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
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

  1. 画受力图，并用支座反力代替每个支座。
  2. 用作用在形心处的单个集中力代替每个分布荷载。
  3. 对一个支座取矩，求另一个支座的反力。
  4. 用 ΣFy = 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/ymax
简支梁，均布荷载
Mmax = wL²/8

方法

  1. 由整根梁的平衡求支座反力。
  2. 在所需截面处截开梁，保留一侧。
  3. 剪力：该侧所有竖向力之和。弯矩：这些力对截面取矩之和。
  4. 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

  1. 求整个桁架的支座反力。
  2. 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。
  3. 截面法：截断所需的杆件，对其他未知杆件的交点取矩。
  4. 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
w = 8 kN/mP = 20 kNABRA​ = ?6 m1 m3 m

悬臂梁在 A 处固定在墙上。梁从墙到 7 m 承受均布荷载 w，并在距墙 6 m 处承受集中荷载 P。 求墙处的竖向反力 RA。

L = 10 mP = 20 kN 位于 6 mw = 8 kN/m，从 0 到 7 m
RA = kN
2.梁的支座反力困难
w = 2 kN/mP = 60 kNABRA​ = ?RB​1 m1 m2 m

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 mP = 60 kN 位于 2 mw = 2 kN/m，从 1 到 2 m
RA = kN
3.剪力和弯矩中等
w = 12 kN/mP = 15 kNAB0.5 m1.5 m

悬臂梁在 A 端固定。梁全长承受均布荷载 w，并在距 A 为 0.5 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 = 2 mP = 15 kN 位于 0.5 mw = 12 kN/m，从 0 到 2 m
MA = kN·m
4.剪力和弯矩困难
w = 12 kN/mAB2 m3 m1 m

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 = 12 kN/m，从 2 到 5 m
Mmax = kN·m
5.桁架：节点法中等
ABBCACACB45 kN5 m1 m3 m

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 1 m竖向荷载 = 45 kN
FAC = kN
6.桁架：节点法困难
ABCDEFGH15 kN25 kN25 kN15 kN20 kN4 × 3 m3 m

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。

D: 15 kN ↓F: 25 kN ↓F: 25 kN →G: 15 kN ↓H: 20 kN ↓
  1. 1杆件 AB
  2. 2杆件 BC
  3. 3杆件 CD
  4. 4杆件 DE
  5. 5杆件 FG
  6. 6杆件 GH
  7. 7杆件 AF
  8. 8杆件 HE
  9. 9杆件 BF
  10. 10杆件 CG
  11. 11杆件 DH
  12. 12杆件 BG
  13. 13杆件 DG
7.梁的挠度中等
w = 12 kN/mδL = 2.5 m

简支梁全跨承受均布荷载 w。求跨中最大挠度 δmax。

w = 12 kN/mL = 2.5 mE = 11 GPa (结构木材)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.梁的挠度困难
w = 15 kN/mδL = 2 m

简支梁承受均布荷载 w，其挠度不得超过跨度/360。求满足该限值的最小惯性矩 Ireq。

w = 15 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (钢)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.柱的屈曲中等
PL = 4 md = 40 mm横截面

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 = 4 mE = 200 GPa (钢)d = 40 mm
Pcr = kN
10.柱的屈曲困难
PL = 2.5 md = 25 mm横截面

一根长为 L 的钢柱，两端固定。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 = 25 mm
σcr = MPa

3溶液

1.梁的支座反力

答案: RA = 76 kN

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 = 8·7 = 56 kN, x̄ = 3.5 m

竖向平衡

RA = P + W = 20 + 56 = 76 kN

答案

RA = 76 kN
2.梁的支座反力

答案: RA = 31.25 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。

w = 2 kN/mP = 60 kNABRA​RB​1 m1 m2 m

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 = 2·1 = 2 kN，作用于 x̄ = 1.5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 60·2 + 2·1·1.5
RB = 123/4 = 30.75 kN
ΣFy = 0: RA = 62 − 30.75 = 31.25 kN

答案

RA = 31.25 kN
3.剪力和弯矩

答案: MA = −31.5 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。

保留自由端部分

P: −15·0.5 = −7.5 kN·m
w: −12·2²/2 = −24 kN·m
MA = −7.5 − 24 = −31.5 kN·m

答案

MA = −31.5 kN·m

负号表示负弯矩：上表面受拉。

4.剪力和弯矩

答案: Mmax = 39.38 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 = 12·3 = 36 kN，作用于 x̄ = 3.5 m
ΣMA = 0: RB·6 = 12·3·3.5
RB = 126/6 = 21 kN
ΣFy = 0: RA = 36 − 21 = 15 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 − 2) = 0
x0 = 2 + 15/12 = 3.25 m

最大弯矩

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 2)²/2 = 15·3.25 − 12·1.25²/2 = 39.38 kN·m

答案

Mmax = 39.38 kN·m
5.桁架：节点法

答案: FAC = 12 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。

ABBCACACB45 kNAy​Cy​

支座反力

整个桁架的平衡。对 A 取矩，逆时针为正。

ΣMA = 0: Cy·5 = 45·1 → Cy = 9 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 9 = 36 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 = 3/5 = 0.6, cos γ = 4/5 = 0.8
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −9/0.6 = −15 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−15)·0.8 = 12 kN

答案

FAC = 12 kN (受拉)
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: 53.75 kN (T), BC: 57.5 kN (T), CD: 57.5 kN (T), DE: 46.25 kN (T), FG: 53.75 kN (C), GH: 46.25 kN (C), AF: 40.66 kN (C), HE: 65.41 kN (C), BF: 3.75 kN (T), CG: 0, DH: 26.25 kN (T), BG: 5.303 kN (C), DG: 15.91 kN (C)

答案

零杆: CG
7.梁的挠度

答案: δmax = 3.468 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 = 12 N/mm, L = 2500 mm
EI = 1.76 × 10¹² N·mm²

挠度

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·2500⁴/(384·1.76 × 10¹²) = 3.468 mm

答案

δmax = 3.468 mm
8.梁的挠度

答案: Ireq = 2.813 × 10⁶ mm⁴

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。

挠度限值

δallow = L/360 = 2000/360 = 5.556 mm

所需惯性矩

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·15·2000⁴/(384·200000·5.556) = 2.813 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 2.813 × 10⁶ mm⁴

答案

Ireq = 2.813 × 10⁶ mm⁴
9.柱的屈曲

答案: Pcr = 15.5 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

圆形截面对任意轴的 I 都相同。

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

计算长度

KL = 1·4000 = 4000 mm

临界荷载

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/4000² = 15503 N = 15.5 kN

答案

Pcr = 15.5 kN
10.柱的屈曲

答案: σcr = 49.35 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

回转半径和长细比

A = 490.9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490.9) = 6.25 mm
KL = 0.5·2500 = 1250 mm
KL/r = 1250/6.25 = 200

临界应力

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49.35 MPa

答案

σcr = 49.35 MPa

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