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
悬臂梁在 A 处固定在墙上。梁从墙到 4 m 承受均布荷载 w，并在距墙 5 m 处承受集中荷载 P。 求墙处反力矩 MA 的大小。
L = 10 mP = 80 kN 位于 5 mw = 4 kN/m，从 0 到 4 m
MA = kN·m
2.梁的支座反力困难
悬臂梁在 A 处固定在墙上。梁承受线性变化的荷载，在墙处为零，到自由端 B 增大到 12 kN/m；另在距墙 3.5 m 处承受集中荷载 P。 求墙处反力矩 MA 的大小。
L = 5 mw0 = 12 kN/mP = 10 kN 位于 3.5 m
MA = kN·m
3.剪力和弯矩中等
简支梁在距 A 为 x = 1.5 m 处承受一个顺时针力偶 M0 = 10 kN·m，没有其他荷载。 求力偶左侧紧邻处的弯矩 Mx。 下侧受拉的弯矩取正，左侧截面上向上的剪力取正。
L = 4 mM0 = 10 kN·m 顺时针，作用于 1.5 m
Mx = 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。 求梁中的最大弯矩 Mmax。
L = 6 mw = 20 kN/m，从 0 到 2 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: 30 kN ↓G: 25 kN ↓H: 15 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
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。
F: 35 kN ↓G: 10 kN ↓H: 25 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 BG
- 13杆件 DG
7.梁的挠度中等
长为 L 的悬臂梁在 A 端固定，并在距 A 为 a = 3 m 处承受集中荷载 P。 求自由端 B 处的挠度 δB。
P = 5 kNa = 3 mL = 5 mE = 200 GPa (钢)I = 8.5 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
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 δmax。
P = 20 kNw = 6 kN/mL = 4 mE = 200 GPa (钢)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = 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 Pcr。
L = 1 mE = 200 GPa (钢)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.柱的屈曲困难
一根长为 L 的钢柱，两端铰接。求其长细比，并用欧拉公式求临界屈曲应力 σcr。
L = 2.5 mE = 200 GPa (钢)d = 60 mm
σcr = MPa
3溶液
1.梁的支座反力
答案: MA = 432 kN·m
悬臂梁的平衡：固定端既能向上支承，也能阻止转动，所以它提供竖向反力 RA 和反力矩 MA。由 ΣFy = 0 得 RA，对墙取矩得 MA = Σ(荷载 × 到墙的距离)。分布荷载以其合力作用在荷载图的形心处。
分布荷载的合力
W = 4·4 = 16 kN, x̄ = 2 m
对墙的力矩
MA = P·a + W·x̄ = 80·5 + 16·2 = 432 kN·m
答案
MA = 432 kN·m
2.梁的支座反力
答案: MA = 135 kN·m
悬臂梁的平衡：固定端既能向上支承，也能阻止转动，所以它提供竖向反力 RA 和反力矩 MA。由 ΣFy = 0 得 RA，对墙取矩得 MA = Σ(荷载 × 到墙的距离)。分布荷载以其合力作用在荷载图的形心处。
三角形荷载的合力
W = ½·12·5 = 30 kN
x̄ = 2L/3 = 3.333 m
对墙的力矩
MA = W·x̄ + P·a = 30·3.333 + 10·3.5 = 135 kN·m
答案
MA = 135 kN·m
3.剪力和弯矩
答案: Mx = −3.75 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。 外加力偶使弯矩图突变，突变量等于力偶的大小。
支座反力
对 A 取矩，逆时针为正：RB·L − M0 = 0。竖向平衡：RA + RB = 0。
RB = M0/L = 10/4 = 2.5 kN (向上)
RA = −RB = −2.5 kN (向下)
在力偶左侧紧邻处截开
左侧部分只包含 RA。
Mx = RA·a = −2.5·1.5 = −3.75 kN·m
答案
Mx = −3.75 kN·m
4.剪力和弯矩
答案: Mmax = 27.78 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 = 20·2 = 40 kN，作用于 x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·6 = 20·2·1
RB = 40/6 = 6.667 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 6.667 = 33.33 kN
剪力为零
剪力从 RA 开始，在无荷载段保持不变，在荷载范围内以斜率 w 下降。
RA − w·(x0 − 0) = 0
x0 = 0 + 33.33/20 = 1.667 m
最大弯矩
Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 0)²/2 = 33.33·1.667 − 20·1.667²/2 = 27.78 kN·m
答案
Mmax = 27.78 kN·m
5.桁架：节点法
答案: 杆件 DH
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 D
CD 和 DE 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 DH。
ΣF⊥ = 0 → FDH = 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: 42.5 kN (T), BC: 42.5 kN (T), CD: 42.5 kN (T), DE: 42.5 kN (T), FG: 70 kN (C), GH: 70 kN (C), AF: 60.1 kN (C), HE: 60.1 kN (C), BF: 15 kN (T), CG: 25 kN (C), DH: 0, FC: 38.89 kN (T), HC: 38.89 kN (T)
答案
零杆: DH
6.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 C
BC 和 CD 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: 4.687 kN (T), BC: 8.125 kN (T), CD: 8.125 kN (T), DE: 4.062 kN (T), FG: 29.69 kN (C), GH: 29.06 kN (C), AF: 49.48 kN (C), HE: 6.771 kN (C), BF: 4.583 kN (T), CG: 0, DH: 5.417 kN (T), BG: 5.729 kN (C), DG: 6.771 kN (C)
答案
零杆: CG
7.梁的挠度
答案: δB = 52.94 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 = 5000 N, a = 3000 mm, L = 5000 mm
EI = 1.7 × 10¹² N·mm²
自由端的挠度
荷载处的挠度加上荷载处的转角乘以剩余长度。
δP = Pa³/(3EI) = 26.47 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0.01324 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 52.94 mm
答案
δB = 52.94 mm
8.梁的挠度
答案: δmax = 6.481 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 = 20000 N, w = 6 N/mm, L = 4000 mm, EI = 7.2 × 10¹² N·mm²
各荷载单独作用
δP = PL³/(48EI) = 20000·4000³/(48·7.2 × 10¹²) = 3.704 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·4000⁴/(384·7.2 × 10¹²) = 2.778 mm
相加
δmax = 3.704 + 2.778 = 6.481 mm
答案
δmax = 6.481 mm
9.柱的屈曲
答案: Pcr = 128.5 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
矩形绕弱轴屈曲，使用较小边长的三次方。
Imin = h·b³/12 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴
计算长度
KL = 1·1000 = 1000 mm
临界荷载
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·65104/1000² = 128510 N = 128.5 kN
答案
Pcr = 128.5 kN
10.柱的屈曲
答案: σcr = 71.06 MPa
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·60⁴/64 = 636173 mm⁴
回转半径和长细比
A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 1·2500 = 2500 mm
KL/r = 2500/15 = 166.7
临界应力
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/166.7² = 71.06 MPa
答案
σcr = 71.06 MPa
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