超静定结构-力法基本原理

用力法求解超静定结构概述超静定结构是指结构中的支座和约束条件多于结构自由度的情况。

用力法是一种经典的结构分析方法，常用于求解超静定结构。

本文将介绍用力法求解超静定结构的基本原理和步骤，并通过实例加以说明。

一、基本原理用力法的基本原理是根据平衡条件和变形约束，通过假设未知力的大小和方向，建立力的平衡方程和变形方程，解出未知力和结构的变形。

用力法适用于各种类型的结构，包括梁、柱、桁架等。

二、步骤用力法求解超静定结构的步骤如下：1. 选择合适的剖面根据结构的几何形状和约束条件，选择合适的剖面，将结构分割为若干个部分。

2. 假设未知力的方向和大小根据结构的特点和约束条件，假设未知力的方向和大小。

通常，未知力的方向可以根据结构的几何形状和外力的作用方向来确定，而未知力的大小则需要通过力的平衡方程来求解。

3. 建立力的平衡方程根据假设的未知力和结构的几何形状，建立力的平衡方程。

平衡方程包括力的平衡条件和力的矩平衡条件。

4. 建立变形方程根据结构的变形情况和约束条件，建立变形方程。

变形方程可以根据结构的刚度和约束条件来确定。

5. 解方程将力的平衡方程和变形方程联立，解方程组得到未知力和结构的变形。

6. 检验结果将求解得到的未知力和结构的变形代入原平衡方程和变形方程中，检验结果的准确性。

如果结果符合平衡和变形的要求，则求解成功；如果结果不符合要求，则需要重新假设未知力并重新求解。

三、实例分析为了更好地理解用力法求解超静定结构的步骤和原理，下面以一个简单的梁结构为例进行分析。

假设有一根悬臂梁，在梁的自重和外力作用下，需要求解支座反力和梁的变形。

1. 选择合适的剖面选择悬臂梁的剖面，将梁分割为两个部分：悬臂部分和支座部分。

2. 假设未知力的方向和大小假设支座反力的方向向上，大小为R。

3. 建立力的平衡方程根据力的平衡条件，可以得到悬臂部分的平衡方程：R - F = 0，其中F为梁的自重。

4. 建立变形方程根据梁的几何形状和约束条件，可以建立悬臂部分的变形方程，得到悬臂部分的弯矩和挠度。

第五章 力 法§5—1 超静定结构概述超静定结构是工程实际中常用的一类结构，前已述及，超静定结构的反力和内力只凭静力平衡条件是无法确定的，或者是不能全部确定的。

例如图5—1a所示的连续梁，它的水平反虽可由静力平衡条件求出，但其竖向反力只凭静力平衡条件就无法确定，因此也就不能进一步求出其全部内力。

又如图5—1b所示的加劲梁，虽然它的反力可由静力平衡条件求得，但却不能确定杆件的内力。

因此，这两个结构都是超静定结构。

分析以上两个结构的几何组成，可知它们都具有多余约束。

多余约束上所发生的内力称为多余未知力。

如图5—1a所示的连续梁中，可认为B支座链杆是多余约束，其多余未知力(图5—1c)。

又如图5—1b所示的加劲梁，可认为其中的BD杆是多余约束，其多余为FBy未知力为该杆的轴力F(图5—d)。

超静定结构在去掉多余约束后，就变成为静定结构。

N常见的超静定结构类型有：超静定梁（图5—2），超静定刚架（图5—3），超静定桁架（图5—4），超静定拱（图5—5），超静定组合结构（图5—6）和铰接排架（图5—7）等。

超静定结构最基本的计算方法有两种，即力法和位移法，此外还有各种派生出来的方法，如力矩分配法就是由位移法派生出来的一种方法。

这些计算方法将在本章和以下两章中分别介绍。

§5—2 力法的基本概念在掌握静定结构内力和位移计算的基础上，下面来寻求分析超静定结构的方法。

先举一个简单的例子加以阐明。

设有图5—8a 所示一端固定另一端铰支的梁，它是具有一个多余约束的超静定结构。

如果以右支座链杆作为多余约束，则去掉该约束后，得到一个静定结构，该静定结构称为力法的基本结构。

在基本结构上，若以多余未知力代替所去约束的作用，并将原有荷载q 作用上去，则得到如图5—8b 所示的同时受荷载和多余未知力作用的体系。

该体系称为力法的基本体系。

在基本体系上的原有荷载是已知的，而多余力是未知的。

因此，只要能设法先求出多余未知力，则原结构的计算问题即可在静定的基本体系上来解决。

力法求解超静定结构
超静定结构是指其支反力个数大于等于结构模式自由度的结构，
也就是说，该结构中的支撑点不够，会产生多余的支反力，这就导致
了该结构的解题难度非常大。

但是，采用力法求解可以有效地解决这
个问题。

首先，可以采用静力平衡方程来确定结构中的支反力。

静力平衡
方程是通过平衡结构中的所有受力和力矩，来确定支反力的方程。

它
的基本形式为ΣF=0和ΣM=0，其中ΣF表示所有力的总和，ΣM表示
所有力的总力矩。

然后，要使用结构分析的基本原理，即支点位移法。

支点位移法
通过改变结构中某些支点的位置，并计算相应的支反力和位移量，来
求解结构中的位移和反力。

在计算反力时，要注意支点位移前后对结
构的影响，以及反力大小的变化等因素。

此外，在解决超静定结构时，还要注意结构中梁、柱等构件的弹
性变形。

这些变形对结构的位移和反力也会产生影响，因此需要考虑
其中的因素。

最后，要注意力法求解的精度问题。

由于超静定结构中存在多余
的支反力，因此求解过程中难免会产生误差。

为了提高计算精度，可
以采用迭代的方法，在多次迭代中逐步优化计算结果，提高求解精度。

总之，采用力法求解超静定结构需要掌握一定的理论基础和实践技巧，同时要注意结构中的弹性变形、支点移动等因素，并采用迭代的方法进行计算，以提高计算精度。

这些掌握了的技巧和方法将在实际工程中具有指导意义。

第十章超静定结构计算力法一．超静定次数确定1、 超静定结构的特性：与静定结构比较，超静定结构有如下特性：静定结构 超静定结构 几何特性 无多余约束的几何不变体系 有多余约束的几何不变体系静力特性满足平衡条件内力解答是唯一的，即仅由平衡条件就可求出全部内力和反力。

超静定结构满足平衡条件内力解答有无穷多种，即仅由平衡条件求不出全部内力和反力，还必须考虑变形条件。

非荷载外因的影响 不产生内力 产生了自内力内力与刚度的关系 无关荷载引起的内力与各杆刚度的比值有关，非载载外因引起的内力与各杆刚度的绝对值有关。

内力超静定，约束有多余，是超静定结构区别于静定结构的基本特点。

2、超静定次数的确定： 结构的超静定次数为其多余约束的数目，因此上，结构的超静定次数等于将原结构变成静定结构所去掉多余约束的数目。

在超静定结构上去掉多余约束的基本方式，通常有如下几种：（1）断一根链杆、去掉一个支杆、将一刚接处改为单铰联接、将一固定端改为固定铰支座，相当于去掉一个约束。

（2）断一根弯杆、去掉一个固定端，相当于去掉三个约束（3）开一个单铰、去掉一个固定铰支座、去掉一个定向支座，相当于去掉两个约束。

3、几点注意：①由图10-1结构的分析可得出结论：一个无铰闭合框有三个多余约束，其超静定次数等于三。

对于无铰闭合框结构其超静定次数=3×闭合框数。

如图10-2 所示结构的超静定次数为3×5=15次；对于带铰闭合框结构其超静定次数=3×闭合框数－结构中的单铰数（复铰要折算成单铰）如图10-3所示结构的超静 定次数为3×5-（1+1+3）=15次。

D点是连接四个刚片的复铰，相当于（4-1）=3个单铰。

②一结构的超静定次数是确定不变的，但去掉多余约束的方式是多种多样的。

如图10-1结构。

③在确定超静定次数时，要将内外多余约束全部去掉。

如图10-4结构外部1次超静定，内部6次超静定，结构的超静定次数是7。

1超静定结构的解法超静定结构是指结构的支座反力数目多于静力平衡方程的数目，即结构的自由度多余零，不能通过直接求解静力平衡方程得到结构的内力、位移等参数。

因此，需要使用超静定结构的解法来求解结构的响应。

超静定结构的解法主要有两种：力法和位移法。

在这里，我将分别介绍这两种方法的基本原理。

1.力法力法是指通过引入虚功原理，利用未知内力的线性平衡方程组与已知荷载、位移或位移力系数之间的关系，构建方程并求解未知内力的方法。

使用力法解决超静定结构的基本步骤如下：（1）确定支座反力。

根据结构的约束条件，计算支座反力数目；（2）选择剪力或弯矩作为未知内力。

在超静定结构中，选择剪力或弯矩作为未知内力比较常见；（3）建立线性平衡方程组。

将剪力或弯矩作为未知量，根据结构的几何条件和约束条件，建立线性平衡方程组；（4）引入荷载、位移或位移力系数。

根据结构的受力情况，将已知荷载、位移或位移力系数引入线性平衡方程组；（5）求解未知内力。

通过求解线性平衡方程组，得到未知内力。

2.位移法位移法是指通过引入位移的概念，利用位移与剪力/弯矩之间的关系，将超静定结构的内力求解问题转化为线性代数方程组的求解问题。

使用位移法解决超静定结构的基本步骤如下：（1）确定支座反力。

根据结构的约束条件，计算支座反力数目；（2）选择支座位移为未知量。

在超静定结构中，支座位移比较容易确定；（3）建立位移-力关系方程。

根据结构的几何条件和材料性质，建立位移-力关系方程，将剪力或弯矩表示为位移的函数；（4）引入荷载或位移。

根据结构的受力条件，将已知荷载或位移引入位移-力关系方程；（5）求解未知位移。

通过求解位移-力关系方程，得到未知位移；（6）求解未知内力。

将未知位移代入位移-力关系方程，求解出未知内力。

需要注意的是，在力法和位移法中，由于超静定结构的自由度数目大于零，未知内力或未知位移存在无穷多个解。

因此，需要加入合理的边界条件，如位移边界条件、力边界条件等，来确定唯一的解。