109 年 國立臺灣大學土木系碩士班結構組(一般生)《結構學》
第 1 題25 分
如下圖所示之桁架受垂直力 ,利用力法(Force Method)求 點、 點、 點反力,只可利用 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 、面積 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:
- 靜不定度判定: 其中 為桿件數、 為外反力數、 為節點數。若 ,表示為一次超靜定結構。
- 基本靜定結構(Primary Structure):
依題目強制規定,選取 點(滾支承)之垂直反力 作為贅餘力(Redundant force),移除該滾支承形成基本靜定桁架。 - 諧合變位方程式(Compatibility Equation):
- :外力作用下,基本結構在贅餘力方向( 點垂直方向)之位移。
- :在 點施加單位贅餘力時,基本結構在 點所產生之垂直柔度(位移)。
- 虛功法計算位移公式: 其中 為外力作用下基本結構之桿件軸力, 為單位力()作用於 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 :
- 下弦節點:、(滾支承)、(滾支承)、(鉸支承)。
- 上弦節點:(作用外力 )、、。
- 節點總數 。
- 桿件總數 :
- 下弦桿(3 支):(長度各為 )
- 上弦桿(2 支):(長度各為 )
- 垂直桿(3 支):(長度各為 )
- 斜桿(3 支):(長度各為 ,與水平夾角均為 )
- 外反力數 ()。
- 靜不定度:
設 點垂直反力 (向上為正)為贅餘力,解除 點滾支承約束,此時結構退化為僅由 點滾支承與 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( 系統)
在基本靜定結構上,僅受 點向下的垂直外力 :
-
基本結構反力(取向上、向右為正):
- 對 點取力矩:
- :
-
桿件軸力 (以拉力為正,壓力為負):
- 節點 :無外力,僅有互不共線的兩桿件 ,故皆為零桿:
- 節點 :受向下 外力:
- 節點 :
- 節點 (基本結構上無支承):
- 節點 : 代入 與 :
- 節點 : 同理 (壓)。
步驟三:基本結構在單位贅餘力作用下之分析( 系統)
在基本結構之 點施加向上的單位力 ():
-
基本結構反力:
- 對 點取力矩:
- :
-
桿件軸力 :
- 節點 皆無外力與反力,左側區間各桿件軸力均為零:
- 節點 :受向上單位力 :
第 2 題25 分
如下圖所示之剛架, 點為鉸接支承, 點為滾支承,利用虛功法(Virtual Work Method)求 點水平位移及繪此剛架彎矩圖(各桿件之彈性模數 、慣性矩 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
本題用虛功法求剛架節點 的水平位移。只考慮彎曲變形時,
其中 是實際荷重造成的彎矩, 是在 點施加單位水平力所造成的虛彎矩。題目只提供 ,因此依結構學慣例計算彎曲變形。
圖中幾何為:、,柱段 、。 點受 向下載重, 點受 向左水平力。
解題方法
1. 求實際支承反力
以 點取矩,逆時針為正:
因此
由垂直力平衡:
由水平力平衡:
為負,表示反力方向向下。
2. 實際彎矩
令梁上座標 自 向右量, 為 、 為 、 為 。梁彎矩為
所以梁的關鍵彎矩值為
柱上令 自 向上量。由柱的水平力可得
因此 、。梁以正彎矩表示下凹(撓曲);柱彎矩依由 向上取截面的符號表示。
第 3 題25 分
如下圖所示之剛架, 點為固接端及 點為鉸接支承,在 點施加一個垂直力 ,請利用傾角變位法(Slope Deflection Method)求各桿件節點彎矩 、、、、 及繪製各桿件彎矩圖(各桿件之彈性模數 、慣性矩 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)。
-
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 、抗彎剛度為 的桿件 :若遠端 為鉸接支承(無外加力矩,故 ),可直接代入修正式簡化未知數:
其中 為節點轉角, 為桿件弦轉角(Chord Rotation), 為固端彎矩(Fixed End Moment)。
-
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 無垂直位移,故 ;梁 的弦轉角 。
- 柱底 點為固接端:、。
- 柱底 點為鉸接端:,。
- 梁 為水平剛性位移,設剛架頂層向右側移為 :
- 柱 (長度 ):頂端向右側移 ,弦轉角順時針 。
- 柱 (長度 ):頂端向右側移 ,弦轉角順時針 。
- 獨立未知數共 3 個:、 以及側移弦轉角 ()。
解題步驟與推導
步驟一:計算固端彎矩(FEM)
各桿件僅梁 上有外載重(,作用於距 點 、距 點 處,總跨度 ):
- 桿件 與 無跨內載重:
- 桿件 (順時針為正,逆時針為負):
步驟二:建立各桿端傾角變位方程式
令基準剛度 ,則各桿件幾何性質如下:
令未知數為 、 及 ,則 ,:
- 桿件 ():
- 桿件 ():
- 桿件 ( 端為鉸接,,採用修正式):
步驟三:建立平衡方程式求解未知變位
-
節點 力矩平衡:
-
節點 力矩平衡:
-
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 頂端 取力矩:
- 對柱 頂端 取力矩(因 ):
- 整體結構水平平衡(無水平外力): 將傾角變位式代入: 同除以 :
聯立求解 (式 1)、(式 2)、(式 3):
- 由 (式 2) 減去 (式 3):
- 代入 (式 3):
- 代入 (式 1):
- 求出 :
步驟四:回代求各節點端彎矩
將 、、 代入各端彎矩式:
- :
第 4 題25 分
利用彎矩分配法(Moment Distribution Method)求下圖所示之梁 點彎矩及畫整支梁( 點至 點)的彎矩圖,其中 點為固接端, 及 點為滾支承(各桿件之彈性模數 、慣性矩 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:
- 固端彎矩(Fixed-End Moment, FEM)(以順時針為正):
- 等佈載重 作用之等跨度梁:
- 中央集中載重 作用之等跨度梁:
- 桿件旋轉勁度(Rotational Stiffness, ):
- 遠端固接(Far-end fixed):
- 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
- 分配因子(Distribution Factor, DF):
(固接端 ;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:
- 遠端為鉸支承/已釋放端:
解題方法
步驟一:外伸懸臂段靜力平衡與端彎矩確立
- 段為長度 的外伸懸臂梁,自由端 承受向下集中載重 。
- 對 點取力矩平衡,外伸懸臂段對 節點左側產生的抵抗端彎矩為逆時針方向:
- 由節點 之力矩平衡 得:
- 由於支承 處的端彎矩已由靜力平衡完全決定(),故在分配時可先將節點 釋放並平衡,後續桿件 即可採用修正勁度法,僅需對節點 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():
- 跨(,均佈載重 ):
- 跨(,跨中集中載重 ):
步驟三:釋放節點 並求 跨修正固端彎矩
節點 最終彎矩需平衡至 :
- 節點 處需加入的不平衡平衡彎矩:
- 釋放節點 後,傳遞至 端(傳遞率 ):
- 修正後之 端初始固端彎矩:
步驟四:桿件勁度與分配因子(DF)
- 端為固接,桿件 採用標準勁度:
- 端已釋放並固定,桿件 採用修正勁度:
- 節點 的總勁度 。
- 分配因子:
- 固接端 :
步驟五:彎矩分配計算
- 節點 初始不平衡彎矩:
- 分配彎矩(Distribution, Dist):
- 傳遞至固接端 (Carry-Over, CO):
(因 端已採修正勁度,不向 端傳遞)
彎矩分配彙整表:
| 節點 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 桿端 | |||||||
| DF | — | — | — | ||||
| FEM | |||||||
| 平衡 點 | — | — | — | — | — | ||
| 傳遞至 | — | — | — | — | — | ||
| 修正後初始值 | |||||||
| 分配(Dist) | — | — | — | — | |||
| 傳遞(CO) | — | — | — | — | — |