1
2
第三章 静定梁和静定刚架
§ 3-1 单跨静定梁
§ 3-2 多跨静定梁
§ 3-3 静定平面刚架
§ 3-4 少求或不求反力绘弯矩图
§ 3-5 静定结构的特性
3
§ 3— 1 单跨静定梁
单跨静定梁应用很广,是组成各种结构的
基构件之一,其受力分析是各种结构受力分析
的基础。这里做简略的回顾和必要的补充。
1,单跨静定梁的反力
常见的单跨静定梁有:
简支梁 外伸梁 悬臂梁
反力只有三个,由静力学平衡方程求出。
↙
↑ ↑→ ↑→↑ ↑→
↙↙
返 回
4
2.用截面法求指定截面的内力
在梁的横截面上,一般有三个内力分量,轴力 N、剪
力 Q、弯矩 M。计算内力的基本方法是截面法 (见图 )。
( 1) N,其数值等于该截
面一侧所有外力沿截面法线方
向投影的代数和。
( 2) Q:其数值等于该截面
一侧所有外力沿截面切线方向
投影的代数和。(左上右下为
正)
( 3) M,其数值等于该截面一侧所有外力对截面
形心力矩的代数和。(左顺右逆为正)
A K
VA
HA N
Q
MP1
KA B↙ ↘
P1 P2
其结论是:
↙
返 回
5
3,利用微分关系作内力图
梁的荷载集度 q,剪力 Q,弯矩 M 三者间
存在如下的微分关系:
据此,得直梁内力图的形状特征
利用上述关系可迅速正确地绘制梁的内力图(简易法)
梁上情况 q=0
Q 图
M 图
水平线
⊕
斜直线
q=常数
q→ q↑
斜直线
抛物线
→ ↑
Q=0 处
有极值
P 作用处
有突变
突变值为 P
有尖角
尖角指向同 P
如变号
有极值
m
作用处
无变化
有突变
铰或
自由端
(无 m)
M=0
?一
)( xq
dx
dQ ?? Q
dx
dM ? )(
2
2
xq
dx
Md ??
返 回
6
简易法绘制内力图的一般步骤:
( 1)求支反力。
( 2)分段,凡外力不连续处均应作为分段点,
如集中力和集中力偶作用处,均布荷载两端点等。
( 3)定点,据各梁段的内力图形状,选定控
制截面。如 集中力和 集中力偶作用点两侧的截面、
均布荷载起迄点等。用截面法求出这些截面的内力
值,按比例绘出相应的内力竖标,便定出了内力图
的各控制点。
( 4)联线,据各梁段的内力图形状,分别用
直线和曲线将各控制点依次相联,即得内力图。 返 回
7
4,利用叠加法作弯矩图
利用叠加法作弯矩图很方便,以例说明,
从梁上任取一段
AB 其受力如( a)图
所示,
( b)
因此,梁段 AB的弯
矩图可以按简支梁并
应用叠加法来绘制。
MA
MB
+
A BL? ?
MA MB
( a)
MA MB
A B
MA
MB8qL2
则它相当( b)
图所示的简支梁。
返 回
8
例 3- 1 作梁的 Q,M 图。 解,
首先计算支反力
由 ∑ MB=0,有
RA× 8- 20× 9- 30× 7- 5× 4× 4- 10+16=0
得 RA=58kN( ↑ )
再由 ∑ Y=0,可得
RB=20+30+5× 4- 58=12kN( ↑ )
RA=58kN( ↑ )
RB=12kN( ↑ )
作剪力 图(简易法)
作弯矩图:
1.分段:
2.定点,
MC=0 MA=- 20kN·m
MD=18kN·m ME=26kN·m
MF=18kN·m MG左 =6kN·m
MG右 =- 4kN·m
MB左 =- 16kN·m
MC=0,MA=- 20× 1=- 20kN·m
MD=- 20× 2+58× 1=18kN·m
ME=- 20× 3+58× 2- 30× 1=26kN·m
MF=12× 2- 16+10=18kN·m
MG左 =12× 1- 16+10=6kN·m
MG右 =12× 1- 16=- 4kN·m MB左 =- 16kN·m 3.联线
RA RB
20
38
8 Q图 (kN)
20
18
26
18
6
4 16M图 (kN·m)
0
10845 2 ??
12
分为 CA、
AD,DE,EF,FG、
GB六段。
返 回
9
几点说明:
1.作 EF段的弯矩图
用简支梁叠加法
2.剪力等于零截面 K
的位置
3.K截面弯矩的计算
MK=ME+QE x-
=26+8× 1.6-
=32.4kN·m
QK=QE- qx=8- 5x=0
RA RB
K
Mmax=32.4kn·N
M图 (kN·m)
x=1.6m
38
8
12
Q图 (kN)
20
Kx1.6m
Mk
2
615 2??
2
2qx
返 回
10
§ 3— 2 多跨静定梁
1.多跨静定梁的概念
若干根梁用铰相联,并用若干支座与基础
相联而组成的结构。
2.多跨静定梁的特点,
(1)几何组成上, 可分为基本部分和附属部
分。 返 回
11
基本部分:
不依赖其它部分的存在而能独立地维持其几
何不变性的部分。
附属部分:
必须依靠基 本部
分才能维持其几何
不变性的部分。如
BC部分 。层叠图:
为了表示梁各部分之间的支撑关系,把基本
部分画在下层,而把附属部分画在上层,
( a)
( b)
如,AB,CD部分。
如( b)
图所示,称为层叠图。
基本部分
基本部分
A B C D
返 回
12
( 2)受力分析方面,
作用在基本部分上的力不传递给附属部分,而
作用在附属部分上的力传递给基本部分,如图示
因此,计算多跨静定梁时应该是先附属后
基本,这样可简化计算,取每一部分计算时与
单跨静定梁无异。
( a)
( b)
B A
P1 P2
VB VC
P2
P1
返 回
13
例 3-2 计算下图所示多跨静定梁 解:
首先分析几何
组成,AB,CF为
基本部分,BC
为附属部分。
画层叠图 (b)
按先属附后基
本的原则计算各
支反力 (c)图。
之後,逐段作
出梁的弯矩图
和剪力图。
10 125M图
(kN·m)
18
5
2.5
9.5
Q图
(kN)
109 5 12
0 0
( a)
5 5
5
49
18kN·m 5 6kN/m
7.5 21.5
3
0
(c)
A B C D
E F
↓4kN ↓10kN ↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓6kN/m
2m 2m 2m 2m 2m 2m 2m
(b)
10kN
B C
A B
C
D
E F
返 回
14
例 3- 4 作此多跨静定梁的内力图 解:
本题可以在不
计算支反力的情
况下,首先绘出
弯矩图。
弯矩为直线的梁段,
在此基础上,
剪力图可据微分
关系或平衡条件
求得。例如:
QCE=2kN
QB右 =7.5kN可利用微分关系计算。
如 CE段梁,Q
CE=
弯矩图为曲线的梁段,可利用平衡关系计算
两端的剪力。如 BC段梁,由 ∑MC=0,求得:
QB右 =
RA=11.5kN RC=10.5kN RE=4kN RG=6kN
RA=11.5kN RC=10.5kN RE=4kN RG=6kN
4
8·5
2
2
47·5
4
4
M图
(kN·m)
4
0 08
2
0 0
Q图
( kN)
返 回
15
§ 3— 3 静定平面刚架
1.刚架的概念:
2,刚架的基本型式
( 1)悬臂刚架
( 2)简支刚架
( 3)三铰刚架
由直杆组成的具有刚结点的结构。
返 回
16
3,计算刚架内力的一般步骤,
( 1)首先计算支反力,一般支反力只有三个,由平衡
方程求得。三铰刚架支反力有四个,须建立补充方程。
( 2)按, 分段、定点、联线, 的方法,逐个杆绘制内
力图。
说明:
( a) M图画在杆件受拉的一侧。
( b) Q,N的正负号规定同梁。 Q,N图可画在杆的
任意一侧,但必须注明正负号。
( c)汇交于一点的各杆端截
面的内力用两个下标表示,例如:
MAB表示 AB杆 A端的弯矩。
MAB
返 回
17
例 3— 5 作图示刚架的内力图 解:
( 1)计算支反力由 ∑X=0 可得:
HA=6× 8=48kN← HA=48kN←,
由 ∑MA=0 可得:
RB= ↑
RB=42kN↑
由 ∑Y=0 可得:
VA=42-20=22kN↓
VA=22kN↓
( 2)逐杆绘 M图
CD杆,MDC=0
MCD=
(左)
MCD=48kN·m(左)
CB杆:
MBE=0
MEB=MEC=42× 3
=126kN·m(下)
MEB=MEC
=126kN·m(下)
MCB=42× 6-20× 3
=192kN·m(下)
MCB=192kN·m(下)
AC杆(计算从略)
MAC=0
MCA=144kN·m(右)
48
192 126
144
( 3)绘 Q图
CD杆:
QDC=0,QCD=24kN
CB杆:
QBE=-42kN,
QEC=-22kN
AC杆:
QAC=48kN,QCA=24kN
VA→
←H A
RB↑
返 回
18
( 4)绘 N图(略)
( 5)校核,内力图作出后应进行校核。
M图, 通常检查刚结点处是否满足力矩的平衡条件。
例如取结点 C为隔离体(图 a),
∑M C=48- 192+144=0
满足这一平衡条件。
Q(N)图,可取刚架任何一部分为隔
离体,检查 ∑ X=0 和 ∑ Y=0 是否满足。
例如取结点 C为隔离体(图 b),
∑X=24 - 24=0
∑Y=22 - 22=0
满足投影平衡条件。
( a)
C
48kN·m
192kN·m
144kN·m
( b)
C
有, ?24kN?0
?
22kN?
0
?24kN ?22kN
有:
返 回
19
例题 3— 6 作三铰刚架的内力图
解,( 1)求反力
由刚架整体平衡,∑MB=o 可得
VA=
kN308 6410 ???
↑
由 ∑Y=0 得
VB=10× 4- VA= 40- 30=10kN↑
VA↑ ↑VB
再取刚架右半部为隔离体,由 ∑MC=0 有
VB× 4- HB× 6=0
得 HB=
kN6766 4106 4V B ?????
←
由 ∑X=0 得 HA=6.67kN→
HA→ HB←
( 2)作弯矩图,以 DC杆为例
求杆端弯矩
MDC=HA× 4=- 6.67× 4=- 26.7kN·m(外)
MCD=0
用叠加法作 CD杆的弯矩图
杆中点的弯矩为:
????? 3.13202 7.268 410
2 6.7kN·m
( 3)作 Q,N图(略)
VA=30kN↑,VB=10kN↑
HA=HB=6.67kN( →←)
26.7 20
6.7
返 回
20
§ 3— 4 少求或不求反力绘制弯矩图
弯矩图的绘制,以后应用很广,它是本课最
重要的基本功之一。
静定刚架常常可少求或不求反力绘制弯矩图。
例如,1,悬臂部分及简支梁部分,弯矩图可先绘出。
2,充分利用弯矩图的形状特征 (直线、零值 )。
3.刚结点处的力矩平衡条件。
4,用叠加法作弯矩图。
5,平行于杆轴的力及外力偶产生的弯矩为常数。
6,与杆轴重合的力不产生弯矩等。
以例说明如下 返 回
21
例 3— 8 绘制刚架的弯矩图。
解:
由刚架整体平衡条件 ∑ X=0
得 HB=5kN←
此时不需再求竖向反力便可
绘出弯矩图。 有:
MA=0,MEC=0
MCE=20kN·m(外)
MCD=20kN·m(外)
MB=0
MDB=30kN·m(外)
MDC=40kN·m(外)
5kN
E
20
20
30
40
75
45
0
返 回
22
例 3— 9 作刚架的弯矩图。
Pa
Pa
Pa
Pa
Pa
Pa
解:此刚架为多刚片结构,可按, 先附属后基本, 的顺
序计算。
这里,我们不求反力直接作弯矩图。
0
返 回
23
§ 3— 5 静定结构的特性
1,静力解答的唯一性。
2,在静定结构中,除荷载外,其它任何原因(温
度变化、支座移动、制造误差等)均不引起内力。
3,平衡力系的影响
静定结构的某一几何
不变部分在平衡力系作用
下,结构的其它部分不会
引起内力。
4,荷载等效变换的影响
静定结构的某一几何不变部分作荷载等效变换只
对该部分内力发生影响,其它部分内力不变。
返 回
2
第三章 静定梁和静定刚架
§ 3-1 单跨静定梁
§ 3-2 多跨静定梁
§ 3-3 静定平面刚架
§ 3-4 少求或不求反力绘弯矩图
§ 3-5 静定结构的特性
3
§ 3— 1 单跨静定梁
单跨静定梁应用很广,是组成各种结构的
基构件之一,其受力分析是各种结构受力分析
的基础。这里做简略的回顾和必要的补充。
1,单跨静定梁的反力
常见的单跨静定梁有:
简支梁 外伸梁 悬臂梁
反力只有三个,由静力学平衡方程求出。
↙
↑ ↑→ ↑→↑ ↑→
↙↙
返 回
4
2.用截面法求指定截面的内力
在梁的横截面上,一般有三个内力分量,轴力 N、剪
力 Q、弯矩 M。计算内力的基本方法是截面法 (见图 )。
( 1) N,其数值等于该截
面一侧所有外力沿截面法线方
向投影的代数和。
( 2) Q:其数值等于该截面
一侧所有外力沿截面切线方向
投影的代数和。(左上右下为
正)
( 3) M,其数值等于该截面一侧所有外力对截面
形心力矩的代数和。(左顺右逆为正)
A K
VA
HA N
Q
MP1
KA B↙ ↘
P1 P2
其结论是:
↙
返 回
5
3,利用微分关系作内力图
梁的荷载集度 q,剪力 Q,弯矩 M 三者间
存在如下的微分关系:
据此,得直梁内力图的形状特征
利用上述关系可迅速正确地绘制梁的内力图(简易法)
梁上情况 q=0
Q 图
M 图
水平线
⊕
斜直线
q=常数
q→ q↑
斜直线
抛物线
→ ↑
Q=0 处
有极值
P 作用处
有突变
突变值为 P
有尖角
尖角指向同 P
如变号
有极值
m
作用处
无变化
有突变
铰或
自由端
(无 m)
M=0
?一
)( xq
dx
dQ ?? Q
dx
dM ? )(
2
2
xq
dx
Md ??
返 回
6
简易法绘制内力图的一般步骤:
( 1)求支反力。
( 2)分段,凡外力不连续处均应作为分段点,
如集中力和集中力偶作用处,均布荷载两端点等。
( 3)定点,据各梁段的内力图形状,选定控
制截面。如 集中力和 集中力偶作用点两侧的截面、
均布荷载起迄点等。用截面法求出这些截面的内力
值,按比例绘出相应的内力竖标,便定出了内力图
的各控制点。
( 4)联线,据各梁段的内力图形状,分别用
直线和曲线将各控制点依次相联,即得内力图。 返 回
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4,利用叠加法作弯矩图
利用叠加法作弯矩图很方便,以例说明,
从梁上任取一段
AB 其受力如( a)图
所示,
( b)
因此,梁段 AB的弯
矩图可以按简支梁并
应用叠加法来绘制。
MA
MB
+
A BL? ?
MA MB
( a)
MA MB
A B
MA
MB8qL2
则它相当( b)
图所示的简支梁。
返 回
8
例 3- 1 作梁的 Q,M 图。 解,
首先计算支反力
由 ∑ MB=0,有
RA× 8- 20× 9- 30× 7- 5× 4× 4- 10+16=0
得 RA=58kN( ↑ )
再由 ∑ Y=0,可得
RB=20+30+5× 4- 58=12kN( ↑ )
RA=58kN( ↑ )
RB=12kN( ↑ )
作剪力 图(简易法)
作弯矩图:
1.分段:
2.定点,
MC=0 MA=- 20kN·m
MD=18kN·m ME=26kN·m
MF=18kN·m MG左 =6kN·m
MG右 =- 4kN·m
MB左 =- 16kN·m
MC=0,MA=- 20× 1=- 20kN·m
MD=- 20× 2+58× 1=18kN·m
ME=- 20× 3+58× 2- 30× 1=26kN·m
MF=12× 2- 16+10=18kN·m
MG左 =12× 1- 16+10=6kN·m
MG右 =12× 1- 16=- 4kN·m MB左 =- 16kN·m 3.联线
RA RB
20
38
8 Q图 (kN)
20
18
26
18
6
4 16M图 (kN·m)
0
10845 2 ??
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分为 CA、
AD,DE,EF,FG、
GB六段。
返 回
9
几点说明:
1.作 EF段的弯矩图
用简支梁叠加法
2.剪力等于零截面 K
的位置
3.K截面弯矩的计算
MK=ME+QE x-
=26+8× 1.6-
=32.4kN·m
QK=QE- qx=8- 5x=0
RA RB
K
Mmax=32.4kn·N
M图 (kN·m)
x=1.6m
38
8
12
Q图 (kN)
20
Kx1.6m
Mk
2
615 2??
2
2qx
返 回
10
§ 3— 2 多跨静定梁
1.多跨静定梁的概念
若干根梁用铰相联,并用若干支座与基础
相联而组成的结构。
2.多跨静定梁的特点,
(1)几何组成上, 可分为基本部分和附属部
分。 返 回
11
基本部分:
不依赖其它部分的存在而能独立地维持其几
何不变性的部分。
附属部分:
必须依靠基 本部
分才能维持其几何
不变性的部分。如
BC部分 。层叠图:
为了表示梁各部分之间的支撑关系,把基本
部分画在下层,而把附属部分画在上层,
( a)
( b)
如,AB,CD部分。
如( b)
图所示,称为层叠图。
基本部分
基本部分
A B C D
返 回
12
( 2)受力分析方面,
作用在基本部分上的力不传递给附属部分,而
作用在附属部分上的力传递给基本部分,如图示
因此,计算多跨静定梁时应该是先附属后
基本,这样可简化计算,取每一部分计算时与
单跨静定梁无异。
( a)
( b)
B A
P1 P2
VB VC
P2
P1
返 回
13
例 3-2 计算下图所示多跨静定梁 解:
首先分析几何
组成,AB,CF为
基本部分,BC
为附属部分。
画层叠图 (b)
按先属附后基
本的原则计算各
支反力 (c)图。
之後,逐段作
出梁的弯矩图
和剪力图。
10 125M图
(kN·m)
18
5
2.5
9.5
Q图
(kN)
109 5 12
0 0
( a)
5 5
5
49
18kN·m 5 6kN/m
7.5 21.5
3
0
(c)
A B C D
E F
↓4kN ↓10kN ↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓6kN/m
2m 2m 2m 2m 2m 2m 2m
(b)
10kN
B C
A B
C
D
E F
返 回
14
例 3- 4 作此多跨静定梁的内力图 解:
本题可以在不
计算支反力的情
况下,首先绘出
弯矩图。
弯矩为直线的梁段,
在此基础上,
剪力图可据微分
关系或平衡条件
求得。例如:
QCE=2kN
QB右 =7.5kN可利用微分关系计算。
如 CE段梁,Q
CE=
弯矩图为曲线的梁段,可利用平衡关系计算
两端的剪力。如 BC段梁,由 ∑MC=0,求得:
QB右 =
RA=11.5kN RC=10.5kN RE=4kN RG=6kN
RA=11.5kN RC=10.5kN RE=4kN RG=6kN
4
8·5
2
2
47·5
4
4
M图
(kN·m)
4
0 08
2
0 0
Q图
( kN)
返 回
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§ 3— 3 静定平面刚架
1.刚架的概念:
2,刚架的基本型式
( 1)悬臂刚架
( 2)简支刚架
( 3)三铰刚架
由直杆组成的具有刚结点的结构。
返 回
16
3,计算刚架内力的一般步骤,
( 1)首先计算支反力,一般支反力只有三个,由平衡
方程求得。三铰刚架支反力有四个,须建立补充方程。
( 2)按, 分段、定点、联线, 的方法,逐个杆绘制内
力图。
说明:
( a) M图画在杆件受拉的一侧。
( b) Q,N的正负号规定同梁。 Q,N图可画在杆的
任意一侧,但必须注明正负号。
( c)汇交于一点的各杆端截
面的内力用两个下标表示,例如:
MAB表示 AB杆 A端的弯矩。
MAB
返 回
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例 3— 5 作图示刚架的内力图 解:
( 1)计算支反力由 ∑X=0 可得:
HA=6× 8=48kN← HA=48kN←,
由 ∑MA=0 可得:
RB= ↑
RB=42kN↑
由 ∑Y=0 可得:
VA=42-20=22kN↓
VA=22kN↓
( 2)逐杆绘 M图
CD杆,MDC=0
MCD=
(左)
MCD=48kN·m(左)
CB杆:
MBE=0
MEB=MEC=42× 3
=126kN·m(下)
MEB=MEC
=126kN·m(下)
MCB=42× 6-20× 3
=192kN·m(下)
MCB=192kN·m(下)
AC杆(计算从略)
MAC=0
MCA=144kN·m(右)
48
192 126
144
( 3)绘 Q图
CD杆:
QDC=0,QCD=24kN
CB杆:
QBE=-42kN,
QEC=-22kN
AC杆:
QAC=48kN,QCA=24kN
VA→
←H A
RB↑
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( 4)绘 N图(略)
( 5)校核,内力图作出后应进行校核。
M图, 通常检查刚结点处是否满足力矩的平衡条件。
例如取结点 C为隔离体(图 a),
∑M C=48- 192+144=0
满足这一平衡条件。
Q(N)图,可取刚架任何一部分为隔
离体,检查 ∑ X=0 和 ∑ Y=0 是否满足。
例如取结点 C为隔离体(图 b),
∑X=24 - 24=0
∑Y=22 - 22=0
满足投影平衡条件。
( a)
C
48kN·m
192kN·m
144kN·m
( b)
C
有, ?24kN?0
?
22kN?
0
?24kN ?22kN
有:
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例题 3— 6 作三铰刚架的内力图
解,( 1)求反力
由刚架整体平衡,∑MB=o 可得
VA=
kN308 6410 ???
↑
由 ∑Y=0 得
VB=10× 4- VA= 40- 30=10kN↑
VA↑ ↑VB
再取刚架右半部为隔离体,由 ∑MC=0 有
VB× 4- HB× 6=0
得 HB=
kN6766 4106 4V B ?????
←
由 ∑X=0 得 HA=6.67kN→
HA→ HB←
( 2)作弯矩图,以 DC杆为例
求杆端弯矩
MDC=HA× 4=- 6.67× 4=- 26.7kN·m(外)
MCD=0
用叠加法作 CD杆的弯矩图
杆中点的弯矩为:
????? 3.13202 7.268 410
2 6.7kN·m
( 3)作 Q,N图(略)
VA=30kN↑,VB=10kN↑
HA=HB=6.67kN( →←)
26.7 20
6.7
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20
§ 3— 4 少求或不求反力绘制弯矩图
弯矩图的绘制,以后应用很广,它是本课最
重要的基本功之一。
静定刚架常常可少求或不求反力绘制弯矩图。
例如,1,悬臂部分及简支梁部分,弯矩图可先绘出。
2,充分利用弯矩图的形状特征 (直线、零值 )。
3.刚结点处的力矩平衡条件。
4,用叠加法作弯矩图。
5,平行于杆轴的力及外力偶产生的弯矩为常数。
6,与杆轴重合的力不产生弯矩等。
以例说明如下 返 回
21
例 3— 8 绘制刚架的弯矩图。
解:
由刚架整体平衡条件 ∑ X=0
得 HB=5kN←
此时不需再求竖向反力便可
绘出弯矩图。 有:
MA=0,MEC=0
MCE=20kN·m(外)
MCD=20kN·m(外)
MB=0
MDB=30kN·m(外)
MDC=40kN·m(外)
5kN
E
20
20
30
40
75
45
0
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例 3— 9 作刚架的弯矩图。
Pa
Pa
Pa
Pa
Pa
Pa
解:此刚架为多刚片结构,可按, 先附属后基本, 的顺
序计算。
这里,我们不求反力直接作弯矩图。
0
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§ 3— 5 静定结构的特性
1,静力解答的唯一性。
2,在静定结构中,除荷载外,其它任何原因(温
度变化、支座移动、制造误差等)均不引起内力。
3,平衡力系的影响
静定结构的某一几何
不变部分在平衡力系作用
下,结构的其它部分不会
引起内力。
4,荷载等效变换的影响
静定结构的某一几何不变部分作荷载等效变换只
对该部分内力发生影响,其它部分内力不变。
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