力系的平衡静定与超静定的概念
《工程力学Ⅰ》课程教学大纲
《工程力学Ⅰ》课程教学大纲课程编号：125111 学分： 4 (4学时/周) 总学时：68大纲执笔人：陈洁大纲审核人：王斌耀一、课程性质与目的工程力学（Ⅰ）（包括静力学、材料力学两部分）是土木工程专业的一门重要的技术基础课，它是各门后续课程的基础，并在许多工程技术领域中有着广泛的应用。
本课程的目的是使学生掌握静力学中一般力系的简化与平衡问题的分析介绍方法；掌握材料力学中构件在拉、压、剪切、扭转和弯曲时的强度与刚度问题的分析计算方法，构件在组合变形时的强度与刚度问题的分析计算方法，以及构件在受压时稳定性问题的分析计算方法等；掌握材料的基本力学性能和基本的材料力学实验方法；初步学会应用基本概念、基本理论和基本分析方法去分析问题和解决问题，为学习一系列后继课程打好必要的基础。
同时结合本课程的特点培养学生分析、解决工程实际问题的能力，提高学生的综合素质。
二、课程基本要求1、掌握力的概念、力的投影和力矩的计算；2、掌握力系简化的方法和一般的简化结果；3、掌握刚体静力学的平衡条件和平衡方程；4、对材料力学的基本概念和基本的分析方法有明确的认识。
5、具有将简单受力杆件简化为力学简图的初步能力，具有力学建模的初步概念与能力。
6、能熟练地做出杆件在基本变形下的内力图、计算其应力和位移、并进行强度和刚度计算。
7、对应力状态理论和强度理论有明确的认识，并能将其应用于组合变形下杆件的强度计算。
8、理解掌握简单超静定问题的求解方法。
9、对能量法的有关基本原理有明确认识，并熟练地掌握一种计算位移的能量方法。
10、对压杆的稳定性概念有明确的认识，能熟练计算轴向受压杆的临界载荷与临界应力，并进行稳定性校核等计算。
11、掌握质点系的质心、刚体的转动惯量、惯性积、惯性主轴和惯性积的平行移轴公式；掌握截面的静矩，形心的位置，惯性矩和惯性积及它们的平行移轴公式，转轴公式。
组合截面的惯性矩、惯性积计算，截面的形心主惯性轴和形心主惯性矩的计算11、对于常用材料在常温下的基本力学性能及其测试方法有初步认识。
第三章力系的平衡介绍
工 程 力 学
§3-2
平面力系的平衡条件
F1 Fn F3
1、平面任意力系的平衡方程 F2 平面任意力系平衡的充要条件是： 力系的主矢和对任意点的主矩都等于零。
0 FR
第 三 章 力 系 的 平 衡
Mo 0
平面任意力系
FR ( Fx ) 2 ( Fy ) 2
M O M O (F )
2
0
F
x
0,
F
y
0,
F
z
0
即:汇交力系的平衡条件是力系中所有各力在各个坐
标轴中每一轴上的投影的代数和分别等于零。
工 程 力 学
三、空间平行力系的平衡方程
第 三 章 力 系 的 平 衡
F
z
0,
M (F ) 0, M (F ) 0
x
y
工 程 力 学
四、空间力偶系的平衡方程
第 三 章 力 系 的 平 衡
工 程 力 学
例：如图所示为一种起吊装置的结构简图。图中尺寸d , 载荷F， <FAD =60均为已知。若不计各杆自重，试求杆AF与杆AD在各 自的约束处所受的约束力。
第 三 章 力 系 的 平 衡
工 程 力 学
第 三 章 力 系 的 平 衡
工 程 力 学
例：滑轮支架系统如图所示。已知G，a,r,θ ,其余物体重 量不计,试求A和B的约束力。
工 程 力 学
3、平面汇交力系的平衡方程
F
x
0,
F
y
0
4、平面力偶系的平衡条件
第 三 章 力 系 的 平 衡
M 0
即：力偶系各力偶力偶矩的代数和等于零。
工 程 力 学
理论力学-3-力系的平衡
z
F2
O
F1
F
z
0
M F 0 M F 0
x y
自然满足，且
M F 0
z
M F 0
O
平面力系平衡方程的一般形式
于是，平面力系平衡 方程的一般形式为： z O y
Fx 0 Fy 0 M F 0 o
其中矩心 O 为力系作用面 内的任意点。
静不定次数：静不定问题中，未知量的个数与独立的平 衡方程数目之差。
多余约束：与静不定次数对应的约束，对于结构保持静 定是多余的，因而称为多余约束。 关于静不定问题的基本解法将在材料力学中介绍。
P A m a B q
解：对象：梁 受力：如图 方程：
C
b
F F
0, FAx P cosq 0, FAx P cosq # FAy FB P sin q 0 1 y 0, M A F 0, m FBa Pa bsinq 0 2
B A
FR FR
x
A
B
FR
A、B 连线不垂直于x 轴
B A
FR
x
3.3 平面力系的平衡方程 “三矩式” M A = 0， MB = 0 , MC = 0。
C B A C B A
FR FR
满足第一式？ 满足第二式？ 满足第三式？
B A
FR
FR
A、B、C 三点不 在同一条直线上
C A
B
M (F ) 0 Fy 0
A
FQ (6 2) FP 2 FB 4 W (12 2) 0
FQ FA FP FB W 0
工程力学名词解释
工程力学名词解释1.静力学中研究的两个问题：（1力系的简化；2.物体在力系作用下的平衡条件。
2.刚体：任何状态下都不变形的物体3.多余约束：如果的体系中增加一个约束，体系的独立运动参数并不减少，此类约束为多余约束4.摩擦角;当摩擦力达到最大值时，全反力与法线间的夹角5.材料的塑性：材料能产生塑性变形的性质6.中性轴：在平面弯曲和斜弯曲情况下，横截面与应力平面的交线上各点的正压力值均为零，这条交线叫中性轴7.超静定：如果所研究的问题中，未知量的数目大于对应的独立平衡方程的数目时，仅仅用平衡方程不能求出全部未知量8.低碳钢的冷作硬化；若材料曾一度受力到达强化阶段，然后卸载，则再重新加载时，比例极限和屈服点将提高，而断裂后的塑性变形将减小9.材料力学中的内力：物体内部某一部分与另一部分的相互作用的力10.应力集中：局部区域应力突然增大的现象11.自锁现象;与力的大小无关而与摩擦角有关的平衡条件称为自锁条件，物体在这种条件下的平衡现象称为自锁现象12应力：分布在单位面积上的内力。
13低碳钢的拉伸曲线四个阶段：（1）弹性阶段（2）屈服阶段（3）强化阶段（4）局部变形14.横力弯曲：剪切面上同时存在弯矩M和剪力Fs。
这种弯曲称为和横力弯曲。
Fs为零而弯矩M为常量，这种弯曲称为纯弯曲15剪切：两力间的横截面发生相对错动的形式。
16挤压应力:由于挤压力而引起的应力。
17单元体：如果以横截面和纵向截面自筒壁上取出一个微小的正六面体。
18纯剪切：在单元体上将只有切应力而无正应力的作用。
19中性轴：中性层与横截面的交线。
20提高梁抗弯强度的措施（1）选用合理的截面（2）采用变截面梁（3）适度布置载荷和支座位置21挠曲线：梁弯曲后的轴线。
22.提高梁刚度和强度的主要措施有：1.合理安排梁的支承2.合理的布置载荷3.选择梁的合理截面23.挠度：梁轴线上的一点在垂直于梁变形前轴方向的线位移24.转角：梁任一截面绕其中性轴转动的角度。
工程力学力系平衡
D
FC
l
A B
l
FP
D
第 三 种 情 形
l
C FA A l FCy l B l FP D
FCx
C
FA A
l
B
l
FP
D
第 三 种 情 形
FCy
FCx C
E
MA ( F ) = 0 : FCx l -FP 2l = 0 MC ( F ) = 0 : -FA l - FP 2l = 0 ME ( F ) = 0 : -FCy 2l -FA l = 0
A
F ＝0
x
l －FQ －FW x FTB lsin＝0 2 l FP x＋FQ 2 ＝ 2 FW x F FTB＝ Q lsin l
F ＝0
y
FAx FTB cos＝0 FQ 2 FW x FQl FW FAx＝ x cos30 ＝ 3 l 2 l FAy－FQ－FP＋FTB sin＝0
例题
均质方板由六根杆支 撑于水平位臵，直杆 两端各用球铰链与扳 和地面连接。板重为 P，在A 处作用一水 平 力 F ， 且 F=2P ， 不计杆重。求各杆的 内力。
简单的刚体系统平衡问题
前面实际上已经遇到过一些简单刚体系统 的问题，只不过由于其约束与受力都比较简单， 比较容易分析和处理。 分析刚体系统平衡问题的基本原则与处理 单个刚体的平衡问题是一致的，但有其特点， 其中很重要的是要正确判断刚体系统的静定性 质，并选择合适的研究对象
平衡方程
根据平衡的充要条件
F1 M1 O
z
F2
M2
y Mn
FR ＝0 ， MO＝0
超静定结构的概念及超静定次数的确定(PPT)
04 超静定结构的实际应用
桥梁工程
桥梁工程中，超静定结构的应用可以增加结构的稳定性和安全性，提高桥梁的承 载能力。例如，连续梁桥采用超静定结构形式，可以减小梁体的振动和变形，提 高行车舒适性和安全性。
此外，超静定结构在桥梁工程中还可以用于抵抗风、地震等自然灾害的影响，提 高桥梁的抗震性能和抗风能力。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
渐进法
总结词
通过逐步逼近的方法求解超静定结构的位移和内力的方法。
详细描述
渐进法是一种基于迭代思想的求解方法，通过逐步逼近的方法求解超静定结构的位移和内力。该方法首先假设一 组初始解，然后逐步修正解的近似值，直到满足精度要求或达到预设的迭代次数为止。渐进法可以处理复杂的超 静定结构问题，具有较高的计算效率和精度。
建筑工程
在建筑工程中，超静定结构的应用可以提高结构的稳定性和 刚度，增强建筑物的承载能力和抗震性能。例如，高层建筑 采用超静定结构形式，可以减小风力、地震等外部荷载对建 筑物的影响，保证建筑物的安全性和稳定性。
此外，超静定结构在建筑工程中还可以用于优化建筑物的空 间布局和结构形式，提高建筑物的美观性和实用性。
超静定结构
在任何一组确定的平衡力系作用 下，需要用多余的约束条件才能 确定结构的平衡状态的体系。
超静定结构的特性
具有多余的约束
超静定结构有多余的约束，这些 多余的约束可以提供额外的稳定 性，使结构在受到外力作用时具
有更好的抵抗变形的能力。
存在内力
由于超静定结构的约束多余，当 受到外力作用时，会在结构内部 产生内力，这些内力有助于抵抗
判别准则二
如果一个结构的支座反力数目小于其约束数目， 则该结构为超静定结构。
判别准则三
如果一个结构的受力状态不能由静力平衡方程完 全确定，则该结构为超静定结构。
工程力学第3章
1第三章力系的平衡§3–1 平面力系的平衡方程§3–2 空间力系的平衡方程§3–3 物体系统的平衡方程§3–4 静定与静不定的基本概念§3-1 平面力系的平衡方程由于=0 为力平衡M O =0 为力偶也平衡所以平面任意力系平衡的充要条件为：力系的主矢F R 和主矩M O 都等于零，即：)()(22=+=∑∑Y X F R 0)(==∑i O O F m M 1、平面任意力系的平衡方程R F=∑X 0)(=∑i A F m 0)(=∑i B F m ②二矩式条件：x 轴不AB连线⊥0)(=∑i A F m 0)(=∑i B F m 0)(=∑i C F m ③三矩式条件：A ,B ,C 不在同一直线上上式有三个独立方程，只能求出三个未知数。
=∑X 0=∑Y 0)(=∑i O F m ①一矩式①平面汇交力系=∑xF 0=∑yF2、平面特殊力系的平衡方程②平面力偶系=∑M ③平面平行力系=∑y F 0)(=∑F M O 0)(=∑F MB0)(=∑F M A AB 不x 轴⊥[例] 已知：P , a , 求：A 、B 两点的支座反力？解：①选AB 梁研究②画受力图（以后注明解除约束，可把支反力直接画在整体结构的原图上）)(=∑i A F m 由32 ,032PN a N a P B B =∴=⋅+⋅-0=∑X 0=A X 0=∑Y 3,0PY P N Y A B B =∴=-+解除约束,0==∑A X X 由022;0)(=⋅-+⋅⋅+⋅=∑a P m aa q a R F m B A 0=∑Y 0=--+∴P qa R Y B A )kN (122028.01628.02022=⨯+-⨯-=+--=P a m qa R B )kN (24128.02020=-⨯+=-+=B A R qa P Y [例] 已知：P =20kN, m =16kN·m, q =20kN/m, a =0.8m求：A 、B 的支反力。
静力学各知识点归纳
力的作用点。
（在力的作用下，任意两静力学各知识点总结1. 静力学是研究物体在力系作用下的平衡规律的科学。
2. 力的三要素：（1）力的大小；（2）力的方向；（3）3. 力的效应：（1）外效应——改变物体运动状态的效应4.刚体：在外界任何作用下形状和大小都始终保持不变的物体。
点间的距离保持不变的物体）5.一个物体能否视为刚体，不仅取决于变形的大小，而且和问题本身的要求有关。
6.力：物体间相互的机械作用，这种作用使物体的机械运动状态发生变化。
7.力系：作用在物体上的一群力。
（同一物体）8.如果一个力系作用于物体的效果与另一个力系作用于该物体的效果相同，这两个力系 互为等效力系。
9.不受外力作用的物体可称其为受零力系作用。
一个力系如果与零力系作用等效，则该力系称为平衡力系。
10. 力应以矢量表示。
用 F 表示力矢量，用 F 表示力的大小。
在国际单位制中，力的单位是N 或Kn 。
（2）内效应一一引起物体形变的效应第一章•静力学公理F R = F I +F 2公理1:力的平行四边形法则作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力。
合力的作用点也在该点，合力的大小和方向，由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定。
公理2 :二力平衡条件作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是：这两个力的大小相 等，方向相反，且作用在同一直线上。
公理3 :加减平衡力系原则在已知力系上加上或减去任意的平衡力系，与原力系对刚体的作用等效。
推理1 :作用于刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移到刚体内任意一点，并不改变该推理2 :三力平衡汇交定理作用于刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力的作用线汇交于一点，则此三力必在同一平面内，且第三个力的作用线通过汇交点。
4.线，5. 柔索类约束：绳索对物体的约束力，作用在接触点, ，沿着同一直线,公理4 :作用力与反作用力总是同时存在，两力的大小相等、方向相反、分别作用在两个相互作用的物体上。
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C
FBx =0
F
FAy P
B
ix
0, FAx FBx F cos sin 0
A FAx
D x
F
C
FBx y
FAz
3 F 86.6 N 4
从而得到以下规律： （1）可以用力矩形式的平衡方程投影式来替代力形式的平 衡方程的投影式，即有3－6个力矩投影式，也就是说力矩投 影形式的平衡方程不得少于三个，至多可以有六个。 （2）力的投影轴与矩轴不一定重合，但投影轴及矩轴必须 受到如下限制：①不全相平行；②不全在同一平面内。
第三章 力系的平衡 静定与超静定的概念
第一节 平衡方程的解析形式
一、空间任意力系的平衡方程 FR 0 MO 0 平衡的必要、充分条件。
FR Fixi Fiy j Fiz k
F 0 F 0 Fiz 0
ix
iy
M O M ixi M iy j M iz k
合力偶矩恒为零，即
M
ix
0
M
iy
0
M F F F
iz
0 0 0 0
ix
空间汇交力系平衡方程
iy iz
例3-3：结构如图所示，杆重不计，已知
力P，试求两杆的内力和绳BD的拉力。 解：研究铰链B D
z
F3
z
D
C
C
y
B
A
F2
y
F1
B
A
x
P
0
x
F
z
0
P
F
x
F3 sin P 0
4M F5 ; 3a
F6
F3
MFB =0, F6cos300a· cos300+M=0; `
4M F6 ; 3a
F1 F4
F5 F2
MEC =0, F4cos300a· cos300+M=0;
F4 4M ; 3a 2M F3 ; 3a 2M F1 ; 3a 2M F2 ; 3a
l M ( F ) 0 , F l F sin l P 0 x i Bz 2
FBz=P/2-F/2=0
C
z
F
B A D x z
FAz
FBz
iz
0, FAz FBz F sin P 0
FAz=P -F/2=100N
y
M z (Fi ) 0, FBxl 0
Fix 0; FDB
BE CE FDC 0 DB DC
FDB
FDC
BE=CE,DB=DC,则：FDB=FDC
Fiy 0; FDB
DO DO DO FDC FDA 0 DB DC DA
FDA
P
DB 20 3 , DA 20 5;
EO AO Fiz 0; FDB 2 FDA P0 DB DA 3 FDA P 745N, FDB=FDC=289N 3
M
AA
(Fi ) 0, F5 cos l 0
F5 0
ห้องสมุดไป่ตู้
B’ F
A’
BD M ( F ) 0 , ( F F sin ) 0 AC i 6 5 l D’ M ( F ) 0, ( F F sin )l 2 P 0 AD i 4 3 2
C
FAz
FBz
设AD＝CB=b，则 b M y ( Fi ) 0, F sin b P 2 0 y 得: F =P = 200N 由: 得:
F
iy
0, FAy F cos cos 0
FAy=（3/4）F=150N
A
FAx
FAy
P
F
B
FBxy
D x
MAB =0, –F3 a· sin600– F6 sin300a· sin600=0; MBC =0, –F1 a· sin600– F4 sin300a· sin600=0; MCA =0, –F2 a· sin600– F5 sin300a· sin600=0;
特例2. 空间平行力系
若各力平行轴z，则
F
ix
0
F
iy
0
M
iz
0
F
空间平行力系平衡方程
iz
0
0
0
M
M
ix
iy
例3-6：三轮平板车放光滑地面上，自重为：W，货重为F， 已知：F=10kN,W=8kN，试求各轮约束力的值。
解：这是空间平行力系。
Mix =0， (200–80)W–200· FA =0； FA=4.8kN， Miy =0， 60W+(60–20)F–60· FA–2· 60· FB =0； Fiz=0 ， FA +FB+FC–W–F=0； FC=8.27kN
（3）六力矩形式的矩轴不交于同一点。 据此，我们可以选择合适的力投影轴和矩轴，使每个方程所 包含的未知量为最少，从而简化计算。
A
例3-2：重力为P的匀质正方形平台，由六根不计自重的直杆支撑， 在水平力F的作用下保持静止。杆与水平面的夹角均为 =45º ， 试求各杆的力。 F P B C解 设板边长为l ,用多力矩形式求解。 F3 0 Fiy 0, F3 cos 0 D
FA
x
z
y
FC FB
FB=4.93kN
特例3. 空间力偶系
合力恒为零，即
F
ix
0
F
iy
0
F
iz
0
空间力偶力系平衡方程
M M
ix
0
0
iy
M
iz
0
例3-7：边长为a 的等边三角形水平板上作用着力偶M，並用六 根二力杆支撑，板自重不计，试求各杆的力。
MAD =0, F5cos300a· cos300+M=0;
C ’Fix 0, F2 cos F 0
F
F2 2F
F6 0
P F4 （压） 2
P F3
F2
F6
iz
0
P F 2
F4 F1 F2 sin F3 sin F4 F5 sin F6 P 0
F1
F5
F1
（压）
特例1. 空间汇交力系
P F3 sin
F3 cos sin F2 0 F2 F3 cos sin
F
iy
0
F1 F3 cos cos
例3-4：重力P=1kN，A是球铰支座、A、B、C点是固定 在同一墙上，试求：杆AD、绳DB，DC的约束力。
解：这是空间汇交力系，取D点为汇交点，
M
M
ix
0
M
iy
0
0
iz
空间任意物体有六个平衡方程；可解六个未知量。
例3-1：有一匀质矩形等厚的板，重力P =200N，角A为球铰，另一 端B用铰链（沿轴y向无约束力）与墙壁相连，再用一索EC使板维 持于水平位置。若θ= =30º，试求索内的拉力及A,B两处的约束 力。z 解
B
A D x z