含剛性斜桿的平面有側移剛架內力計算1)

吳耀鵬 鄧遠航 郭昕

?(西安建筑科技大學土木工程學院，西安710055)

?(西安建筑科技大學國家級土木工程實驗教學示范中心，西安710055)

實際結構均為有限剛度，但為了簡化計算，常假定結構體系中某些桿件或桿件沿某個方向為無限剛性，如結構力學教學時常假定桿件的抗壓剛度EA→∞、抗彎剛度EI→∞[1-2]。在經典位移法教學中，剛性桿的存在可減少結構體系的基本未知量個數，有利于課堂教學和手算。但對于復雜結構，常難以確定結構的獨立結點位移。在矩陣位移法教學時，可以通過計算機編程分析結構內力，如結構力學求解器[3]。結構分析時，無窮剛度可用大數代替，理論上大數取值越大越接近真解。但受計算機浮點數精度限制，大數不宜取值過大，否則會出現病態方程，導致錯誤結果。

應用位移法分析剛架時，常假設結構發生微小位移，且不考慮軸向變形和剪切變形對結點位移的影響，即受彎直桿兩端結點的距離在結構變形前后保持不變[4-6]。有側移剛架的內力分析，是結構力學的重要教學內容[7]。對于含斜桿的有側移剛架存在非獨立結點位移，是結構力學教學的難點內容，若斜桿EI→∞，將更加難于分析。本文通過分析剛性桿單元的約束方程，確定結構體系的獨立結點位移，應用位移法分析結構內力。

1 平面桿單元的約束方程

對于一般平面桿單元，在不考慮約束的情況下，每個桿端有3個位移，即水平線位移u、豎向線位移v和轉角位移θ。平面桿單元有2個桿端，共6個桿端位移，如圖1所示。位移法分析時，規定以順時針為正，建立如圖1所示整體坐標系。圖1中，ui，vi，θi分別為桿單元始端的水平位移、豎向位移和轉角位移，uj，vj，θj為桿單元相應的終端位移，φ為桿單元與x軸的夾角，L為桿長。

圖1 整體坐標系下桿單元及桿端位移

對于一般桿單元，忽略哪個方向的位移，即認為在該方向是無限剛性。例如剛架常忽略軸向變形，類似于一根剛性鏈桿約束，即EA→∞。本文主要考慮EA→∞和EI→∞兩種情況。

(1)EA→∞

桿單元無軸向變形，則單元始端的水平線位移和豎向線位移沿桿軸方向的投影必定等于單元終端的水平線位移和豎向線位移沿桿軸方向的投影，其約束方程為

(2)EI→∞

不考慮桿單元的彎曲變形，則桿單元只能發生剛體轉角，桿單元任意兩點的轉角相等，數值上等于桿端法線方向的相對線位移除以桿長，其約束方程為

2 位移法的基本未知量

在不考慮桿單元約束的情況下，假定所有的桿端位移總數為n。若平面桿單元EA→∞或EI→∞，由于約束方程的存在，將減少結構體系的獨立結點位移個數。將結構體系的所有約束方程聯立起來并寫成矩陣形式，若系數矩陣的秩為m，表示約束方程中有m個是獨立的，即結構體系有m個有效約束。桿端位移總數為n，則獨立結點位移個數為n?m，即為位移法的基本未知量個數。確定基本未知量后，其他的非獨立結點位移即可用基本未知量表示。

3 算例

圖2所示平面剛架不考慮軸向變形，AB桿和CD桿的抗彎剛度EI為常數，BC桿抗彎剛度EI′→∞，應用位移法分析剛架內力并畫彎矩圖。

圖2 平面剛架

將B和C當作自由結點，則B點有水平線位移uB、豎向線位移vB和轉角位移θB，C點有水平線位移uC、豎向線位移vC和轉角位移θC。因此結構體系的桿端位移總數n=6。

對于剛架結構，不考慮軸向變形，即EA→∞，且BC桿抗彎剛度EI′→∞，需根據式(1)和式(2)引入約束方程。

AB桿EA→∞，其約束方程為

令BC桿的桿長為L，傾角為φ。BC桿EA→∞，EI′→∞，其約束方程為

CD桿EA→∞，其約束方程為

將式(3)、式(5)和式(6)聯立，可得約束方程的矩陣形式

經計算，約束方程系數矩陣的秩m=5，即結構體系有5個獨立約束方程，因此結構體系只有1個獨立結點位移。取uB為位移法基本未知量?，則vB=?，uC=0.6?，vC=?0.6?，θB=?0.4?，θC=?0.4?。

根據轉角位移方程，可得

取BC桿為隔離體，如圖3所示。對AB桿和CD桿延長線的交點O取矩，解得

圖3 BC桿隔離體

將位移?代入轉角位移方程，可計算得到各桿端彎矩。應用疊加法，畫出結構的彎矩圖，如圖4所示。

圖4 結構彎矩圖(單位：kN·m)

討論：若BC桿剛度為常量，則BC桿僅有軸向約束方程。AB桿、BC桿和CD桿的軸向約束方程彼此獨立，因為整個體系有3個獨立結點位移。位移法分析時，除B點水平位移外，另有B點角位移和C點角位移2個未知量，因此結構體系共有3個基本未知量。

4 結論

含剛性桿或剛性約束的結構體系，桿端位移間存在約束關系，將出現非獨立結點位移。位移法以獨立結點位移作為基本未知量，本文通過引入剛性桿的約束方程，確定含斜桿有側移剛架的獨立結點位移。并根據約束方程，確定非獨立結點位移與獨立結點位移間的關系式，應用位移法分析結構內力。本方法為精確解法，可作為位移法的補充內容，應用在結構力學教學中。