前言
本章与其它章节所涉及的结构分析略有不同,从内容上来讲,在静力学部分中是较为独立的一章,这是因为荷载属性有所变化,虽然都是静荷载(不考虑加速度对结构的影响),但本章考虑的是静荷载中的某些活载,即移动荷载,它指荷载的大小和方向均不变,但作用位置却是移动的,据此结构的内力便是变化的。影响线的绘制就是为了把握结构上某点的内力或某支座反力随荷载作用位置变化的规律。
为了将内力or反力随荷载移动的变化量度统一化,我们将移动荷载的大小设为1,即结构某点的内力或某支座反力在单位移动荷载下的变化规律的图形定义为该量值的影响线。
基本内容
求解影响线,我们有以下三种基本方法
取杆端为原点,以单位力移动方向为x轴得坐标系,x轴一般与单位力互相垂直。用静力平衡条件列出某量值随单位荷载移动的表达式,再据此画出影响线。
静力法过程麻烦,作图较慢,考研中命题不是很多,但静力法是依据静力平衡方程作图,直接体现出了影响线的本质,复习过程中不能忽略,考题一般会涉及静定单跨梁、某些简单刚架、桁架。用静力法考察静定单跨梁的原因是多跨梁用静力法较为麻烦,所以只能考相对简单的单跨梁,考察桁架的原因是很多桁架不能用机动法求解,其竖标不好确定,只好用静力法。桁架为静力法中的备考重点。
⑴影响线需标明正负,若影响线为正值,绘于y轴正向,反之绘于y轴反向。
⑵静力法求单跨静定梁与简单刚架I.L.(很简单,了解即可)
例1.
如图,若要静力法求C点弯矩影响线,任一x位置,可求A、B反力表达式,当0<x<a时,用B反力求Mc,当a<x<L时,用A反力求Mc,这样C点弯矩可直接口算得出。C点剪力影响线求法同理。
例2.
如图,水平单位力在刚架AC上移动,求MD的影响线(内侧受拉为正)
⑶关于静力法求桁架结构的影响线
例3.(朱慈勉结构力学习题4-9(a))
图片说明
例4.(朱慈勉结构力学习题4-9(b))
某量值的影响线就是去除相应约束后的机动体系,再代以相应约束力,沿着广义力方向所形成的单位虚位移图。
这里引用朱慈勉教授归纳的十四字口诀“求何撤何代以何,沿何吹气位移1”,即要求某量值的影响线,就先撤去该量值对应的约束,拆除约束后,静定结构变为机动体系(在微量干扰下,也能发生刚体位移),再在该位置代以相应的使机构平衡的约束力(广义力,注意须正方向),吹一口气(形象化,表示对体系在代入的约束力方向施加微量的干扰)使得沿着约束力方向发生1的单位位移(广义位移)
①静定结构的影响线均由直线组成,原因在于它是拆除相应约束的机动体系发生的刚体位移。
②关于单位位移1
即单位位移与代入的约束力是相对应的,一对力偶对应相对角位移;一对集中力对应相对线位移;集中力对应线位移。
③I.L.竖标的确定
在具体落实到解题上面,反力影响线竖标直接确定为1,在剪力影响线中把握定向支座两侧斜率相等的原则且相对线位移为1的两个等式联立求解竖标值,在M影响线中,如何利用相对角位移α+β=1来确定竖标y呢?看下图
④正确画出体系发生的刚体虚位移
定向支座是容易犯错的地方,要注意到定向支座两侧斜率应该保持相同,画完所发生的虚位移图,要及时检查。
因为通过机动法画体系的虚位移图是直接凭感觉画出的,并不会有公式之类,所以大部分人会觉得机动法很简单,几秒钟可能就画出来了,但同样也会有小部分人,无论如何就是想不通体系怎么会发生这样的虚位移,会觉得较难。想象能力不够的同学要自己多练多想,在这一点上,别人是很难帮助到你的。
⑤推荐的做题模式,规范化
在绘制结构的影响线时,建议先通过结构各个控制点用虚线画基准线,再在此基础上绘制影响线。这样绘制出的影响线美观整齐且不易出错。
①静定多跨梁,如下例
对刚接触机动法的同学来讲,该题中FQA、MA的虚位移图作图时容易出错,该题你做对了吗?
②叠合梁
该类问题也称为间接荷载下的影响线绘制问题,即移动荷载在次梁上移动,求主梁上某量值的影响线。
作法:先作出直接荷载作用下所求量值的影响线,再作以如下修正:每一次梁端点处竖标不变,次梁内连以直线即可。
其实对桁架结构的影响线绘制而言,下承常常也是通过上承已绘出的影响线图进行修改,如上文中静力法部分桁架例题所示,你发现了吗?
③其他类型
如下图
单位力在EH上移动,要求AB梁上某量值的影响线,作法为先作出AB梁上某量值发生单位虚位移下引起的EH梁的虚位移图,则该量值的影响线图即为EH梁的虚位移图。
我们常常做的是单位力移动下量值的影响线,但请注意,若将单位力改为单位力偶呢?先试着类比一下,单位力移动下,我们所求的影响线是对应的机动体系发生的刚体虚位移图,即反应了各段杆件每点的线位移;由力对应线位移,力偶对应角位移的原则,在单位力偶移动下,所求的影响线应该是虚位移图中各段杆件每点的角位移θ,小位移下θ=tanθ,据此给出结论:在移动单位力偶作用下,某量值影响线为相应机动体系发生刚体虚位移图的斜率。
现通过推导证明该结论:
定义:先运用机动法快速确定影响线图形,再用静力平衡条件求控制点竖标。
注意:运用联合法的关键在于准确判断虚位移形状,确定控制点。特别是对某些桁架时,在撤除约束发生虚位移时,常常是某一结间形成机构,其余部分仍保持内部几何不变,这些部分可视为刚片,找刚片是确定虚位移的关键。这样便能快速找到要求的控制点,进而去求控制点竖标。
例题可参考朱慈勉结构力学例4-7
小结
本章内容属于考研结构力学必考部分,一般出一道大题包含3-6个量值的影响线(15-20分),整体而言难度较低,属于送分题,具体而言以机动法为主,一些院校偶尔会考察静力法,大部分院校联合法基本不考。
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知识点:静定结构影响线的绘制
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