计算分析题1. 求如图(a)所示结构的力矩分配系数及固端弯矩。已知q=20kN/m,各杆EI相同。
[解] 转动刚度

,因此分配系数

,

。固端弯矩

=-20/3kN·m。分配传递过程见图(c),根据计算结果画出结构的M图[见图(b)]。
本题应注意斜杆求转动刚度时应取斜长度;在水平分布荷载下斜杆的固端弯矩等同于水平杆。
2. 试用力矩分配法计算如图(a)所示结构,作弯矩图。EI=常数(计算两轮)
[解] 本题先将悬臂部分的力平移,处理成图(b)所示的结构,属于三个结点未知量的情况,转动刚度、分配系数和固端弯矩如下所求:



传递和分配过程如图(b)所示,根据最后弯矩的结果画出M图,见图(c)。
注意:当有三个以上未知量时,可以从不相邻的两个结点同时开始分配。
3. 用力矩分配法计算如图(a)所示结构,并作M图。(循环两次)
[解] 本题先将悬臂A端的集中力平移至B点,见图(b)。转动刚度:S
BE=EI,

,S
CF=EI;分配系数μ
BE=0.6,μ
BC=0.4,

,

;固端弯矩

。传递和分配过程见表,根据最后弯矩的结果画出M图见图(c)。
结点力偶的处理是力矩分配法的重点和难点,读者应熟练掌握。
还有一点应注意:一个结点分配完成后,不应再往相邻的可动结点传递,否则会使结点再次产生不平衡力矩,但应向相邻的支座传递。
4. 试用弯矩分配法作如图(a)所示结构的弯矩图,只需分配两轮。CG杆的EI=∞,其余杆EI为常数。
[解] (1)先求各杆端的转动刚度和分配系数。S
FE=S
PC=4EI/6,μ
FE=μ
FC=0.5;S
CF=4EI/6,S
CB=3EI/6,S
CD=0。S
CA的求法见图(b),先画出单位转角下的变形图。由于CG段的EI=∞,需要先画EI有限大的GA段弯矩,该段相当于一端固定一端定向发生单位转角时的弯矩图,即M
GA=i
GA=EI/3。再将GA段弯矩图延长就可以得到整个CA杆的弯矩图(CA段弯矩图的特点是直线,因为其上不作用外荷载),所以S
CA=EI/3。再由转动刚度求出分配系数:μ
CB=3/9,μ
CA=2/9,μ
CF=4/9,μ
CD=0。
(2)求固端弯矩。

。
(3)分配和传递过程见表,M图见图(c)。
5. 求如图(a)所示变截面杆的转动刚度S
BC。
[解] 求BC杆的转动刚度。由于BC杆刚度为有限大,不能用类似上例的方法求转动刚度,只能用力法求解(求转动刚度S
BC实际上就是求B端有单位转角时在该端产生的弯矩)。取图(c)所示基本体系,

图、支座位移下的位移图见图(d)、(e),力法方程δ
11X
1+Δ
1C=0,其中


,Δ
1C=-4。将系数代入力法方程解得X
1=EI/3,叠加后BC杆的弯矩图见图(f),即S
BC=4EI/3。
6. 用力矩分配法计算图(b)所示结构并作弯矩图。已知

。
[解] 用力矩分配法计算结构。S
BC=4EI/3,S
BA=4×2EI/4=2EI,μ
BC=0.4,μ
BAM=0.6,

,力矩分配过程见图(g),结构最后弯矩图见图(h)。
7. 用力矩分配法绘制如图(a)所示结构的弯矩图。EI为常数。(计算两轮)
[解] 本题EF段无弯矩,可以去掉不分析,E支座为N定铰支座。S
CB=0,S
CA=EI/2,S
CD=EI/2,μ
CA=0,μ
CD=0.5,μ
CD=0.5;S
DC=EI/2,S
DE=3EI/6,μ
DC=0.5,μ
DE=0.5。

。分配传递过程见表,最后弯矩图见图(b)。
8. 用力矩分配法计算并作如图(a)所示结构的弯矩图。各杆EI相同。
[解] (1)先求转动刚度和分配系数。S
AC=0,S
AD=4EI/4=EI;求S
AB时应注意,B点虽然是定向支座,实际上却不能移动,否则将引起AB杆的伸长或缩短,因此B点相当于固定支座,即S
AB=4EI/5。μ
AD=5/9,μ
AB=4/9,μ
AC=0。
(2)求固端弯矩。

;求AB杆的固端弯矩时应注意B点20kN的集中力不引起固端弯矩,

。
(3)传递和分配见图(c),结构最后弯矩图见图(b)。
9. 用力矩分配法计算如图(a)所示结构,并作M图。
[解] 本题中C点无线位移,可以看作一个固定铰支座,CD杆为D端固定C端铰支的单跨杆,弯矩图可以直接画出,见图(b)。再将E点20kN的集中力平移至C点,原结构化为只有一个未知量的结构,见图(c)。S
BF=0,S
BC=3×8EI/6=4EI,S
BA=4×5EI/5=4EI,μ
BF=0,μ
BC=0.5,μ
BA=0.5。固端弯矩

,

。分配和传递过程见图(d)中表格,根据表中计算结果画出原结构弯矩图,见图(e)。
10. 用最简捷的方法绘下列图(a)结构的弯矩图。
[解] 本题最简便的方法是利用对称性,将一般荷载化为正反对称荷载,并取相应的半结构[见图(b)、(c)],不需计算可以直接画出半结构的弯矩图,最后再叠加。
11. 用力矩分配法作如图(a)所示刚架的弯矩图。
[解] 先简化为正对称的半结构见图(b),再将G点集中力平移至D支座,化为只有一个未知量的结构[见图(c)]。S
CB=0,S
CD=3×2EI/6=EI,S
CA=4×EI/4=EI,μ
CB=0,μ
CD=0.5,μ
CA=0.5;

,

。分配和传递过程见表,原结构弯矩图见图(d)。
12. 用力矩分配法计算如图(a)所示对称结构,并绘出结构的M图。E=常数。
[解] 本题荷载沿竖向对称轴为反对称,先简化为反对称半结构[见图(b)],这时的结构仍然可以继续化简为1/8结构[见图(c)]。只有一个未知量,求解过程略,结构最后弯矩图见图(d)。
13. 用力矩分配法计算如图(a)所示结构,并作M图。(EI=常数)
[解] 化为反对称半结构[见图(b)],分配系数μ
BA=0,μ
BC=3/7,μ
BD=4/7,固端弯矩

(注意:求固端弯矩时,B点转动是受约束的,B点力偶相当于作用在固定支座处,不引起固端弯矩,因此

只是由C点力偶M引起的)。分配和传递过程见图(d)(图中括号内的值是B结点的力偶M引起的附加约束力),最后根据表中的结果画出原结构弯矩图[见图(c)]。
14. 用力矩分配法计算如图(a)所示连续梁,并作出M图。EI=常数。
[解] 本题虽然左侧有水平支座,但支座反力为零,对弯矩无影响,因此可以看作对称结构受正对称荷载。取半结构并将A点集中力平移至B点,见图(b)。μ
CB=0.6,μ
CG=0.4,

,分配传递过程见图(c),结构弯矩图见图(d)。
15. 用力矩分配法计算如图(a)所示对称结构,并作M图。EI=常数。
[解] 利用对称性,先取半结构[见图(b)],再取1/4结构[见图(c)]。计算过程略,M图见图(d)。
16. 用力矩分配法求如图(a)所示结构的弯矩图。C处支座弹簧刚度为k=EI/32(kN/m)。
[解] 先将图(a)化为图(b)。再求转动刚度[见图(c)]:当结点D转动φ=1时,因为CD是刚性杆件,引起C点向上的位移Δ
C=1×4=4,从而产生支座反力F
RC=kΔ
C=4k,则有S
DC=4k×4=EI/2,

。根据转动刚度求出结点D的分配系数为μ
DC=0.25,μ
DA=0.5,μ
DG=0.25。弯矩分配过程见图(e),最后M图见图(d)。
17. 先求如图(a)的杆端转动刚度S
AB,再用力矩分配法计算图(b)结构并作弯矩图。已知k=3EI/l
3,

。
[解] (1)求S
AB。用力法求解,取基本体系如图(c)所示,力法方程为δ
11X
1+Δ
1C=-X
1/k,其中

,Δ
1C=-l,将系数代入力法方程求解得

,由X
1产生的A端弯矩即为转动刚度,S
AB=3EI/2l。
(2)作弯矩图。先求各杆转动刚度和分配系数,

,μ
BA=0.8,μ
BC=0.2。再求固端弯矩

(已知)。力矩分配和传递过程见图(f),根据最后计算的结果画出弯矩图,见图(g)。
18. 用力矩分配法求解如图(a)所示结构,并画出M图。已知支座B发生向下的位移Δ
B=2cm,EI=2×10
4kN·m
2(精确到一位小数)。
[解] 将悬臂杆上的集中荷载平移至D点,原结构变为只有两个未知量的结构[见图(b)]。S
BA=EI,S
BC=3EI,μ
BA=0.25,μ
BC=0.75;S
CB=3EI,S
CD=3EI,μ
CB=0.5,μ
CD=0.5;固端弯矩

=410kN·m,

,

。分配传递过程见图(c),最后弯矩图见图(d)。
本题是支座位移和荷载的综合作用,计算方法和以前的例题类似,只要读者仔细计算,就可以得到正确的结果。
19. 如图(a)中单位荷载F
P=1在AB上移动,画出C处的弯矩影响线和B点的反力影响线。(C点弯矩下侧受拉为正,B点的反力向上为正)
[解] (1)求M
C的影响线。去掉M
C对应的约束,施加一对力偶,如图(b)所示。根据影响线的概念,用力法求解M
C[见图(c)~(f)]。δ
11=

×2l×2×2×

,Δ
1P的求法如下:
当0≤x≤l时,图(e)与图(f)图乘,得

当l≤x≤2l时,图(c)与图(d)图乘,得

代入力法方程δ
11M
C+Δ
1P=0得:当0≤x≤l时,

;当l≤x≤2l时,

。
求出六分点处M
C的值,画出影响线见图(i)。
(2)求F
RB的影响线。基本方法同上[见图(g)、(h)]。

代入力法方程

,画出F
RB的影响线,见图(j)。
20. 用力矩分配法求如图所示结构弯矩图,i=1。
21. 用力矩分配法计算如图所示结构,并作M图。(计算两轮)
M图见图。提示:

。
22. 计算如图所示结构,并绘M图。要求在力法、位移法、力矩分配法中选择,EI为常数。
M图见图。提示:本题用力矩分配法较方便,C支座相当于固定支座。
23. 用力矩分配法计算如图所示结构,并作M图。已知:q=2.4kN/m,各杆EI相同。(每结点分配两次)
M图见图。提示:CFG为静定部分,该部分弯矩图可以直接画出,并且其在C点的反作用力对左侧超静定部分的弯矩图无影响。
24. 用力矩分配法作如图所示连续梁的弯矩图。设EI=常数。
25. 用力矩分配法求解如图所示结构,作M图。EI为常数(忽略剪力和轴力的影响)。