是内力的大小和方向在整个结构体系中保持恒定。

这意味着在结构体系的各个部分上，内力的大小和方向不会发生变化，保持静止。

这种内力分布的稳定性使得结构体系能够承受外部负荷并保持平衡。

在一个建筑物中，超静定内力分布可以用来分析和设计各个结构元素的尺寸和形状。

通过合理的设计，可以使得建筑物在受到外部负荷时能够保持稳定。

例如，在一座大桥的桥塔上，超静定内力分布可以用来确定桥塔的形状和尺寸，以使得桥塔能够承受桥梁的重量和风力的作用而保持稳定。

在一个机械系统中，超静定内力分布可以用来分析和设计各个零部件的尺寸和形状。

通过合理的设计，可以使得机械系统在工作时能够保持平衡和稳定。

例如，在一台发动机中，超静定内力分布可以用来确定各个零部件的尺寸和形状，以使得发动机能够正常工作并保持平衡。

超静定内力分布的研究对于理解和设计各种物体和系统具有重要意义。

它可以帮助我们分析和解决结构体系的稳定性和强度问题，同时也能够指导我们合理地设计和改进各种物体和系统。

通过对超静定内力分布的研究，我们可以更好地理解和应用物理学的原理，为实际工程和科学研究提供有力的支持。

总结起来，超静定内力分布是一种在物体或系统中内力大小和方向保持静止不变的分布状态。

它具有平衡稳定的特点，常常用于结构体系的稳定性和强度分析。

通过合理的设计和研究，我们可以更好地理解和应用超静定内力分布的原理，为实际工程和科学研究提供有力的支持。