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。
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 图,如图1.8-2所示。应用图乘法求得
求解力法方程,得 (↑)。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
图1.8-2 Mp图和M1图
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
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。
图1.8-3 M图
式中,δii称为主系数(永远为正值),δij(i≠j)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。
显然,δij=δji。
应用叠加法计算截面的M值
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)ik,i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ik杆i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=i。i为梁的线刚度,i=EI/l,E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
(3)分配系数 即
(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。
图1.8-4 节点i连接几根杆
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 , , ,所以
(2)计算分配系数 , ,
(3)传递系数 CAC=0,CAD=-1,
(4)计算分配弯矩
(5)计算传递弯矩
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=3i,SBC=4i
2.节点转动刚度SB=7i
3.计算分配系数
4.查固端弯矩
5.进行分配和传递
6.绘M图
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。
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:
BC梁线刚度:
梁弯矩分配系数:
查固端弯矩:
不平衡弯矩: ΔM=(133.3-112.5)kN·m=20.8kN·m
2.假定调整L1、L2、L3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
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N和M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
图1.8-8 【例1.8-3】图
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。
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。
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
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
由节点静力平衡:
(与假设的方向相反)(受压)