第2章结构的几何构造分析.
结构力学(几何组成分析)详解
单铰－２个约束
刚结点－３个约束
四、多余约束 分清必要约束和非必要约束。
五、瞬变体系及常变体系
C
A
B
A C’
B
六、瞬铰 O . . O’
0 0' P
M 0 0
N1
N2
N3 Pr 0
N3
N3
Pr
A
B
C D
§2-2 几何不变体系的组成规律
讨论没有多余约束的,几何不变体系的组成规律。
j=8
b=12+4
Ｗ＝２×8－12－4＝0
单链杆：连接两个铰结点的链杆。 复链杆：连接两个以上铰结点的链杆。
连接 n个铰结点的复链杆相当于(2n-3)个单链杆。
j 7 b 3 3 5 3 14
W 2 7 14 0
三、混合体系的自由度
W (3m 2 j) (2h b)
(2,3)
1
2
3
5 4
6
(1,2)
1
2
3
(2,3)4
5 6
(1,2)
1
2
3
5 4
6
(2,3)
1
2
3 (1,2)
(2,3) 5
4
6
1
2
3 (1,3)
5 4 (1,2)
6
.
(2,3)
几何瞬变体系
补3 ：
.O1
Ⅰ
.O2
ⅡⅡ
Ⅲ
ADCF和BECG这两部分都是几何不变的，作为刚 片Ⅰ、Ⅱ，地基为刚片Ⅲ。而联结三刚片的O1、 O2、 C不共线，故为几何不变体系，且无多余联系。 返 回
结构力学《第二章几何组成分析》龙奴球
第二章 结构的几何构造分析
瞬变体系（
×）
体系是由三个刚片用三个共线的铰 ABC相连，故为瞬变体系。（ ）
×
第二章 结构的几何构造分析
几种常用的分析途径
1、去掉二元体，将体系简单化，然 后再分析。
D A
C
B
依次去掉二元体A、B、C、D后， 剩下大地。故该体系为无多余约 束的几何不变体系。
第二章 结构的几何构造分析 2、如上部体系与基础用满足要求三个约束相联可去掉 基础，只分析上部。
第二章 结构的几何构造分析
用一链杆将一刚片与地面相联 两刚片用一链杆相联
1、2、3、4是链杆， 折线型链杆、曲线型 链杆可用直线型链杆 代替。
3 6 4
Ⅰ
1 5
5、6不是链杆。
第二章 结构的几何构造分析
单铰：联结两个刚片的铰称为单铰
一个单铰相当于几个约束呢？ 在平面内两个刚片自由 度等于6 加入一个单铰后自由度 等于4，减少了2个自由 度
A
C B
规则4 三刚片以不在一条直线 上的三铰 两两相连，组成无多余 约束的几何不变体系。
如约束不满足限制条件，将出现下列几种形式的瞬变体系
三铰共线瞬变体系
第二章 结构的几何构造分析
关于无穷远瞬铰的情况
1 C II
I A
2
B
III
图示体系，一个瞬铰C在无穷远处，铰A、 B连线与形成瞬铰的链杆1、2不平行，故三个 铰不在同一直线上，该体系几何不变且无多 余约束。
(3) 各∞点都在同一直线上，此直线称为∞线。
(4) 各有限远点都不在∞线上。
第二章 结构的几何构造分析
§2-2 几何不变体系的组成规则
基本规律：三角形规律
结构力学第2章 结构的几何构造分析
有一根链杆是多余约束
§2-1 几何构造分析的几个概念
5. 瞬变体系
特点：从微小运动的角度看，这是一个可变体系；
经微小位移后又成为几何不变体系；
在任一瞬变体系中必然存在多余约束。 瞬变体系：可产生微小位移 常变体系：可发生大位移
可变体系
§2-1 几何构造分析的几个概念
6. 瞬铰 O为两根链杆轴线的交点，刚片I
可发生以O为中心的微小转动， O点
称为瞬时转动中心。 两根链杆所起的约束作用相当于在链 杆交点处的一个铰所起的约束作用，这个 铰称为瞬铰。
§2-1 几何构造分析的几个概念
7. 无穷远处的瞬铰 两根平行的链杆把刚片I与基础相
连接， 则两根链杆的交点在无穷远处。
两根链杆所起的约束作用相当于无穷远 处的瞬铰所起的作用。
体系计算自由度：
W=2j-b
§2-3 平面杆件不变体系的计算自由度
若W＞0，则S ＞0，体系是几何可变的
若W=0， 则S=n， 如无多余约束则为几何不变，如有多余约束则 为几何可变 若W＜0，则n＞0， 体系有多余约束 例 2-4 试计算图示体系的W。 方法一：
m=7，h=9，b=3， g=0
W=3m-2h-b=3×7-2×9-3=0 方法二： j=7，b=14
W=2j-b=2×7-14=0
§2-3 平面杆件不变体系的计算自由度
例 2-5 试计算图示体系的W。
将图(a)中全部支座去掉，在G处切开，如图(b) m=1，h=0，b=4， g=3 W=3m-（3g+2h+b）=3×1-（3×3+2×0+4）=-10 体系几何不变，S=0 n=S-W=0-（-10）=10
第2章
§2-1 §2-2
结构力学第二章结构的几何组成分析
=6 结构系统 结构系统结构系统 （c ）铰链 平面两个刚片的自由度: 平面单铰相当于2个约束 x y A O A xA yα β 单铰 6 23=?=n 用单铰连接后只剩下4个自由度:β α,,,A A y x 4 =n 2 46=-=∴c 连接两个平面刚片的单铰 x y A O 复铰 m 个刚片 原m 个刚片的总自由度：连接m 个刚片的复铰 用复铰连接后自由度为2个线位移加m 个角度：m m n 33=?=m n +=2故约束数)1(2)2(3-=+-=m m m c 连接m 个刚片的复铰相当于个约束。 )1(2-m m 个铰的总自由度数： 系统中元件（刚体、杆、刚片）和铰既可以看作自由体，也可以看作约束。 1 2 3 4 5 6 m-1
2 3 f >0时，有多余约束，称为静不定（超静定）结构，f 就是静不定的次数。 如果元件安排合理，则
布置不合理
f
=0 f =1 布置合理，1
次超静定 f =0 布置合理，静定
2 由以上分析可见，只有几何不变的系统才能承力和传力，作为“结构”。 系统几何组成分析的目的： （1）判断系统是否几何不变，以决定是否能作为结构 使用； （2）掌握几何不变结构的组成规律，便于设计出合理 的结构； （3）区分静定结构和静不定结构，以确定不同的计算 方法。 2.2 几何不变性的判断 2.2.1 运动学方法 将结构中的某些元件看成自由体，拥有一定数量的自由度； 将结构中的另一些元件看成约束。 如果没有足够多的约束去消除自由度，系统就无法保持原有形状。 所谓运动学方法，就是指这种引用“约束”和“自由度”的概念来判断系统几何不变性的方法。 1、自由度与约束（1）自由度的定义 决定一物体在某一坐标系中的位置所需要的独立变量的数目称为自由度，用n 表示。平面一个点有2个独立坐标，故n =2空间一个点有3个独立坐标，故n =3 x y y ?x ?A A' x y A yA xA z A zA' O 空间一根杆有5个自由度，一个平面刚体（刚片、刚盘）或一根杆有3个自由度，n =3 x y A yAxA z AzA' O B B'
第二章结构几何构造分析方案
例题：分析图示体系的几何构造（习题2-10b）
将由若干个杆件组成的几何不变体视为一个刚片，然后 运用规律二。
补充例题：分析图示体系的几何构造
利用规律二， 运用了瞬铰的概念。
补充例题：分析图示体系的几何构造
运用规律二形成更大的 刚片，最后装配于基础 （上部简支与基础）。
补充例题：分析图示体系的几何构造
二元体
两个不共线的链杆，由一个节点相连 。
在任何一个体系上增加或减去一个二元体，对体系 的组成性质无影响。
几何体系的组成
刚片
体系
约束
内部无多余约束的刚片 内部有多余约束的刚片
必要约束 多余约束
几何构造分析方法
1.逐步拆去二元体，使结构简单。 2.从基础出发，反复运用规律一、二进行装配。 3.将由若干个杆件组成的几何不变体视为一个刚片，然后反
体系中全部约束数
体系计算自由度的计算
1.当组成体系的部件为刚片时 W=3m－(3g＋2h＋b) m：内部无多余约束的刚片数，若有多余约束,则将其 计入 3g＋2h＋b g：单刚结点数 h：单铰结点数 b：单链杆数
2.当组成体系的部件为结点时 W=2j－b
j：具有自由度的点的个数 b：单链杆数
例题 计算体系的W
W＝3m－(3g＋2h＋b)＝3×1－(3×3＋2×0＋4)＝－10
例题 计算体系的W
W＝3m－(3g＋2h＋b)＝3×9－(3×0＋2×12＋3)＝0 W＝2j－b＝2 ×6－12＝0
例题 计算体系的W
W＝3m－(3g＋2h＋b)＝3×7－(3×0＋2×9＋3)＝0
例题 计算体系的W
W＝3m－(3g＋2h＋b)＝3×7－(3×0＋2×9＋3)＝0 W＝2j－b＝2 ×7－14＝0 W＝3m－(3g＋2h＋b)＝3×2－3＝3 W＝3m－(3g＋2h＋b)＝3×1－3＝0
结构力学第二章结构的几何组成分析
链杆法
链杆选取
选择适当的链杆，作为分析的基本单元。
约束条件分析
分析链杆的约束条件，确定结构的几何特性。
几何组成判定
根据链杆的几何特性和约束条件，判断结构 的几何组成。
混合法
1 2
方法选择
根据结构特点，选择刚片法或链杆法进行分析。
综合分析
综合运用刚片法和链杆法，对结构进行几何组成 分析。
3
结果判定
常变体系
在荷载作用下，体系的几何形状会发生变化，且这种变化是持续的。例如，一个由三个链杆连接的刚片，在荷载 作用下会持续发生变形。
03
几何组成分析方法
刚片法
刚片选取
选择适当的刚片，作为分析的基本单 元。
自由度计算
几何不变体系判定
根据约束条件，判断结构是否为几何 不变体系。
计算各刚片的自由度，确定约束条件。
结构力学第二章结构的几何组成分析
目录 Contents
• 几何组成分析基本概念 • 几何组成分析基本规则 • 几何组成分析方法 • 几何组成与结构性能关系 • 复杂结构几何组成分析示例 • 几何组成分析在工程应用中的意义
01
几何组成分析基本概念
几何不变体系与几何可变体系
几何不变体系
在不考虑材料应变的前提下，体 系的形状和位置都不会改变。
几何可变体系
在不考虑材料应变的前提下，体 系的形状或位置可以发生改变。
自由度与约束
自由度
描述体系运动状态的独立参数，即体系可以独立改变的坐标 数目。
约束
对体系运动状态的限制条件，即减少体系自由度的因素。
刚片与链杆
刚片
在力的作用下，形状和大小保持不变 的平面或空间图形。
结构力学第二章 结构的几何构造分析
刚片2
例2：
刚片3 没有多余约束的几何不变体系
没有多余约束 的几何不变体系
§2-3 几何构造分析方法
2）分析已组成的体系 例1：
上部作为 刚片1 地基作为刚片2
结论：没有多余 约束的几何不 变体系。
例2：
1 2
二元体
结论：内部没有 多余约束的几何 不变体系。
§2-3 几何构造分析方法
例3：
o
虚铰
难点：
单铰、复铰、实铰、虚铰、瞬铰、无穷铰、的区别。 如何准确计算平面杆系结构的计算自由度，计算自 由度和实际自由度的关系。 如何正确分析平面杆系结构的几何属性。
§2-1 几何构造分析的几个概念
结构是由若干根杆件通过结点间的联接及与支座 联接组成的。结构是用来承受荷载的，因此必须保证 结构的几何构造是不可变的。例如：
例2:
两组 平行
4
2 3 1 5 6 一组 平行
§2-5 几何构造分析举例
例3：
3 1 Ⅱ
2
结论： 杆1、杆2、杆3不交与 一点，因此该体系是无 多余约束的不变体系。
Ⅰ
例4:
1 Ⅰ 3 Ⅱ 2
结论： 杆1、杆2、杆3不交于 一点，该体系是无多余 约束的几何不变体系。
§2-5 几何构造分析举例
例5：
①
②
②
B
D
D
应注意形成虚铰 的两链杆必须连 接相同的两个刚 片
Ⅰ Ⅰ 实铰 1 2 3
Ⅱ
Ⅲ
Ⅱ O 虚铰
虚铰-瞬铰
O .
.
O’
A
C
B
D
无穷铰
实铰 单铰 虚铰（瞬铰） 无穷铰
§2-2 几何不变体系的组成规律
第二章_平面体系的几何组成分析
规则三：三个刚片用不在同一直线上的三个 铰两两相联，则组成没有多余约束的几何不 变体系。如图所示。
A
A
O2 O1 O2 O3O1
O3
B
B
C
C
第二章 平面结构的几何构造分析
现在来讨论三刚片联结的特殊情况。如果两个刚
片之间是通过平行链杆联结，则其形成的虚铰将在无 穷远处。三个刚片之间的联结包括一对、两对和三对 平行链杆的情况。
合理，因B而不能限制瞬时运动B 的情况。 C
C
A
B
A'
第二章 平面结构的几何构造分析
二、两刚片组成规则
规则二：两个刚片用一个铰和不通过该铰 的一根链杆或用不交于一点也不互相平行 的三根链杆相联结，则组成没有多余约束 的几何不变体系。如图所示。
O
几何可变体系
O
R P
几何不变体系
A
C
A CE
B
D
变，实际上就是判别该体系 是否存在刚体运动的自由度。 y
所谓体系的自由度，是指体
系运动时可以独立变化的几
何参数的数目，也就是确定
xA
物体位置所需的独立坐标数
目。例如一个点在平面内自 由运动时，其位置要用两个 o
y x
坐标和来确定（右图），所
以一个点的自由度等于2。
第二章 平面结构的几何构造分析
如一个刚片在平面
1
2
A
1
3
2
第二章 平面结构的几何构造分析
体系中的约束有的对组成几何不变体 系来说是必须的，这种约束称为必要约束， 而必要约束之外的约束称之为多余约束。 每一个必要约束都可以使体系的自由度减 少1个，而多余约束并不减少体系的自由 度。
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第2章结构的几何构造分析
§2-1几何构造分析的几个概念
（自由度计算公式）
§2-2平面几何不变体系的组成规律
▲几何构造分析目的：
Q 判别体系可否作为结构 b ）为结构计算打下基础
UmVflMITV Off BCMNCM Mh<3 TaCHHOLCXlV
第二章结构的几何构造分析
（不考虑材料的变形）
§2-1几何构造分析的几个概念
一、两类体系
■**' i■- - ——L
- — - ___ ~二=一・
----------- P
Z Z
几何可变体系
体系在荷《作用下• 其几何形状和位S 都不能改变• 体系受到很小的作用力，
其几何形状或位S 都可以改
几何不变体系
▲刚片一所有的《几何形状不变体系”均可视为刚片.
（可以是杆.由杆组成的结构.支撑结构的地基）
二、自由度
1・定义：用来确定体系位£所需舷立（最少）坐标的数目. 2.举例
y
Yl
平面动点：w=2 （ XI, yl ）
规律：体系有《个独立的运动方式，就有《个自由度.
三、约束（联系）
1•定义：阻止或限制体系运动的装置（减少自由度的装置）.
2•约束类型（链杆、刚接、单较、复胶、固定端、平行支《杆零）
■ X
平面刚片：W=3 （xU yU卩）
1）链杆（支杆）
1个链杆=1个约束。
链杆
可以是曲的.
折的杆，只要保持两姣间
$巨不变.
2 ）刚性连接
1个刚接=3个约束
W=3X2—3=3
3）单较
1个单较=2个约束=2个的单链杆。
W=3X2—2=4
瞬枝——在运动中瞬枝的位置不定，这
是瞬较和实较的区别.通常我们研究的是
扌旨定位置处的瞬时运动，因此，瞬枝
和实咬所起的作用是相同的，都是相对
转动中心.
两根不共线的链杆相当
于一个单镀.
4 ）复较：连接两个以上刚片的
连接《个刚片的复枝相当于（ml）个
单较，相当于2（«-1）个约束.
图例：
刚片数《=3
相当于2个单较4个釣束
5）固定端（刚接）：可以减少三个自由度.
Z
/
/I
6 ）平行支链杆：可以减少二个自由度.
(b)
(ft)
、多余约束
在一个体系中增加一个约束，体系的自由度并
不因而减少，则此约束称为多余约束.
（多余约束对体系的自由度没有彩响）
▲自由度计算公式
W = 3m—3g—2h—b
3 X亠
w=o是几何不变的必要条件，但不充分。
WI5 滋囂浸注盪芒5躍£3宓也■ ■ …一 _ ■ ~ —4=一1
Y Y Y w=o （约束数*够，但位置不对,易易4 体系可变。
）
§2-2平面几何不变体系的组成规律
-、几何不变体系的简单组成规律
两个刚片用一个《和一个不通过《的链杆相连• （或不
全交于一点也不全平行的三《杆）
;滋％么滋％"%%; 滋夕滋勿
匸紐二空N二紐二紐口
2.三个刚片相连
0（虚较）用不在一条直线上的三个较两两相连・
将支健杆
希成刖片
"若几何不变，则w=（）"正确!
“若w=（）,则体系几何不变”不一定!
1.两个刚片相连
3.二元体规律
在一个刚片上增加一个二无体仍为几何不变体系。
二元体一由两根不共线的«杆连接一个 新结
点的装置•
（简单装配格式）
▲推广：在一个已知体系上，依
次增加或去掉 二元体，不影响原体系的几何组
成性
质。
（分析复杂体系很有用）
瞬变体系（约束数量够，但排列位S 不对•） ——本来是几何可变体系，经微小位移后又成为几何不变的体系・
1 •三姣共线
务7 ------- ---=卡
a
虽然经过微小位移以后变成几何不变体系，但体系会产生很大的内 力，不能作为实用的结构•
2.三杆平行且不等长 3）三杆延长线交于一点
八
-Z A
轴力 N=P/2sina
a —^0 Ns
.............. •・・'
3.二元体规律在一个刚片上增加一个二无体仍为几何不变体系。
三. 常变体系
—— 如果一个几何可变体系，可以发生大位移，則这 样的体系，称为
常变体系•
2.三链杆交于一点
3 •约束不足
关于8点和00线的四点结论：
•一个方向的平行线有一个8点（即该方向各条平行线的交点）； •不同方向有不同的8点；
•各8点都在同一直线上，此直线称为8线；（图C ） •各有限点都不在8线上。
（图1））
1.三链杆平行且等长
TTT
▲关于无穷远瞬较（在“简单组成规律”中8较按以下结论考虑）
（b ）
(•>
ni*吒〉0||山
（b ）三铁不
共钱,
（a ）两者平
行. 三校共线・瞬变.
（C ）各8点郁在同一
直线上.
故三牧共线•《变・
（0）
■
/ “Fm O 】：B
2
■ ■ ■
/ /
HD
按三刚片規律.
几何不变， 无多余釣*.
（体系简化后按二刚片.三刚片规律很容易判别）
1.步骤
1）复杂体系简化
（利用二元体推广规律）
撤去二元体
2）按基本规則判别 合并大刚片（将已知的几何不变体 视为
一个刚片） （二刚片、三刚片规律）
2.技巧: 合理选择刚片，会找虚较. ©
I
11 n m m ®- I
3・举例
［例1J
0)
/2
2）合并的大刚片与大地 按二
刚片规律几何不变, 无多余约束•
2）合并的大刚片与大地 按二
刚片规律几何不变, 无多余約束.
［例4］（合理选择刚片，会找虚枝・）
刚片I, II,m 用不共线的 三个较连接,即为无多余约 束的几何不变体系。
（二刚片规律）
[例3]
（合并大刚片进行简化）
G
D
£
D C F
0>
)
C D
E F
解(a): 1), _© n m
山览I
三刚片规律 几何不变 合并为大刚片
解
1) (b)： 刖片I ■ n 按二刚片规律 几
何不变， 合并为丈刚片•
3\
（三刚片规律）
1,2, 3杆共点，为瞬变体系；1,
2,3杆若不共点，则为几何不变体系•II
II
（合并大刚片进行简化）
基本AABC 刚片 （1,2）二元体
• （3,4）二元体 刚片I 刚片_1,11, III 连接较三钱共线 结论：无多余约束的几何瞬变体系
三刚片连接钱三咬共线
结论：无鮮斐化系
瞬变=> 不变
¥无多余约束=> 有多余约束
[例5] （合并大刚片进行简化） II
m 4
A
II
基础fDE 一斗刚片■叱（1,2）二元体 * （3,4）二元体 > （5,6）二元体
结论：无多余约束的几何不变体系
[例6] （I ；
m ）
« m （n. HD （合理选择刚片，会找虚枝.） 分析：三枝不共线 结论：无多余约束的不变体系
[例7] (I. n)
.ro m <. 分析：三较不共线
结论：无多余约束的几何不变体系
(n>
m)
(I, in)
分析：三根链杆交于一点
结论：无多余约束的瞬变体系
本章目的:
1）杆件体系能否作为结构；
2）组成结构的规则，杆件如何组合才能成为结构；
3）确定结构是挣定或超静定，超静定结构与静定结构的计算方法不同。
角卑屮科技衣茅,
HunmoNB umvflMiTv BCMNCB TBCHMOUBIV,。