超静定系统是结构力学中具有多余约束的静定结构体系,其特点和分类如下:
一、基本定义
超静定结构(或静不定结构)指在静力学平衡方程无法唯一确定全部约束力和内力的结构。这类结构由于存在多余约束,需引入附加条件(如几何相容条件)才能完全确定内力分布。
二、与静定结构的区别
静定结构:
仅依靠静力平衡方程即可确定所有未知力;
超静定结构:
需引入几何相容条件(如位移协调)才能完全确定内力。
三、超静定次数的确定
超静定次数等于结构中多余约束(包括外约束和内约束)的数量。计算公式为:
$$
\text{超静定次数} = \text{多余约束数} - \text{独立平衡方程数}
$$
例如,一次超静定结构(如一次超静定梁)具有1个多余约束。
四、分类方法
外超静定系统:
外部约束(如支座反力)不能完全由平衡方程确定,需通过位移协调条件补充;
内超静定系统:
内部约束(如杆件连接)可由平衡方程确定,但内力需通过补充条件求解。
五、实际应用与特点
工程优势:超静定结构具有强度高、刚度大的特点,广泛应用于桥梁、建筑等工程领域;
求解方法:通常通过 力法或 位移法等超静定分析方法,先求出基本静定系,再引入多余约束反力。
六、常见类型示例
细长悬臂梁:
在自由端增加支座可构成一次超静定结构;
刚架结构:
整体超静定,需通过整体位移协调确定内力。
综上,超静定系统通过引入几何条件解决静力学平衡不足的问题,在工程中具有重要的实际意义。