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。

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1公式与方法

梁的支座反力

平衡: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 ΣF_y = 0 求剩下的反力，并用第二个力矩方程验算。

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/y_max
简支梁，均布荷载: M_max = 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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 ΣF_x = 0 和 ΣF_y = 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: P_cr = 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: σ_cr = P_cr/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 R_B。

L = 5 mP₁ = 20 kN 位于 1 mP₂ = 50 kN 位于 2 m

R_B = 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 R_B。

L = 4 mP = 10 kN 位于 1 mw = 3 kN/m，从 1 到 4 m

R_B = kN

3.剪力和弯矩中等

梁在 A 处为铰支座，在 B 处为滚动支座，并从 B 外伸 2 m 至自由端 C。梁在两支座之间承受集中荷载 P₁，在 C 处承受集中荷载 P₂。求荷载 P₁ 处的弯矩 M_x。下侧受拉的弯矩取正，左侧截面上向上的剪力取正。

L = 10 mP₁ = 30 kN 位于 2 mP₂ = 65 kN 位于 10 m支座位于 x = 0 和 x = 8 m

M_x = kN·m

4.剪力和弯矩困难

简支梁在部分跨度上承受均布荷载。求从 A 到弯矩最大截面的距离 x₀。

L = 8 mw = 12 kN/m，从 0 到 5 m

x₀ = m

5.桁架：节点法中等

用节点法求杆 AC 中的力 F_AC。拉力为正，压力为负。

跨度 = 8 m高度 = 3 mB 距 A 5 m竖向荷载 = 25 kN

F_AC = kN

6.桁架：节点法困难

用节点法求杆 AB 中的力 F_AB。拉力为正，压力为负。

跨度 = 8 m高度 = 4 mB 距 A 1 m竖向荷载 = 30 kN水平荷载 = 15 kN →

F_AB = kN

7.梁的挠度中等

简支梁全跨承受均布荷载 w。求梁在支座 A 处的转角 θ_A，以弧度表示。

w = 15 kN/mL = 2.5 mE = 70 GPa (铝)I = 57 × 10⁶ mm⁴

θ_A = rad

8.梁的挠度困难

简支梁承受均布荷载 w，并在跨中受集中力 P。用叠加法求跨中挠度 δ_max。

P = 29 kNw = 20 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (铝)I = 36 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

9.柱的屈曲中等

一根长为 L 的钢柱，两端铰接。用欧拉公式求其临界屈曲荷载 P_cr。

L = 4 mE = 200 GPa (钢)b × h = 30 × 100 mm

P_cr = kN

10.柱的屈曲困难

一根长为 L 的钢实心圆柱，底部固定、顶部自由。它需承受 115 kN，屈曲安全系数为 2.5。求最小直径 d。

P = 115 kNn = 2.5L = 1 mE = 200 GPa (钢)

d = mm

3溶液

1.梁的支座反力

答案: R_B = 24 kN

静力平衡：静止物体对任意点满足 ΣF_x = 0、ΣF_y = 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。

ΣM_A = 0: R_B·5 = 20·1 + 50·2

R_B = 120/5 = 24 kN

ΣF_y = 0: R_A = 70 − 24 = 46 kN

答案

R_B = 24 kN

2.梁的支座反力

答案: R_B = 8.125 kN

静力平衡：静止物体对任意点满足 ΣF_x = 0、ΣF_y = 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 = 3·3 = 9 kN，作用于 x̄ = 2.5 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 10·1 + 3·3·2.5

R_B = 32.5/4 = 8.125 kN

ΣF_y = 0: R_A = 19 − 8.125 = 10.88 kN

答案

R_B = 8.125 kN

3.剪力和弯矩

答案: M_x = 12.5 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。

支座反力

整根梁的平衡。外伸段上的荷载对 A 也产生力矩。

ΣM_A = 0: R_B·8 = 30·2 + 65·10

R_B = 710/8 = 88.75 kN

ΣF_y = 0: R_A = 95 − 88.75 = 6.25 kN

在 P₁ 处截开，保留左侧部分

M_x = R_A·2 = 6.25·2 = 12.5 kN·m

答案

M_x = 12.5 kN·m

4.剪力和弯矩

答案: x₀ = 3.438 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 = 12·5 = 60 kN，作用于 x̄ = 2.5 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 12·5·2.5

R_B = 150/8 = 18.75 kN

ΣF_y = 0: R_A = 60 − 18.75 = 41.25 kN

剪力为零

剪力从 R_A 开始，在无荷载段保持不变，在荷载范围内以斜率 w 下降。

R_A − w·(x₀ − 0) = 0

x₀ = 0 + 41.25/12 = 3.438 m

答案

x₀ = 3.438 m

5.桁架：节点法

答案: F_AC = 15.63 kN

节点法：桁架的每个节点都处于平衡，因此每个节点满足 ΣF_x = 0 和 ΣF_y = 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。

ΣM_A = 0: C_y·8 = 25·5 → C_y = 15.63 kN

ΣF_y = 0: A_y = 25 − 15.63 = 9.375 kN

节点 C

滚动支座只提供竖向反力，所以节点 C 只有两个未知杆力。假设两者都受拉。

sin γ = 3/4.243 = 0.7071, cos γ = 3/4.243 = 0.7071

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −15.63/0.7071 = −22.1 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−22.1)·0.7071 = 15.63 kN

答案

F_AC = 15.63 kN (受拉)

6.桁架：节点法

答案: F_AB = −19.33 kN

节点法：桁架的每个节点都处于平衡，因此每个节点满足 ΣF_x = 0 和 ΣF_y = 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。

ΣM_A = 0: C_y·8 = 30·1 + 15·4 → C_y = 11.25 kN

ΣF_y = 0: A_y = 30 − 11.25 = 18.75 kN

ΣF_x = 0: A_x = −15 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 = 4/4.123 = 0.9701

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −18.75/0.9701 = −19.33 kN

答案

F_AB = −19.33 kN (受压)

7.梁的挠度

答案: θ_A = 0.002448 rad

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。转角 θ = dv/dx 是 M/(EI) 的一次积分；在单位一致时，结果以弧度表示。

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 = 15 N/mm, L = 2500 mm

EI = 3.99 × 10¹² N·mm²

端部转角

θ_A = wL³/(24EI) = 15·2500³/(24·3.99 × 10¹²) = 0.002448 rad

答案

θ_A = 0.002448 rad

即 0.1402°。

8.梁的挠度

答案: δ_max = 14.84 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 = 29000 N, w = 20 N/mm, L = 3000 mm, EI = 2.52 × 10¹² N·mm²

各荷载单独作用

δ_P = PL³/(48EI) = 29000·3000³/(48·2.52 × 10¹²) = 6.473 mm

δ_w = 5wL⁴/(384EI) = 5·20·3000⁴/(384·2.52 × 10¹²) = 8.371 mm

相加

δ_max = 6.473 + 8.371 = 14.84 mm

答案

δ_max = 14.84 mm

9.柱的屈曲

答案: P_cr = 27.76 kN

欧拉屈曲：细长柱在 P_cr = 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

矩形绕弱轴屈曲，使用较小边长的三次方。

I_min = h·b³/12 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

计算长度

KL = 1·4000 = 4000 mm

临界荷载

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·225000/4000² = 27758 N = 27.76 kN

答案

P_cr = 27.76 kN

10.柱的屈曲

答案: d = 58.69 mm

所需临界荷载

P_cr = n·P = 2.5·115000 = 287500 N

KL = 2·1000 = 2000 mm

求解直径

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·287500·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 58.69 mm

答案

d = 58.69 mm

校核：长细比 KL/r 为 136.3，柱为细长柱，适用欧拉公式。

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis

结构力学：速成包

1公式与方法

梁的支座反力

方法

剪力和弯矩

方法

桁架：节点法

方法

梁的挠度

柱的屈曲

2练习题

3溶液

受力图

平衡

答案

受力图

平衡

答案

支座反力

在 P1 处截开，保留左侧部分

答案

支座反力

剪力为零

答案

支座反力

节点 C

答案

支座反力

节点 A

答案

单位一致

端部转角

答案

单位一致

各荷载单独作用

相加

答案

最小惯性矩

计算长度

临界荷载

答案

所需临界荷载

求解直径

答案

在 P₁ 处截开，保留左侧部分