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。梁在距 A 为 0.5 m 处承受集中荷载 P，并在距 A 为 2.5 m 处承受一个顺时针力偶 M。求竖向反力 RB，以向上为正。
L = 4 mP = 10 kN 位于 0.5 mM = 20 kN·m (顺时针) 位于 2.5 m
RB = 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。距 A 为 4 m 处作用一个荷载 P，与水平方向成 50°；距 A 为 2 m 处作用一个竖向荷载 Q。 求铰支座 A 处总反力 RA 的大小。
L = 8 mP = 25 kN 位于 4 m, θ = 50°Q = 55 kN 位于 2 m
RA = kN
3.剪力和弯矩中等
标记 A 到 G 把梁分成六等份。在哪个标记点处弯矩的绝对值最大，不论是正弯矩还是负弯矩？请在图中点击它。
15 kN @ 5 m20 kN @ 2 m
- 1A (x = 0 m)
- 2B (x = 1 m)
- 3C (x = 2 m)
- 4D (x = 3 m)
- 5E (x = 4 m)
- 6F (x = 5 m)
- 7G (x = 6 m)
4.剪力和弯矩困难
标记 A 到 G 把梁分成六等份。在哪个标记点处弯矩的绝对值最大，不论是正弯矩还是负弯矩？请在图中点击它。
35 kN @ 0 m35 kN @ 6 m30 kN @ 2 m
- 1A (x = 0 m)
- 2B (x = 1 m)
- 3C (x = 2 m)
- 4D (x = 3 m)
- 5E (x = 4 m)
- 6F (x = 5 m)
- 7G (x = 6 m)
5.桁架：节点法中等
用节点法求杆 AC 中的力 FAC。拉力为正，压力为负。
跨度 = 5 m高度 = 3 mB 距 A 4 m竖向荷载 = 55 kN
FAC = kN
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 = 8 m高度 = 3 mB 距 A 5 m竖向荷载 = 15 kN水平荷载 = 30 kN →
FAB = 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 θA，以弧度表示。
w = 10 kN/mL = 2.5 mE = 70 GPa (铝)I = 36 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
8.梁的挠度困难
简支梁在距支座 B 为 b = 2.5 m 处承受集中荷载 P。 求梁的最大挠度 δmax。
P = 26 kNb = 2.5 mL = 8 mE = 200 GPa (钢)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.柱的屈曲中等
一根长为 L 的铝柱，底部固定、顶部自由。用欧拉公式求其临界屈曲荷载 Pcr。
L = 1.5 mE = 70 GPa (铝)d = 50 mm
Pcr = kN
10.柱的屈曲困难
一根长为 L 的铝实心圆柱，底部固定、顶部自由。它需承受 10 kN，屈曲安全系数为 3。求最小直径 d。
P = 10 kNn = 3L = 1.5 mE = 70 GPa (铝)
d = mm
3溶液
1.梁的支座反力
答案: RB = 6.25 kN
静力平衡：静止的物体满足 ΣFx = 0、ΣFy = 0，且对任意点 ΣM = 0。把每个分布荷载替换为其合力（荷载图的面积），作用在荷载图的形心处；对某个支座取矩，可从方程中消去该支座的反力。
对 A 取矩
逆时针为正。
ΣMA = 0: RB·4 − 10·0.5 − 20 = 0
RB = 25/4 = 6.25 kN
竖向平衡
RA = 10 − 6.25 = 3.75 kN
答案
RB = 6.25 kN
负的反力向下作用。
2.梁的支座反力
答案: RA = 53.31 kN
静力平衡：静止的物体满足 ΣFx = 0、ΣFy = 0，且对任意点 ΣM = 0。把每个分布荷载替换为其合力（荷载图的面积），作用在荷载图的形心处；对某个支座取矩，可从方程中消去该支座的反力。
P 的分量
Pv = 25·sin 50° = 19.15 kN
Ph = 25·cos 50° = 16.07 kN
反力
ΣMA = 0: RB·8 = 19.15·4 + 55·2 → RB = 23.33 kN
Ay = 19.15 + 55 − 23.33 = 50.83 kN
Ax = Ph = 16.07 kN
A 处的合力
RA = √(16.07² + 50.83²) = 53.31 kN
答案
RA = 53.31 kN
3.剪力和弯矩
答案: C (x = 2 m)
最大弯矩：只要剪力变化，M 的斜率就随之变化，所以它的峰值出现在剪力过零的地方：集中荷载下、均布荷载内部，或外伸梁的支座上方。悬臂梁固定端的弯矩在墙处最大。比较这些位置上 M 的大小，不论是正弯矩还是负弯矩。
支座反力
对一个支座取矩，然后用竖向力平衡。
R1 = 15.83 kN, R2 = 19.17 kN
每个标记点处的弯矩
把截面一侧所有力的力矩相加。使梁下凹（正弯矩）为正，使梁上凸（负弯矩）为负。
MA = 0, MB = 15.83, MC = 31.67 kN·m, MD = 27.5, ME = 23.33, MF = 19.17, MG = 0
答案
标记点 C: MC = 31.67 kN·m
4.剪力和弯矩
答案: E (x = 4 m)
最大弯矩：只要剪力变化，M 的斜率就随之变化，所以它的峰值出现在剪力过零的地方：集中荷载下、均布荷载内部，或外伸梁的支座上方。悬臂梁固定端的弯矩在墙处最大。比较这些位置上 M 的大小，不论是正弯矩还是负弯矩。
支座反力
对一个支座取矩，然后用竖向力平衡。
R1 = 43.33 kN, R2 = 56.67 kN
每个标记点处的弯矩
把截面一侧所有力的力矩相加。使梁下凹（正弯矩）为正，使梁上凸（负弯矩）为负。
MA = 0, MB = −35, MC = −26.67, MD = −48.33, ME = −70 kN·m, MF = −35, MG = 0
答案
标记点 E: ME = −70 kN·m
5.桁架：节点法
答案: FAC = 14.67 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 = 55·4 → Cy = 44 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 44 = 11 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 = 3/3.162 = 0.9487, cos γ = 1/3.162 = 0.3162
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −44/0.9487 = −46.38 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−46.38)·0.3162 = 14.67 kN
答案
FAC = 14.67 kN (受拉)
6.桁架：节点法
答案: FAB = 10.93 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·8 = 15·5 + 30·3 → Cy = 20.63 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 20.63 = −5.625 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 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 = 3/5.831 = 0.5145
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −−5.625/0.5145 = 10.93 kN
答案
FAB = 10.93 kN (受拉)
7.梁的挠度
答案: θA = 0.002583 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 = 10 N/mm, L = 2500 mm
EI = 2.52 × 10¹² N·mm²
端部转角
θA = wL³/(24EI) = 10·2500³/(24·2.52 × 10¹²) = 0.002583 rad
答案
θA = 0.002583 rad
即 0.148°。
8.梁的挠度
答案: δmax = 49.73 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 = 26000 N, b = 2500 mm, L = 8000 mm
EI = 4.6 × 10¹² N·mm²
最大值的位置
令较长段内的转角为零，即可得到该位置。
x = √((L² − b²)/3) = √((8000² − 2500²)/3) = 4387 mm
最大挠度
δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 49.73 mm
答案
δmax = 49.73 mm
9.柱的屈曲
答案: Pcr = 23.55 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴
计算长度
KL = 2·1500 = 3000 mm
临界荷载
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/3000² = 23551 N = 23.55 kN
答案
Pcr = 23.55 kN
10.柱的屈曲
答案: d = 53.12 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 = 3·10000 = 30000 N
KL = 2·1500 = 3000 mm
求解直径
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·30000·3000²/(π³·70000))^(1/4) = 53.12 mm
答案
d = 53.12 mm
校核：长细比 KL/r 为 225.9，柱为细长柱，适用欧拉公式。
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