静定结构的位移计算.doc

91
第4章 静定结构的位移计算
第4章 静定结构的位移计算
4.1 结构位移的概念
4.1.1 结构位移
结构都是由变形材料制成的，当结构受到外部因素的作用时，它将产生变形和伴随而来的位移。变形是指形状的改变，位移是指某点位置或某截面位置和方位的移动。
如图4.1(a)所示刚架,在荷载作用下发生如虚线所示的变形，使截面A的形心从A点移动到了A′点，线段AA′称为A点的线位移，记为，它也可以用水平线位移和竖向线位移两个分量来表示如图4.1(b)。同时截面A还转动了一个角度，称为截面A的角位移，用表示。又如图4.2所示刚架，在荷载作用下发生虚线所示变形，截面A发生了角位移。同时截面B发生了的角位移，这两个截面的方向相反的角位移之和称为截面A、B的相对角位移，即。同理，C、D两点的水平线位移分别为如，这两个指向相反的水平位移之和称为C、D两点的水平相对线位移，既。
除上述位移之外，静定结构由于支座沉降等因素作用，亦可使结构或杆件产生位移，但结构的各杆件并不产生内力，也不产生变形，故把这种位移称为刚体位移。
一般情况下，结构的线位移、角位移或者相对位移，与结构原来的几何尺寸相比都是极其微小的。

图4.1

图4.2
引起结构产生位移的主要因素有：荷载作用、温度改变、支座移动及杆件几何尺寸制造误差和材料收缩变形等。
4.1.2 结构位移计算的目的
1. 验算结构的刚度
结构在荷载作用下如果变形太大，即使不破坏也不能正常使用。既结构设计时，要计算结构的位移，控制结构不能发生过大的变形。让结构位移不超过允许的限值，这一计算过程称为刚度验算。
2. 解算超静定
计算超静定结构的的反力和内力时，由于静力平衡方程数目不够，需建立位移条件的补充方程，所以必须计算结构的位移。
3. 保证施工
在结构的施工过程中，也常常需要知道结构的位移，以确保施工安全和拼装就位。
4. 研究振动和稳定
在结构的动力计算和稳定计算中，也需要计算结构的位移。
可见，结构的位移计算在工程上是具有重要意义的。
4.1.3 位移计算的有关假设
在求结构的位移时，为使计算简化，常采用如下假定：
(1) 结构的材料服从胡克定律，既应力应变成线性关系。
(2) 结构的变形很小，不致影响荷载的作用。在建立平衡方程时，仍然用结构原有几何尺寸进行计算；由于变形微小，应力应变与位移成线性关系。
(3) 结构各部分之间为理想联结，不需要考虑摩擦阻力等影响。
对于实际的大多数工程结构，按照上述假定计算的结果具有足够的精确度。满足上述条件的理想化的体系，其位移与荷载之间为线性关系，常称为线性变形系。当荷载全部去掉后，位移即全部消失。对于此种体系，计算其位移可以应用叠加原理。
位移与荷载之间呈非线性关系的体系称为非线性变形体系。线性变形体系和非线性变形体系统称为变形体系。本书只讨论线性变形体系的位移计算。
4.2 变形体系的虚功原理
4.2.1 虚功和刚体系虚功原理
实功：若力在自身引起的位移上做功，所做的功称为实功。
虚功：若力在彼此无关的位移上做功，所做的功称为虚功。
虚功有两种情况：其一，在做功的力与位移中，有一个是虚设的，所做的功是虚功；其二，力与位移两者均是实际存在的，但彼此无关，所做的功是虚功。
刚体系虚功原理：刚体系处于平衡的充分必要条件是，对于任何虚位移，所有外力所做虚功总和为零。
所谓虚位移是指约束条件所允许的任意微小位移。
4.2.2 变形体系虚功原理
变形体系虚功原理：变形体系处于平衡的充分必要条件是，对任何虚位移，外力在此虚位移上所做虚功总和等于各微段上内力在微段虚变形位移上所做虚功总和。此微段内力所做虚功总和在此称为变形虚功(其他书也称内力虚功或虚应变能)。
用表示或
接下去着重从物理概念上论证变形体系虚功原理的成立。
做虚功需要两个状态，一个是力状态，另一个是与力状态无关的位移状态。如图4.3(a)所示，一平面杆件结构在力系作用下处于平衡状态，称此状态为力状态。如图4.3(b)所示该结构由于别的原因而产生了位移。称此状态为位移状态。这里，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，也可以是假想的。但位移必须是微小的，并为支座约束条件如变形连续条件所允许，既应是所谓协调的位移。

图4.3
现从如4.3(a)所示力状态任取出一微段来作用在微段上的力既有外力又有内力，这些力将在如图4.3(b)所示位移状态中的对应微段由ABCD移到了A′B′C′D′的位移上做虚功。把所有微段的虚功总和起来，便得到整个结构的虚功。
(1) 按外力虚功和内力虚功计算结构总虚功。
设作用于微段上所有各力所做虚功总和为，它可分为两部分：一部分是微段表面上外力所做的功dwe，另一部分是微段截面上的内力所做的功，既

沿杆段积分求和，得整个结构的虚功为

简写为

是整个结构的所有外力(包括荷载和支座反力)所做虚功总和，简称外力虚功；是所有微段截面上的内力所做虚功总和。
由于任何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，且具有相同位移，因此每一对相邻截面上的内力虚功总是互相抵消。
由此有

于是整个结构的总虚功便等于外力虚功
(a)
(2) 按刚体虚功与变形虚功计算结构总虚功
我们可以把如图4.1(b)所示位移状态中微段的虚位移分解为两部分，第一部分仅发生刚体位移 (由ABCD移到)，然后再发生第二部分变形位移(移到)。
作用在微段上的所有力在微段刚体位移上所做虚功为，由于微段上的所有力含微段表面的外力及截面上的内力，构成一平衡力系。其在刚体位移上所做虚功。
作用在微段上的所有力在微段变形位移上所做虚功为，由于当微段发生变形位移时，仅其两侧面有相对位移，故只有作用在两侧面上的内力做功，而外力不作功。
实质是内力在变形位移上所做虚功，即

沿杆段积分求和、得整个结构的虚功为

简写为

由于

(b)
所以有
结构力状态上的力在结构位移状态上的虚位移所做虚功只有一个确定值，比较(a)、(b)式可得

这就是要证明的结论。
的计算如下：
对平面杆系结构，微段的变形如图4.36(b)所示。可以分解为轴向变形，弯曲变形和剪切变形为。
微段上的外力无对应的位移因而不做功，而微段上的轴力、弯矩和剪力的增量和在变形位移所做虚功为高阶微量，可略去。
因此微段上各内力在其对应的变形位移上所做虚功为

对于整个结构有

为书写简便，将外力虚功改用表示，变形体虚功方程为：
(4-1)
对于平面杆件结构有
 (4-2)
故虚功方程为
(4-3)
上面讨论中，没有涉及到材料的物理性质，因此对于弹性、非弹性、线性、非线性的变形体系，虚功原理都适用。
刚体系虚功原理是变形体系虚功原理的一个特例，即刚体发生位移时各微段不产生变形，故变形虚功。
此时(4-1)式成为
(4-4)
虚功原理在具体应用时有两种方式：一种是对于给定的力状态，另外虚设一个位移状态，利用虚功方程来求解力状态中的未知力，这样应用的虚功原理可称为虚位移原理。在理论力学中曾讨论过这种应用方式。虚功原理的另一种应用方式是对于给定的位移状态，另外虚设一个力状态，利用虚功方程来求解位移状态中的未知位移，这样应用的虚力原理可称为虚功原理。
4.3 结构位移计算的一般方式
虚力原理是在虚功原理两个彼此无关的状态中，在位移状态给定的条件下，通过虚设平衡力状态而建立虚功方程求解结构实际存在的位移。
4.3.1 结构位移计算的一般公式
1. 公式推导
如图4.4(a)所示,刚架在荷载支座移动及温度变化等因素影响下，产生了如虚线所示的实际变形，此状态为位移状态。为求此状态的位移需按所求位移相对应的虚设一个力状态。若求4.4(a)所示刚架K点沿方向的位移，现虚设如图4.4(b)所示刚架的力状态。即在刚架K点沿拟求位移的方向虚加一个集中力，为使计算简便令。
为求外力虚功W，在位移状态中给出了实际位移、、和，在力状态中可根据的作用求出、、支座反力。力状态上的外力在位移状态上的相应位移做虚功为。

为求变形虚功，在位移状态中任取一微段，微段上的变形位移分别为
在力状态中，可在与位移状态相对应的相同位置取微段，并根据的作用可求出微段上的内力。这样力状态微段上的内力，在位移状态微段上的变形位移所做虚功为：

图4.4
而整个结构的变形虚功为

由虚功原理有

可得
(4-5)
(4-5)式就是平面杆件结构位移计算的一般公式。
如果确定了虚拟力状态，其反力和微段上的内力，可求，同时若已知了实际位移状态支座的位移C，并可求解微段的变形。则位移可求。若计算结果为正，表示单位荷载所做虚功为正，即所求位移的指向与单位荷载的指向相同，为负则相反。
4.3.2 单位荷载的设置
利用虚功原理来求结构的位移，很关键的是虚设恰当的力状态，而方法的巧妙之处在于虚设的单位荷载一定在所求位移点沿所求位移方向设置，这样虚功恰等于位移。这种计算位移的方法称为单位荷载法。
在实际问题中，除了计算线位移外，还要计算角位移、相对位移等。因集中力是在其相应的线位移上做功，力偶是在其相应的角位移上做功，则若拟求绝对线位移，则应在拟求位移处沿拟求线位移方向虚设相应的单位集中力；若拟求绝对角位移，则应在拟求角位移处沿拟求角位移方向虚设相应的单位集中力偶；若拟求相对位移，则应在拟求相对位移处沿拟求位移方向虚设相应的一对平衡单位力或力偶。
图4.5分别表示了在拟求的单位荷载设置。

图4.5
为研究问题的方便，在位移计算中，我们引入广义位移和广义力的概念。线位移、角位移、相对线位移、相对角位移以及某一组位移等，可统称为广义位移；而集中力、力偶、一对集中力、一对力偶以及某一力系等，则统称为广义力。
这样在求任何广义位移时，虚拟状态所加的荷载就应是与所求广义位移相应的单位广义力。这里的“相应”是指力与位移在做功的关系上的对应，如集中力与线位移对应、力偶与角位移对应等。
4.4 静定结构在荷载作用下的位移计算
这里所说的结构在荷载作用下的位移计算，仅限于线弹性结构，即位移与荷载成线性关系，因而计算位移时荷载的影响可以叠加，而且当荷载全部撤除后位移也完全消失。这样的结构，位移应是微小的，应力与应变的关系符合胡克定律。
设位移仅是荷载引起，而无支座移动，故式(4-5)中的一项为零，位移计算公式为
(a)
式中，用了两个脚标，第一个脚标K表示该位移发生的地点和方向，第二个脚标P表示引起该位移的原因，既是广义荷载引起的。
为虚拟力状态中微段上的内力，如图4.6(b)所示。
是实际位移状态中微段发生的变形位移。若引起实际位移的原因是荷载，既结构在荷载作用下微段上的变形位移，由荷载在微段上引起的内力通过材料力学相关公式可求。
设荷载作用下微段上的内力为，如图4.6(a)所示，分别引起的变形位移为
(b)
(c)
(d)
式中，E为材料的弹性模量；I和A分别为杆件截面的弹性矩和面积；G为材料的切变模量；K为切应力沿截面分布不均匀而引用的修正系数。其值与截面形状有关，矩形截面，圆形截面，薄壁圆环截面，工字形截面为腹板截面面积。
应该指出：上述关于微段变形位移的计算，对于直杆是正确的，而对于曲杆还需考虑曲率对变形的影响。不过对于工程中常用的曲杆结构，由于其截面高度与曲率半径相比很小(称小曲率杆)，曲率的影响不大，仍可按直杆公式计算。
将前面的(b)、(c)、(d)式代入(a)式得
(4-6)
上式为平面杆系结构在荷载作用下的位移计算公式。
(4-6)式中右边三项分别代表结构的弯曲变形、轴向变形和剪切变形对所求位移的影响。

图4.6
在荷载作用下的实际结构中，不同的结构形式其受力特点不同，各内力项对位移的影响也不同。为简化计算，对不同结构常忽略对位移影响较小的内力项，这样既满足于工程精度求，又使计算简化。
各类结构的位移计算简化公式如下
1) 梁和刚架
位移主要是弯矩引起，为简化计算可忽略剪力和轴力对位移的影响。
(4-7)
2) 桁架
各杆件只有轴力
(4-8)
3) 拱
对于拱，当其轴力与压力线相近(两者的距离与拱截面高度为同一数量级)或者为扁平拱时要考虑弯矩和轴力对位移的影响。
(4-9)
其他情况下一般只考虑弯矩对位移的影响。
(4-10)
4) 组合结构
此类结构中梁式杆以受弯为主、只计算弯乱一项的影响；对于链杆只有轴力影响。
(4-11)
【例4.1】如图4.7(a)所示刚架，各杆段抗弯刚度均为EI，试求B截面水平位移。

图4.7
解：已知实际位移状态如图4.7(a)所示，设立虚拟单位力状态如图4.7(b)。
刚架弯矩以内侧受拉为正，有
BA杆：

BC杆：

将内力及代入(4-7)式有

【例4.2】求如图4.8(a)所示等截面圆弧形曲杆B点的竖向位移。考虑弯曲、轴向、剪切变形,并设杆的截面高度与其曲率半径之比很小(小曲率杆)。

图4.8
解：已知实际位移状态如图4.8(a)所示设立虚拟单位力状态如图4.8(b)所示，取圆心O为极坐标原点，角为自变量，则

内力正向示于图4.8(c)，将以上内力和代入(4-6)式有

积分得

分析：
以分别表示弯曲变形、轴向变形和剪切变形引起的位移，则有

举一个具体例子，比较其大小。对于钢筋混凝土结构，，若截面为矩形
此时

通常，则有

可见，在竖向荷载作用下，对于一般曲杆，剪切变形，轴向变形与弯曲变形引起的位移相比很小，可以略去。
【例4.3】试计算如图4.9(a)所示桁架结点C的竖向位移。设各杆EA为同一常数。

图4.9
解：实际位移状态如图4.9(a)所示，并求内力，设立虚拟单位力状态如图4.9(b)所示，并求内力，代入(4-8)式有

4.5 图 乘 法
计算梁和刚架在荷载作用下的位移时，先要写出和的方程式，然后代入公式
(a)
进行积分运算。当荷载比较复杂时，两个函数乘积的积分计算很繁琐。当结构的各杆段符合下列条件时，问题可以简化。
(1) 杆轴线为直线。
(2) EI为常数。
(3) 和两个弯矩图至少有一个为直线图形。
若符合上述条件，则可用下述图乘法来代替积分运算，使计算工作简化。
如图4.10所示为等截面直杆AB段上的两个弯矩图，图为一段直线，图为任意形状对于图示坐标，，于是有

(b)

图4.10
式中，表示图的微面积，因而积分就是图形面积对Y轴的静矩。
这个静矩可以写为
(c)
其中为图形心到Y轴的距离。将式(c)代入(b)式，得。
而为图中与图形心相对应的竖标。于是(b)式可写为
(4-12)
上述积分式等于一个弯矩图的面积乘以其形心所对应的另一个直线弯矩图的竖标再除以EI。这种利用图形相乘来代替两函数乘积的积分运算称为图乘法。
根据上面的推证过程，在应用图乘法时要注意以下几点：
(1) 必须符合前进前述的条件。
(2) 竖标只能取自直线图形。
(3) 与若在杆件同侧图乘取正号，异侧取负号。
(4) 需要掌握几种简单图形的面积及形心位置，如图4.12所示。
(5) 当遇到面积和形心位置不易确定时，可将它分解为几个简单的图形，分别与另一图形相乘，然后把结果叠加。
例如如图4.11(a)所示两个梯形相乘时，梯形的形心不易定出，我们可以把它分解为两个三角形，，形心对应竖标分别为，则

式中

当或图的竖标不在基线的同一侧时，可继续分解为位基线两侧的两个三角形，如图4.11(b)所示
(基线上)
(基线下)
(基线下)
(基线下)

图4.11
如图4.12所示为几种简单图形，其中各抛物线图形均为标准抛物线图形。在采用图形数据时一定要分清楚是否标准抛物线图形。
所谓标准抛物线图形，是指抛物线图形具有顶点(顶点是指切线平行于底边的点)，并且顶点在中点或者端点。

图4.12
(6) 当所在图形是折线时，或各杆段截面不相等时，均应分段图乘，再进行叠加，如图4.13所示。

图4.13
如图4.13(a)所示应为

图4.13(b)应为

【例4.4】试用图乘法计算如图4.14(a)所示简支刚架距截面C的竖向位移，B点的角位移和D、E两点间的相对水平位移，各杆EI为常数。

图4.14
解：(1) 计算C点的竖向位移。
作出图和C点作用单位荷载时的图所示，分别如图4.14(b)、(c)所示。由于图是折线，故需分段进行图乘，然后叠加。

(2) 计算B结点r 角位移。
在B点处加单位偶，单位弯矩图如图4.14(d)所示，将与图乘得

式中最初所用负号是因为两个图形在基线的异侧，最后结果为负号表示的实际转向与所加单位力偶的方向相反。
(3) 为求D、E两点的相对水平位移，在D、E两点沿着两点连线加一对指向相反的单位力为虚拟状态，作出图如图4.14(e)所示，将与图乘得

计算结果为正号，表示D、E两点相对位移方向与所设单位力的指向相同，即D、E两点相互靠近。
【例4.5】试求如图4.15(a)所示外伸梁C点的竖向位移。梁的EI为常数。

图4.15
解：作和图，分别如图4.15(b)、(c)。BC段图是标准二次抛物线图形；AB段图不是标准二次抛物线图形，现将其分解为一个三角形和一个标准二次抛物线图形。由图乘法可得

【例4.6】试求如图4.16(a)所示组合结构D端的竖向位移。，受弯杆件截面惯性矩，拉杆BE的截面面积。

  (a) (b) (c)
图4.16
解：作出实际荷载作用下的弯矩图，并求出BE杆轴力，如图4.16(b)所示，在D端加一竖向单位力，作出图和BE杆轴力，如图4.16(c)所示按(4-11)式图乘及运算。

从上面的计算可知：弯矩和轴力对位移的影响分别占89%和11%，显然在组合结构的计算中链杆的轴力是不能略去的。
4.6 静定结构温度变化引起的位移计算
静定结构温度变化时不产生内力，但产生变形，从而产生位移。
如图4.17(a)所示，结构外侧升高时内侧升高，现要求由此引起的K点竖向位移。此时，位移计算的一般公式(4-5)成为
(a)
为求，需求先微段上由于温度变化而引起的变形位移.

实际位移状态 虚拟单位力状态
图4.17
取实际位移状态中的微段如图4.17(a)所示，微段上、下边缘处的纤维由于温度升高而伸长，分别为和，这里又是材料的线膨胀系数。为简化计算，可假设温度沿截面高度成直线变化，这样在温度变化时截面仍保持为平面。由几何关系可求微段在杆轴处的伸长为

  (b)
式中，，为杆轴线处的温度变化。若杆件的截面对称于形心轴，即，则
而微段两端截面的转角为

(c)
式中，，为两侧温度变化之差。
对于杆件结构，温度变化并不引起剪切变形，即。
将以上微段的温度变形，即式(b)、(c)代入式(a)，可得

  (4-13)
若各杆均为等截面杆，则

  (4-14)
式中，为图的面积。图的面积。
(4-13)(4-14) 为图的面积是温度变化所引起的位移计算的一般公式，它右边两项的正负号作如下规定：若虚拟力状态的变形与实际位移状态的温度变化所引起的变形方向一致则取正号；反之，取负号。
对于梁和刚架，在计算温度变化所引起的位移时，一般不能略去轴向变形的影响。对于桁架，在温度变化时，其位移计算公式为
(4-15)
当桁架的杆件长度因制造而存在误差时，由此引起的位移计算与温度变化时相类似。设各杆长度误差为，则位移计算公式为
(4-16)
式中，以伸长为正，以拉力为正；否则反之。
【例4.7】如图4.18(a)所示刚架，已知刚架各杆内侧温度无变化，外侧温度下降16℃，各杆截面均为矩形，高度为，线膨胀系数。试求温度变化引起的点竖向位移。

图4.18
解：设立虚拟单位力状态，作出相应的和图，分别如图4.18 (b)、(c)所示。

AB杆由于温度变化产生轴向收缩变形，与所产生的变形(压缩)方向相同。而AB和BC杆由于温度变化产生的弯曲变形(外侧纤维缩短，向外侧弯曲)与由所产生的弯曲变形(外侧受拉，向内侧弯曲)方向相反，故计算时，第一项取正号而第二项取负号。代入(4-14)式得

由于，所得结果为负值，表示C点竖向位移与单位力方向相反，即实际位移 向上。
4.7 静定结构支座移动时的位移计算
由于静定结构在支座移动时不会引起结构的内力和变形，只会使结构发生刚体位移，此时，位移计算的一般公式(4-5)或为
(4-17)
式(4-17)为静定结构在支座移动时的位移计算公式。
式中，为虚拟单位力状态的支座反力。
为反力虚功的总和。当与实际支座位移C方向一致时其乘积取正，相反时为负。
此外，式(4-17)右项，前有一负号，系原来移项时产生，不可漏掉。
【例4.8】如图4.19(a)所示三铰刚架，若支座B发生如图所示位移，，，，求由此而引起的左支座处杆端截面的转角。

图4.19
解：在A点处加一单位力偶，建立虚拟力状态。依次求得支座反力，如图4.19(b)所示。由式(4-17)得

  ( )
若静定结构同时承受荷载、温度变化和支座移动的作用，则计算结构位移的一般公式为

(4-18)
4.7 线弹性结构的互等定理
对于线性变形体，由虚功原理可推导出4个互等定理，其中虚功互等定理是最基本的，其他几个互等定理皆可由虚功互等定理推出。
1. 虚功互等定理(也称功的互等定理)
定义：第一状态的外力在第二状态的位移上所做的功等于第二状态的外力在第一状态的位移上所做的功，即。
证明：设有两组外力和分别作用于同一线弹性结构上，如图4.20(a)、(b)所示。

图4.20
分别为第一状态和第二状态。
我们用第一状态的外力和内力在第二状态相应的位移和微段的变形位移上做虚功，根据虚功原理有。
(a)
的两个脚标含义为：脚标1表示位移发生的地点和方向(这里表示作用点沿方向)脚标2表示产生位移的原因(这里表示位移是由作用引起的)。
接下去我们用第二状态的外力和内力在第一状态相应的位移和微段的变形位移上做虚功，根据虚功原理有。
(b)
以上(a)和(b)两式的右边是相等的，固此左边也相等，故有

由于

所以有
(4-19)
证毕。
2. 位移互等定理
定义：第二个单位力所引起的第一个单位力作用点沿其方向的位移，等于第一个单位力所引起的第二个单位力作用点沿其方向的位移，即：

证明：设两个状态中的荷载都是单位力，即，，如图4.21所示。

第一个状态 第二个状态
图4.21
由功的互等定理有

由得到
(4-20)
证毕。
注：这里的单位力可以认为是广义的单位力，位移也可以认为是广义位移。虽然会出现角位移和线位移相等，二者含义不同，但二者数值上相等，量纲也相同，定理亦成立。
3. 反力互等定理
它用来说明在超静定结构中，假设两个支座分别产生单位位移时，两个状态中反力的互等关系。
定义：支座1发生单位位移所引起的支座2的反力，等于支座2发生单位位移所引起的支座1的反力，既
(4-21)
证明：如图4.22(a)所示，支座1发生单位位移，此时使支座2产生反力，称此为第一状态。如图4.22(b)所示，支座2发生单位位移，此时使支座1产生反力.称此为第二状态。

图4.22
根据功的互等定理有

所以有
(4-21)
证毕。
4. 反力位移互等定理
它说明在超静定结构中，一个状态中的反力与另一个状态中的位移具有互等关系。
定义：等于该支座发生单位位移时所引起的单位力作用点沿其方向的位移，但符号相反。即：
(4-22)
证明：如图4.23(a)所示，单位荷载作用时，支座1的反力偶为，称此为第一状态。如图4.23(b)所示，当支座沿的方向发生单位转角时，作用点沿其方向的位移为，称此为第二状态。

  第一状态 第二状态
图4.23
根据功的互等定理有

由于
所以有
(4-22)
证毕。