建筑力学课件第十七章资料.ppt

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第十七章 结构位移计算 第一节 弹性杆件的变形与应变能密度计算 第二节 变形体的虚功原理 第三节 结构位移计算的一般公式 第四节 荷载作用下的位移计算 第五节 图 乘 法 第六节 温度作用时的位移计算 第七节 互等定理 总结与讨论 习题 17.1弹性杆件的变形与应变能密度计算 讨论弹性杆件的变形,首先要了解弹性的定义。关于弹性的含义,需要说明两点。第一,弹性体的应力应变关系应当是单值函数关系,应力值与应变值之间具有一一对应关系,某个应力效应作用下,杆件所对应的该应变值为唯一定值。如果物体在卸载时的变形特性与加载时的不同,则应力与应变之间已不是单值函数关系,这种非弹性情况本教材不予考虑。第二,弹性体的应力应变关系可以是线性的或非线性的,前者称为线弹性体,应力应变的比值是个常数,即前面已经学到的弹性模量E,剪切模量G等。而后者称为非线弹性体。 17.2 变形体的虚功原理 前面已经讨论过质点系的虚位移原理(或称为虚功原理),它表述为:具有理想约束的质点系在某一位置处于平衡的充分必要条件是对于任何虚位移,作用于质点系的主动力所作的虚功总和为零。 所谓虚位移是指为约束条件所允许的任意微小位移。理想约束是指其约束反力在虚位移上所作的功恒等于零的约束,例如光滑铰结、刚性链杆等。在刚体中,因任何两点间距离均保持不变,可以认为任何两点间有刚性链杆相连,该刚体是属于具有理想约束的质点系。由若干个刚体用理想约束联结起来的体系自然也是具有理想约束的质点系。此外,作用于体系的外力通常包括荷载(主动力)和约束反力,而对于任何约束,当去掉该约束而以相应的反力代替其对体系的作用时,其反力便可当作荷载(主动力)来看待。因此,虚功原理应用于刚体系时又可表述为:刚体系处于平衡的充分必要条件是,对于任何虚位移,所有外力所作虚功总和为零。 17.2 变形体的虚功原理 虚功原理应用于变形体系时,外力虚功总和则不等于零。对于杆系结构,变形体系的虚功原理可表述为,变形体系处于平衡的充分必要条件是,对于任何虚位移,外力所作虚功总和等于各微段上的内力在其变形上所作的虚功总和,或者简单地说,外力虚功等于变形虚功。 为说明上述原理的正确性,这里着重从物理概念上来论证其必要性。图17-1(a)表示杆系结构在力系作用下处于平衡状态,图17-1(b)表示该结构由于别的原因而产生的虚位移状态,下面分别称这两个状态为结构的力状态和位移状态。这里,虚位移可以是与力状态无关的其他任何原因(例如另一组力系、温度变化、支座移动等)引起的,甚至是假想的。但虚位移必须是微小的,并为支撑约束条件和变形连续条件所允许,即应是所谓协调的位移。 17.2 变形体的虚功原理 从图的力状态中取出一个微段来研究,作用在微段上的力除外力q外,还有两侧截面上的内力即轴力、弯矩和剪力(注意,这些力对整个结构而言是内力,对于所取微段而言则是外力,由于习惯,同时也为了与整个结构的外力即荷载和支座反力相区别,这里仍称这些力为内力)。在图的位移状态中此微段由ABCD移到了A′B′C′D′,于是上述作用在微段上的各力将在相应的位移上作虚功。把所有微段的虚功总加起来,便是整个结构的虚功。下面按两种不同的途径来计算虚功。 (1)按外力虚功与内力虚功来计算。设作用于微段上所有各力所作虚功总和为dW总,它可以分为两部分:一部分是外力所作的功dW外,另一部分是截面上的内力所作的功dW内,即 dW总=dW外+dW内 将其沿杆段积分并将各杆段积分总和起来,得整个结构的虚功为 W总=W外+W内 17.2 变形体的虚功原理 或简写为 W总=W外+W内 这里,W外便是整个结构的所有外力(包括荷载和支座反力)在其相应的虚位移上所作虚功的总和,即上面简称的外力虚功;W内则是所有微段截面上的内力所作虚功的总和。由于任何两相邻微段的相邻截面上的内力互为作用力与反作用力,它们大小相等方向相反;由于虚位移是协调的,满足变形连续条件,两微段相邻的截面总是紧贴在一起而具有相同的位移,因此每一对相邻截面上的内力所作的功总是大小相等正负号相反而相互抵消。由此可见,所有微段截面上内力所作功的总和必然为零,即 W内=0 于是整个结构的总虚功便等于外力虚功。 W总=W外 17.2 变形体的虚功原理 (2)按刚体虚功与变形体虚功来计算。另一方面,又可以把微段的虚位移分解为两步,先只发生刚体位移(由ABCD移到A′B′C″D″),然后再发生变形位移(截面A′B′不动,C″D″现移到C′D′)。作用在微段上的所有各力在刚体位移上所作虚功为dW刚,在变形位移上所作虚功为dW变,于是微段总的虚功又可写成 dW总=dW刚+dW变 由于微段处于平衡状态,故由刚体的虚功原理可知 dW刚=0 于是 dW总=dW变

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