2-3平面几何不变体系的基本组成规律(结构力学第2章)
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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
清华大学结构力学第2章几何构造分析34

II
17
5. 关于无穷远瞬铰的情况
1 C II
I A
2
a)
B
III
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(图a)。
18
A B
I II C
b)
III 瞬铰B、C在两个不同方向的无穷远处,它 们对应于无穷线上两个不同的点,铰A位于 有限点。由于有限点不在无穷线上,故三铰 不共线,体系为几何不变且无多余约束(见 图b)。
一、复杂链杆与复杂铰
1. 简单链杆与复杂链杆 简单链杆——仅连接两个结点的链杆称为简
单链杆,一根简单链杆相当于一个约束。
复杂链杆——连接三个或三个以上结点的链杆
称为复杂链杆。一根复杂链杆相当于(2n-3) 根简单链杆,其中n为一根链杆连接的结点数。
35
2. 简单铰与复杂铰 简单铰——只与两个刚片连接的铰称为简单铰。
19
A I II
c)
B III C
形成瞬铰B、C的四根链杆相互平行(不等 长),故铰B、C在同一无穷远点,所以三个 铰A、 B、C位于同一直线上,故体系为瞬变 体系(见图c)。
20
6. 装配格式和装配过程
基本装配(建造、施工)格式
把一个节点固定到一个刚片上;
把一个刚片固定到另一个刚片上;
把两个刚片固定到另一个刚片上。
9
3
I
解: 用混合公式计算。 m=1 j=5 g=2 b=10
W (3 1 2 5) (3 2 10)
13 16 3
41
例2-3-5 求图示体系的计算自由度。
1 2 4 A 3 B 5 6 E 7 C 8 D 10 11
17
5. 关于无穷远瞬铰的情况
1 C II
I A
2
a)
B
III
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(图a)。
18
A B
I II C
b)
III 瞬铰B、C在两个不同方向的无穷远处,它 们对应于无穷线上两个不同的点,铰A位于 有限点。由于有限点不在无穷线上,故三铰 不共线,体系为几何不变且无多余约束(见 图b)。
一、复杂链杆与复杂铰
1. 简单链杆与复杂链杆 简单链杆——仅连接两个结点的链杆称为简
单链杆,一根简单链杆相当于一个约束。
复杂链杆——连接三个或三个以上结点的链杆
称为复杂链杆。一根复杂链杆相当于(2n-3) 根简单链杆,其中n为一根链杆连接的结点数。
35
2. 简单铰与复杂铰 简单铰——只与两个刚片连接的铰称为简单铰。
19
A I II
c)
B III C
形成瞬铰B、C的四根链杆相互平行(不等 长),故铰B、C在同一无穷远点,所以三个 铰A、 B、C位于同一直线上,故体系为瞬变 体系(见图c)。
20
6. 装配格式和装配过程
基本装配(建造、施工)格式
把一个节点固定到一个刚片上;
把一个刚片固定到另一个刚片上;
把两个刚片固定到另一个刚片上。
9
3
I
解: 用混合公式计算。 m=1 j=5 g=2 b=10
W (3 1 2 5) (3 2 10)
13 16 3
41
例2-3-5 求图示体系的计算自由度。
1 2 4 A 3 B 5 6 E 7 C 8 D 10 11
结构力学第2章平面几何组成分析

几何组成作业题
2-3, 2-5 2-7, 2-8 2-10, 2-12 2-16, 2-21 交作业时间:周 3
§2. 几何组成分析
补充作业:(不做) 2-1 (b)试计算图示体系的计算自由度
解:
或:
W 8 3 11 2 3 1 W 1 3 5 2 2 2 10 1
方法1: 若基础与其它部分三杆相连,去掉基础只分 析其它部分 方法2: 利用规则将小刚片变成大刚片.
例4: 对图示体系作几何组成分析
解: 该体系为瞬变体系. 方法3: 将只有两个铰与其它 部分相连的刚片看成链杆. 书上例题2-1、2-3同。
方法1: 若基础与其它部分三杆相连,去掉基础只分 析其它部分 方法2: 利用规则将小刚片变成大刚片. 方法3: 将只有两个铰与其它部分相连的刚片看成链杆.
计算自由度大于零一定可变; 若等于零则一定不变吗? 五. 计算自由度 六. 多余约束 必要约束 计算自由度小于零一定不变吗? 计算自由度小于零一定有多余约束
§2.1 基本概念
§2-1 基本概念 一. 几何不变体系 几何可变体系 二. 刚片 三. 自由度 四. 约束(联系) 链杆 单铰 复铰 虚铰 实铰 五. 计算自由度 六. 多余约束 必要约束
练习: 对图示体系作几何组成分析
方法1: 若基础与其它部分三杆相连,去掉基础只分 析其它部分 方法2: 利用规则将小刚片变成大刚片. 方法3: 将只有两个铰与其它部分相连的刚片看成链杆. 方法4: 去掉二元体. 方法5: 从基础部分(几何不变部分)依次添加.
练习: 对图示体系作几何组成分析
无多余约束的几何不变体系。
三杆不平行不变 平行且等长常变 平行不等长瞬变
§1. 几何组成分析
结构力学

二、几何组成分析的目的
(1)判别体系是否几何不变; (2)按什么规律组成一个几何不变体系; (3)区分结构是静定的还是超静定的。
返回
§2-2 刚片、约束、体系自由度 和计算自由度
一、体系自由度的定义:
体系自由度:体系的独立运动方式数,或确定体系位置所需的独立坐标数。 例如:平面内一个点有2个自由度,一个刚片有3个自由度。
在某一瞬间可以产生微小运动的体系,称为瞬变体系,它是可变体系 的一种特殊情况。
FN
瞬变体系在工程中不能采用。
FP 2 Sin
如果一个几何可变体系可以发生大位移,则称为常变体系。
法则Ⅱ: 两刚片法则,两刚片用不完全 相交于一点且不完全平行的三 根连杆连接而成的体系,是几 何不变而无多余约束的。
两刚片以一铰及不通过该铰的一个链杆相联,构成几何不变体系。
法则Ⅲ:三刚片六连杆法则,三刚片之间用六连杆彼 此两两相连接,六连杆所组成的三个铰不在 同一条直线上,则所组成的体系是几何不变 而无多余约束的。
讨论
虚铰在无穷远的情形
二元体的概念
二元体的定义:从任意基础上用不共线的两根连杆形成一个 新结点的装置。
2.结论:给定体系为几何不变无多余约束体系。
返回
例六
试分析图示体系是否为几何不变系
解:1.几何组成分析 去除二元体 刚片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ符合三刚片法则。
2.结论:给定体系为几何不变无多余约束体系
返回
例七 试分析图示体系是否为几何不变体系
解:1.几何组成分析 ABEF与基础之间符合两刚片法则,组成新刚片Ⅲ 在刚片Ⅲ上增加一个二元体形成新节点G,由二元体的性质知 体系仍为几何不变,看作刚片Ⅳ CDHI看作刚片Ⅴ,刚片Ⅳ、Ⅴ之间三根连杆交于点D。 2.结论:该体系为几何瞬变体系。
工程结构力学 (3)

若三铰共线,且全是有限远铰,则体系必为几何瞬变。
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
ⅡⅢ Ⅰ
a) 三实铰共线
b) 一虚铰与两实铰共线
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ⅡⅢ Ⅰ
c) 两虚铰与一实铰共线
本节课结束
1、二元体规则(固定一点规则)—— 一个点与一个刚片的联结方式
用两根不共线的链杆联结(发展)一个新结点的构造,称为二元 体。于是,规则Ⅰ也可用二元体的组成表述为:
在一个刚片上,增加一个二元体,仍为几何不变,且无多余约
束的体系。
A
A
A
①
②
①
②
①
②
由二元体的性质可知:在一个体系上依次加上(或取消)若干个二元体 ,不影响原体系的几何可变性。这一结论常为几何组成分析带来方便。
一、平面几何不变体系的基本组成规则
2、 两刚片规则——平面内两个刚片的联结方式
A ② B
I
③ C
A II
B I
③ C
A II B ①②
I
③ C
规则Ⅱ(表述之一):两刚片用一铰和一链杆相连,且链杆及其 延线不通过铰,则组成内部几何不变且无多余约束的体系。
规则Ⅱ (表述之二):两个刚片用三个链杆相连,且三根链杆不 全交于一点也不全平行,则组成内部几何不变且无多余约束的体系。
一、平面几何不变体系的基本组成规则
3、 三刚片规则—— 平面内三个刚片的联结方式
A
II
III
B
C
I
规则Ⅲ:三个刚片用三个铰两两相连,且三个铰不在一直线上 ,则组成内部几何不变且无多余约束的体系。
二、几何可变体系
由于约束布置不当,可以持续发生大的刚体运动的体系,称 为几何常变体系。
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
ⅡⅢ Ⅰ
a) 三实铰共线
b) 一虚铰与两实铰共线
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ⅡⅢ Ⅰ
c) 两虚铰与一实铰共线
本节课结束
1、二元体规则(固定一点规则)—— 一个点与一个刚片的联结方式
用两根不共线的链杆联结(发展)一个新结点的构造,称为二元 体。于是,规则Ⅰ也可用二元体的组成表述为:
在一个刚片上,增加一个二元体,仍为几何不变,且无多余约
束的体系。
A
A
A
①
②
①
②
①
②
由二元体的性质可知:在一个体系上依次加上(或取消)若干个二元体 ,不影响原体系的几何可变性。这一结论常为几何组成分析带来方便。
一、平面几何不变体系的基本组成规则
2、 两刚片规则——平面内两个刚片的联结方式
A ② B
I
③ C
A II
B I
③ C
A II B ①②
I
③ C
规则Ⅱ(表述之一):两刚片用一铰和一链杆相连,且链杆及其 延线不通过铰,则组成内部几何不变且无多余约束的体系。
规则Ⅱ (表述之二):两个刚片用三个链杆相连,且三根链杆不 全交于一点也不全平行,则组成内部几何不变且无多余约束的体系。
一、平面几何不变体系的基本组成规则
3、 三刚片规则—— 平面内三个刚片的联结方式
A
II
III
B
C
I
规则Ⅲ:三个刚片用三个铰两两相连,且三个铰不在一直线上 ,则组成内部几何不变且无多余约束的体系。
二、几何可变体系
由于约束布置不当,可以持续发生大的刚体运动的体系,称 为几何常变体系。
结构力学第2章平面体系的几何组成分析

精品课件
例2-4-3
精品课件
分析图:
(a)
精品课件
(b)
(c)
精品课件
(d)
(e)
精品课件
说明:
1、通过本题中的两例可知,当上 部体系和大地之间的联系符合两刚 片规则时,体系几何组成分析的结 论只与上部体系的几何组成有关。 因此,当符合此条件时,可仅分析 上部体系。
精品课件
2、(a)所示体系先去掉与大地的支 座约束后,对上部体系可依次去掉 二元体213、453、563后,体系简化 成一铰接三角形,所以原体系是无 多余约束的几何不变体系。
结构力学
结构力学教研组 青岛理工大学工管系
精品课件
第二章 平面体系的几何组成分析
精品课件
§2.1 概述
本章研究平面杆系结构的基本 组成规律和合理形式。
精品课件
其目的在于:
❖ 了解和掌握结构的基本组成规律和
合理组成形式。正确区分各类体系, 判定结构;选择合理的结构形式。 ❖ 根据各类结构的几何组成,选择 正确的计算方法和简捷的解题途径。
几何不变体系
精品课件
(2)内部几何不变体系
若作为几何组成分析的结论, 内部几何不变体系指仅除大地 外的体系的整体。
精品课件
(a)
(b)
精品课件
(c)
(3)刚片
在平面问题中,刚性体化为平面 内的一个不会有变形的面,则称 这个面为刚片.刚片在其平面内, 任意两点间的距离都保持不变。
精品课件
(4)几何瞬变体系
对体系加载时,体系在瞬时内发 生微小位移,然后便成为几何不 变体系。这种体系叫作几何瞬变 体系(瞬变体系)
精品课件
(a)
精品课件
结构力学第2章平面体系的几何组成分析

➢ 在任意体系上依次增加,或依 次拆除二元体,原体系的自由度 数不变。
(a)
(b)
3、基本组成规则中约束方式 的影响
利用这两个规则的要点是规则中 的三个要素:
❖ 刚片及刚片数 ❖ 约束、约束数及约束的方式 ❖ 结论
两个刚片用三个链杆相连 的情况:
❖ 当三个链杆平行并且长度相等时, 是几何可变体系
两平行链杆构成一交点在无穷远的虚铰其作用相当于无穷远处的一个实铰的作用一个铰接三角形是无多余约束的几何不变体系或是刚片或是内部几何不变体系基本三角形规则基本三角形规则可用以下12两个简单组成规则等效
结构力学第2章平面体系的几何 组成分析
第二章 平面体系的几何组成分析
§2.1 概述
本章研究平面杆系结构的基本 组成规律和合理形式。
(b)
(c)
虚铰的典型运动特征为:瞬心
从瞬时运动角度来看,刚片1与刚 片2的相对运动,相当于绕两链杆 的交点处的一个实铰的转动。
(a)
(b)
➢ 两平行链杆构成一交点在 无穷远的虚铰,其作用相当于
无穷远处的一个实铰的作用 。
§2.3 平面几何不变体系的基 本组成规律
1.基本组成规律的产生 (a)
例2-4-6(多余约束)
分析图: (a)
说明:
对于有多余约束的几何不变体系, 可以用去掉约束的方法,使体系成 为无多余约束的几何不变体系,所 去掉的约束数就是原体系所具有的
多余约束数,这种方法叫拆除约束 法。
例2-4-7
分析图:
说明:
把四周用连续杆、刚结点及固定端 构成的体系叫封闭框。一个封闭框 是有3个多余约束的几何不变体系。
❖ 当三个链杆平行但长度不全相 等时,是几何瞬变体系
结构力学第2章

烟台大学
第2章 平面体系的几何构造分析 五、体系的计算自由度与自由度
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1. 计算自由度与自由度的关系
自测
S(自由度) W(计算自由度)= n(多余约束) 2. 自由度与几何体系的关系 几何不变体系的自由度为零,凡是自由度大于零的 体系都是几何可变体系。 3. 几何性质与静定、超静定的关系 静定、超静定结构都必须是几何不变体系,其中无多 余约束的几何不变体系是静定结构,有多余约束的几何不 变体系是超静定结构。
A B C A D O1 B C
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II
O1 D E
I
F O2
I II
E F III
III (a)
O2
(b)
烟台大学
第2章 平面体系的几何构造分析 四、应注意的问题
返回
自测
(1) 刚片必须是内部几何不变的部分。 例如,不能把图a中的 EFGD取作刚片(图b), 因为它是几何可变的。
烟台大学
A B (a) C C (b) B D A B (c) A C
注意:去掉二元体是体系的拆除过程,应从体系的外 边缘开始进行,而增加二元体是体系的组装过程,应从一 个基本刚片开始。
烟台大学
第2章 平面体系的几何构造分析
二、几个容易混淆的概念
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自测
E C A D B
1. 二元体
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烟台大学
第2章 平面体系的几何构造分析
返回
自测
例如, 在分析图a 所示体系的几何组成时,可去掉二 元体,体系变为图b。将基础视为刚片,AB杆(刚片Ⅰ)、 BC杆(刚片Ⅱ)与基础(刚片Ⅲ)符合三刚片规律,体 系为无多余约束的几何不变体系。
第2章 平面体系的几何构造分析 五、体系的计算自由度与自由度
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1. 计算自由度与自由度的关系
自测
S(自由度) W(计算自由度)= n(多余约束) 2. 自由度与几何体系的关系 几何不变体系的自由度为零,凡是自由度大于零的 体系都是几何可变体系。 3. 几何性质与静定、超静定的关系 静定、超静定结构都必须是几何不变体系,其中无多 余约束的几何不变体系是静定结构,有多余约束的几何不 变体系是超静定结构。
A B C A D O1 B C
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II
O1 D E
I
F O2
I II
E F III
III (a)
O2
(b)
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(1) 刚片必须是内部几何不变的部分。 例如,不能把图a中的 EFGD取作刚片(图b), 因为它是几何可变的。
烟台大学
A B (a) C C (b) B D A B (c) A C
注意:去掉二元体是体系的拆除过程,应从体系的外 边缘开始进行,而增加二元体是体系的组装过程,应从一 个基本刚片开始。
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二、几个容易混淆的概念
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E C A D B
1. 二元体
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例如, 在分析图a 所示体系的几何组成时,可去掉二 元体,体系变为图b。将基础视为刚片,AB杆(刚片Ⅰ)、 BC杆(刚片Ⅱ)与基础(刚片Ⅲ)符合三刚片规律,体 系为无多余约束的几何不变体系。
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实铰相联:
虚铰相联:
当三个铰在一直线上时:
瞬变体系
两刚片和三刚片组成规则都是基于同一简单的事实,即边长 给定的三角形的几何形状是惟一确定的。因此,平面几何不变体 系的基本组成规则可称为三角形规则。
三刚片相联的几种特殊情况:
2-3-3 基本组成规则的应用技巧 一元体:一个刚片与一个体系之间只用三根不相交于一点也不相 平行的链杆联结,则该刚片称为一元体。
§2-3 平面几何不变体系的组成规则 2-3-1 两刚片组成规则 两刚片间用不相交于一点也不相平行的三根链杆相联,其内 部是几何不变的,并且没有多余的约束。
两刚片间用不相交于一个铰(实铰或虚铰)和一根不通过该 铰的链杆相联,其内部是几何不变的,并且没有多余的约束。
常变体系
瞬变体系
片组成规则 三刚片用不在一直线上的三个铰两两相联,其内部是几何不 变的,并且没有多余的约束。
减少或增加一元体不改 变体系的几何构造特征。
可去除基础只分析上 部体系的几何构造。
等效代换:即链杆与刚片之间的代换。 ⑴ 任何链杆(包括支座链杆)都可以看作刚片。 ⑵ 刚片看作链杆则是有条件的:若一个刚片仅通过两个铰(包括 虚铰)对外联系,则该刚片可看作通过这两个铰的链杆;若一 个刚片是通过3个或3个以上的铰与外部联结,则该刚片看作联 结这些铰的内部几何不变,并且无多余约束的链杆体系。 注意:若一个刚片内部具有多余约束,则在对体系的几何可变性 进行分析时可以看作一般刚片,但在求体系的计算自由度 或是多余约束数量时应计入上述多余约束。如:
减少或增加一元体不改 变体系的几何构造特征。
可去除基础只分析上 部体系的几何构造。
二元体:两个刚片与一个体系之间只用三个不在一直线上的铰两 两相联,则两个刚片称为二元体。 二元体
减少或增加二元体不改 变体系的几何构造特征。 2-3-3 基本组成规则的应用技巧 一元体:一个刚片与一个体系之间只用三根不相交于一点也不相 平行的链杆联结,则该刚片称为一元体。
封闭刚结框架体系是具有3个内部多余约束的几何不变体系。
虚铰相联:
当三个铰在一直线上时:
瞬变体系
两刚片和三刚片组成规则都是基于同一简单的事实,即边长 给定的三角形的几何形状是惟一确定的。因此,平面几何不变体 系的基本组成规则可称为三角形规则。
三刚片相联的几种特殊情况:
2-3-3 基本组成规则的应用技巧 一元体:一个刚片与一个体系之间只用三根不相交于一点也不相 平行的链杆联结,则该刚片称为一元体。
§2-3 平面几何不变体系的组成规则 2-3-1 两刚片组成规则 两刚片间用不相交于一点也不相平行的三根链杆相联,其内 部是几何不变的,并且没有多余的约束。
两刚片间用不相交于一个铰(实铰或虚铰)和一根不通过该 铰的链杆相联,其内部是几何不变的,并且没有多余的约束。
常变体系
瞬变体系
片组成规则 三刚片用不在一直线上的三个铰两两相联,其内部是几何不 变的,并且没有多余的约束。
减少或增加一元体不改 变体系的几何构造特征。
可去除基础只分析上 部体系的几何构造。
等效代换:即链杆与刚片之间的代换。 ⑴ 任何链杆(包括支座链杆)都可以看作刚片。 ⑵ 刚片看作链杆则是有条件的:若一个刚片仅通过两个铰(包括 虚铰)对外联系,则该刚片可看作通过这两个铰的链杆;若一 个刚片是通过3个或3个以上的铰与外部联结,则该刚片看作联 结这些铰的内部几何不变,并且无多余约束的链杆体系。 注意:若一个刚片内部具有多余约束,则在对体系的几何可变性 进行分析时可以看作一般刚片,但在求体系的计算自由度 或是多余约束数量时应计入上述多余约束。如:
减少或增加一元体不改 变体系的几何构造特征。
可去除基础只分析上 部体系的几何构造。
二元体:两个刚片与一个体系之间只用三个不在一直线上的铰两 两相联,则两个刚片称为二元体。 二元体
减少或增加二元体不改 变体系的几何构造特征。 2-3-3 基本组成规则的应用技巧 一元体:一个刚片与一个体系之间只用三根不相交于一点也不相 平行的链杆联结,则该刚片称为一元体。
封闭刚结框架体系是具有3个内部多余约束的几何不变体系。