專技高考-建築師建築結構113 年第 17 題單選題
圖示之二懸臂梁,短梁與長梁於a點之垂直變位量分別為Δ1與Δ2,兩者關係可表示為Δ1=βΔ2,則β為何?
B正確答案
懸臂梁自由端撓度公式 δ=PL³/3EI,長梁剛度(EI)加倍、長度加倍,撓度為短梁的4倍,故β=1/4。
為什麼答案是 B
短梁Δ1=PL³/3EI,長梁Δ2=P(2L)³/3(2EI)=8PL³/6EI=4PL³/3EI,故Δ1/Δ2=(PL³/3EI)/(4PL³/3EI)=1/4,β=1/4。
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完整詳解
Pro · 無限重點 懸臂梁自由端撓度公式 δ=PL³/3EI,長梁剛度(EI)加倍、長度加倍,撓度為短梁的4倍,故β=1/4。
撓度∝L³/EI;長梁L→2L、EI→2EI,比值=(2L)³/(2EI) ÷ L³/EI = 8/2 = 4,故Δ1=(1/4)Δ2,β=1/4。
逐選項分析
A✕ 陷阱
只考慮長度比2倍或剛度比2倍其中一個因素,忽略L³次方關係,得到1/2是常見錯誤。撓度對長度是三次方關係,不能線性換算。
B✓ 正確
短梁Δ1=PL³/3EI,長梁Δ2=P(2L)³/3(2EI)=8PL³/6EI=4PL³/3EI,故Δ1/Δ2=(PL³/3EI)/(4PL³/3EI)=1/4,β=1/4。
C✕
1/6無法由標準懸臂梁撓度公式推導得出,屬干擾選項,可直接排除。
D✕ 陷阱
若忽略長梁EI=2EI的條件,只算長度比:(2L)³/L³=8,得β=1/8。此為忽略剛度變化的典型陷阱。
懸臂梁自由端撓度比較
| 參數 | 短梁(上圖) | 長梁(下圖) | 比值(長/短) |
|---|
| 集中載重 | P | P | 1 |
| 梁長 | L | 2L | 2 |
| 抗彎剛度 | EI | 2EI | 2 |
| 撓度公式 | PL³/3EI | P(2L)³/3(2EI) | - |
| 撓度值 | PL³/3EI | 4PL³/3EI | 4 |
| β = Δ1/Δ2 | — | — | 1/4 |
本題最大陷阱有兩個:①忘記撓度對梁長是三次方關係而非一次方,易誤選A(1/2);②記得L³但忘記長梁的EI也同步加倍為2EI,未抵消後易誤選D(1/8)。必須同時代入L→2L與EI→2EI才能得到正確比值4,故β=1/4。