109 年 國立臺灣大學土木系碩士班結構組(一般生)《結構學》

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第 1 題25 分

如下圖所示之桁架受垂直力 20 kN20\text{ kN},利用力法(Force Method)求 AA 點、BB 點、CC 點反力,只可利用 BB 點(Roller)之垂直反力做為贅餘度(Redundant)來進行解題(各桿件彈性模數 EE、面積 AA 均相同)。

注意:未依指定方法作答,整題以零分計。

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核心觀念

本題考查超靜定桁架之力法(Force Method / 柔度法)分析與虛功法(單位力法,Unit Load Method)求桁架位移:

  1. 靜不定度判定: D=m+r−2jD = m + r - 2j 其中 mm 為桿件數、rr 為外反力數、jj 為節點數。若 D=1D = 1,表示為一次超靜定結構。
  2. 基本靜定結構(Primary Structure):
    依題目強制規定,選取 BB 點(滾支承)之垂直反力 RBR_B 作為贅餘力(Redundant force),移除該滾支承形成基本靜定桁架。
  3. 諧合變位方程式(Compatibility Equation): ΔB=ΔB0+RBfBB=0  ⟹  RB=−ΔB0fBB\Delta_B = \Delta_{B0} + R_B f_{BB} = 0 \implies R_B = -\frac{\Delta_{B0}}{f_{BB}}
    • ΔB0\Delta_{B0}:外力作用下,基本結構在贅餘力方向(BB 點垂直方向)之位移。
    • fBBf_{BB}:在 BB 點施加單位贅餘力時,基本結構在 BB 點所產生之垂直柔度(位移)。
  4. 虛功法計算位移公式: ΔB0=∑N0n1LEA,fBB=∑n12LEA\Delta_{B0} = \sum \frac{N_0 n_1 L}{EA}, \quad f_{BB} = \sum \frac{n_1^2 L}{EA} 其中 N0N_0 為外力作用下基本結構之桿件軸力,n1n_1 為單位力(1 kN↑1\text{ kN} \uparrow)作用於 BB 點時基本結構之桿件軸力。

解題方法

步驟一:幾何座標與靜不定度分析

建立坐標系,令底弦左端節點為原點 (0,0)(0,0):

  • 下弦節點:D(0,0)D(0,0)、C(6,0)C(6,0)(滾支承)、B(12,0)B(12,0)(滾支承)、A(18,0)A(18,0)(鉸支承)。
  • 上弦節點:E(0,6)E(0,6)(作用外力 20 kN↓20\text{ kN}\downarrow)、F(6,6)F(6,6)、G(12,6)G(12,6)。
  • 節點總數 j=7j = 7。
  • 桿件總數 m=11m = 11:
    • 下弦桿(3 支):DC,CB,BADC, CB, BA(長度各為 6 m6\text{ m})
    • 上弦桿(2 支):EF,FGEF, FG(長度各為 6 m6\text{ m})
    • 垂直桿(3 支):DE,CF,BGDE, CF, BG(長度各為 6 m6\text{ m})
    • 斜桿(3 支):EC,CG,GAEC, CG, GA(長度各為 62+62=62 m\sqrt{6^2+6^2} = 6\sqrt{2}\text{ m},與水平夾角均為 45∘45^\circ)
  • 外反力數 r=4r = 4(Ax,Ay,By,CyA_x, A_y, B_y, C_y)。
  • 靜不定度: D=11+4−2×7=1(1次超靜定)D = 11 + 4 - 2 \times 7 = 1 \quad (\text{1次超靜定})

設 BB 點垂直反力 RBR_B(向上為正)為贅餘力,解除 BB 點滾支承約束,此時結構退化為僅由 CC 點滾支承與 AA 點鉸支承支撐之基本靜定桁架。


步驟二:基本結構在外力作用下之分析(N0N_0 系統)

在基本靜定結構上,僅受 EE 點向下的垂直外力 20 kN20\text{ kN}:

  1. 基本結構反力(取向上、向右為正):

    • ∑Fx=0  ⟹  Ax0=0\sum F_x = 0 \implies A_{x0} = 0
    • 對 AA 點取力矩: ∑MA=0  ⟹  Cy0×12−20×18=0  ⟹  Cy0=30 kN (↑)\sum M_A = 0 \implies C_{y0} \times 12 - 20 \times 18 = 0 \implies C_{y0} = 30\text{ kN} \ (\uparrow)
    • ∑Fy=0\sum F_y = 0: Cy0+Ay0−20=0  ⟹  30+Ay0−20=0  ⟹  Ay0=−10 kN (10 kN↓)C_{y0} + A_{y0} - 20 = 0 \implies 30 + A_{y0} - 20 = 0 \implies A_{y0} = -10\text{ kN} \ (10\text{ kN} \downarrow)
  2. 桿件軸力 N0N_0(以拉力為正,壓力為負):

    • 節點 DD:無外力,僅有互不共線的兩桿件 DE,DCDE, DC,故皆為零桿: N0,DE=0,N0,DC=0N_{0, DE} = 0, \quad N_{0, DC} = 0
    • 節點 EE:受向下 20 kN20\text{ kN} 外力: ∑Fy=0  ⟹  −20−N0,ECsin⁡45∘=0  ⟹  N0,EC=−202 kN (壓)\sum F_y = 0 \implies -20 - N_{0, EC}\sin 45^\circ = 0 \implies N_{0, EC} = -20\sqrt{2}\text{ kN} \ (\text{壓}) ∑Fx=0  ⟹  N0,EF+N0,ECcos⁡45∘=0  ⟹  N0,EF=20 kN (拉)\sum F_x = 0 \implies N_{0, EF} + N_{0, EC}\cos 45^\circ = 0 \implies N_{0, EF} = 20\text{ kN} \ (\text{拉})
    • 節點 FF: ∑Fy=0  ⟹  N0,CF=0,∑Fx=0  ⟹  N0,FG=N0,EF=20 kN (拉)\sum F_y = 0 \implies N_{0, CF} = 0, \quad \sum F_x = 0 \implies N_{0, FG} = N_{0, EF} = 20\text{ kN} \ (\text{拉})
    • 節點 BB(基本結構上無支承): ∑Fy=0  ⟹  N0,BG=0,∑Fx=0  ⟹  N0,CB=N0,BA\sum F_y = 0 \implies N_{0, BG} = 0, \quad \sum F_x = 0 \implies N_{0, CB} = N_{0, BA}
    • 節點 GG: ∑Fy=0  ⟹  −N0,CGsin⁡45∘−N0,GAsin⁡45∘=0  ⟹  N0,CG=−N0,GA\sum F_y = 0 \implies -N_{0, CG}\sin 45^\circ - N_{0, GA}\sin 45^\circ = 0 \implies N_{0, CG} = -N_{0, GA} ∑Fx=0  ⟹  −N0,FG−N0,CGcos⁡45∘+N0,GAcos⁡45∘=0\sum F_x = 0 \implies -N_{0, FG} - N_{0, CG}\cos 45^\circ + N_{0, GA}\cos 45^\circ = 0 代入 N0,FG=20N_{0, FG} = 20 與 N0,CG=−N0,GAN_{0, CG} = -N_{0, GA}: −20+2N0,GA(22)=0  ⟹  N0,GA=102 kN (拉)-20 + 2N_{0, GA}\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = 0 \implies N_{0, GA} = 10\sqrt{2}\text{ kN} \ (\text{拉}) N0,CG=−102 kN (壓)N_{0, CG} = -10\sqrt{2}\text{ kN} \ (\text{壓})
    • 節點 AA: ∑Fx=0  ⟹  −N0,BA−N0,GAcos⁡45∘=0  ⟹  N0,BA=−10 kN (壓)\sum F_x = 0 \implies -N_{0, BA} - N_{0, GA}\cos 45^\circ = 0 \implies N_{0, BA} = -10\text{ kN} \ (\text{壓}) 同理 N0,CB=−10 kNN_{0, CB} = -10\text{ kN}(壓)。

步驟三:基本結構在單位贅餘力作用下之分析(n1n_1 系統)

在基本結構之 BB 點施加向上的單位力 1 kN1\text{ kN}(RB=1↑R_B = 1\uparrow):

  1. 基本結構反力:

    • ∑Fx=0  ⟹  Ax1=0\sum F_x = 0 \implies A_{x1} = 0
    • 對 AA 點取力矩: ∑MA=0  ⟹  Cy1×12+1×6=0  ⟹  Cy1=−12 kN=−0.5 kN (0.5 kN↓)\sum M_A = 0 \implies C_{y1} \times 12 + 1 \times 6 = 0 \implies C_{y1} = -\frac{1}{2}\text{ kN} = -0.5\text{ kN} \ (0.5\text{ kN}\downarrow)
    • ∑Fy=0\sum F_y = 0: Cy1+Ay1+1=0  ⟹  −0.5+Ay1+1=0  ⟹  Ay1=−0.5 kN (0.5 kN↓)C_{y1} + A_{y1} + 1 = 0 \implies -0.5 + A_{y1} + 1 = 0 \implies A_{y1} = -0.5\text{ kN} \ (0.5\text{ kN}\downarrow)
  2. 桿件軸力 n1n_1:

    • 節點 D,E,FD, E, F 皆無外力與反力,左側區間各桿件軸力均為零: n1,DC=0,n1,DE=0,n1,EC=0,n1,EF=0,n1,CF=0,n1,FG=0n_{1, DC} = 0, \quad n_{1, DE} = 0, \quad n_{1, EC} = 0, \quad n_{1, EF} = 0, \quad n_{1, CF} = 0, \quad n_{1, FG} = 0
    • 節點 BB:受向上單位力 1 kN1\text{ kN}:
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第 2 題25 分

如下圖所示之剛架,AA 點為鉸接支承,DD 點為滾支承,利用虛功法(Virtual Work Method)求 CC 點水平位移及繪此剛架彎矩圖(各桿件之彈性模數 EE、慣性矩 II 均相同)。

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核心觀念

本題用虛功法求剛架節點 CC 的水平位移。只考慮彎曲變形時,

δCx=∑各桿件∫MmEI ds\delta_{Cx}=\sum_{\text{各桿件}}\int \frac{Mm}{EI}\,ds

其中 MM 是實際荷重造成的彎矩,mm 是在 CC 點施加單位水平力所造成的虛彎矩。題目只提供 E、IE、I,因此依結構學慣例計算彎曲變形。

圖中幾何為:ED=3 mED=3\,\mathrm m、DC=4 mDC=4\,\mathrm m,柱段 CB=3 mCB=3\,\mathrm m、BA=2 mBA=2\,\mathrm m。EE 點受 25 kN25\,\mathrm{kN} 向下載重,BB 點受 50 kN50\,\mathrm{kN} 向左水平力。

解題方法

1. 求實際支承反力

以 AA 點取矩,逆時針為正:

∑MA=25(7)+50(2)−Dy(4)=0\sum M_A=25(7)+50(2)-D_y(4)=0

因此

Dy=68.75 kND_y=68.75\,\mathrm{kN}

由垂直力平衡:

Ay+Dy−25=0⟹Ay=−43.75 kNA_y+D_y-25=0 \quad\Longrightarrow\quad A_y=-43.75\,\mathrm{kN}

由水平力平衡:

Ax−50=0⟹Ax=50 kNA_x-50=0 \quad\Longrightarrow\quad A_x=50\,\mathrm{kN}

AyA_y 為負,表示反力方向向下。

2. 實際彎矩 MM

令梁上座標 ss 自 EE 向右量,EE 為 s=0s=0、DD 為 s=3s=3、CC 為 s=7s=7。梁彎矩為

M(s)={−25s,0≤s≤3−25s+68.75(s−3),3≤s≤7M(s)= \begin{cases} -25s, & 0\le s\le 3\\ -25s+68.75(s-3), & 3\le s\le 7 \end{cases}

所以梁的關鍵彎矩值為

ME=0,MD−=MD+=−75 kN m,MC=100 kN mM_E=0,\qquad M_{D^-}=M_{D^+}=-75\,\mathrm{kN\,m},\qquad M_C=100\,\mathrm{kN\,m}

柱上令 yy 自 AA 向上量。由柱的水平力可得

M(y)={−50y,0≤y≤2−100,2≤y≤5M(y)= \begin{cases} -50y, & 0\le y\le 2\\ -100, & 2\le y\le 5 \end{cases}

因此 MA=0M_A=0、MB=MC=−100 kN mM_B=M_C=-100\,\mathrm{kN\,m}。梁以正彎矩表示下凹(撓曲);柱彎矩依由 AA 向上取截面的符號表示。

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第 3 題25 分

如下圖所示之剛架,AA 點為固接端及 DD 點為鉸接支承,在 EE 點施加一個垂直力 15 kN15\text{ kN},請利用傾角變位法(Slope Deflection Method)求各桿件節點彎矩 MABM_{AB}、MBAM_{BA}、MBCM_{BC}、MCBM_{CB}、MCDM_{CD} 及繪製各桿件彎矩圖(各桿件之彈性模數 EE、慣性矩 II 均相同)。

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核心觀念

本題為具備側移(Sidesway)之不對稱剛架,指定採用**傾角變位法(Slope Deflection Method)**求解桿件端彎矩並繪製彎矩圖(BMD)。

  1. 傾角變位公式(Slope Deflection Equation):
    以順時針方向之轉角與端彎矩為正(++),逆時針為負(−-)。
    對於長度為 LL、抗彎剛度為 EIEI 的桿件 ijij:

    Mij=2EIL(2θi+θj−3Rij)+FEMijM_{ij} = \frac{2EI}{L} \left(2\theta_i + \theta_j - 3R_{ij}\right) + \text{FEM}_{ij}

    若遠端 jj 為鉸接支承(無外加力矩,故 Mji=0M_{ji} = 0),可直接代入修正式簡化未知數:

    Mij=3EIL(θi−Rij)+(FEMij−FEMji2)M_{ij} = \frac{3EI}{L} \left(\theta_i - R_{ij}\right) + \left(\text{FEM}_{ij} - \frac{\text{FEM}_{ji}}{2}\right)

    其中 θ\theta 為節點轉角,R=ΔLR = \frac{\Delta}{L} 為桿件弦轉角(Chord Rotation),FEM\text{FEM} 為固端彎矩(Fixed End Moment)。

  2. 運動自由度分析(Kinematic Indeterminacy):

    • 忽視軸向變形(剛架分析之標準假設):梁 BCBC 無垂直位移,故 ΔBy=ΔCy=0\Delta_{By} = \Delta_{Cy} = 0;梁 BCBC 的弦轉角 RBC=0R_{BC} = 0。
    • 柱底 AA 點為固接端:θA=0\theta_A = 0、ΔA=0\Delta_A = 0。
    • 柱底 DD 點為鉸接端:ΔD=0\Delta_D = 0,MDC=0M_{DC} = 0。
    • 梁 BCBC 為水平剛性位移,設剛架頂層向右側移為 Δ\Delta:
      • 柱 ABAB(長度 LAB=10 mL_{AB} = 10\text{ m}):頂端向右側移 Δ\Delta,弦轉角順時針 RAB=Δ10R_{AB} = \frac{\Delta}{10}。
      • 柱 CDCD(長度 LCD=5 mL_{CD} = 5\text{ m}):頂端向右側移 Δ\Delta,弦轉角順時針 RCD=Δ5=2RABR_{CD} = \frac{\Delta}{5} = 2 R_{AB}。
    • 獨立未知數共 3 個:θB\theta_B、θC\theta_C 以及側移弦轉角 R=RABR = R_{AB}(Δ=10R\Delta = 10R)。

解題步驟與推導

步驟一:計算固端彎矩(FEM)

各桿件僅梁 BCBC 上有外載重(P=15 kNP = 15\text{ kN},作用於距 BB 點 a=2 ma = 2\text{ m}、距 CC 點 b=8 mb = 8\text{ m} 處,總跨度 L=10 mL = 10\text{ m}):

  • 桿件 ABAB 與 CDCD 無跨內載重: FEMAB=FEMBA=FEMCD=FEMDC=0\text{FEM}_{AB} = \text{FEM}_{BA} = \text{FEM}_{CD} = \text{FEM}_{DC} = 0
  • 桿件 BCBC(順時針為正,逆時針為負): FEMBC=−Pab2L2=−15×2×82102=−19.2 kN⋅m\text{FEM}_{BC} = -\frac{P a b^2}{L^2} = -\frac{15 \times 2 \times 8^2}{10^2} = -19.2\text{ kN}\cdot\text{m} FEMCB=+Pa2bL2=+15×22×8102=+4.8 kN⋅m\text{FEM}_{CB} = +\frac{P a^2 b}{L^2} = +\frac{15 \times 2^2 \times 8}{10^2} = +4.8\text{ kN}\cdot\text{m}

步驟二:建立各桿端傾角變位方程式

令基準剛度 k=EI10k = \frac{EI}{10},則各桿件幾何性質如下:

  • EILAB=EI10=k\frac{EI}{L_{AB}} = \frac{EI}{10} = k
  • EILBC=EI10=k\frac{EI}{L_{BC}} = \frac{EI}{10} = k
  • EILCD=EI5=2k\frac{EI}{L_{CD}} = \frac{EI}{5} = 2k

令未知數為 θB\theta_B、θC\theta_C 及 R=RABR = R_{AB},則 RCD=2RR_{CD} = 2R,RBC=0R_{BC} = 0:

  1. 桿件 ABAB(θA=0\theta_A = 0): MAB=2k(θB−3R)M_{AB} = 2k \left(\theta_B - 3R\right) MBA=2k(2θB−3R)M_{BA} = 2k \left(2\theta_B - 3R\right)
  2. 桿件 BCBC(RBC=0R_{BC} = 0): MBC=2k(2θB+θC)−19.2M_{BC} = 2k \left(2\theta_B + \theta_C\right) - 19.2 MCB=2k(2θC+θB)+4.8M_{CB} = 2k \left(2\theta_C + \theta_B\right) + 4.8
  3. 桿件 CDCD(DD 端為鉸接,MDC=0M_{DC} = 0,採用修正式): MCD=3(2k)(θC−RCD)=6k(θC−2R)M_{CD} = 3(2k) \left(\theta_C - R_{CD}\right) = 6k \left(\theta_C - 2R\right)

步驟三:建立平衡方程式求解未知變位

  1. 節點 BB 力矩平衡:∑MB=0  ⟹  MBA+MBC=0\sum M_B = 0 \implies M_{BA} + M_{BC} = 0

    2k(2θB−3R)+2k(2θB+θC)−19.2=02k(2\theta_B - 3R) + 2k(2\theta_B + \theta_C) - 19.2 = 0 2k(4θB+θC−3R)=19.2  ⟹  4θB+θC−3R=9.6k— (式 1)2k(4\theta_B + \theta_C - 3R) = 19.2 \implies 4\theta_B + \theta_C - 3R = \frac{9.6}{k} \quad \text{--- (式 1)}
  2. 節點 CC 力矩平衡:∑MC=0  ⟹  MCB+MCD=0\sum M_C = 0 \implies M_{CB} + M_{CD} = 0

    2k(2θC+θB)+4.8+6k(θC−2R)=02k(2\theta_C + \theta_B) + 4.8 + 6k(\theta_C - 2R) = 0 2k(θB+5θC−6R)=−4.8  ⟹  θB+5θC−6R=−2.4k— (式 2)2k(\theta_B + 5\theta_C - 6R) = -4.8 \implies \theta_B + 5\theta_C - 6R = -\frac{2.4}{k} \quad \text{--- (式 2)}
  3. 側移剪力平衡方程式(Sway Equation):
    取兩柱分別取自由體求得柱腳水平剪力反力(假設向左為正):

    • 對柱 ABAB 頂端 BB 取力矩: ∑MB=0  ⟹  HA×10−MAB−MBA=0  ⟹  HA=MAB+MBA10\sum M_B = 0 \implies H_A \times 10 - M_{AB} - M_{BA} = 0 \implies H_A = \frac{M_{AB} + M_{BA}}{10}
    • 對柱 CDCD 頂端 CC 取力矩(因 MDC=0M_{DC} = 0): ∑MC=0  ⟹  HD×5−MCD=0  ⟹  HD=MCD5\sum M_C = 0 \implies H_D \times 5 - M_{CD} = 0 \implies H_D = \frac{M_{CD}}{5}
    • 整體結構水平平衡(無水平外力):∑Fx=0  ⟹  HA+HD=0\sum F_x = 0 \implies H_A + H_D = 0 MAB+MBA10+MCD5=0  ⟹  MAB+MBA+2MCD=0\frac{M_{AB} + M_{BA}}{10} + \frac{M_{CD}}{5} = 0 \implies M_{AB} + M_{BA} + 2M_{CD} = 0 將傾角變位式代入: 2k(θB−3R)+2k(2θB−3R)+2×6k(θC−2R)=02k(\theta_B - 3R) + 2k(2\theta_B - 3R) + 2 \times 6k(\theta_C - 2R) = 0 同除以 2k2k: (3θB−6R)+6(θC−2R)=0(3\theta_B - 6R) + 6(\theta_C - 2R) = 0 3θB+6θC−18R=0  ⟹  θB+2θC−6R=0— (式 3)3\theta_B + 6\theta_C - 18R = 0 \implies \theta_B + 2\theta_C - 6R = 0 \quad \text{--- (式 3)}

聯立求解 (式 1)、(式 2)、(式 3):

  • 由 (式 2) 減去 (式 3): 3θC=−2.4k  ⟹  θC=−0.8k=−45k3\theta_C = -\frac{2.4}{k} \implies \theta_C = -\frac{0.8}{k} = -\frac{4}{5k}
  • 代入 (式 3): θB−6R=−2θC=1.6k  ⟹  θB=6R+1.6k\theta_B - 6R = -2\theta_C = \frac{1.6}{k} \implies \theta_B = 6R + \frac{1.6}{k}
  • 代入 (式 1): 4(6R+1.6k)+(−0.8k)−3R=9.6k4\left(6R + \frac{1.6}{k}\right) + \left(-\frac{0.8}{k}\right) - 3R = \frac{9.6}{k} 21R+5.6k=9.6k  ⟹  21R=4.0k  ⟹  R=421k21R + \frac{5.6}{k} = \frac{9.6}{k} \implies 21R = \frac{4.0}{k} \implies R = \frac{4}{21k}
  • 求出 θB\theta_B: θB=6(421k)+1.6k=87k+85k=9635k\theta_B = 6\left(\frac{4}{21k}\right) + \frac{1.6}{k} = \frac{8}{7k} + \frac{8}{5k} = \frac{96}{35k}

步驟四:回代求各節點端彎矩

將 θB=9635k\theta_B = \frac{96}{35k}、θC=−2835k\theta_C = -\frac{28}{35k}、R=421kR = \frac{4}{21k} 代入各端彎矩式:

  1. MABM_{AB}: MAB=2k(9635k−3×421k)=2(9635−2035)=15235 kN⋅m≈+4.343 kN⋅mM_{AB} = 2k \left(\frac{96}{35k} - 3 \times \frac{4}{21k}\right) = 2 \left(\frac{96}{35} - \frac{20}{35}\right) = \frac{152}{35}\text{ kN}\cdot\text{m} \approx +4.343\text{ kN}\cdot\text{m}
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第 4 題25 分

利用彎矩分配法(Moment Distribution Method)求下圖所示之梁 AA 點彎矩及畫整支梁(AA 點至 DD 點)的彎矩圖,其中 AA 點為固接端,BB 及 CC 點為滾支承(各桿件之彈性模數 EE、慣性矩 II 均相同)。

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核心觀念

本題考查靜不定梁的**彎矩分配法(Moment Distribution Method, MDM)及彎矩圖(BMD)**之繪製。核心原理與公式如下:

  1. 固端彎矩(Fixed-End Moment, FEM)(以順時針為正):
    • 等佈載重 ww 作用之等跨度梁:
FEMAB=−wL212,FEMBA=+wL212\text{FEM}_{AB} = -\frac{wL^2}{12}, \quad \text{FEM}_{BA} = +\frac{wL^2}{12}
  • 中央集中載重 PP 作用之等跨度梁:
FEMBC=−PL8,FEMCB=+PL8\text{FEM}_{BC} = -\frac{PL}{8}, \quad \text{FEM}_{CB} = +\frac{PL}{8}
  1. 桿件旋轉勁度(Rotational Stiffness, KK):
    • 遠端固接(Far-end fixed):K=4EILK = \frac{4EI}{L}
    • 遠端為鉸支承或已知外伸端彎矩(Far-end pinned / roller with cantilever):採用修正勁度 K′=3EILK' = \frac{3EI}{L}
  2. 分配因子(Distribution Factor, DF):
DFij=Kij∑K\text{DF}_{ij} = \frac{K_{ij}}{\sum K}

(固接端 DF=0\text{DF} = 0;外伸懸臂端無抗彎旋轉勁度,不參與分配)
4. 傳遞因子(Carry-Over Factor, COF):

  • 遠端固接端:COF=12\text{COF} = \frac{1}{2}
  • 遠端為鉸支承/已釋放端:COF=0\text{COF} = 0

解題方法

步驟一:外伸懸臂段靜力平衡與端彎矩確立

  • CDCD 段為長度 5 m5\text{ m} 的外伸懸臂梁,自由端 DD 承受向下集中載重 50 kN50\text{ kN}。
  • 對 CC 點取力矩平衡,外伸懸臂段對 CC 節點左側產生的抵抗端彎矩為逆時針方向:
MCD=−50×5=−250 kN⋅mM_{CD} = -50 \times 5 = -250\text{ kN}\cdot\text{m}
  • 由節點 CC 之力矩平衡 ∑MC=0\sum M_C = 0 得:
MCB+MCD=0  ⟹  MCB=+250 kN⋅mM_{CB} + M_{CD} = 0 \implies M_{CB} = +250\text{ kN}\cdot\text{m}
  • 由於支承 CC 處的端彎矩已由靜力平衡完全決定(MCB=+250 kN⋅mM_{CB} = +250\text{ kN}\cdot\text{m}),故在分配時可先將節點 CC 釋放並平衡,後續桿件 BCBC 即可採用修正勁度法,僅需對節點 BB 進行一次分配即可求得閉合精確解。

步驟二:計算固端彎矩(FEM)

規定桿端順時針彎矩為正(++),逆時針為負(−-):

  1. ABAB 跨(LAB=10 mL_{AB} = 10\text{ m},均佈載重 w=10 kN/mw = 10\text{ kN/m}):
FEMAB=−10×10212=−100012=−83.333 kN⋅m(−2503 kN⋅m)\text{FEM}_{AB} = -\frac{10 \times 10^2}{12} = -\frac{1000}{12} = -83.333\text{ kN}\cdot\text{m} \quad \left(-\frac{250}{3}\text{ kN}\cdot\text{m}\right) FEMBA=+10×10212=+100012=+83.333 kN⋅m(+2503 kN⋅m)\text{FEM}_{BA} = +\frac{10 \times 10^2}{12} = +\frac{1000}{12} = +83.333\text{ kN}\cdot\text{m} \quad \left(+\frac{250}{3}\text{ kN}\cdot\text{m}\right)
  1. BCBC 跨(LBC=5 mL_{BC} = 5\text{ m},跨中集中載重 P=50 kNP = 50\text{ kN}):
FEMBC=−50×58=−31.25 kN⋅m(−1254 kN⋅m)\text{FEM}_{BC} = -\frac{50 \times 5}{8} = -31.25\text{ kN}\cdot\text{m} \quad \left(-\frac{125}{4}\text{ kN}\cdot\text{m}\right) FEMCB=+50×58=+31.25 kN⋅m(+1254 kN⋅m)\text{FEM}_{CB} = +\frac{50 \times 5}{8} = +31.25\text{ kN}\cdot\text{m} \quad \left(+\frac{125}{4}\text{ kN}\cdot\text{m}\right)

步驟三:釋放節點 CC 並求 BCBC 跨修正固端彎矩 FEMBC′\text{FEM}'_{BC}

節點 CC 最終彎矩需平衡至 MCB=+250 kN⋅mM_{CB} = +250\text{ kN}\cdot\text{m}:

  • 節點 CC 處需加入的不平衡平衡彎矩:
ΔMC=250−FEMCB=250−31.25=+218.75 kN⋅m\Delta M_C = 250 - \text{FEM}_{CB} = 250 - 31.25 = +218.75\text{ kN}\cdot\text{m}
  • 釋放節點 CC 後,傳遞至 BB 端(傳遞率 12\frac{1}{2}):
COC→B=12×(+218.75)=+109.375 kN⋅m\text{CO}_{C \to B} = \frac{1}{2} \times (+218.75) = +109.375\text{ kN}\cdot\text{m}
  • 修正後之 BCBC 端初始固端彎矩:
FEMBC′=FEMBC+COC→B=−31.25+109.375=+78.125 kN⋅m(+6258 kN⋅m)\text{FEM}'_{BC} = \text{FEM}_{BC} + \text{CO}_{C \to B} = -31.25 + 109.375 = +78.125\text{ kN}\cdot\text{m} \quad \left(+\frac{625}{8}\text{ kN}\cdot\text{m}\right)

步驟四:桿件勁度與分配因子(DF)

  • AA 端為固接,桿件 BABA 採用標準勁度:
KBA=4EILAB=4EI10=0.4EIK_{BA} = \frac{4EI}{L_{AB}} = \frac{4EI}{10} = 0.4EI
  • CC 端已釋放並固定,桿件 BCBC 採用修正勁度:
KBC′=3EILBC=3EI5=0.6EIK'_{BC} = \frac{3EI}{L_{BC}} = \frac{3EI}{5} = 0.6EI
  • 節點 BB 的總勁度 ∑KB=0.4EI+0.6EI=1.0EI\sum K_B = 0.4EI + 0.6EI = 1.0EI。
  • 分配因子:
DFBA=0.4EI1.0EI=0.4\text{DF}_{BA} = \frac{0.4EI}{1.0EI} = 0.4 DFBC=0.6EI1.0EI=0.6\text{DF}_{BC} = \frac{0.6EI}{1.0EI} = 0.6
  • 固接端 AA:
DFAB=0\text{DF}_{AB} = 0

步驟五:彎矩分配計算

  1. 節點 BB 初始不平衡彎矩:
∑MB=FEMBA+FEMBC′=2503+6258=2000+187524=+387524 kN⋅m≈+161.458 kN⋅m\sum M_B = \text{FEM}_{BA} + \text{FEM}'_{BC} = \frac{250}{3} + \frac{625}{8} = \frac{2000 + 1875}{24} = +\frac{3875}{24}\text{ kN}\cdot\text{m} \approx +161.458\text{ kN}\cdot\text{m}
  1. 分配彎矩(Distribution, Dist):
Mdist,BA=−0.4×(387524)=−155024=−77512 kN⋅m≈−64.583 kN⋅mM_{\text{dist}, BA} = -0.4 \times \left(\frac{3875}{24}\right) = -\frac{1550}{24} = -\frac{775}{12}\text{ kN}\cdot\text{m} \approx -64.583\text{ kN}\cdot\text{m} Mdist,BC=−0.6×(387524)=−232524=−7758 kN⋅m=−96.875 kN⋅mM_{\text{dist}, BC} = -0.6 \times \left(\frac{3875}{24}\right) = -\frac{2325}{24} = -\frac{775}{8}\text{ kN}\cdot\text{m} = -96.875\text{ kN}\cdot\text{m}
  1. 傳遞至固接端 AA(Carry-Over, CO):
COB→A=12×Mdist,BA=12×(−77512)=−77524 kN⋅m≈−32.292 kN⋅m\text{CO}_{B \to A} = \frac{1}{2} \times M_{\text{dist}, BA} = \frac{1}{2} \times \left(-\frac{775}{12}\right) = -\frac{775}{24}\text{ kN}\cdot\text{m} \approx -32.292\text{ kN}\cdot\text{m}

(因 CC 端已採修正勁度,不向 CC 端傳遞)

彎矩分配彙整表:

節點AABBCCDD
桿端ABABBABABCBCCBCBCDCDDCDC
DF000.40.40.60.6———
FEM−83.333-83.333+83.333+83.333−31.250-31.250+31.250+31.250−250.000-250.00000
平衡 CC 點———+218.750+218.750——
傳遞至 BB——+109.375+109.375———
修正後初始值−83.333-83.333+83.333+83.333+78.125+78.125+250.000+250.000−250.000-250.00000
分配(Dist)—−64.583-64.583−96.875-96.875———
傳遞(CO)−32.292-32.292—————
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