梁的支座反力
- 平衡
- ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
- 均布荷载
- 合力 w·L 作用在荷载中点
- 力矩
- M = F·d
方法
- 画受力图，并用支座反力代替每个支座。
- 用作用在形心处的单个集中力代替每个分布荷载。
- 对一个支座取矩，求另一个支座的反力。
- 用 ΣFy = 0 求剩下的反力，并用第二个力矩方程验算。
结构力学：速成包
公式表、每个专题的关键方法步骤和 10 道练习题，完整解答附在最后。
1公式与方法
剪力和弯矩
- 剪力和弯矩
- V = 一侧的 ΣF， M = 一侧的 ΣF·d
- 弯曲应力
- σ = M·y/I
- 矩形
- I = bh³/12
- 抗弯截面系数
- W = I/ymax
- 简支梁，均布荷载
- Mmax = wL²/8
方法
- 由整根梁的平衡求支座反力。
- 在所需截面处截开梁，保留一侧。
- 剪力：该侧所有竖向力之和。弯矩：这些力对截面取矩之和。
- 求最大弯矩时，找出剪力为零的位置。
桁架：节点法
- 节点法
- ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
- 截面法
- ΣM = 0 about a cut point
- 杆件内力
- 正 = 拉，负 = 压
方法
- 求整个桁架的支座反力。
- 节点法：从未知杆力不超过两个的节点开始，使用 ΣFx = 0 和 ΣFy = 0。
- 截面法：截断所需的杆件，对其他未知杆件的交点取矩。
- 假设杆件受拉；答案为负表示受压。
梁的挠度
- 跨中集中荷载
- δ = PL³/(48EI)
- 均布荷载，简支
- δ = 5wL⁴/(384EI)
- 悬臂梁，端部荷载
- δ = PL³/(3EI)
- 悬臂梁，均布荷载
- δ = wL⁴/(8EI)
- 叠加定理
- δ = δ1 + δ2
柱的屈曲
- 欧拉临界荷载
- Pcr = π²EI/(KL)²
- 计算长度系数
- K = 1 两端铰接，0.5 两端固定，0.7 一端固定一端铰接，2 一端固定一端自由
- 临界应力
- σcr = Pcr/A
- 长细比
- λ = KL/r, r = √(I/A)
2练习题
1.梁的支座反力中等
简支梁在 A 处为铰支座，在 B 处为滚动支座。求竖向支座反力 RA。
L = 4 mP1 = 25 kN 位于 2 mP2 = 10 kN 位于 2.5 m
RA = kN
2.梁的支座反力困难
简支梁在 A 处为铰支座，在 B 处为滚动支座。求竖向支座反力 RB。
L = 4 mP = 45 kN 位于 3 mw = 10 kN/m，从 0 到 3 m
RB = kN
3.剪力和弯矩中等
悬臂梁在 A 端固定。梁全长承受均布荷载 w，并在距 A 为 3 m 处承受集中荷载 P。 求在固定端 A 处的弯矩 MA。 下侧受拉的弯矩取正，左侧截面上向上的剪力取正。
L = 4 mP = 35 kN 位于 3 mw = 3 kN/m，从 0 到 4 m
MA = kN·m
4.剪力和弯矩困难
简支梁全跨承受均布荷载 w，并承受一个集中荷载 P。求梁中的最大弯矩 Mmax。
L = 4 mP = 80 kN 位于 2.5 mw = 10 kN/m，从 0 到 4 m
Mmax = kN·m
5.桁架：节点法中等
在这些荷载下，这个桁架中恰有一根杆件不受力。哪一根是零杆？请在图中点击它。
B: 15 kN ↓C: 25 kN ↓D: 40 kN ↓F: 30 kN ↓
- 1杆件 AB
- 2杆件 BC
- 3杆件 CD
- 4杆件 DE
- 5杆件 FG
- 6杆件 GH
- 7杆件 AF
- 8杆件 HE
- 9杆件 BF
- 10杆件 CG
- 11杆件 DH
- 12杆件 FC
- 13杆件 HC
6.桁架：节点法困难
用节点法求杆 AB 中的力 FAB。拉力为正，压力为负。
跨度 = 5 m高度 = 4 mB 距 A 3 m竖向荷载 = 55 kN水平荷载 = 5 kN →
FAB = kN
7.梁的挠度中等
简支梁在距支座 A 为 a = 1 m 处承受集中荷载 P。求荷载作用处的挠度 δP。
P = 12 kNa = 1 mL = 6 mE = 70 GPa (铝)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.梁的挠度困难
一根矩形截面的简支木梁，宽 100 mm，全跨承受均布荷载 w。其跨中挠度不得超过跨度/300。求截面的最小高度 hreq。
w = 2 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (结构木材)b = 100 mm
hreq = mm
9.柱的屈曲中等
一根长为 L 的钢柱，两端固定。用欧拉公式求其临界屈曲荷载 Pcr。
L = 1.5 mE = 200 GPa (钢)d = 20 mm
Pcr = kN
10.柱的屈曲困难
一根长为 L 的钢实心圆柱，两端固定。它需承受 35 kN，屈曲安全系数为 2.5。求最小直径 d。
P = 35 kNn = 2.5L = 2.5 mE = 200 GPa (钢)
d = mm
3溶液
1.梁的支座反力
答案: RA = 16.25 kN
静力平衡：静止物体对任意点满足 ΣFx = 0、ΣFy = 0 和 ΣM = 0。对一个支座取矩可从方程中消去该支座的反力。
受力图
用反力代替支座。滚动支座提供一个竖向反力；只有竖向荷载时，铰支座也只提供一个竖向反力。
平衡
对 A 取矩，逆时针为正。然后列竖向力平衡。
ΣMA = 0: RB·4 = 25·2 + 10·2.5
RB = 75/4 = 18.75 kN
ΣFy = 0: RA = 35 − 18.75 = 16.25 kN
答案
RA = 16.25 kN
2.梁的支座反力
答案: RB = 45 kN
静力平衡：静止物体对任意点满足 ΣFx = 0、ΣFy = 0 和 ΣM = 0。对一个支座取矩可从方程中消去该支座的反力。
受力图
用反力代替支座。滚动支座提供一个竖向反力；只有竖向荷载时，铰支座也只提供一个竖向反力。
平衡
对 A 取矩，逆时针为正。然后列竖向力平衡。
均布荷载合力：W = w·ℓ = 10·3 = 30 kN，作用于 x̄ = 1.5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 45·3 + 10·3·1.5
RB = 180/4 = 45 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 45 = 30 kN
答案
RB = 45 kN
3.剪力和弯矩
答案: MA = −129 kN·m
截面法：在需要求内力的位置截开梁，保留一侧。剪力 V 平衡该侧的竖向力，弯矩 M 平衡这些力对截面的矩。
保留自由端部分
P: −35·3 = −105 kN·m
w: −3·4²/2 = −24 kN·m
MA = −105 − 24 = −129 kN·m
答案
MA = −129 kN·m
负号表示负弯矩：上表面受拉。
4.剪力和弯矩
答案: Mmax = 93.75 kN·m
截面法：在需要求内力的位置截开梁，保留一侧。剪力 V 平衡该侧的竖向力，弯矩 M 平衡这些力对截面的矩。 最大弯矩：由于 dM/dx = V，弯矩的峰值出现在剪力过零的位置，可能在集中荷载处，也可能在分布荷载范围内。
支座反力
整根梁的平衡。
均布荷载合力：W = w·ℓ = 10·4 = 40 kN，作用于 x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 80·2.5 + 10·4·2
RB = 280/4 = 70 kN
ΣFy = 0: RA = 120 − 70 = 50 kN
V = 0 在哪里？
V(2.5⁻) = RA − w·2.5 = 25 kN
V(2.5⁺) = 25 − 80 = −55 kN
剪力在荷载处变号，所以最大值在荷载处。
最大弯矩
Mmax = RA·2.5 − w·2.5²/2 = 50·2.5 − 10·2.5²/2 = 93.75 kN·m
答案
Mmax = 93.75 kN·m
它出现在距 A 为 x = 2.5 m 处。
5.桁架：节点法
答案: 杆件 CG
零杆：在节点处，各方向上的力都必须平衡。如果一个节点没有荷载也没有支座，且它的三根杆件中有两根共线，那么垂直于该直线方向上的平衡只涉及第三根杆件，所以它的力为零。如果在一个无荷载节点处只有两根杆件相交且不共线，则两根都是零杆。
节点 G
FG 和 GH 在同一条直线上，且该节点不受荷载。在垂直于该直线的方向上平衡力，只剩下 CG。
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
用节点法检验
解出所有节点，得到这些杆件力（T = 受拉，C = 受压）。
AB: 42.19 kN (T), BC: 42.19 kN (T), CD: 40.31 kN (T), DE: 40.31 kN (T), FG: 50.63 kN (C), GH: 50.63 kN (C), AF: 70.31 kN (C), HE: 67.19 kN (C), BF: 15 kN (T), CG: 0, DH: 40 kN (T), FC: 14.06 kN (T), HC: 17.19 kN (T)
答案
零杆: CG
6.桁架：节点法
答案: FAB = −22.5 kN
节点法：桁架的每个节点都处于平衡，因此每个节点满足 ΣFx = 0 和 ΣFy = 0。从未知杆力不超过两个的节点开始。结果为负表示该杆受压。
支座反力
整个桁架的平衡。对 A 取矩，逆时针为正。
ΣMA = 0: Cy·5 = 55·3 + 5·4 → Cy = 37 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 37 = 18 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 kN
节点 A
假设每根杆受拉（背离节点）。在 A 处只有 AB 有竖向分量。
sin α = 4/5 = 0.8
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −18/0.8 = −22.5 kN
答案
FAB = −22.5 kN (受压)
7.梁的挠度
答案: δP = 1.984 mm
梁的挠度：挠度由曲率 M/(EI) 积分两次得到。常见情况有表可查，例如端部受集中力的悬臂梁为 PL³/(3EI)，全跨均布荷载的简支梁为 5wL⁴/(384EI)。各荷载产生的挠度可以叠加。
单位一致
用 N 和 mm 计算：P 用 N，w 用 N/mm (kN/m = N/mm)，L 用 mm，E 用 N/mm² (GPa × 1000)，I 用 mm⁴。
P = 12000 N, a = 1000 mm, b = 5000 mm, L = 6000 mm
EI = 8.4 × 10¹² N·mm²
荷载作用处的挠度
δP = Pa²b²/(3EIL) = 12000·1000²·5000²/(3·8.4 × 10¹²·6000) = 1.984 mm
答案
δP = 1.984 mm
8.梁的挠度
答案: hreq = 220 mm
梁的挠度：挠度由曲率 M/(EI) 积分两次得到。常见情况有表可查，例如端部受集中力的悬臂梁为 PL³/(3EI)，全跨均布荷载的简支梁为 5wL⁴/(384EI)。各荷载产生的挠度可以叠加。
单位一致
用 N 和 mm 计算：P 用 N，w 用 N/mm (kN/m = N/mm)，L 用 mm，E 用 N/mm² (GPa × 1000)，I 用 mm⁴。
w = 2 N/mm, L = 5000 mm, E = 11000 N/mm²
挠度限值
δallow = L/300 = 5000/300 = 16.67 mm
所需惯性矩
Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·2·5000⁴/(384·11000·16.67) = 8.878 × 10⁷ mm⁴
所需高度
bh³/12 = Ireq → h = (12·8.878 × 10⁷/100)1/3 = 220 mm
答案
hreq = 220 mm
实际中应选取比该值大的下一个标准高度。
9.柱的屈曲
答案: Pcr = 27.56 kN
欧拉屈曲：细长柱在 Pcr = π²EI/(KL)² 时失稳，KL 为计算长度：两端铰接 K = 1，一端固定一端自由 2，一端固定一端铰接 0.7，两端固定 0.5。柱绕 I 最小的轴屈曲。该公式适用于临界应力低于屈服应力的细长柱。
最小惯性矩
圆形截面对任意轴的 I 都相同。
I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴
计算长度
KL = 0.5·1500 = 750 mm
临界荷载
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/750² = 27561 N = 27.56 kN
答案
Pcr = 27.56 kN
10.柱的屈曲
答案: d = 34.47 mm
欧拉屈曲：细长柱在 Pcr = π²EI/(KL)² 时失稳，KL 为计算长度：两端铰接 K = 1，一端固定一端自由 2，一端固定一端铰接 0.7，两端固定 0.5。柱绕 I 最小的轴屈曲。该公式适用于临界应力低于屈服应力的细长柱。
所需临界荷载
Pcr = n·P = 2.5·35000 = 87500 N
KL = 0.5·2500 = 1250 mm
求解直径
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·87500·1250²/(π³·200000))^(1/4) = 34.47 mm
答案
d = 34.47 mm
校核：长细比 KL/r 为 145.1，柱为细长柱，适用欧拉公式。
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