Добавил:
iliya.0727@yandex.ru Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература / А.А. Борисевич. Строительная механика. Минск, 2009

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
23.01.2020
Размер:
10.86 Mб
Скачать

 

 

 

N2

 

 

 

 

 

 

IF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q 2

 

 

 

 

H

 

У

 

 

 

 

 

 

 

*

*

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

^

y ^

M

 

 

k2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N 2

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

Рис. 25.10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

Т

Следовательно, матрица коэффициентов (матрица равновесия)

 

A =

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

размером 4*8 примет вид:

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

0

1

-

0,8

0

0

-

 

0,6

 

 

 

 

1

0

0

р

0

0

 

0,8

 

 

 

 

0

-

0,6

 

 

 

 

 

0

0

-1

0

 

0

1

0

 

 

0

 

 

 

 

0

0

0

0

 

0.6

0

0

-

 

0,8

 

 

Из уравнений

равновесия,

п дчеркнем это, усилия сдвига не ис­

ключены.

з

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

Готовим данные длятвычисления матриц внутренней жесткости

о

 

 

 

 

 

 

 

 

= 300000/12 = 25000;

вида (25.14) для стержней 1 и 2. Вычисляем ii

/'2 = 600000/15 = 40000. Затем при значениях параметров устойчивости

V1 = 0, V2 = 0 (статический расчет) и единичных значениях всех спе­

е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

циальных функций формируем по формулам (25.14) матрицы внутрен­

н й ж сткости четвертого порядка для стержней. Матрица внутренней

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ж сткостипсистемы буде квазидиагональной восьмого порядка:

 

 

 

 

 

 

G =

G1

G 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

731

 

 

 

 

 

 

75

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

G1 = 104

0

 

10

 

- 5

 

-1,25

 

 

 

 

 

 

 

0

 

- 5

 

10

 

 

1,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

 

 

 

 

 

 

0

-1,25

1,25

 

0,208333

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

80

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

G2 = 104

0

 

16

 

- 8

 

-1,60

 

Н

 

 

 

 

0

 

- 8

 

16

 

 

1,60

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

-1,60

1,60

 

0,213333

 

 

Вычисляем матрицу-произведение:

 

 

Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

75

й

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1,25

 

 

и

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,25

 

 

0

 

 

-

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2083

 

 

0

 

 

0 1

 

0

 

 

 

 

GAT = 104

 

 

 

-1,25

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 6 -

 

- 48

 

 

0

 

48

 

 

 

 

 

 

 

 

0,96

 

р-1,28

16

 

1,28

 

 

 

 

 

 

и

 

 

1,28

 

 

 

-1,28

 

 

 

 

 

 

 

 

- 0,96

 

 

- 8

 

 

 

 

 

 

 

 

-1,28

 

0,1707

 

,6 1-

- 0,1707

 

 

 

о

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Затем вычисляем матрицу внешней жесткости полурамы:

 

 

п

з51,4851

 

 

38,2976

- 0,2900

- 38,2976

е

 

 

 

38,2976

103,9365

-1,2800

- 28,9365

R = A G A T = 104

- 0,2900

 

-1,2800

26,0000

1,2800

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 38,2976

- 28,9365

1,2800

 

28,9365

 

 

 

 

 

 

ешаем систему уравнений:

R V = F ,

732

и находим:

 

 

 

 

 

V = 10-4 •[-1377,05

- 20,0000 75,8065

-1871,81].

 

И, наконец, вычисляем вектор внутренних сил:

 

 

У

 

S = GATV =

 

 

 

 

 

 

= [-1500 2100 -2479

-381,6

-755,3 -2 4 7 9

3086 371,0]’

откуда выбираем сжимающие продольные силы:

Н

 

N 1 = -1500 кН;N 2

Б

Т

= -755,3 кН.

 

Для дальнейшего расчета на устойчивость придется формиро­ вать для стержней с учетом специальных трансцендентных функ­

ций матрицы внутренней жесткости вида:

 

 

 

75

 

 

0

 

 

и

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

G1 = 104

0

 

10p2(v1)

р

й- 1,25^4 (V1)

0

 

 

 

- 5 3(^1)

 

1,25^4 (V1)

 

 

-

 

о

10^2 (v1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

- 1,25^4 (v1)

1,25^4 (v1)

 

0,208333п2(V1)

 

80

и

 

 

 

0

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

- 8^>3 (v2)

 

- 1,60^4 (v2)

G2 = 104

0

 

16p2(v2)т

 

 

 

0

 

- 8<Р3(v2)

 

 

16p2(v2)

 

1,60^4 (v2)

 

 

 

 

 

п

0

-1,60^4 (V2)

1,60^4 (V2 )

0,213333П2(^2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычисляем безразмерные параметры, соответствующие найден­

е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ному уровнюородольных сил:

 

 

 

 

 

 

V1 = 12.

I 1500

 

= 0,8485;

 

V2 = 15.

I

755,3 = 0,5322.

 

300000

 

 

 

 

 

 

 

600000

Вычисляем значения соответствующих специальных трансцен­

Рдентных функций:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

733

 

 

 

p V )

= 0,9758;

 

р

^

)

= 0,9905;

 

 

 

 

 

 

p ( v )

= 1,0123;

 

р

^

)

= 1,0048;

 

 

 

 

 

 

(рл (ух) = 0,9879;

 

р

^

)

= 0,9953;

 

 

У

 

 

 

П2(^1) = 0,9279;

 

/72V 2) = 0,9717,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и формируем с их учетом матрицы внутренней жесткости стержней:

 

 

 

 

 

75

 

 

0

 

 

 

0

 

0

Н

 

 

 

G1 = 104

0

 

9,758

 

 

-

5,062

-1,2349

Т

 

 

0

 

- 5,062

 

9,758

1,2349

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

-1,2349

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,2349

0,19331

 

 

 

 

 

 

 

“80

 

0

 

 

 

0

 

Б0

 

 

 

 

 

 

0

 

15,848

 

- 8,038

-1,5925

 

 

 

 

G2 = 104

 

 

 

рицу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

- 8,038

 

15,848

1,5925

 

 

 

 

 

 

 

0

 

оG1

и1,5925

0,2073

 

 

 

 

 

 

 

 

-1,5925

 

 

 

 

 

 

 

т

 

внутренней жесткости полурамы:

 

Затем образуем блочную ма

 

 

 

 

 

з

 

 

G =

 

 

 

G2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и вычисляем матрицуивнешней жесткости полурамы:

 

 

 

 

п

 

 

"

51,47

 

 

38,30

-

0,2794

 

- 38,30

 

е

оT

 

 

 

 

 

4 О

 

38,30

 

103,933

-1,2740

 

- 28,93

 

 

 

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

- 0,2794

-1,2740

 

25,61

 

1,2740

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 38,30

- 28,93

 

1,2740

 

28,9365

 

 

Приводим матрицу внешней жесткости прямым ходом по Гауссу

к верхнему треугольному виду (можно было бы разложить и на симметричные треугольные множители):

734

51,47

38,30

- 0,2794

- 38,30

0

75,43

-1,0661

- 0,4310

0

0

25,59

1,0600

0

0

0

0,3845

После прямого хода по Гауссу на главной диагонали треуголь­ ной матрицы находятся положительные элементы. Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

при заданном уровне нагрузок никакие симметричные малые воз­У

мущения не могут вызвать потерю устойчивости равновесия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

 

Проверяем устойчивость рамы при кососимметричных возмуще­Т

ниях. Составляем уравнения равновесия для полурамы, модели­

рующей кососимметричные деформации (рис. 25.9). Вырезаем узлы

 

 

 

 

 

 

 

 

й

(рис. 25.11) и получаем пять уравнений равновесия по направлени­

ям возможных упругих перемещений. Три уравнения, как и раньше,

 

 

 

 

 

 

 

и

 

для узла 2 и два уравнения для узла 3:

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

N2

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

Р

п

 

 

 

Рис. 25.11

 

 

еМатрица равновесия при кососимметричных деформациях

примет вид:

735

0

0

0

1

-

0,8

0

0

- 0,6

1 0

0

0

-

0,6

0

0

0,8

А = 0

0 -1

0

 

0

1

0

0

0

0

0

0

 

0,8

0

0

0,6

0

0

0

0

 

0

0

-1

0

Выполнив построение матрицы внешней жесткости второй по-

лурамы по прежней формуле:

 

 

 

 

У

 

 

 

Т

 

R

= A G A T

 

 

 

 

 

и, приведя ее прямым ходом по Гауссу к треугольному виду, получим:

 

 

 

 

 

Н

 

 

38,30 - 0,2794

- 51,270Б0,9550

 

 

75,43

-1,066

- 0,1438

-1,985

 

R u

 

25,59

й

8,015

 

 

-1,236

 

 

 

 

и0,1326

0,3800

 

 

 

р

 

12,18

 

 

 

 

 

 

И при кососимме ричных возмущениях равновесие рамы при за­

данном уровне

о

 

 

 

 

ос ае ся устойчивым.

 

 

 

т

 

 

 

 

 

Чтобы определ ть кр тическую нагрузку, необходимо выпол­

нить ее

допуст м, методом половинного деления или мето­

дом подб ра.

и

 

 

 

 

 

О ределимнагрузокприближенное значение критической продольной

силы в ст йках по формуле Эйлера, предположив, что ригель явля­

тся дляпоиск,стоек «плавающим» защемлением:

 

 

п

 

 

 

 

 

 

Njp = п 2E I1 / L2 = 3.14162 • 300000/122 = 20561 кН.

 

е

 

 

 

 

 

 

Таким образом, заведомо завышенное критическое сжимающее

Русилие в стойке более чем в

к = 20561/1500« 13 раз превосходит

(по модулю) номинальное усилие.

736

Повторяем расчет на устойчивость при 10-кратных продольных силах = 10):

N 1 = -1 5 0 0 -10 = -15000 кН,

N 2 = -755.3 -10 = -7553 кН.

При таких продольных силах рама неустойчива, так как при ко­

 

 

 

 

 

 

 

Н

сосимметричных деформациях на главной диагонали матрицыУ

внешней жесткости, приведенной к треугольному виду, появился

отрицательный элемент.

 

 

 

Б

Т

Уменьшаем продольные силы, приняв к = 8, и еще раз выполня­

ем расчет на устойчивость. Отрицательных чисел на главной диаго­

 

 

 

 

 

 

й

 

нали треугольного сомножителя нет. Рама устойчива при восьми­

кратном превышении заданной нагрузки.

 

 

 

 

 

 

 

деления,

последовательно на­

Применяя методику половинного

 

ходим критическое значение коэфф ц

ента ксг = 9,10.

 

Подобным образом можно найти к

т ческую нагрузку с заданной

ределения крит ческ

х

нагрузок зависит от конкретного про­

точностью, изменяя не только значения продольных внутренних сил,

но и значения и расположение внешних нагрузок. В последнем случае

придется при каждой попы ке пррв дить и статический расчет.

 

 

вышеизл

женн г , трудоемкость и точность оп­

Как следует из

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

граммного обеспечентя умения пользователя использовать пре­

имущества компьютерных технологий на основе численных мето­

дов и существующего прикладного программного обеспечения.

Выше

25.4. Матрица внутренней жесткости

 

 

 

растянутого стержня

 

 

о

 

 

 

потмечалось, что растягивающие продольные усилия в эле­

м нтах д формируемой системы повышают ее мгновенную жесткость.

Во многих случаях этим повышением пренебрегают, что идет в запас

жесткости и устойчивости. При необходимости влияние растягиваю­

Рщих сил на деформации изгиба и общую жесткость сооружения также

может быть учтено, особенно при компьютерной реализации вычисле­

737

ний. Для этого достаточно ввести специальные функции для растяну­ тых стержней, которые будут использованы при формировании мат­ риц внутренней жесткости растянутых стержней.

 

Основное отличие формального учета растягивающих внутрен­

них сил от соответствующего учета сжимающих внутренних сил

состоит в том, что безразмерный параметр v

 

 

У

(25.13) для растянуто­

го стержня становится мнимой величиной. Поэтому введем новое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

обозначение соответствующего безразмерного параметра для рас­

тянутых стержней:

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(N > 0).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б

(25.19)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На основании (25.19) и (25.13) будем иметь следующие соотно­

шения (здесь i - мнимая единица):

 

й

 

 

 

v = iy; v2 = - у 2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

sin(i'Y) = ish(y); tg(iy) = ith(y) . (25.20)

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

Учитывая соотношения (25.20), вместо специальных безразмер­

ных функций безразмерного па амет а v

для сжатых стержней

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

легко получить соответствующие без азмерные функции безраз­

мерного параметра у уже для астянутых стержней:

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

738

Полученные в предыдущем разделе формулы для вычисления “единичных” реакций и построения матриц внутренней жесткости для сжатых стержней полностью применимы и для построения мат­ риц внутренней жесткости растянутых стержней, при условии за­

мены параметра v

(25.13) на параметр у (25.19) и специальных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

функций (25.2) на специальные функции (25.21). При компьютер­

ной реализации учет влияния растягивающих усилий на жесткость

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

стержневой системы в деформированном состоянии ничуть не

сложнее учета сжимающих усилий. Вычислительные затраты при­

мерно одинаковы.

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25.5.

Матрица внешней жесткости

 

 

 

 

сжатого стержня как конечного элемента

 

 

 

При

 

 

 

 

 

требуемой

 

 

 

компьютерной реализации расчетов деформируемых

 

 

 

 

 

 

и

Бматрицы мгно­

систем на устойчивость построение

 

венной жесткости сооружения в сследуемом состоянии равно­

весия может быть выполнено с помощью метода конечных эле­

ментов. Для построения общей мат

цы мгновенной жесткости

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

всего сооружения достаточно уметь построить в местных сис­

темах координат матрицы мгн венной жесткости отдельных ко­

нечных

элементов. Разумее рся, компоненты соответствующих

матриц мгновенной жес к с и д лжны учитывать наличие, по

крайней мере, вну ренн х сжимающих сил в элементах соору­

 

 

 

з

с помощью таблиц реакций сжа­

жения. Это легко выполняетсят

тых стержней (табл. 25.1) и таблиц специальных трансцендент­

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

ных функций (табл.и25.2), рассмотренных ранее.

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассм трим сжатый стержневой конечный элемент с жесткими

узлами (рис. 25.12), отнесенный к местной системе координат.

 

е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

739

Вектор приращений узловых реакций R шестого порядка связан

с соответствующим вектором узловых перемещений Z с помощью матрицы мгновенной жесткости K также шестого порядка:

R = K Z .

(25.22)

Матрица мгновенной жесткости К является матрицей внешней же­

сткости рассматриваемого сжатого стержневого конечного элемента в

местной системе координат. Ее компоненты, единичные реакции в

опорных связях, вызванные поочередным единичным смещениемУка­

ждой опорной связи, зависят также от сжимающей продольной силы в

элементе. Значения единичных реакций легко определяютсяТс помо­

щью табл. 25.1 по методике, примененной в разделах 25.3. В соответ­

ствии с направлением узловых реакций (рис. 25.12), определяющих

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

также и направление узловых перемещений, матрица мгновенной же­

сткости рассматриваемого стержневого конечного элемента в местной

системе координат примет вид:

 

 

 

 

 

Б

 

р

й

 

 

 

 

EA

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

EA

 

0

 

 

L

 

 

 

 

L

 

 

0

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

0

12i

( )

61

( )

 

 

и12i ( )

6i

( )

 

 

-L7 V2( v )

L n ( v )

 

 

0

L7 П2(v)

L n ( v )

 

 

 

 

 

 

 

 

0

6i

( )

 

 

 

 

0

 

6i

( )

2iP3{v)

(25.23)

 

 

и

 

 

 

- j

^4(v)

 

 

j Ф4 (v)

4i% (v)

 

 

 

K =

 

 

 

 

 

EA

 

 

 

 

 

 

 

EA

0

 

 

0

 

 

 

0

 

0

 

 

~L

 

 

т

 

~L

12i

( )

 

 

 

 

0

!2i

( )

6i

( )

 

0

6i

( )

 

 

---- Т П2(v)

- j

^4(v)

 

- 7 V2(v)

- j

^4(v)

 

 

 

L2

 

 

 

 

 

 

L

2

 

 

 

 

 

п

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

6i

 

 

 

 

0

 

6i

( )

4i% (v)

 

 

з

2i^3(v)

 

 

 

 

 

 

j Ф4

(v)

 

 

 

- j

0>4(v)

 

 

 

Р

гд , какобычно, введены обозначения:

 

 

 

 

 

 

 

i. = -E J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е

 

 

 

 

v = L

М

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

E J

 

 

 

Аналогично могут быть получены матрицы мгновенной жестко­ сти для стержневых конечных элементов с другими опорными за­ креплениями (рис. 25.13, 25.14).

740