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1、材料力学第十二章 超静定结构1第1页，本讲稿共31页121 超静定结构超静定结构概述概述概述概述12-4 12-4 连续梁与三弯矩方程连续梁与三弯矩方程 第十二章第十二章 超静定结构超静定结构123 用力法解超静定结构用力法解超静定结构122 弯曲超静定弯曲超静定问题问题问题问题2第2页，本讲稿共31页 用静力学平衡方程无法确定全部约束力和内力的结构，统称为超静定结构或系统超静定结构或系统，也称为超静定结构或系统超静定结构或系统。121 超静定结构超静定结构概述概述 在超静定结构中，超过维持静力学平衡所必须的约束称为多多余约束，多余约束相对应的反力称为多余约束反力多余约束反力，多余约束的数目为
2、结构的超静定次数超静定次数。3第3页，本讲稿共31页超超静静定定问问题题分分类类第一类：仅在结构外部存在多余约束，即支反力是静 不定的，可称为外力超静定系统。分析方法分析方法1.力法：以未知力为基本未知量的求解方法。2.位移法：以未知位移为基本未知量的求解方法。第二类：仅在结构内部存在多余约束，即内力是静不 定的，可称为内力超静定系统。第三类：在结构外部和内部均存在多余约束，即支反 力和内力是超静定的。4第4页，本讲稿共31页第一类第二类第三类5第5页，本讲稿共31页122 122 弯曲超静定问题弯曲超静定问题1、处理方法：变形协调方程、物理方程与平衡方程相结合，求全部未知力。解：建立静定基
3、确定超静定次数，用反力代替多余约束所得到的结构静定基。=q0LABLq0MABAq0LRBABxy6第6页，本讲稿共31页几何方程变形协调方程+q0LRBAB=RBABq0AB物理方程变形与力的关系补充方程求解其它问题（反力、应力、变形等）7第7页，本讲稿共31页几何方程 变形协调方程：解：建立静定基=例例6 结构如图，求B点反力。LBCxyq0LRBABCq0LRBAB=RBAB+q0AB8第8页，本讲稿共31页=LBCxyq0LRBABCRBAB+q0AB物理方程变形与力的关系补充方程求解其它问题（反力、应力、变形等）9第9页，本讲稿共31页123 用力法解超静定结构用力法解超静定结构一、
4、力法的基本思路（举例说明）一、力法的基本思路（举例说明）解：判定多余约束反力的数目 （一个）C 例例1 如图所示，梁EI为常数。试求支座反力，作弯矩图，并求梁中点的挠度。PAB(a)PABCX1(b)选取并去除多余约束，代 以多余约束反力，列出变形 协调方程，见图(b)。10第10页，本讲稿共31页变形协调方程变形协调方程用能量法计算 和PABC(c)x(d)xABX1AB1x(e)由莫尔定理可得(图c、d、e)11第11页，本讲稿共31页求多余约束反力将上述结果代入变形协调方程得求其它约束反力 由平衡方程可求得A端反力，其大小和方向见图(f)。CPAB(f)作弯矩图，见图(g)。(g)+求梁
5、中点的挠度12第12页，本讲稿共31页选取基本静定系(见图(b)作为计算对象。单位载荷如图(h)。PABCX1(b)x1ABC(h)用莫尔定理可得注意注意：对于同一超静定结构，若选取不同的多余约束，则基本静定系也不同。本题中若选固定段处的转动约束为多余约束，基本静定系是如图(i)所示的简支梁。CPAB(i)X113第13页，本讲稿共31页二、力法正则方程二、力法正则方程上例中以未知力为未知量的变形协调方程可改写成下式X1多余未知量；d11在基本静定系上，X1取单位值时引起的在X1作用点沿 X1方向的位移；D1P在基本静定系上，由原载荷引起的在X1作用点沿 X1方向的位移；变形协调方程的标准形式
6、，即所谓的力法正则方程。14第14页，本讲稿共31页对于有无数多余约束反力的超静定系统的正则方程如下：由位移互等定理知：d dij：影响系数，表示在基本静定系上由Xj取单位值时引起的 在Xi作用点沿Xi方向的位移；D DiP：自由项，表示在基本静定系上，由原载荷引起的在Xi 作用点沿Xi 方向的位移。15第15页，本讲稿共31页例例2 试求图示刚架的全部约束反力，刚架EI为常数。qaABa解：刚架有两个多余约束。选取并去除多余约束，代以多 余约束反力。qABX1X2建立力法正则方程计算系数dij和自由项DiP用莫尔定理求得16第16页，本讲稿共31页qABx1x2ABx1x211ABx1x21
7、7第17页，本讲稿共31页求多余约束反力将上述结果代入力法正则方程可得求其它支反力 由平衡方程得其它支反力，全部表示于图中。qAB18第18页，本讲稿共31页三、对称与反对称性质的利用三、对称与反对称性质的利用 结构几何尺寸、形状，构件材料及约束条件均对称于某一轴，则称此结构为对称结构对称结构。E1I1E1I1EI对称轴E1I1E1I1EI对称轴E1I1E1I1EI对称轴 当对称结构受力也对称于结构对称轴，则此结构将产生对称变对称变形形。若外力反对称于结构对称轴，则结构将产生反对称变形反对称变形。19第19页，本讲稿共31页 正确利用对称、反对称性质，则可推知某些未知量，可大大简化计算过程：如
8、对称变形对称截面上，反对称内力为零或已知；反对称变形反对称截面上，对称内力为零或已知。对称轴X1X2X2X3PX1X3例如：X1X3PX1X3PX2X2PP20第20页，本讲稿共31页例例3 试求图示刚架的全部约束反力。刚架EI为常数。ABCPPaa解：图示刚架有三个多余未知力。但由于结构是对称的，而载荷反对称，故对称轴横截面上轴力、弯矩为零，只有一个多余未知力（剪力），只需列出一个正则方程求解。PPX1X1用莫尔定理求D1P和d11。21第21页，本讲稿共31页Px1x2x1x21则由平衡方程求得：ABPPMBRBHBMARAHA22第22页，本讲稿共31页12-4 12-4 连续梁与三弯矩
9、方程连续梁与三弯矩方程 为减小跨度很大直梁的弯曲变形和应力，常在其中间安置若干中间支座，在建筑、桥梁以及机械中常见的这类结构称为连续梁连续梁。撤去中间支座，该梁是两端铰支的静定梁，因此中间支座就是其多余约束，有多少个中间支座，就有多少个多余约束，中间支座数就是连续梁的超静定次数超静定次数。一、连续梁与超静定次数一、连续梁与超静定次数012n-1n+1nl1l2lnln+1M1M2Mn-1MnMn+123第23页，本讲稿共31页二、三弯矩方程二、三弯矩方程 连续梁是超静定结构，静定基可有多种选择，如果选撤去中间支座为静定基，则因每个支座反力将对静定梁的每个中间支座位置上的位移有影响，因此正则方程
10、中每个方程都将包含多余约束反力，使计算非常繁琐。如果设想将每个中间支座上的梁切开并装上铰链，将连续梁变成若干个简支梁，每个简支梁都是一个静定基。这相当于把每个支座上梁的内约束解除，即将其内力弯矩M1、M2、Mn-1、Mn、作为多余约束力(见上图)，则每个支座上方的铰链两侧截面上需加上大小相等、方向相反的一对力偶矩，与其对应的位移是两侧截面的相对转角。24第24页，本讲稿共31页 如从基本静定系中任意取出两个相邻跨度ln、ln+1，由于是连续梁，挠曲线在n支座处光滑连续,则 变形协调条件为:n-1n+1nlnln+1Mn+1Mn1 1wnwn+1anbn+1Mn-1Mn-1Mnn-1nn+1nM
11、n+125第25页，本讲稿共31页1nwnanMn-1n-1lnMn1.求qn左:(可查表,再用叠加法;也可用图乘法或莫尔积分)Mn+11wn+1bn+1Mnn+1nln+12.求qn右:26第26页，本讲稿共31页三弯矩方程三弯矩方程 对于连续梁的每一个中间支座都可以列出一个三弯矩方程.所以可能列出的方程式的数目恰好等于中间支座的数目，也就是等于超静定的次数。而且每一个方程式中只含有三个多余约束力偶矩，这就使得计算得以一定的简化。如各跨截面相同,即 In=In+1,则三弯矩方程简化为:27第27页，本讲稿共31页例例4 试用三弯矩方程作等刚度连续梁AC的弯矩图。见图(a)。ABCqP=qlll/2l/2解：AC梁总共有二跨，跨长l1=l2=l。中间支座编号应取为1，即n=1。由于已知0，2两支座上无弯矩，故(a)ABCqP=qlMB(b)28第28页，本讲稿共31页ABCqP=qlw1w2(c)由图(c)和(d)图得：1ABC1(d)代入三弯矩方程可得解得(方向与图(b)所示相反)29第29页，本讲稿共31页+(e)将图(d)中的单位弯矩图乘以 便得到MB在简支梁上产生的M图，再与载荷引起的M图(c)相加，就得到梁AC的图，见图(e)。30第30页，本讲稿共31页31第31页，本讲稿共31页