靜力均衡

靜力均衡是靜力學的概念，常用於靜力分析中。指大氣中鉛直方向的氣壓梯度力和重力的平衡。是靜定結構受力分析的重要條件之一。

靜定結構，一種類型的結構體系，指無多餘約束的幾何不變體系。其內力及支反力可由平衡條件完全確定，該結構的基本靜力學特性是滿足平衡條件內力解的惟一性，在此基礎上派生出如下特性：1.溫度變化、支座移動和製造誤差等因素不引起該結構內力；2.結構的局部平衡性；3.結構的荷載等效性；4.結構的構造變換性。

基本介紹

• 中文名：靜力均衡
• 外文名：static balance
• 含義：鉛直方向氣壓梯度力和重力的平衡
• 作用：受力分析
• 領域：靜力學

相關概念

靜力

力學的一個部分，它研究物體在力的作用下處於平衡的規律，建立各種力系的平衡條件。靜力學還研究力系的簡化和物體受力的基本分析方法。物體受到幾個力的作用，仍保持靜止狀態，或勻速直線運動狀態，或繞軸勻速轉動狀態，叫做物體處於平衡狀態，簡稱物體的平衡。處於平衡狀態的物體，可以是靜平衡，即物體既無平動，又無轉動，保持靜止，也可以是動平衡，即物體作勻速直線運動，或勻角速轉動。無論是處於靜平衡，還是動平衡，物體的受力情況是沒有區別的。區別在於物體的初始狀態，即物體開始處於力平衡的瞬時，它為靜止的，還是平動或轉動的。

靜力學發展時期，是從公元前3世紀，到16世紀伽利略奠定動力學基礎為止。阿基米德是使靜力學成為一門真正科學的奠基者。著名的義大利藝術家、物理學家和工程師達·文西，對靜力學的建立作出了重要貢獻。靜力學的基本物理量是力、力偶和力矩。學科內容主要包括以下幾個方面：

①力作用於物體的效應分為外效應和內效應。外效應是指力使整個物體對外界參照系的運動變化; 內效應是指力使物體內各部分相互之間的變化。對剛體不必考慮內效應。

②靜力學公理。靜力學的全部推理是以幾個簡單公理為基礎的。這些公理是人類在長期的生產實踐中積累起來的力的知識的總結。它反映了作用在剛體上的力的最簡單、最基本的屬性，這些公理的正確性是可以通過實驗來驗證的，但不能用更基本的原理來證明。

公理Ⅰ： 二力平衡原理。

公理Ⅱ： 加減平衡力系原理。可在作用於剛體上的已知力系中增加一個平衡系，或者從這個力系中減去一個平衡系，而不改變原力系對剛體的作用效果。

公理Ⅲ： 力的平行四邊形法則。

公理Ⅳ： 作用和反作用定律。

公理Ⅴ： 硬化原理。設一個變形體在一個力系作用下，處於平衡狀態，若將這種狀態下的變形體看成剛體，則其平衡狀態不被破壞。

靜力學知識在工程技術中有直接的套用。例如，對軸上零件的受力分析，從而合理地布置軸承;套用平衡條件求出軸承反力，作為選用軸承的一個依據; 對考慮摩擦力的平衡問題進行分析，得出某些零件的自鎖條件，以便正確地設計這些零件等等。

靜力平衡

大氣中鉛直方向的氣壓梯度力和重力的平衡。大氣既有水平運動，也有垂直運動。一般情況下垂直運動的加速度比重力加速度小得多而可忽略，可認為每一薄層大氣受到的重力與鉛直方向的氣體壓力（氣壓梯度力）相平衡，即處於靜力平衡狀態。據此導出靜力學關係：

式中：g為重力加速度；ρ、P分別為空氣密度和壓強，z為高度。等式右邊代表單位質量空氣的氣壓梯度力。因為ρ總是正值，所以，氣壓總是隨高度遞減。靜力學關係在大氣靜止或勻速垂直運動時是完全正確的，在實際大氣中，除去垂直運動強烈的積雲環流外，它也能成立，故得到廣泛套用。

檢查方式

①將工作件置於均衡裝置上，讓其靜止，注意位置。

②轉動工作件約45°並放開，如有運動，即為工作件欠均衡。

③當靜止時，利用塑像用粘土或磁性重量在工作件的最高點增加重量，此點與最重點成180°。

④轉動工作件90°並放開。如工作件移動，必須調整所加的重量，如加重的部位停在底部，必須減輕重量；如加重的部位停在頂部，必須增加較多的重量。

⑤調整重量，直至工作件以不同的位置轉動及放開時，均保持不動為止。

⑥確定使工作件均衡所加的實際重量。

⑦永久附加材料於工作件，或由最重點除去部分材料，並檢查均衡。

套用

結構彈塑性地震反應分析方法，是通過建立結構的計算模型，依據結構構件的彈塑性恢復力特性，對結構進行地震作用下計算分析，從而獲得結構的彈塑性反應。通過結構彈塑性地震反應分析，可以了解到結構各部位在地震作用下反應的全過程。因此，結構彈塑性地震反應分析方法對於評價和檢驗建築結構的抗震性能有著十分重要的意義。結構彈塑性地震反應分析的基本流程如圖1所示。做結構的彈塑性分析時，比較常用的方法有兩種:靜力荷載增量法和直接動力積分法。靜力荷載增量法較簡便，但地震作用是一種動力作用，要假設成為一個固定水平荷載，有很多問題和缺點。地震作用和建築物本身的性能、振型變化有著密切的關係，建築物在逐步進人塑性屈服時，建築物的周期T、振型和阻尼比等都會發生變化，所以水平力的大小和分布狀況都會發生變化，因此用一個固定的等值水平力來做靜力分析，必然會帶來計算上的誤差。

圖1 結構彈塑性地震反應分析的基本流程

結構彈塑性地震反應計算，應根據具體情況，如：結構組成、構件特點、計算機容量和計算費用等選用簡化的計算模型。目前比較成熟和通用的有等效剪下型模型、平面桿系模型和空間彈塑性模型。等效剪下型模型是以結構層為計算單元，將每層中所有柱合併成一個總的層間抗剪構件來進行計算，這種模型能夠快速、扼要地提供工程設計上所需的層剪力和層間位移，具有計算費用低等特點，但是，該模型無法對結構構件做仔細分析，無法考慮水平地震力引起的豎向荷載的變化對構件屈服的影響。平面桿系模型是由可帶剛域的桿件組成的等效框架結構。計算中以框架每一桿件（包括梁、柱和牆）為基本構件（單元），該模型可精確求得結構各部位、各構件在地震作用下受力和變形的全過程。因此，套用該模型不僅可以求出地震過程中每一桿件是否開裂或屈服，還可以知道各桿件屈服的先後次序，從而了解整個結構的破壞形態。一般來說，當只需了解結構層剪力和層位移時，可採用層剪下模型；當需要了解塑性鉸出現的確切位置及構件的破壞狀態時，結構平面及立面布置均勻時可採用平面桿系模型。