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下面请看建筑结构第1题。
【题目】
ABCD,选哪个呢?
不知道,无所谓;知道,记下你心中的答案,待会核对。
【解题思路】
我的解题思路,就是用二元体规则(在一个体系上加减二元体不影响原体系的机动性质)来进行感性判断。
从左侧开始做减法,虽然出现了一条弧形的杆,但只要两段连线之后与垂直的那根杆不共线,则这两个就构成一个二元体,可以直接去掉。
然后是中间的两个,虽然杆件的形状比较怪异,是个树杈形,但也是二元体,也可以直接消掉。消除后,中间会留下两个不动铰支座,核心也是二元体,消不消都无所谓。
最后是右侧,有三个杆相较于一个铰点,两两都不共线,任意消掉其中一个就行。
最后,整体体系剩余了一个连接,也就是说原有体系是几何不变体系,且有一个多余约束。选C。
在解题的下面,我还画了一幅图,主要是说明,去掉多余练习后,体系是一个无多余约束的静定结构,因为历年题目中有很多是问几次超静定。其实,很简单,一般情况下,去掉多余联系之后,体系成为静定结构,那么去掉联系的个数就是超静定的次数。
这是感性判断法,还有一种是理性计算法,有兴趣地可以在网上找一下相关资料,核心思路输出杆件数量和约束数量,然后看两者关系,从而判定出是什么体系。
如果,你最开始做对了题目,并且能大概能看懂上面所说的内容,那你可以直接去看文章最后的三道练习题,再测试一下。
如果感觉有点吃力,那就可以看一下下面的内容。
【相关知识】
有位大咖曾经说过,看一个人的头脑是否清晰够用,只需要关注两点:
一是清晰的概念,二是正确的关联。
要想正确解答这个题目,首先要做的就是弄明白题目和选项当中提到的一些概念,比如,平面体系、几何可变、几何不变、多余约束。搞明白这些,其实有些问题就迎刃而解。
这就好比方案作图,如果你能理解题目中的分区明确,相对独立,流线交叉,基本就能及格,反之,不知道什么是对,想做对就更会能难。
那我们就来一起看看这几个概念:
1、平面体系。
四个字,由两个词组成,平面+体系。平面不用多说,是三维立体空间在某个方向的投影,我们的日常工作就是通过在二维的平面里分析和设计,去指挥三维空间中的建造。
体系的话,前段时间刚好看了一本书叫《Thinking in systems:A Primer》,systems 就是指系统、体系,里面提到一个体系有三个组成部分:
要素、联系、目标
平面和体系这两个词组合到一起,再以建筑结构为前提,那是不是说这个词可以这么理解,在平面内,将杆件(要素)进行连接(联系),最终构建一个稳定的结构体系(目标)。
红色箭头所指就是作为要素的杆件,有各种形状,直的、弧形的、树杈形的。
绿色箭头所指就是作为联系的连接点,都用一个圈来代表。
两者组合在一起,就构成了一个结构体系,或者说结构系统,隶属于建筑系统之中,目标就是充当建筑的骨架,支撑全部的荷载。
有了结构系统,然后再植入建筑功能系统、暖通系统、给排水系统和强弱电系统等等,这样,我们就完善出了整个建筑系统。整个建筑系统,映射到注册考试,就是一注的九门科目。
这样,我们就懂了,结构体系是目标,通过元素之间形成联系而实现。在二维的平面体系中,我们一般涉及的元素常常就是以线性形式存在的杆件,连接就是线和线交叉的点。画几个简单的结构体系:
第一个图是个十字架,两条线可以随意绕交点转动;
第二个图是个三角形,小学的时候就学过,三角形是比较稳定的,不会变形。这里蕴含着一个法则,就是三角形法则,是解答类似题目的简单粗暴的重要工具。
三角形法则:三个杆件,用不在一条直线上的三个铰,两两相连,构成无多余联系的几何不变体系。
二元体法则也同理,是三角形法则延伸出来的,其实就是在原来的图形上加减了一个三角形而已。其实不光加减二元体,加减静定结构装置也是一样。
第三个是个平行四边形,它也可以随意变形,从趋近于直线到正方形。
平面中的直线,在平面体系中,历年的考题里出现以下多种形态的构件:
只要他是连续不间断,且不成环的,都可以看做是一个元素,并且都成简化抽象成一条直线,一条连接两个端点的直线。
构件有了,再看历年考题中经常出现的联系,结构中我们一般把他们叫做铰点,其实就是平面中线和线的交点:
图1和图3是两个杆件相交,只不过交点一个是在a杆的端头,一个是在中间位置;图2是三个杆件相交。
小结:一个完善的体系中,包括:元素、联系和目标,映射到结构平面体系中就是杆件和铰点,共同构成一个结构体系。
2、几何可变、几何不变。
这里的几何,应该是数学里的几何(形状),不是语文的几何(人生几何),几何可变是说形状可以发生变化,简称形变,与之对应还有一个叫应变。
受外力时,构件在没有发生应变的前提下,就直接产生几何形变,这样的结构体系就叫做几何可变体系。
几何不变体系:受外力时,体系几何形状基本未发生变化,只是有构件有略微的材料应变,这样的结构体系就叫做几何不变体系。
当然,这个外力不能说是巨大,比如一颗陨石把一栋楼给砸烂了,发生变形了吧,那原来的建筑是个可变体系吗?显然不是。
列个脑图,同时做个延伸;
脑图一共分了三层,第一层是结构体系,第二层是可变和不可变,第三层分别是:常变体系、瞬变体系、静定结构体系和超静定结构体系。前两层已经讲过,看下第三层的含义。
常变体系,顾名思义就是总是在变化,给外力就变形。瞬变体系,是指瞬间变化,形成静定结构体系。静定结构体系,也按字面意思解读吧,就是能老老实实待在哪儿,不变形的结构体系。超静定结构体系,就是说比静定还要静定的结构体系。感性理解就是这样,理性的判断后面文章再说。
如果你仔细观察就能发现,常变和瞬变后面没有加结构两个字,静定和超静定后面加了,因为在建筑结构当中,一般不会出现几何可变体系。注意限定词,建筑结构当中,其他结构当中会出现可变体系,并且很多,随便举例。
3、多余约束。
多余好理解,就是多了,富余。约束是啥?
约束就是联系,确切地说约束由联系所产生。
说到约束,平面体系中的约束。我们画一个笛卡尔坐标系来代表平面,平面中存在着一个杆件可以看成是元素。在没有任何约束的前提下,这个杆件游荡在整个坐标系当中。
现在,我们就来增加约束,限制它的游荡,让他固定下来。
选定杆件的任意一点,当然我们可以选它的形心、重心、端点、1/3处都可以,为了方便,以及符合建筑结构考试的出题思路,我们选端点,左侧一端。
假设,我们想要把这个杆件固定在图1的按个位置,首先我们限定他的X坐标,但是杆件依然可以上下移动并且旋转。然后,限定他的Y坐标,这样杆件就只能绕固定点进行转动。最后把杆件的方向固定,那么这个杆件就被固定下来,没有办法活动。
通过这个过程,我们可以得出来一个结论,要想让一个杆件在平面体系中固定下来,至少需要三个约束。
那问题来了,在结构体系当中,通过什么手段去固定他的X、Y坐标和角度呢?
一般是他通过以下方式来实现:
左边两个分别限定了Y轴和X周坐标,中间那个图是个联合体,相当于两个链杆相较于一点,作用也是限定了杆件的XY坐标,右图在杆件另一端又加入了限定坐标的构件,这样角度也就被锁死了。
下面代表的数字,就是这种图示所具有的联系数,或者叫约束数。
前三个,如果杆件无其他约束,那么它就是可变体系,最后一个因为具有三个约束,即便在杆件其他段没有其他约束的前提下,也是一个静定结构体系。
不知道你对约束和几何不变体系的概念是否理解,如果还不能,再给你举个例子。
比如说一个人,当他是单身的时候,没有什么约束,挣了工资想怎么花怎么花,想去哪玩去哪玩,甚至有时候不想工作了,就直接辞职,比较洒脱。
但是当他买了房,约束就多了一层,因为有房贷了,不能像以前那么嘚瑟,得收敛一些。然后买了车,又多了一层约束,活动空间又小了。最后结婚生子,需要养活一大家子,完蛋拜拜,没啥自由度了,但是也换来了安定的生活。
如果,你是公司老板,能有这样的几个员工,从单身男,到负债男,再到成家男,相对来说,稳定性逐级上升,只要能给拉家带口的员工开个理想的工资,稍微欺负一下,增加点额外的任务量,基本是没有什么问题的。
不静定的,可变的员工就不行,尤其现在稍年轻一点,一言不合就辞职,因为约束太少嘛。
当然如果成家男,又买了一套房,或者要了二胎,那基本上就会再升级一层,变成超静定结构体系,只要钱到位,啥姿势他都会。
【总结】
1、几何可变体系:受外力时,构件在没有发生应变的前提下,就直接产生几何形变,这样的结构体系就叫做几何可变体系。
2、几何不变体系:受外力时,体系几何形状基本未发生变化,只是有构件有略微的材料应变,这样的结构体系就叫做几何不变体系。
3、三角形法则:三个杆件,用不在一条直线上的三个铰,两两相连,构成无多余联系的几何不变体系。
除了这些,还提到关于体系中的元素、联系,结构体系中的杆件和铰,同样重要,为了方便记忆和理解,最好寻找一种可以类比的实体,让枯燥的理论具象化,从而方便在大脑中思考。
【小试牛刀】
上面罗里吧嗦讲了一堆,也不知道你有没有听懂,可以试着做做下面的三个小题目,检验一下。
第一题:
第二题:(问题可以升级一下,分别是什么体系)
第三题: