1.8 内力分析方法

1.8 内力分析方法

1.8.1 力法

1.基本结构

对超静定结构,去掉多余约束,使原结构变成静定结构,这样形成的静定结构称为基本结构。如图1.8-1a去掉支座B的约束,就得到基本结构,如图1.8-1b所示。原结构变为图1.8-1c,其中X1为多余约束中产生的约束力。

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图1.8-1 基本结构

2.力法方程

基本结构在B点的竖向位移必须为零,即

δ11X1+Δ1p=0 (1.8-1)

式中,δ11为基本结构在X1=1作用下沿X1的指向引起的位移;Δ1p为基本结构在荷载P作用下沿X1的指向引起的位移。δ11称为系数,Δ1p称为自由项。方程(1.8-1)称为力法方程。

为计算系数和自由项,绘出Mp图和978-7-111-45870-8-Chapter01-213.jpg 图,如图1.8-2所示。应用图乘法求得

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求解力法方程,得978-7-111-45870-8-Chapter01-215.jpg (↑)。多余力X1求得后,绘内力图,这是静定结构的计算问题。但是,在力法分析中采用以下叠加公式计算M,即

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图1.8-2 Mp图和M1

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上述公式对结构上的任何点均适用。先选定若干控制点,求出这些点上的M值,然后绘制M图。例如978-7-111-45870-8-Chapter01-218.jpg

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最后绘制M图,如图1.8-3所示。

3.力法典型方程

对于n次超静定结构,可去掉n个多余约束,得到静定的基本结构。将n个多余力视作附加荷载与原来的荷载一起加在基本结构上。利用n个多余约束处已知的位移条件,建立求n个多余力的力法方程,称为力法典型方程。

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图1.8-3 M

式中,δii称为主系数(永远为正值),δijij)称为副系数(可正可负),ΔiP称为自由项。Δi为约束i处的已知位移。

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显然,δij=δji

应用叠加法计算截面的M

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然后绘出最后弯矩图。根据弯矩图,再按各杆隔离体平衡条件,求出杆端剪力,绘制剪力图。根据剪力图,可用类似的方法绘出轴力图。

1.8.2 力矩分配法

力矩分配法适用于计算无节点线位移的刚架和连续梁。

1.几个术语

(1)杆端转动刚度 所谓杆端转动刚度是指一根杆结构(梁)iki端不发生移动只转动一个单位转角,i端需要施加多大的力矩,即为iki端的转动刚度,用Sik表示。两端固定杆,Sik=4i;一端固定另端铰支杆,Sik=3i;一端固定另端滑动支座杆,Sik=ii为梁的线刚度,i=EI/lE为梁材料的弹性模量,I为梁截面惯性矩,l为梁长。

(2)节点转动刚度 图1.8-4表示节点i连接几根杆。节点i转动一个单位转角时需要在节点i上加的力矩称为节点i的转动刚度Si

显然 978-7-111-45870-8-Chapter01-224.jpg

(3)分配系数 即978-7-111-45870-8-Chapter01-225.jpg

(4)传递系数 节点i发生单位转角时,与i相连的某杆的远端弯矩与近端弯矩的比值称为该杆的传递系数Cik,应用杆端弯矩公式推得:远端固定杆,Cik=1/2;远端铰支杆,Cik=0;远端滑动支座,Cik=-1。

2.力矩分配法概念

图1.8-5为只有一个节点且无线位移的结构。在节点A上受有一力偶荷载。这样的状态称为一个力矩分配单元。只有在分配单元上才能施行力矩分配和传递。

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图1.8-4 节点i连接几根杆

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图1.8-5 只有一个节点且无线位移的结构

力矩分配法运算步骤:

(1)节点转动刚度 因为978-7-111-45870-8-Chapter01-228.jpg978-7-111-45870-8-Chapter01-229.jpg978-7-111-45870-8-Chapter01-230.jpg ,所以978-7-111-45870-8-Chapter01-231.jpg

(2)计算分配系数978-7-111-45870-8-Chapter01-232.jpg978-7-111-45870-8-Chapter01-233.jpg978-7-111-45870-8-Chapter01-234.jpg

(3)传递系数 CAC=0,CAD=-1,978-7-111-45870-8-Chapter01-235.jpg

(4)计算分配弯矩

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(5)计算传递弯矩978-7-111-45870-8-Chapter01-237.jpg

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这样,就把力矩M分配和传递给每根杆的两端。

【例1.8-1】 用力矩分配法计算图1.8-6所示结构。

解答:1.杆端转动刚度SBA=3iSBC=4i

2.节点转动刚度SB=7i

3.计算分配系数978-7-111-45870-8-Chapter01-239.jpg

4.查固端弯矩978-7-111-45870-8-Chapter01-240.jpg

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5.进行分配和传递

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6.绘M

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图1.8-6 【例1.8-1】图

【例1.8-2】 有一根三跨的钢筋混凝土等截面连续梁,q=p+g=25kN/m(设计值),如图1.8-7所示。混凝土强度等级为C30,梁纵向受力钢筋采用HRB335,纵向受力钢筋合力点至截面近边的距离as=35mm,梁截面b×h=200mm×500mm。

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图1.8-7 【例1.8-2】图

1.假定当L1=6m,L2=8m,L3=5m,该梁弯矩分配系数μBA及B支座的不平衡弯矩ΔM应与下列( )组数据相近。

(A)0.50;20.8kN·m (B)0.45;93.75kN·m

(C)0.385;112.5kN·m (D)0.625;133.3kN·m

答案:(A)

解答:AB梁线刚度: 978-7-111-45870-8-Chapter01-245.jpg

BC梁线刚度: 978-7-111-45870-8-Chapter01-246.jpg

梁弯矩分配系数: 978-7-111-45870-8-Chapter01-247.jpg

查固端弯矩: 978-7-111-45870-8-Chapter01-248.jpg

不平衡弯矩: ΔM=(133.3-112.5)kN·m=20.8kN·m

2.假定调整L1L2L3跨度后B支座左右两端的分配系数分别为0.45,0.55;支座固端弯矩分别为100kN·m、-150kN·m。C支座左右两端分配系数为0.4,0.6;固端弯矩为150kN·m、-120kN·m,试问该梁进行二次弯矩重分配,B、C支座的弯矩接近( )组数据。

(A)MB=113.2kN·m,MC=129kN·m (B)MB=153.12kN·m,MC=151kN·m

(C)MB=126.44kN·m,MC=146.25kN·m (D)MB=153.12kN·m,MC=129kN·m

答案:(C)

解答:弯矩分配过程如下

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MB=126.44kN·m MC=146.25kN·m

【例1.8-3】 有一工业厂房为高低跨排架,低跨跨度为15m,高跨跨度为24m,柱间距为6m,该厂房采用预应力混凝土屋架,屋面采用预应力大型屋面板。车间的纵向全长度为120m,在车间中部60m处设有双柱温度伸缩缝,车间四周的围护墙为240mm砖墙。建筑平面及剖面如图1.8-8所示。

1.厂房各列柱静荷载(标准值)作用如图1.8-9所示。图中t为旧规范的荷载单位,计算时应换成新规范的kN。试确定作用于中柱Ⅰ—Ⅰ截面处的NM值(标准值)与下列( )项数值最为接近。

提示:(1)产生顺时针弯矩为正值,反之为负值。

(2)B列柱竖向荷载11.11t和7.56t作用于同一垂直线上(1t=10kN)。

(A)N=410.80kN,M=-16.88kN·m (B)N=410.80kN,M=16.88kN·m

(C)N=317.50kN,M=-21.47kN·m (D)N=410.80kN,M=-30.75kN·m

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图1.8-8 【例1.8-3】图

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图1.8-9 厂房各列柱静荷载示意图

答案:(D)

解答:轴力:N=(111.1+75.6+18.5+74.8+130.8)kN=410.8kN

弯矩:M=(74.8×0.55-75.6×0.35-111.1×0.35-130.8×0.05)kN·m

=-30.75kN·m

2.在如图1.8-9所示的柱Ⓒ的静荷载(标准值)作用下,用力法求解出排架横梁内力为:低跨x1=0.34kN,高跨x2=1.40kN。静荷载(标准值)作用下排架计算简图如图1.8-10所示。试确定作用于Ⓒ轴外柱G和柱根N处的M值(标准值)与下列( )项数值最为接近。弯矩方向同1.的规定。

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图1.8-10 计算简图

(A)MG上=0.66kN·m,MG下=4.34kN·m,MN=-8.82kN·m

(B)MG上=0.66kN·m,MG下=-10.62kN·m,MN=-8.82kN·m

(C)MG上=-5.88kN·m,MG下=2.18kN·m,MN=-15.34kN·m

(D)MG上=-5.88kN·m,MG下=-5.88kN·m,MN=-19.04kN·m

答案:(A)

解答:MG上=(-1.4×4.2+130.8×0.05)kN·m=0.66kN·m

MG下=(-1.4×4.2+130.8×0.25+18.5×0.2-74.8×0.35)kN·m

=4.34kN·m

MN=(-1.4×13.6+130.8×0.25+18.5×0.2-74.8×0.35)kN·m

=-8.82kN·m

3.在厂房高跨内A5级工作制双钩吊车的大车轮距为4.4m(每侧两轮),两台吊车间的最小轮距为1.1m。设定最大轮压Pmax=152kN(标准值),轮压的分项系数为1.4。结构的设计使用年限为50年。简支吊车梁的跨度为6m。两台吊车传给柱子牛腿的最大压力(设计值)与下列( )项数值最为接近。

(A)585.20kN (B)415.60kN (C)769.10kN (D)549.36kN

答案:(B)

解答:吊车荷载下柱影响线如图1.8-11所示。

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图1.8-11 柱影响线

A5级工作制双钩吊车荷载折减系数ψc=0.9

Dmax=rqψcPmaxΣyi=1.4×0.9×152×2.17kN=415.6kN

1.8.3 静定桁架的计算方法

静定桁架一般采用节点法和截面法进行内力计算。

【例1.8-4】 有一钢筋混凝土非预应力屋架,如图1.8-12所示。结构设计使用年限为50年。已知:屋架混凝土强度等级为C30。节点集中荷载P=P1+P2,恒荷载P1=12kN(标准值且包括构件自重),活荷载P2=6kN(标准值且活荷载大于4kN/m2)。

提示:(1)计算屋架杆件内力时不考虑节点次应力的影响。

(2)上弦杆的计算长度可取节间长度的两倍。

(3)基本组合为由可变荷载效应控制的组合。

1.在活荷载作用下的支座反力为RAv(设计值,kN)应该和下列( )项数值相接近。

(A)RAv=23.4 (B)RAv=25.2 (C)RAv=21 (D)RAv=19.5

答案:(B)

解答:荷载设计值:1.4×P2=8.4kN 978-7-111-45870-8-Chapter01-255.jpg

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图1.8-12 【例1.8-4】图

2.在恒荷载和活荷载的作用下,上弦杆件S1的内力设计值(kN)与下列( )项数值相接近。

(A)153.02 (B)124.16 (C)148.99 (D)127.51

答案:(D)

解答:采用节点法:P=(1.2×12+1.4×6)kN=22.8kN

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由节点静力平衡:978-7-111-45870-8-Chapter01-258.jpg

978-7-111-45870-8-Chapter01-259.jpg (与假设的方向相反)(受压)

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