1、静定结构与超静定结构静力计算公式
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结构力学静定结构与超静定结构结构力学是研究结构承受外力后的力学性能的学科,它在建筑、机械、航空航天等领域都扮演着重要的角色。
在结构力学中,我们可以将结构分为两类:静定结构和超静定结构。
静定结构是指在确定边界条件下,结构的所有支反力以及结构内部的应力分布等参数都可以通过静力平衡方程唯一求解出来的结构。
在静定结构中,支反力的计算可以通过平衡方程解决,而应力的计算可以通过弹性力学理论求解。
以简支梁为例,简支梁的两端固定支承,中间用力作用时,通过平衡方程可以求解出支反力。
而根据梁的几何形状和荷载的大小,可以计算出梁内部的应力分布。
在静定结构中,支反力和应力可以通过简单的数学计算求解,因此设计和分析起来相对简单。
而超静定结构则相对复杂一些。
超静定结构是指在确定边界条件下,结构的参数无法通过静力平衡方程唯一求解出来的结构。
这意味着在求解超静定结构时,不仅需要静力平衡方程,还需要考虑结构的变形和材料的本构关系等。
以悬臂梁为例,悬臂梁的一端固定支承,另一端悬空。
在悬臂梁上增加一个附加支承,形成一个超静定结构。
在这种情况下,由于支承力未知,无法通过静力平衡方程唯一求解出来。
因此,我们需要考虑结构的变形情况,并将其作为一个未知数来求解。
在超静定结构中,我们通常采用的方法是引入截面变形理论和力法。
通过假设结构具有一定的变形形态,并利用力法求解出结构的变形、应力和支反力等参数。
通常情况下,超静定结构的计算需要较为复杂的数学方法和计算机仿真。
静定结构和超静定结构在工程实践中都有广泛的应用。
静定结构常常用于桥梁、楼房等普通建筑结构的设计与分析中,因其计算相对简单,容易掌握。
而超静定结构常常用于大跨度的特殊结构的设计与分析中,如悬索桥、曲线梁等。
虽然超静定结构计算较为复杂,但可以提供更多的设计自由度和结构优化的可能性。
总而言之,静定结构和超静定结构都是结构力学中的重要概念。
静定结构是可通过静力平衡方程求解出内部参数的结构,而超静定结构则需要额外的变形理论和力法求解。
超静定结构内力计算首先,需要明确的是,超静定结构与静定结构的计算方法基本相同,都是通过力平衡和力矩平衡方程来计算结构内力。
下面以一简支梁为例,介绍超静定结构内力计算的方法。
假设有一简支梁,梁长为L,受到均布载荷q,支座A、B处有横向支撑。
我们需要计算梁上任意一点x处的弯矩和剪力。
首先,对于简支梁,力平衡方程可得:∑Fx=0=>RA+RB=0(1)∑Fy=0=>VA+VB-qL=0(2)力矩平衡方程可得:∑Mz=0=>-qLx+VBx=0(3)(x为横坐标)由以上方程可以得到:RA=-RB=-qL/2,VA=-VB=qL/2接下来,我们可以使用能量方法计算结构内力。
能量方法是利用结构所受外界实际工作等于内力做的虚功,通过对外界做功和结构内工作的平衡,求解得到内力。
我们将简支梁分解为多个力学小段,每一小段的长度为Δx。
考虑梁上一小段AB,以A点为起点,Δx位置为B点。
对这一小段,外界对结构所做的虚功为:δWext = -VAdy (4) (dy为小段长度)其中,结构内力V由能量方法得到。
结构内力杆件AB的内工作为:dU = VAdy (5)因为外界做的虚功等于内工作,可得:-δWext = dU将式(4)和式(5)代入上式,得:VAdy = -VAdy对上式进行积分,得:∫VAdy = -∫VAdy∫VAdy = -(∫VAdy)由于简支梁内力为常数,所以可以将其从积分符号中移出,得:V∫Ady = -V∫Ady即:VAΔy=-VAΔy可以看出,对于简支梁而言,外界虚功和结构内工作的积分是相等的。
通过上述分析,我们可以发现,能量方法实际上是在计算外界对结构做的虚功,而虚功就是外界力对结构的作用力乘以作用距离的积分。
所以能量方法的基本思想是通过积分计算外界对结构的虚功,然后根据虚功等于内工作的原理,推导出结构的内力。
总结起来,超静定结构的内力计算方法主要是使用力平衡和力矩平衡方程,利用能量方法计算结构内力。
静定结构与超静定结构静力常用计算公式一、短柱、长柱压应力极限荷载计算公式1、短柱压应力计算公式荷载作用点轴方向荷载AF =σbhF =σ偏心荷载)1(21xYi ye A F W M A F -=-=σ)1(22xYi ye AF WM A F +=+=σ)61(2,1h e bhF ±=σ偏心荷载)1(22xyyxx xy Yi ye i xe AF I xMI xMAF ±±=⨯±⨯±=σ)661(be he bhF y x ±±=σ长短柱分界点如何界定?2、长柱方程式及极限荷载计算公式 支座形式图 示方 程 式极限荷载 一般式 n=1两端铰支β=1ya dxyd∙=222axB ax A y sin cos +=yF M EI F a∙==,2EIln 222πEIl22π一端自由他端固定 β=2yadxyd∙=222axB ax A y sin cos +=EIln 2224)12(π-EIl224πyF M EIF a∙==,2两端固定 β=0.5)(22=-+FM y a dxydAFM ax B ax A y A++=sin cosAMy F M EI F a+∙-==,2EIl224πEIl224π一端铰支他端固定 β=0.75)(222x l EIQ y adxyd-=∙+)(sin cos x l FQ ax B ax A y -++=水平荷载-=Q EIF a,2——EIl227778.1π注:压杆稳定临界承载能力计算公式:EIl P cr22)(βπ=二、单跨梁的反力、剪力、弯矩、挠度计算公式 1、简支梁的反力、剪力、弯矩、挠度计算公式荷载形式M 图V 图反力 2F R R B A ==L Fb R A =LFa R B =2qL R R B A ==4qL R R B A ==剪力V A =R A V B =-R B V A =R A V B =-R B V A =R A V B =-R B V A =R A V B =-R B弯矩4maxFL M=LFab M=max82maxqL M=122maxqL M=挠度EIFL483max =ω若a >b 时,3)2(932max ab aEILFb +=ω(在)2(3b a a x+=处)EIqL84max =ωEIqL1204max =ω注:1、弯矩符号以梁截面下翼缘手拉为正(+),反之为负(—)。
2、剪力符号以绕梁截面顺时针方向为正(+),反之为负(—)。
2、悬臂梁的反力、剪力、弯矩、挠度计算公式荷载形式M 图 V 图反力 R B =F R B =-F R B =qL R B =qa 剪力 V B =-R B V B =-R B V B =-R BV B =-R B弯矩M B =-FLM B =-Fb221qLMB-=)2(2a L qa MB--=挠度EIFLA33=ω)3(62b L EIFbA-=ωEIFLA84=ω)43(24434b L b L EIq A +-⨯=ω3、外伸梁的反力、剪力、弯矩、挠度计算公式荷载形式M 图 V 图反力)1(La F R A +=LFa R B -=)32(2La F R A +=LFa R B 23-=2)1(2La qL R A +=)1(222La qL R B +=)683(822La La qL R A ++=)65(822La qL R B -=剪力V A 左= - F V B = - R B V A 左= - F V A 右= - R B V A 左= - qa V A 右=R A -qa V B = - R BV A 左= - qa V A 左=)65(822La qL -弯矩M max =-FaM A =-Fa M B =Fa /222qa MA-=)21(822222La qL Mqa MBA--=-=挠度)(32max a L EIFa+=ωEIFaLa L EIFa C 27)43(122max -=+=ωω)34(24323a La L EIqa C ++-⨯=ω)66(48323a LaL EIqa C ++-⨯=ω4、一端固定、一端简支梁de 反力、剪力、弯矩、挠度计算公式荷载形式M 图 V 图反力)3(222Lb L Fb R A -=)3(222LaLFa R B -=R A =R B =qL21qLR qLR B A 8583==剪力V A =R A V B =-R B)21(2Lx qL V x -=V A =R A V B =-R B弯矩)3(222maxLb LFab M-=M A =M B =-122qLM 中=2241qL 2max1289qLM=挠度 ——EIqL384max 4=ωEIqL 4max 00542.0=ω三、等截面等跨连续梁的弯矩、剪力、挠度计算系数及公式1、二等跨连续梁的弯矩、剪力、挠度计算系数及公式荷载图示弯矩系数K M 剪力系数K V 挠度系数K ωM 1中 M B 支 V A V B 左、V B 右 ω1中 静 载活载最大活载最小 0.070 0.096 -0.032 -0.125-0.125—— 0.375 0.437 —— -0.6250.625 -0.6250.625 —— 0.521 0.192 -0.391 静 载活载最大活载最小 0.156 0.203 -0.047 -0.188-0.188—— 0.312 0.406 —— -0.688 0.688 -0.688 0.688 —— 0.9111.497-0.586 静 载活载最大活载最小0.222 0.278 -0.084 -0.3330.333——0.667 0.833 —— -1.333 1.333 -1.333 1.333 —— 1.4662.508-1.042注:1、均布荷载作用下:2qLKM M=,qL K V V =,EI qLK 1004ωω=; 集中荷载作用下:FLKMM=,FK VV =,EIFLK 1003ωω=;2、支座反力等于该支座左右截面剪力的绝对值之和;3、求跨中负弯矩及反挠度时,可查用上表“活载最小”一项的系数,但也要与静载引起的弯矩(或挠度)相组合。
4、求跨中最大正弯矩及最大挠度时,该跨应满布活荷载,相邻跨为空载;求支座最大负弯矩及最大剪力时,该支座相邻两跨应满布荷载,即查用上表中“荷载最大”一项的系数,并与静载引起的弯矩(剪力或挠度)相组合。
2、三等跨连续梁的弯矩、剪力、挠度计算系数及公式荷 载 图 示弯矩系数K M剪力系数K V 挠度系数K ωM 1中M 2中M B 支V A V B 左、V B 右ω1中 ω2中静 载活载最大活载最小0.0800.101-0.0250.0250.075-0.050-0.100-0.1770.017-0.4000.450——-0.600 0.500 -0.617 0.583 ——0.6770.990-0.3130.0520.677-0.625静 载活载最大活载最小0.1750.213-0.0380.1000.175-0.075-0.150-0.1750.0250.3500.425——-0.650 0.500 -0.675 0.625 ——1.1461.615-0.4690.2081.146-0.937注:1、2、3条同上述二等跨连续梁;4、求某跨的跨中最大正弯矩及最大挠度时,该跨应满布活荷载,其余每隔一跨满布活荷载;求某支座的最大负弯矩及最大剪力时,该支座相邻两跨应满布活荷载,其余每隔一跨满布活荷载,即查上表中“活载最大”一项的系数,并与静载引起的弯矩(剪力或挠度)相组合。
3、四等跨连续梁的的弯矩、剪力、挠度计算系数及公式荷载图示 弯矩系数K M剪力系数K V 挠度系数K ω M 1中M 2中M B 支M C 支V AV B 左、V B 右 V c 左、V c 右ω1中ω2中见 图 a 静 载活载最大活载最小 0.0770.1000.023 0.0360.0810.045 -0.107-0.1210.013 -0.071-0.1070.018 0.3930.446 —— -0.607 0.536 -0.620 0.603 —— -0.464 0.464 -0.571 0.571 —— 0.6320.967-0.307 0.1860.660-0.588 见 图 b 静 载活载最大活载最小0.1690.2100.0400.1160.183-0.067-0.161-0.1810.020-0.107-0.1610.0200.3390.420 ——-0.661 0.554 -0.681 0.654 ——-0.446 0.446 -0.607 0.607 ——1.0791.581-0.4600.4091,121-0.711注:事项同三跨连续梁。
四、不等跨连续梁在均布荷载作用下的弯矩、剪力计算系数及公式 1、二跨不等跨连续梁的弯矩、剪力计算系数及公式荷载简图计算公式弯矩M=表中系数×q L 12(KN ·m ) 剪力V=表中系数×q L 1(KN )静载时活载最不利布置时n M1M2M B最大V A V B左最大V B右最大Va M1最大M2最大V A最大V C最大1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.81.92.0 2.25 2.5 0.0700.0650.0600.0530.0470.0400.0330.0260.0190.0130.0080.003——0.0700.0900.1110.1330.1570.1830.2090.2370.2670.2980.3300.4170.513-0.125-0.139-0.155-0.175-0.195-0.219-0.245-0.274-0.305-0.339-0.375-0.477-0.5940.3750.3610.3450.3260.3050.2810.2550.2260.1950.1610.1250.023-0.094-0.625-0.639-0.655-0.674-0.695-0.719-0.745-0.774-0.805-0.839-0.875-0.976-1.0940.6250.6760.7290.7840.8390.8960.9531.0111.0691.1281.1881.3371.488-0.375-0.424-0.471-0.516-0.561-0.604-0.647-0.689-0.731-0.772-0.813-0.913-1.0130.0960.0970.0980.0990.1000.1010.1020.1030.1040.1040.1050.1070.1080.0960.1140.1340.1560.1790.2030.2290.2560.2850.3160.3470.4330.5270.4330.4400.4430.4460.4480.4500.4520.4540.4550.4570.4580.4620.464-0.438-0.476-0.518-0.558-0.598-0.638-0.677-0.716-0.755-0.794-0.833-0.930-1.0272、三跨不等跨连续梁的弯矩、剪力计算系数及公式荷载简图计算公式弯矩M=表中系数×q L12(KN·m)剪力V=表中系数×q L1(KN)静载时活载最不利布置时n M1M2M B支V A V B 左V B右M1最大M2最大M B最大V A最大V B左最大V B右最大0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.91.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.81.92.0 2.25 2.5 0.0870.0880.0880.0870.0860.0830.0800.0760.0720.0660.0610.0550.0490.0430.0360.0300.0240.0110.002-0.063-0.049-0.035-0.021-0.0060.0100.0250.0410.0580.0760.0940.1130.1330.1530.1740.1960.2190.2790.344-0.083-0.080-0.080-0.082-0.086-0.092-0.100-0.110-0.122-0.136-0.151-0.163-0.187-0.203-0.231-0.255-0.281-0.354-0.4330.4170.4200.4200.4130.4140.4080.4000.3900.3780.3650.3490.3320.3130.2920.2690.2450.2190.1460.063-0.583-0.580-0.580-0.582-0.586-0.592-0.600-0.610-0.622-0.363-0.651-0.663-0.687-0.708-0.731-0.755-0.781-0.854-0.9380.2000.2500.3000.3500.4000.4500.5000.5500.6000.6500.7000.7500.8000.8500.9000.9501.0001.1251.2500.0890.0920.0940.0960.0980.1000.1010.1030.1040.1050.1060.1070.1070.1080.1090.1090.1100.1110.1120.0150.0220.0310.0400.0510.0630.0750.0890.1030.1180.1340.1510.1690.1880.2030.2290.2500.3070.370-0.096-0.095-0.095-0.098-0.102-0.108-0.117-0.127-0.139-0.152-0.168-0.185-0.204-0.224-0.247-0.271-0.297-.0369-0.4520.4220.4290.4340.4390.4430.4470.4500.4530.4550.4580.4600.4620.4630.4650.4660.4680.4690.4710.474-0.596-0.595-0.595-0.593-0.602-0.608-0.617-0.627-0.639-0.652-0.668-0.635-0.704-0.724-0.747-0.771-0.797-0.869-0.9520.4610.4500.4600.4830.5120.5460.5830.6230.6650.7080.7530.7980.8430.8900.9370.9851.0311.1511.272五、双向板在均布荷载作用下的弯矩、挠度计算系数及公式四边固定板的弯矩、挠度计算系数及公式简图L x/L yωM x M y M x o M o yM o x —固定边中点沿L x方向的弯矩;M o y —固定边中点沿L y 方向的弯矩;0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0.00253 0.00246 0.00236 0.00224 0.00211 0.00197 0.00182 0.00168 0.00153 0.00140 0.00127 0.0400 0.0385 0.0367 0.0345 0.0321 0.0296 0.0271 0.0246 0.0221 0.0198 0.0176 0.0038 0.0056 0.0076 0.0095 0.0113 0.0130 0.0144 0.0156 0.0165 0.0172 0.0176 -0.0829 -0.0814 -0.0793 -0.0766 -0.0735 -0.0701 -0.0664 -0.0626 -0.0588 -0.0550 -0.0513 -0.0570 -0.0571 -0.0571 -0.0571 -0.0569 -0.0565 -0.0559 -0.0551 -0.0541 -0.0528 -0.0513注:1、挠度=表中系数cB qL4⨯;弯矩=表中系数2qL ⨯;式中L 取Lx 和Ly 中之较小者。