第8章矩阵位移法
矩阵位移法是以位移法作为理论基础的结构矩阵分析方法,也就是说,它是以矩阵形式来表达位移法的计算表达式和平衡方程,并采用矩阵运算完成结构分析。
8.1矩阵位移法的概念分析算例
矩阵位移法是适合于计算机的格式,作为手算我们仍然是利用力学概念来完成,为此作以下几点说明:
(1)矩阵位移法的原理仍然是经典位移法,所以二者是同一个方法。只是处理问题的方式不同而已。例如:用矩阵表示位移法的平衡方程;一般要考虑轴向变形影响;不用绘出单位位移的内力图,而由单元刚度矩阵直接形成结构刚度矩阵��
(2)在矩阵位移法中利用坐标变换只是一种计算方式,并没有改变问题本身的力学性质。因此在手算中,不经过坐标变换而直接确定整体坐标系数中的单元刚度矩阵及荷载列阵并完成全部计算是完全可以的。
(3)在形成结构刚度矩阵、荷载列阵并用先处理法时,各单元刚度矩阵可采用不同的阶数计算,只需将单元刚度矩阵、荷载列阵元素按定位向量送入到结构刚度矩阵和荷载列阵正确位置即可。
(4)在矩阵位移法中,对单元、整体刚度矩阵列向量的力学概念的理解是十分重要的。例如,矩阵中第2列的向量,表示的是第2个位移编号等于l(其余均为零)时,引起各位移号方向的力或力矩。 本书的编写力求改变以往教学中常以介绍传统结构力学计算方法为主的状况,而致力于培养学生对结构力学基本概念的理解和运用,本书特色主要体现在“概念分析”上。
在介绍解题的方法时,本书注重“先领会,后执行”,从简单到复杂,从低阶到高阶,从基本单元的计算到整体结构力学性能的认识,从定量计算到定性分析。
本书与其他结构力学教材相比,主要有以下几方面的特点。
1.解析本质。突出各章节内容的要点
本书绪论提出了结构计算中的三个要素,即结构、荷载、支座约束,而这里所指的结构包括杆件(单元)和结点。同时,该部分总结归纳了结构力学课程的特点与学习方法。
书中指出,“三刚片”规则是平面体系几何组成的基本规则,而按“两刚片”和“二元体”规则所构成的体系是简单体系,容易分析,所以几何构造分析的难点是“三刚片六链杆”所组成的体系。对可变与不可变体系的概念,本书采用先改造再对比的分析方法进行介绍。
2.综合运用枚举、推断、对比与上下限分析的方法
在几何组成分析中,本书通过对单跨、两跨、三跨的三铰体系的分析,推断偶数、奇数跨可变与不可变的结论。
书中指出,位移计算的目的是验算结构刚度、计算超静定结构所需条件,但更为重要的是如何应用位移计算来优化结构的设计。例如,两个外形相同、截面相同而内部杆件布置方向不同的桁架,通过位移计算结果的对比,可说明结构的刚度与传力路径有关,即荷载传递到基础的路径越短,则结构的刚度就越大。
在拱式结构的分析中,将它与缆索的受力相比,从而可非常直观地确定不同荷载作用下的合理结构形式。