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静力学

节点法 桁架

二力杆,受拉/受压符号,节点=质点 ΣFx·ΣFy=0,三角桁架求解,零力杆

桁架是把直杆在两端用销钉连起来的骨架。想到三角形拼成的桥或屋顶就行,杆是用销钉连的,不是焊死的,载荷只加在节点上,所以每根杆都是二力杆。除了沿自己的长度拉或推,什么都做不了,这一条事实让桁架变得好解。节点法就直接用它。在销钉处把桁架切开,一个节点一个节点地看。在一个节点上,所有杆力和外载荷汇到一点,所以这个节点就是处于平衡的质点,用的还是已经知道的 ΣFx=0、ΣFy=0。解完一个节点,把那些杆力交给下一个节点,横着走过整个结构。先看为什么每根杆只沿自己的线受力。

整个方法靠杆的一条性质。选一根杆来看,桁架的杆两端用销钉连接,中间没有载荷,所以每个销钉一处力,恰好只有两个力。这两个力要平衡,也就是杆上 ΣF=0 而且 ΣM=0,就必须大小相等、方向相反,并且落在连接两个销钉的线上。所以桁架杆能做的只有沿自己的轴推或拉,不能像梁那样受侧向力或弯矩。桁架这么省、这么好解,原因就在这里:每一根杆都收成一个未知数,也就是里面的轴力。

杆的轴力有两种。把两种切换来看,两端的力把杆向外拉、杆被拉长,是拉力,取正;向里推、杆被压短,是压力,取负。按牛顿第3定律,杆用大小相等、方向相反的力推回或拉回节点,所以在节点上方向反过来:拉杆把节点拉向自己,压杆把节点推开。画节点的要领是,把所有未知杆都假设成拉力,箭头从节点沿杆指向外面。算出来是负的,那根杆其实是压力,让符号来决定,就不必猜方向。

现在切下一个节点。选一个,把交于该节点的杆切开,每根切开的杆留下自己的轴力,外载荷或支座反力也作用在那里。这些力全部经过节点、汇到一点,所以没有力矩式可用,节点就是质点,只剩下平衡质点所遵循的 ΣFx=0 和 ΣFy=0 两式。因此未知杆力最多两个的节点可以解。看顶部节点 C,载荷往下压,两根斜杆往上、往外推着撑住,两个未知数、两个式子,解得开。整个桁架不过是把这个小问题在每个节点上重复一遍。

用一个简单的三角形桁架合起来看。左边是销钉,右边是滚轴,顶部节点挂着载荷,拖动载荷就能看到杆力怎样响应。先看支座,因为对称,各承担载荷的一半,所以竖向反力各是 P2。再到顶部节点,未知杆只有两根,两根斜杆要往上推才能托住载荷,所以都是压力,各为 P(2 sinθ)。下到支座节点,斜杆的水平推力得由下弦杆接住,所以那根杆被绷紧,是拉力 P(2 tanθ)。规律出来了:斜杆受压,下弦受拉,把载荷拖得更大,所有的力都严格按比例跟着变大。

最后一条要领能省下真正的工夫。有的杆一点力都不受,把两种情形切换来看,规则就出来。第一,只有两根杆相交、又没有载荷的节点,如果两根杆不在一条直线上,两根都必须是 0,因为没有东西去抵消两个不同的方向。第二,两根杆在一条直线上、第三根斜着进来的节点,如果没有载荷,单独那根斜杆是 0,直线上的两根杆把力原样传过去。先找出这些零力杆,计算还没开始就能把杆从题目里拿掉。节点法到这里完成:求出反力,从未知数是两个的节点开始,写 ΣFx=0 和 ΣFy=0,把结果一个一个往前交,再用对称和零力杆省工夫。从这里起,同样的隔离体想法扩展到框架和机械整体。

实际应用整理一下,桁架是两端为销钉、载荷只加在节点上的直杆,所以每根杆是只受一个轴力的二力杆。拉力把节点往里拉,压力往外推。节点法把桁架切成节点,每个节点是质点,给出 ΣFx=0 和 ΣFy=0 两式,让未知杆不超过两根的节点可以解。先求支座反力,从未知数是两个的节点开始,假设拉力、让符号告诉你压力,再把每根杆的力交给相邻节点,横着走过桁架。零力杆和对称能省工夫。这是解结构的第一件工具,下一件是截面法,同样的隔离体逻辑以后会接到框架和机械。
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