用欧几里得几何理论解释结构力学中无穷铰与瞬变体系的关系

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  摘要:在对结构进行机动分析的過程中,如果遇到无穷远虚铰常用以下三个结论作为解题的依据:
  (1)一铰在无穷远处,另两铰位置确定,当这两铰连线与无穷远虚铰方向相同时,体系为瞬变体系。
  (2)两虚铰在无限远处,另一铰位置确定,当两虚铰为同一方向无穷远时(四根连杆平行不等长),体系为瞬变体系。
  (3)三个虚铰均在无穷远处,体系为瞬变体系。
  然而在实际学习中,这三点结论容易混淆。并且如果由瞬变体系的特征去区分结构的几何体系又过于抽象,较难得到正确的结果。我们可以引用欧几里得几何中的部分概念作为依据,解释无穷铰在机动分析中的作用。
  关键词:机动分析;几何不变体系;欧几里得几何;无穷远点;无穷远直线
  一、无穷铰与欧几里得几何的关系
  无穷铰是一堆平行的杆在无穷远处的交点,与欧几里得几何中的无穷点的定义一致(“一组有定方位的一切直线”添加一个点称为该方位的无穷远点,此点在该组中的每一直线上,而不在这组以外的直线上),这些无穷远点又都在同一条无穷远直线上。
  二、用欧几里得几何论证上述三条常用结论
  2.1对于结论(1)
  示例图如图一
  此时可以把钢片Ⅲ退化为链杆,如图二,此时两个钢片之间的三条链杆互相平行,即他们在无穷远处交于同一个无穷远点。所以在分析过程中等同于图三所示的结构,此结构的钢片Ⅱ显然可以自由转动,所以此结构是几何可变体系。
  2.2对于结论(2)
  示例图如图四,套用欧式几何的定义,这两个虚铰交于同一点,即钢片Ⅰ 、Ⅱ的交点与钢片Ⅱ、Ⅲ的交点是同一点,所以原体系等同于图五所示体系,显然钢片Ⅲ只受了一个铰约束,可以自由转动,所以原结构也是几何可变体系。
  2.3对于结论
  示例图如图六,三个虚铰的铰节点都在无穷远直线上,所以其几何体系等同于图七所示体系,该体系为典型的瞬变体系,所以图六体系也为瞬变体系。
  三、总结
  通过对无穷远直线和无穷远点性质的理解,可以比较方便的记忆、理解机动分析中无穷铰和瞬变体系的关系,加深对书本知识的理解。
  参考文献
  [1]《结构力学》,李廉锟,高等教育出版社
  [2]《结构力学》,李廉锟,高等教育出版社
  [3]《中国成人教育百科全书 数学·电脑》,林崇德,姜璐,王德胜;何本方,李春生,李德芳等;沈复兴主编,南海出版公司
  [4]《数学辞海》,中国科学技术出版社,《数学辞海》编辑委员会
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