静定桁架的内力计算

第二节 平面静定桁架的内力计算

桁架是工程中常见的一种杆系结构，它是由若干直杆在其两端用铰链连接而成的几何形状不变的结构。桁架中各杆件的连接处称为节点。由于桁架结构受力合理，使用材料比较经济，因而在工程实际中被广泛采用。房屋的屋架（见图3－10）、桥梁的拱架、高压输电塔、电视塔、修建高层建筑用的塔吊等便是例子。

图3－10房屋屋架

杆件轴线都在同一平面内的桁架称为平面桁架（如一些屋架、桥梁桁架等），否则称为空间桁架（如输电铁塔、电视发射塔等）。本节只讨论平面桁架的基本概念和初步计算，有关桁架的详细理论可参考“结构力学”课本。在平面桁架计算中，通常引用如下假定：

１）组成桁架的各杆均为直杆；

２）所有外力（载荷和支座反力）都作用在桁架所处的平面内，且都作用于节点处； ３）组成桁架的各杆件彼此都用光滑铰链连接，杆件自重不计，桁架的每根杆件都是二力杆。

满足上述假定的桁架称为理想桁架，实际的桁架与上述假定是有差别的，如钢桁架结构的节点为铆接（见图3－11）或焊接，钢筋混凝土桁架结构的节点是有一定刚性的整体节点，

图3－11 钢桁架结构的节点

它们都有一定的弹性变形，杆件的中心线也不可能是绝对直的，但上述三点假定已反映了实际桁架的主要受力特征，其计算结果可满足工程实际的需要。

分析静定平面桁架内力的基本方法有节点法和截面法，下面分别予以介绍。 一、节点法

因为桁架中各杆都是二力杆，所以每个节点都受到平面汇交力系的作用，为计算各杆内力，可以逐个地取节点为研究对象，分别列出平衡方程，即可由已知力求出全部杆件的内力，这就是节点法。由于平面汇交力系只能列出两个独立平衡方程，所以应用节点法往往从只含两个未知力的节点开始计算。

例3－8 平面桁架的受力及尺寸如图3－12ａ所示， 试求桁架各杆的内力。

图3－12 例3－8图

解：（1）求桁架的支座反力

以整体桁架为研究对象，桁架受主动力2F以及约束反力平衡方程并求解：

、

、

作用，列

， ＝０

， ２×－＝０， ＝

，

（2）求各杆件的内力

＋－２＝０， ＝2－=

设各杆均承受拉力，若计算结果为负，表示杆实际受压力。设想将杆件截断，取出各节点为研究对象，作A、D、C节点受力图（图3－12ｂ），其中=

。

＝

，

=

，

平面汇交力系的平衡方程只能求解两个未知力，故首先从只含两个未知力的节点A开始，逐次列出各节点的平衡方程，求出各杆内力。

节点Ａ：

， ＋

sin300＝０,

＝－2=－２F（压）

， ＋

cos300＝０,

＝－0.866=1.73F（拉）

节点Ｄ：

， －＋＝０, ＝==1.73F（拉）

，

节点Ｃ：

－２F＝０, ＝２F（拉）

， －

sin600＋sin600＝０，

＝＝－２F（压）

至此已经求出各杆内力，节点Ｃ的另一个平衡方程可用来校核计算结果：

， －

将各杆内力计算结果列于表3-2：

cos600－cos600－

＝０

表3－2 例3－8计算结果

杆号 内力 1 －2F 2 1.73F 3 2F 4 －2F 5 1.73F 例3－9 试求图3－13a所示的平面桁架中各杆件的内力，已知

，G=20kN。

(a) (b)

图3－13 例3－9图

解 （1）画出各节点受力图，如图3－13b所示，其中

＝Fi(i=1,2,…,6)。各点未知

力个数、平衡方程数如表3－3。由于A点的平衡方程数与未知力个数相等，所以首先讨论A点。

表3－3 未知力个数、平衡方程数

节点 A B C D E 未知力个数 独立方程数 2 2 3 2 4 2 4 2 2 1 （2）逐个取节点，列平衡方程并求解 节点Ａ：

， F1sin300－G=０,

（拉）

节点B：

， －F1cos300－F2=０, F2=－F1cos300=－34.6kN（压）

， , ＝－34.6kN（压）

， F３－G＝０, F３=G＝20kN（拉）

节点C：

， －F5cos300－F3cos300=０, F5=－F3=－20kN （压）

， F4=

cos600－F5cos600=０,

cos600－F5cos600=40+20cos600－(－20)cos600 kN =60kN（拉）

将各杆内力计算结果列于表3-4：

表3－4 各杆内力计算结果

杆号 内力/kN 二、截面法

节点法适用于求桁架全部杆件内力的场合。如果只要求计算桁架内某几个杆件所受的内力，则可用截面法。这种方法是适当地选择一截面，在需要求解其内力的杆件处假想地把桁架截开为两部分，然后考虑其中任一部分的平衡，应用平面任意力系平衡方程求出这些被截断杆件的内力。

1 40 2 －34.6 3 20 4 60 5 －20 6 －34.6 例3－10 如图3－14ａ所示的平面桁架，各杆件的长度都等于1.0ｍ，在节点Ｅ上作

用荷载F１＝21kＮ，在节点Ｇ上作用荷载F２＝15kＮ，试计算杆１、２和３的内力。

图3－14 例3－10图

解：（1）求支座反力

以整体桁架为研究对象，受力图如图3－14ａ所示，列平衡方程：

， ＝０

，

×3.0－F1×1.0－F2×2.0＝0

，

解得：

＋－F１－F２＝０

＝=17kＮ， ＝kＮ

（2）求杆１、２和３的内力

作截面ｍｎ假想将此三杆截断，并取桁架的左半部分为研究对象，设所截三杆都受拉力，这部分桁架的受力图如图3－14ｂ所示。列平衡方程：

, －

×1.0×sin600－

×1.0=0

, F1×0.5＋

×1.0×sin600－

×1.5＝０

，

解得：

＋

×sin600－F1＝０

=－21.9kＮ（压）

＝ kＮ=20.8kＮ（拉）

＝ kＮ=2.3kＮ（拉）

如果选取桁架的右半部分为研究对象，可得到相同的计算结果。

例3－11 平面桁架结构尺寸如图3－15ａ所示，试计算杆１、２和３的内力。

图3－15 例3－11图

解：（1）求支座反力

以整体桁架为研究对象，受力图如图3－15b所示，列平衡方程：

，

， FB×8a－F1×a－F1×2a－F1×3a－F1×4a－F2×5a－F2×6a－F2×7a＝0

，

解得：

＋FB －4 F1－3 F2＝０

，

（2）求杆１、２和３的内力

=－FB+4 F1+3 F2=

作截面I－I假想将杆1、2、3截断，并取桁架的左半部分为研究对象，设所截三杆都受拉力，这部分桁架的受力图如图3－15c所示。列平衡方程：

,

,

，

解得：

（压），(拉)，(拉)

由上面的二个例子可见，采用截面法求内力时，如果矩心取得恰当，力矩平衡方程中

往往仅含一个未知力，求解方便。另外，由于平面任意力系只有三个独立平衡方程，因此作假想截面时，一般每次最多只能截断三根杆件，如果截断的杆件多于３根时，它们的内力一般不能全部求出。

习 题

3—1 图3－16所示的6种情形中哪些是静定问题？哪些是静不定问题？

图3－16 题3—1 图

3—2 试求图3－17所示静定梁在支座A和C处的全部约束反力。其中尺寸d、载荷集度q、力偶M已知。

图3－17 题3—2图

3－3 静定多跨梁的荷载及尺寸如图3－18所示，长度单位为ｍ，求支座反力和中间铰处的压力。

图3－18 题3—3图

3－4 静定刚架所受荷载及尺寸如图3－19所示，长度单位为ｍ，求支座反力和中间铰处压力。

图3－19 题3—4图

3－5 如图3－20所示，杆AB重G、长度为

，A端置于水平面上，B端置于斜面上并系

一绳子，绳子绕过滑轮C吊起重物FQ。各处摩擦均不计，求AB杆平衡时的G值及A、B两处的约束力。（α、β均为已知）

图3－20 题3—5图

3－6 如图3－21所示，在曲柄压力机中，已知曲柄OA=R=0.23m，设计要求：当α＝200,β=3.20时达到最大冲力F=315kN。求在最大冲压力F作用时，导轨对滑块的侧压力和曲柄上所加的转矩Ｍ，并求此时轴承Ｏ的约束反力。

图3－21题3—6图

3－7 在图3－22所示架构中，A、C、D、E处为铰链连接，BD杆上的销钉B置于AC杆的光滑槽内，力F=200N，力偶矩M=100N·m，不计各杆件重量，求A、B、C处的约束反力。

图3－22 题3—7图

3－8 如图3－23所示，折梯由两个相同的部分ＡＣ和ＢＣ构成，这两部分各重0.１kＮ，在Ｃ点用铰链连接，并用绳子在Ｄ、Ｅ点互相联结，梯子放在光滑的水平地板上，今在销钉Ｃ上悬挂G＝0.５kＮ的重物，已知ＡＣ＝ＢＣ＝４ｍ，ＤＣ＝ＥＣ＝３ｍ，∠ＣＡＢ＝６０°，求绳子的拉力和ＡＣ作用于销钉Ｃ的力。

图3－23题3—8图

3－9 三脚架如图3－24所示，FP=4.0kN，试求支座A、B的约束反力。

图3－24题3—9图

3－10如图3－25所示，起重机停在水平组合梁板上，载有重G=10kN的重物，起重机自身重５０kＮ，其重心位于垂线ＤＣ上，如不计梁板自重。求Ａ、Ｂ两处的约束反力。

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