110年公務人員高等考試試題結構學參考解答

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解答發佈時間:

110.10.11                                    結構學 

 

   實   力   文   教   機   構 

~ 1 ~

 

 110 年公務人員高等考試試題結構學參考解答

 

一、下圖中有

()()()()四個平面結構,小圓符號代表鉸接或滾接,否則為

剛接。請判定它們為不穩定結構或穩定結構?若為不穩定結構,請說明不穩定原因;

若無穩定結構,請判別其靜不定的次數

。(

0

=

,即表示為靜定結構。)

(20 

 
 

(

 
 
 
 
 
 

(

 
 
 
 

 

(

 
 
 
 
 

(

110 年土木高考試題• 

 

 

(1)已知 

•  結構型式:(Ⅰ) beam;(Ⅱ) frame; 

(Ⅲ)、(Ⅳ) truss

 

(2)待求 

•  穩定性/靜定性 

問題剖析 

•  力的觀點:無法平衡 不穩定 

•  變位觀點:剛體運動 不穩定 

Key

 

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110 年土木高等考試試題解答

                                                  結構學 

 

實   力   文   教   機   構 

~ 2 ~

 

 

(1)()結構 

 垂直力 作用下(圖 a),會產生剛體運動。 

∴不穩定

 

 

 
 
(2)()結構 

 垂直力 作用下(圖 b),所有反力全部交於 O 點,

此時

0]

O

 

∴不穩定

 

 

 
 
(3)()結構 

 垂直力 作用下(圖 c),考慮左半分離體圖,此時

0]

y

 

∴不穩定

 

 

 
 
(4)()結構 

 垂直力 作用下(圖 d),桿件

EA

承受軸壓力

N

此時

A 點

0]

x

 

∴不穩定

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Ans:(Ⅰ)~(Ⅳ)皆為不穩定 

參考解答 

a 

b 

c 

d 

e 

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110.10.11                                    結構學 

 

   實   力   文   教   機   構 

~ 3 ~

 

※本題請參考“實力結構學《系統剖析》上冊

【P2-6

” 

 

二、下圖為一水平梁,此梁

AC 段及 BC 段之斷面性質不同,AC 段為 EI BC 段則為

剛性(

EI = ∞ ),相關尺寸配置如圖所示。若於梁的 端施加一彎矩 ,試以共軛

梁法求解此梁最大的垂直位移及其與

點的距離,另亦求解 點之轉角。(本題以

其他方法求解,一律不予計分。)

(25 

 
 
 
 

110 年土木高考試題• 

 

 

(1)已知 

•  剛    度:

EI 

 

•  外    力:

 

(2)待求 

•  變  位:

A

θ ,

max

∆ 及其位置 

(3)方法 

•    共軛梁法 

(4)思路 

•(外力)→(內力)→(變位) 

 

(1)(外力)→(內力) 

•  依據個別法 

繪製彎矩圖(圖

a)。 

 

(2)(內力)→(變位) 

•  依據共軛梁法 

繪製共軛梁(圖

b),其中 

 

1

( )

M

ML

F

L

EI

EI

=

=

   

2

1

( )

2 2

4

M

ML

F

L

EI

EI

=

=

 

 

問題剖析 

參考解答 

max

max

M

=

 

會產生在

0

θ

=

處。

 

Key

 

 

a  彎矩圖 

採用個別法的好處在於後續計算
彎矩圖面積會比較簡單。

 

Note 

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110 年土木高等考試試題解答

                                                  結構學 

 

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~ 4 ~

 

b

1

2

3

4

[

0]: (2 )

0

2

3

B

A

L

L

M

R

L F

F

Σ

=

+

=

 

7

0.583

12

A

A

ML

ML

R

EI

EI

θ

=

=

=

 

 

再取圖

c 分離體圖,其中 

3

( )

M

Mx

F

x

EI

EI

=

=

 

 

2

4

1

( )

2 2

4

Mx

Mx

F

x

EIL

EIL

=

=

   

3

4

( )

2

3

x

A

x

x

M

R x F

F

 

 

=

+

 

 

 

 

 

2

3

7

12

2 12

M

Lx x

x

EI

L

=

+

 

0

x

dM

dx

= ,

2

7

0

12

4

L

x

x

L

− +

=

 

0.709

x

L

=

 

 

2

max

0.709

max

0.1919

x

L

ML

M

M

EI

=

=

=

=

 

 

 

※本題請參考“實力結構學《系統剖析》上冊

【P4-36

” 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ans:(a)

2

max

0.1919ML

EI

=

↓)

 

距離

A 點

0.709

x

L

=

 

(b)

0.583

A

ML

EI

θ

=

  ) 

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c 

b  共軛梁 

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解答發佈時間:

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~ 5 ~

 

三、如圖顯示一剛架結構,

點及 點為剛接,剛架尺寸配置及各桿件斷面之 EI 值如

圖所示。若於

CD 桿件中點施加一集中載重 ,忽略各桿件軸向變形,試用彎矩分

配法求解

點、點、點之端彎矩

AB

M

BA

M

CB

及 點垂直位移

C

,並請

繪製此剛架結構受力後之彈性變形圖。

(本題以其他方法求解,一律不予計分。)

(30

)   

 
 
 
 
 
 

    •

110 年土木高考試題• 

 

 

(1)已知 

•  剛    度: 5EI , 3EI , 4EI  
•  外    力:

↓ 

(2)待求 

•  內  力:

AB

M

BA

M

CB

M

 

•  變  位:

C

∆  

•  變  形  圖 

(3)方法 

•      彎矩分配法 

(4)思路   

•(外力)→(內力)→(變位) 

 

(1)準備工作 

  判別自由度 

本題有三個自由度(圖

a),五個待求桿端彎矩(圖 b)。 

 

  依據疊加原理 

(原結構)

=

(圖

c)

+

(圖

d)

+

(圖

e) 

 

 

 

 

 

問題剖析 

參考解答 

本題有三個自由度,若用傳統
的彎矩分配法,計算量超大(唯
一好處是不必解聯立)

,建議使

用改良式的彎矩分配法(不是
綜合彎矩分配法喔)。

 

Key

 

自由度 

 

b  待求桿端彎矩 

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110 年土木高等考試試題解答

                                                  結構學 

 

實   力   文   教   機   構 

~ 6 ~

 

 

 
 
 
 
 
 
 

c  外力的 F.E.M. 

 
 
 
 
 
 
 

d  側移的 F.E.M. 

 
 
 
 
 
 
 

e

  

D.M./C.O.M. 

  計算固端彎矩(Ⅰ)

 

3 (4 )

3

16

4

F

CD

P L

PL

= −

= −

 

 

 

  計算固端彎矩(Ⅱ)

 

2

2

2

:

:

6(5 )(5 )

6(3 )(3 )

3(4 )(4 )

:

:

(5 )

(3 )

(4 )

6

:

6

:

3

F

F

F

AB

BC

CD

M

M

M

EI

EI

EI

L

L

L

a

a

a

= −

=

 

(令

2

a EI L

=

 

  計算相對

 

:

:

4(5 )

4(3 )

3(4 )

:

:

(5 )

(3 )

(4 )

4

:

4

:

3

BA

BC

CD

S

S

S

EI

EI

EI

L

L

L

=

=

 

 

(2)(外力)→(內力) 

•  列表計算 

Joint 

E.M. 

AB 

BA 

BC 

CB 

CD 

D.F. 

1 2

 

1 2

 

4 7

 

3 7

 

F.E.M. 

 

6a

 

 

6a

 

 

6a

 

 

6a

 

3

4

PL

 

3a

 

D.M. 

 

2x

 

2 

4 

3 

C.O.M. 

x

 

 

2

 

x

 

 

38

39

PL

 

3

26

PL

 

3

26

PL

 

20

39

PL

 

20

39

PL

 

•  依據力的平衡 

1

f[

0]:

0

B

BA

BC

M

M

M

Σ

=

+

=

 

4

2

12

0

x

y

a

+

=  

(a) 

 

2

g

[

0]:

0

C

CB

CD

M

M

M

Σ

=

+

=

 

3

7

3

4

x

y

a

PL

+

=

 

(b) 

3

h

[

0]:

A

M

Σ

=

 

(6 )

(8 ) 0

2

4

CD

AB

M

P

M

P L

L

L

+

+

=

 

7

6

12

2

x

y

a

PL

= −

 

(c) 

將各回合的分配全部累加

 

將各回合的傳遞全部累加

 

代入

x

a

值的最後答案

 

for

x

      圖 for  

for

a

 

 

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~ 7 ~

 

聯立

(a)~(c)式,可得 

67
78

x

PL

=

3

26

y

PL

=

  ,

11
36

a

PL

=

 

x

a

值代回上表,可得各桿端彎矩(圖

i),

最後再繪製彎矩圖(圖

j)。 

 

(3)(內力)→(變位) 

•  依據變位幾何關係 

2

2

4

11

4

4

36

C

L a

L

PL

EI

EI

=

=

=

 

3

11

9

PL

EI

=

 

 

最後,由彎矩圖推論變形圖(圖

k)。 

 

 

 
 

※本題請參考“實力結構學《系統剖析》下冊

【例 I2.3-2

” 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ans:(a)

38
39

AB

M

PL

= −

  ),

3

26

BA

M

PL

= −

  ), 

20
39

CB

M

PL

= −

  ) 

(b)

3

11

9

C

PL

EI

=

↓)

 

(c)變形圖如圖 k 所示 

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i  桿端彎矩 

j  彎矩圖 

k  變形圖 

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~ 8 ~

 

四、如圖顯示一懸臂梁

AB 與二力桿 BC 於 點鉸接處使用一螺旋彈簧連結,此彈簧勁

度為

S

,桿件 AB 之斷面性質為 EI 、二力桿件 BC 為 EA。已知 點垂直位移及旋

轉之自由度分別為

1

2

,相應之垂直力

1

為 、彎矩

2

為 。試依據圖中所示 

之自由度

1

2

,以直接勁度法求此結構之勁度矩陣

[ ]

2 2

K

×

;若考慮

0

=

,試求解

僅有外力

作用下之勁度矩陣

[ ]

1 1

K

×

,並請依照

[ ]

1 1

K

×

求解

點之垂直位移

B

∆ 。

(本

題以其他方法求解,一律不予計分。)

(25 

(已知:

3

EA L EI L

=

5

S

k

EI L

=

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                     •

110 年土木高考試題• 

 

 

(1)已知 

•  剛    度:

EI , EA 

•  勁    度:

3

EA L EI L

=

5

S

k

EI L

=

 

•  外    力:

↓,  

(2)待求 

•  勁度矩陣:

[ ]

2 2

K

×

[ ]

1 1

K

×

 

•  變  位:

B

∆    

(3)方法 

•    直接勁度法 

(4)思路 

•(結構型式)→(勁度矩陣) 
•(外力)→(變位) 

 
 

問題剖析 

題目中所謂「鉸接處使用一螺
旋彈簧連結」這句話是不精確
的,應該說「

B 點梁端有螺旋

彈簧連結」才是正確的描述,
因為鉸接點的左右轉角不同,
必須清楚說明彈簧在哪一側才
是對的。

 

Key

 

 

background image

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   實   力   文   教   機   構 

~ 9 ~

 

 

(1)準備工作 

•  設定座標 

題目已給定

,

r R

座標,可得外力矩陣

 

1

2

R

P

R

M

   

=

   

 

 

 

(2)(結構型式)→(勁度矩陣)   

•  依據勁度係數的定義 

a:令

1

1

= ,

2

0

= ,可得 

11

3

3

3

12

12

EI EA

EI EI

K

L

L

L

L

=

+

=

+

3

13EI

L

=

 

21

2

6EI

K

L

= −

 

b:令

2

1

= ,

1

0

= ,可得 

12

2

6EI

K

L

= −

 

22

4

4

5

S

EI

EI

EI

K

k

L

L

L

=

+

=

+

9EI

L

=

 

[ ]

3

2

2 2

13

6

K

6

9

L

EI

L

L

L

×

=

 

 

(3)(外力)→(變位)   

•  依據勁度矩陣連結外力-變位關係 

[R] [K][r]

=

 

 

1

1

3

2

2

2

13

6

6

9

L

R

r

EI

R

r

L

L

L

 

 

=

 

 

 

 

 

 

1

2

3

2

13

6

EI

EI

P

r

r

L

L

=

 

(a) 

1

2

2

6

9

EI

EI

M

r

r

L

L

= −

+

 

(b) 

•  依題意,將

0

=

代入

(b)式 

1

2

2

6

9

0

EI

EI

r

r

L

L

+

=

 

2

1

2

3

r

r

L

=

 

(c) 

參考解答 

background image

110 年土木高等考試試題解答

                                                  結構學 

 

實   力   文   教   機   構 

~ 10 ~

 

(c)式代入(a)式,可得 

1

1

3

2

13

6

2

3

EI

EI

P

r

r

L

L

L

=

 

1

3

9EI

P

r

L

=

 

 

[ ]

3

1 1

9

K

EI

L

×

= 

 

 

3

1

9

PL

r

EI

=

↓)

B

=

 

 

 

※本題請參考“實力結構學《試題精選》

【P6-273

” 

 
 
 
 

Ans:(a)

[ ]

3

2

2 2

13

6

K

6

9

L

EI

L

L

L

×

=

   

(b)

[ ]

3

1 1

9

K

EI

L

×

= 

 

(c)

3

9

B

PL

EI

=

↓)

 

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