几何构造分析之零载法
zsd_7385101565
2022年10月09日 16:17:11
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一、 前言      前面我们提到了用基本组成规则分析体系几何构造,即两刚片规则和三刚片规则及应用该规则分析的一些技巧,在常见的题目中,绝大部分题目都可用基本规则进行分析判断,但对于一些复杂结构,上述方法很难判断甚至不能判断,则需零载法来判定。

一、
前言




     前面我们提到了用基本组成规则分析体系几何构造,即两刚片规则和三刚片规则及应用该规则分析的一些技巧,在常见的题目中,绝大部分题目都可用基本规则进行分析判断,但对于一些复杂结构,上述方法很难判断甚至不能判断,则需零载法来判定。



注:从考试范围来说,大部分院校考研结构力学不涉及零载法,所以复习过程中关于零载法的复习自行取舍。
二、
零载法基本内容
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零载法的原理
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     一个体系如果计算自由度W=0并且又几何不变,它就是一个静定结构,因而在给定荷载作用下,它的满足平衡方程的反力和内力的解答是唯一的。如果给定荷载为零,则体系中的反力和内力也只能全部为零,因为在零荷载条件下,零反力和零内力显然是满足平衡条件的一组解答,根据唯一性,这组解答就是唯一正确的解答。

     基于以上原理,在W=0的前提下,如果体系在零荷载条件下不容许任何非零反力和内力存在,它就是几何不变的,反之,如果在零荷载条件下体系中可以存在任何非零反力和内力,它就是几何可变的。

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具体解题步骤:
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     对于一个计算自由度为零的体系,先假设某杆内力不为零或者支座反力不为零,再基于此由力的平衡条件逐步得到其它杆件内力情况,若某处内力平衡已出现矛盾,则之前的杆件内力都只能为零,否则接着推算,最终再回到最初假设内力的杆件上,若与假设矛盾,则说明内力只有零解,符合静定结构零荷载下零内力的唯一解,得证为几何不变体系,否则为几何可变体系。
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敲黑板,两点注意:
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I.若上部体系与大地刚片用三根不相平行也不相交于一点的支座链杆相联,即大地是一元体,则零载下,支座反力必为零,否则不满足西格玛M=0,此时去掉一元体,分析上部体系,从假设某杆内力不为零开始分析。


II.在具体由力的平衡条件推算其它杆件内力的过程中,有的体系仅定性分析力的方向即可得出假设矛盾的结论,得出体系几何不变。在仅依据力的方向不能得出假设矛盾时,或者说,仅依据力的方向得出假设内力平衡是被允许的时,却并不能得出体系几何可变的结论,此时,还需比较所设内力的大小,甚至还需一些定量计算,才可得出正确的结论。

三、
应用零载法解题
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分别取I-I截面、II-II截面、III-III截面以左隔离体分析,假设某斜杆轴力为F不等于0,可知竖向力分量不能平衡,故F=0,依次可知各杆轴力均为0,满足零载下的唯一零解。故体系为几何不变体系。

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假设支座反力和大小如图所示,由力的平衡知内力有非零解满足,故体系为几何可变。同时该题还可用基本规则选取刚片进行分析。

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先假设AB杆轴力不为0,可先设为拉力,由力的平衡可知各杆拉压情况如图所示,则E、F两点竖向力不平衡,故上述杆件在零荷载下内力均为0,但并不能说明体系几何不变,因为CE、EF、FD三杆内力有无穷多解,故不满足静定结构解的唯一性,体系几何可变。

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W=0,先假设CD杆轴力不为0,不妨设为拉力,则由各铰力的平衡可知,各竖杆均为拉力,取隔离体ACB与AC分析,易知零荷载下ACB难以平衡,故与假设矛盾,各杆内力均为0,体系几何不变。

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该题较为复杂,先假设支座反力大小为F,方向为水平支座逆时针,竖向支座顺时针,得RD、SA、BP、CQ剪力、轴力(红色笔迹),再由CBAP隔离体分析,对A求矩,可知CB杆轴力为-F,同理可得各杆轴力,再对上述隔离体分析知各杆的剪力均为0(蓝色笔迹),据此B结点分析知水平力不平衡,其它结点同理,故该体系零载下内力只有零解。体系几何不变。

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取I-I截面以左对A点求矩和II-II截面以右对B求矩,可知矛盾,故体系在零载下内力只有零解,综上体系几何不变。

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四、
四、几何构造分析总结


     具体题目中,在进行几何构造分析时:

     对于主观题需要列出分析过程时,先计算体系自由度W,若W>0则体系几何可变,若W<=0,则首先运用基本组成规则进行分析,当发现两刚片、三刚片规则无法适用时,此时一般W=0,考虑使用零载法分析。

     对于客观题仅需得出答案时,一般先略去计算自由度的步骤以省时间(很多体系杆件数量多,容易算错而导致还未分析便得错误结论),因为大部分考题计算自由度都是小于等于0的,直接选取刚片以适用基本组成规则进行分析,若此时无从下手,则计算体系的计算自由度,大概率W>0,体系几何常变,若W<=0,再仔细审题,对于不考零载法的学校考题基本组成规则必然适用,否则W=0情况下,采用零载法分析。



参考教材:《趣味结构力学》第2版,单建编著,高等教育出版社

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知识点:零载法

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