0 1 前言
体系的所有杆件和联系及外荷载若均处在同一平面内,则称之为平面体系。如果我们按照几何学的原理对体系发生运动的可能性进行分析,称为体系的几何构造分析。注意是体系发生刚体运动的可能性,切不可将杆件结构变形与之混为一谈。
通过几何构造分析,可将体系划分为几何不变体系与几何可变体系,几何可变体系又可细分为常变体系与瞬变体系。只有几何不变体系才可以作为工程结构承受荷载。这都是以体系能否发生刚体运动来界定的。
有些人可能会有疑问,结构在承受荷载后会产生变形、会发生位移,刚体位移也是位移,为什么几何可变体系能发生刚体位移却不能作为结构呢?原因在于几何可变体系发生的刚体运动是随机性的大位移(瞬变体系除外,瞬变体系发生的也是瞬时微量位移,但其却不能作为工程结构,原因是会产生大内力,严重时甚至会使材料破坏),而结构在荷载下的变形是小变形,产生的位移是小位移。这里的大与小都是相对于杆件尺寸而言的。
所以几何构造分析是必须的一步,另一方面熟练分析体系组成在后面章节求解结构时也有很大帮助。
体系自由度,是指完全确定体系位置所需要的独立坐标数目。一个刚片在平面中有三个自由度x、y、φ,即刚体作水平、竖向、转动的刚体运动的可能性。体系要成为工程结构,就要求在平面中有相应的约束,使其不能有刚体运动的可能。刚片间的联结分铰接和刚接。两个刚片用一个铰联结称为单铰,三个及三个以上刚片用铰联结称为复铰,一个单铰相当于2个约束,联结n个刚片的复铰相当于n?1个单铰,为2(n?1)个约束。再谈刚结点,一个单刚结点相当于3个约束,同理,联结n个刚片的复刚结点相当于n?1个单刚结点,为3(n?1)个约束。
通过计算体系的自由度个数看来可以确定体系是否能作为工程结构,但事实并非如此,因为约束的作用可能会相互重复,体系若想成为工程结构,所加的约束须将所有的自由度加以限制,也就是说约束要合理,而不是简单的堆砌。可以得出这样的结论:约束数量小于自由度个数,体系一定几何可变,约束个数大于等于自由度个数,体系不一定几何不变。引入计算自由度概念,其为体系各组成部分总的自由度个数减去体系总约束个数。综上,计算自由度<=0只是体系几何不变的必要条件。
在一些不能直观判断几何组成规则的体系分析中,常常先去计算体系的计算自由度。本狗认为有限的时间内,大家只需熟练掌握一种方法即可,即视为刚片体系进行计算。通过数刚片个数,折算单铰数,支座链杆数进行计算即可。
w=所有刚片的自由度个数(1刚片3自由度)?折算单铰的约束个数(1单铰2约束)?支座链杆的约束个数(1链杆1约束)
①一个单铰与两根链杆类似,相当于提供两个约束。此时引出实铰和虚铰的概念,且据此两刚片组成规则又可表述为:两个刚片间用一个铰(实铰和虚铰)和一根不通过该铰的链杆相联,其内部几何不变且无多余约束。
②联结两刚片的三根链杆汇交于一实铰,则体系几何常变,汇交于一虚铰,则几何瞬变。几何常变与几何瞬变的本质区别在于体系在运动趋势下微量移动后,位形还能否继续变化。
③几何学原理,当两组平行线方向不同时,它们形成的两个交点在不同的无穷远点;当两组平行线方向相同时,它们形成的交点在同一无穷远点;平面上各无穷远点都在一条直线上。
④运用基本组成规则解题的一些常用技巧。
a.一元体,一个刚片与一个体系间只用三根不相交于一点也不相平行的链杆联结,该刚片称为一元体。或者说两者符合“两刚片”(将待分析体系假定为刚片)组成规则,在分析体系几何构造时,可去一元体,只分析剩下的体系。常见有去基础这个一元体。
b.二元体,两个刚片与一个体系间只用三个不在一直线上的铰两两相联,则两个刚片统称二元体。或者说三者符合“三刚片”(将待分析体系假定为刚片)组成规则,在分析体系几何构造时,可去二元体,只分析剩下的体系。
c.等效替代原则,任何链杆都可视为刚片(具体根据分析的需要),难点在于将刚片视为链杆或链杆体系,其有应用条件,若一个刚片仅通过两个铰(包括虚铰)对外联系,则可将其视为过该两铰的链杆;若一个刚片通过三个或三个以上的铰对外联系,则可将其视为联结这些铰的几何不变且无多余约束的链杆体系。常见的有把通过两铰对外联系的大地刚片视为链杆。
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