1
2
§ 12–1 超静定结构 概述
§ 12-4 连续梁与三弯矩方程
第十二章 超静定结构
§ 12–3 用力法解超静定结构
§ 12–2 弯曲超静定 问题
3
用静力学平衡方程无法确定全部约束力和内力的结构,统
称为 超静定结构或系统,也称为 超静定结构或系统 。
§ 12–1 超静定结构 概述
在超静定结构中,超过维持静力学平衡所必须的约束称为 多
余约束,多余约束相对应的反力称为 多余约束反力,多余约束的
数目为结构的 超静定次数 。
4







第一类:仅在结构外部存在多余约束,即支反力是静
不定的,可称为外力超静定系统。
分析方法
1.力法:以未知力为基本未知量的求解方法。
2.位移法:以未知位移为基本未知量的求解方法。
第二类:仅在结构内部存在多余约束,即内力是静不
定的,可称为内力超静定系统。
第三类:在结构外部和内部均存在多余约束,即支反
力和内力是超静定的。
5 第一类 第二类 第三类
6
§ 12– 2 弯曲超静定问题
1、处理方法:变形协调方程、物理
方程与平衡方程相结合,求全部未
知力。
解,?建立静定基
确定超静定次数,用反力
代替多余约束所得到的结构 —
—静定基。
=
EI
q0
L A
B
L
q0 MA
B A
q0
L RB A
B
x
y
7
?几何方程 ——变形协调方程
0??? BBRBqB fff
+
q0
L RB A
B
=
RB
A B
q0
A B
?物理方程 ——变形与力的关系
?补充方程
EI
LRf
EI
qLf B
BRBq B 3;8
34
???
038
34
??? EILREIqL B 83 qLR B ??
?求解其它问题(反力、应力,
变形等)
8
?几何方程
——变形协调方程,
解,?建立静定基
BCBRBqB Lfff B ????
=
例 6 结构如图,求 B点反力。 L
BC EA
x
y
q0
L RB A
B
C
q0
L RB A
B
EI =
RB
A B
+ q0
A B
9
=
LBC EA
x
y
q0
L RB A
B
C
RB
A B +
q0
A B
?物理方程 ——变形与力的关系
?补充方程
?求解其它问题(反力、应力,
变形等)
EI
LRf
EI
qLf B
BRBq B 3; 8
34
????
EA
LR
EI
LR
EI
qL BCBB ??
38
34
)
3
(8
3
4
EI
L
A
LI
qLR
BC
B
?
??
EA
LRL BCB
BC ??
10
§ 12–3 用力法解超静定结构
一、力法的基本思路(举例说明)
解,① 判定多余约束反力的数目
(一个)
C
2l
例 1 如图所示,梁 EI为常数。
试求支座反力,作弯矩图,并
求梁中点的挠度。
P
A B
2l
(a)
P
A B C X
1
(b)
② 选取并去除多余约束,代
以多余约束反力,列出变形
协调方程,见图 (b)。
11
011 1 ?????? PXB
变形协调方程
③ 用能量法计算 和
P1? 11X?
P
A B C (c) x
(d)
x A
B
X1
A B 1
x
(e)
由莫尔定理可得 (图 c,d,e)
EI
Pl
xx
l
xP
EI
l
lP
48
5
d)
2
(
1
3
2
1
??
?????? ?
EI
lXxxxX
EI
l
X 3d
1 31
0 11 1
?????? ?
12
④ 求多余约束反力
将上述结果代入变形协调方程得
04853
33
1 ??
EI
Pl
EI
lX
PX 1651?
⑤ 求其它约束反力
由平衡方程可求得 A端反
力,其大小和方向见图 (f)。
C
P
A B ( f )
16
5P
16
11P
16
3Pl
⑥ 作弯矩图,见图 (g)。
(g) + –
16
3Pl
32
5Pl
⑦ 求梁中点的挠度
13
选取基本静定系 ( 见图 ( b)) 作为计算对象。单位载荷如图 (h) 。
P
A B C X
1
(b)
x
1
A B C
(h)
用莫尔定理可得
)(
768
7
d)(])
2
(
16
5
[
1
3
2
0
??
?????? ?
EI
Pl
xxPxx
l
P
EI
y
l
C
注意,对于同一超静定结构,若选
取不同的多余约束,则基本静定系
也不同。本题中若选固定段处的转
动约束为多余约束,基本静定系是
如图 (i)所示的简支梁。
C
P
A
B (i)
X1
14
二、力法正则方程
上例中以未知力为未知量的变形协调方程可改写成下式
01111 ??? PX?
X1——多余未知量;
?11——在基本静定系上,X1取单位值时引起的在 X1作用点沿
X1方向的位移;
?1P——在基本静定系上,由原载荷引起的在 X1作用点沿
X1方向的位移;
变形协调方程的标准形式,即所谓的力法正则方程。
15
对于有无数多余约束反力的超静定系统的正则方程如下,
0
0
0
2211
22222121
11212111
??????
??????
??????
nPnnnnn
Pnn
Pnn
XXX
XXX
XXX
???
???
???
?
??
?
?
由位移互等定理知,
jiij ?? ?
?ij,影响系数,表示在基本静定系上由 Xj取单位值时引起的
在 Xi作用点沿 Xi方向的位移;
?iP,自由项,表示 在基本静定系上,由原载荷引起的在 Xi
作用点沿 Xi 方向的位移。
16
例 2 试求图示刚架的全部约束反力,刚架 EI为常数。
q
a
A
B
a
解,① 刚架有两个多余约束。
② 选取并去除多余约束,代以多
余约束反力。
q
A
B
X1 X2
③ 建立力法正则方程
0
0
2222121
1212111
????
????
P
P
XX
XX
??
??
④ 计算系数 ?ij和自由项 ?iP
用莫尔定理求得
17
q
A
B
x1 x 2
A
B
x1 x 2 1
1
A
B
x1 x 2
EI
qaxaqx
EI
a
P 6d)2
1(1 4
2
2
201 ??????? ?
EI
qaxxqx
EI
a
P 8d)2
1(1 4
22
2
202 ??????? ?
EI
axaxx
EI
aa
3
4)dd(1 3
20
2
10
2
111 ??? ???
EI
axx
EI
a
3d
1 3
20
2
222 ?? ??
EI
axax
EI
a
2d
1 3
20 22112 ??? ???
18
⑤ 求多余约束反力
将上述结果代入力法正则方程可得
0
832
0
623
4
4
2
3
1
3
4
2
3
1
3
???
???
EI
qa
X
EI
a
X
EI
a
EI
qa
X
EI
a
X
EI
a
)(
7
3
)(
28
1
2
1
??
???
qaX
qaX
⑥ 求其它支反力
由平衡方程得其它支反力,
全部表示于图中。
q
A
B
qa73
qa281
qa74
qa281
2
28
3 qa
19
三、对称与反对称性质的利用
结构几何尺寸、形状,构件材料及约束条件均对称于某一轴,
则称此结构为 对称结构 。
E1I1 E1I1
EI



E1I1 E1I1
EI



E1I1 E1I1
EI



当对称结构受力也对称于结构对称轴,则此结构将产生 对称
变形 。若外力反对称于结构对称轴,则结构将产生 反对称变形 。
20
正确利用对称、反对称性质,则可推知某些未知量,可大大
简化计算过程:如对称变形对称截面上,反对称内力为零或已知;
反对称变形反对称截面上,对称内力为零或已知。



X1
X2
X2
X3
P
X1
X3
例如,
X1
X3
P
X1
X3
P
X2
X2
P P
21
例 3 试求图示刚架的全部约束反力。刚架 EI为常数。
A B
C
P P
a a
解:图示刚架有三个多余未知力。但
由于结构是对称的,而载荷反对称,
故对称轴横截面上轴力、弯矩为零,
只有一个多余未知力(剪力),只需
列出一个正则方程求解。
P P X
1 X1
01111 ??? PX?
用莫尔定理求 ?1P和 ?11。
22
P x1 x 2 x1 x 2 1
EI
PaxaPx
EI
a
P 2d2)(
2 3
20 21 ??????? ?
EI
Paxaxx
EI
a a
12
7]d)
2(d[
2 3
2
22
0 01
2
111 ????? ? ??
02127
3
1
3
?? EIPaXEIPa
则 PX
7
6
1?
由平衡方程求得,
PRR BA 76??
PHH BA ??
PaMM BA 74??
A B
P P
MB R
B
HB
MA RA
HA
23
§ 12-4 连续梁与三弯矩方程
为减小跨度很大直梁的弯曲变形和应力,常在其中间安
置若干中间支座,在建筑、桥梁以及机械中常见的这类结构称
为 连续梁 。撤去中间支座,该梁是两端铰支的静定梁,因此中
间支座就是其多余约束,有多少个中间支座,就有多少个多余
约束,中间支座数就是连续梁的 超静定次数 。
一、连续梁与超静定次数
0 1 2 n-1 n+1 n
l1 l2 ln ln+1
M1 M2 Mn-1 Mn Mn+1
24
二、三弯矩方程
连续梁是超静定结构,静定基可有多种选择,如果选撤去
中间支座为静定基,则因每个支座反力将对静定梁的每个中间
支座位置上的位移有影响,因此正则方程中每个方程都将包含
多余约束反力,使计算非常繁琐。
如果设想将每个中间支座上的梁切开并装上铰链,将连续
梁变成若干个简支梁,每个简支梁都是一个静定基。
这相当于把每个支座上梁的内约束解除,即将其内力弯矩
M1,M2,… Mn-1,Mn,… 作为多余约束力 (见上图 ),则每个支
座上方的铰链两侧截面上需加上大小相等、方向相反的一对力
偶矩,与其对应的位移是两侧截面的相对转角。
25
如从基本静定系中任意取出两个相邻跨度 ln,ln+1,由于是
连续梁,挠曲线在 n支座处光滑连续,则 变形协调条件为,
右左 nn ?? ?
n-1 n+1 n
ln ln+1
Mn+1 Mn
1 1
wn wn+1
an bn+1
Mn-1
Mn-1 Mn
n-1 n n+1 n Mn+1
26
1
n
wn
an
Mn-1
n-1
ln
Mn 1.求 ?n左, (可查表,再用叠加法 ;
也可用图乘法或莫尔积分 )
:,得代入 右左 nn ?? ?
n
n
n
n
nn
n
nn
n l
a
EIEI
lM
EI
lM w? 1
36
1 ??? ?

Mn+1
1
wn+1
bn+1
Mn
n+1 n
ln+1
2.求 ?n右,
1
1
1
11
11
1
1 1
63 ?
?
?
??
??
?
? ????
n
n
n
nn
nn
n
nn
n l
b
EIEI
lM
EI
lM w?

27
11
11
1
1
1
1
1
1
66)(2
??
??
?
?
?
?
?
? ??????
nn
nn
nn
nn
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n lI
b
lI
a
I
lM
I
l
I
lM
I
lM ww
三弯矩方程
对于连续梁的每一个中间支座都可以列出一个三弯矩方程,
所以可能列出的方程式的数目恰好等于中间支座的数目,也
就是等于超静定的次数。
而且每一个方程式中只含有三个多余约束力偶矩,这就使得
计算得以一定的简化。
如各跨截面相同,即 In = In+1,则三弯矩方程简化为,
1
11
1111
66)(2
?
??
???? ??????
n
nn
n
nn
nnnnnnn l
b
l
alMllMlM ww
28
例 4 试用三弯矩方程作等刚度连续梁 AC的弯矩图。见图 (a)。
A B C
q P=ql
l l/2 l/2
解,AC梁总共有二跨,跨长
l1=l2=l 。中间支座编号应取
为 1,即 n=1。由于已知 0,2
两支座上无弯矩,故;001 ??? MM n;1 Bn MMM ??
021 ??? MM n
(a)
A B C
q P=ql MB
(b)
29
8;12
3
21
3
1
qlql
nn ???? ? wwww
2
1 ;
2
1
1
1 ??
?
?
n
n
n
n
l
b
l
a
A B C
q P=ql
w1 w2 8
2ql
4
2ql
(c) 由图 (c)和 (d)图得,
1
A B C
1
(d) 代入三弯矩方程可得
)2182112(60)(20
33
1 ????????
qlqlllM
解得
2
1 32
5 qlM ?? (方向与图 (b)所示相反 )
30
+ +

(e)
2
32
5 ql
2
64
11ql将图 (d)中的单位弯矩图乘以
便得到 MB在简支梁上产生
的 M图,再与载荷引起的 M
图 (c)相加,就得到梁 AC的
图,见图 (e)。
2
32
5 ql?
31