刚架是由梁、柱等直杆组成的,具有刚结点的结构(见下图4-1、4-2、4-3(a)、4-5)。由于刚结点所连接各杆杆端不能发生相对转动,能传递力和力矩,因此,刚架的内力、变形峰值比用铰结点连接时小,而能跨越较大空间,应用广泛。
静定平面刚架的类型:简支梁式(下图(a)),悬臂梁式(下图(b)),三铰刚架(下图(c)),多跨或多层刚架(下图(d)、(e))。
1. 支座反力的计算
⑴ 简支梁式、悬臂梁式刚架:支座反力有三个,可用整体平衡三个平衡方程计算
∑FX=0,∑FY=0,∑M=0
或∑FX=0,∑MA=0,∑MB=0(A与B不是同一点)
⑵ 三铰刚架:支座反力有四个;除用整体平衡三个平衡方程外,利用铰不能承受弯矩的特点,补充一个中间铰C弯矩为零的方程,即
∑FX=0,∑FY=0,∑M0(F)=0,MC=0
⑶ 多跨或多层刚架:在支座反力大于三个时,可先进行几何组成分析,按照与组成次序相反的顺序截取杆件单元,计算支座反力。
2. 杆端截面内力的计算
⑴ 刚架的内力有:弯矩、剪力、轴力。弯矩不规定正负号,只规定弯矩图纵坐标画在受拉边;剪力以绕截面顺时针旋转为正;轴力以拉力为正。
⑵刚架杆端截面内力的表示
因刚架在刚结点处各杆不在同一方向上,一个刚结点代表不同方向的杆端截面,因此,刚架的杆端截面内力用两个下标表示:第一个下标表示截面所在杆端,第二个下标表示杆件的远端。如图4-1所示刚架结点D有D1、D2、D3三个截面,结点D上杆端弯矩分别用MDA、MDE、MDC表示;结点E有E1、E2两个截面,结点E上的杆端弯矩分别用MEB、MED表示。结点D、E上的剪力、轴力也以同样的方法表示。
⑶杆端截面内力的计算
杆端截面内力用截面法计算。沿杆端截面切开,杆端截面有三个未知内力分量,取截面一边为隔离体,建立三个平衡方程:
∑FX=0,∑FY=0,∑M0(F)=0
确定这三个内力分量。
也可用杆端截面一边的外力直接列截面法算式计算。
3. 内力图的绘制
⑴ 内力图的绘制规定:弯矩图纵坐标画在杆件受拉边,不注正负号;剪力图、轴力图画在杆件任一边,应注明正负号。
⑵ 绘制内力图:用分解和组合的办法,先分别绘制各杆的内略图产,组合在一起,即得到刚架的内力图。
⑶ 因刚架是直杆组成,有荷载段,仍可应用叠加法画弯矩图。
4. 内力图的校核
除一般校核平衡条件和荷载、内力微分关系外,重点是校核刚结点处的平衡条件,即刚结点处,应满足:
∑FX=0,∑FY=0,∑M0(F)=0