
- •1.1. Расчётная схема сооружения ( конструкции ),
- •1 34 .2. Общие свойства статически определимых систем
- •1.3. Методы определения силовых факторов в статически определимых системах
- •1 .3.1. Статический метод
- •Основные правила построения и проверки эпюр m и q
- •Эпюры m и q в простых балках от типовых нагрузок
- •1 51 .3.2. Кинематический метод
- •1.3.3. Понятие об энергетическом методе
- •1.4. Расчёты на временные нагрузки с помощью л 57 иний влияния
- •1 58 .4.1. Задачи расчёта на действие временных нагрузок
- •1 72 .4.3. Учёт узловой передачи нагрузки
- •1.4.4. Определение силовых факторов
- •73 Загружением линий влияния
- •1 .4.5. Расчётные усилия, объемлющие эпюры
- •1.5. Перемещения в статически определимых линейно деформируемых системах
- •1.6. Контрольные вопросы по материалу главы 1
- •2. Индивидуальные задания по расчёту плоских стержневых статически определимых систем
- •2.1. Общие методические указания по выполнению расчётных заданий
- •2.2. Расчёт многопролётной статически определимой балки
- •2 12.2 .2.1. Общие сведения
- •22.2 Кинематический анализ и рабочая схема мсоб
- •0 0 0 A /3 Типовая часть л.В.
- •2.2.2. Содержание задания
- •2.2.3. Варианты исходных данных
- •2.2.4. Пример выполнения расчёта многопролётной балки
- •Объемлющая эпюра м
- •2.2.5. Контрольные вопросы по теме 2.2
- •2.3. Расчёт плоской статически определимой фермы
- •2 12.3 .3.1. Общие сведения
- •1Б) загруженный по направлению
- •2Б) загруженный
- •3. Четырёхстержневой
- •0 Левая прямая л.В. N7
- •2.3.2. Содержание задания
- •2.3.4. Пример выполнения расчёта
2.2.4. Пример выполнения расчёта многопролётной балки
Р
F1
F2
F3
F
q
F
p
a
/2
a
/4
M
1
a
a
a
a
2a
a
a
A
a/2
a/2
Рис. 2.9
a = 2 м; F = 15 кН; M = 16 кН∙м; q = 12 кН /м;
p = 10 кН /м; F1 = 8 кН; F2 = 12 кН; F3 = 10 кН .
Кинематический анализ расчётной схемы
а
D1
D2
D3
D4
H1
H2
H3
с
K
D
«з е м л я»
= 4,
H
= 3,
С
= 0,
С
Рис. 2.10
W = 3D – 2H – C – C0 = 3∙4 – 2∙3 – 0 – 6 = 0 – условие ( 1.1 ) выполне-
но, следовательно, система может быть геометрически неизменяемой; дополнительно: условие ( 2.1 ) также выполняется: 6 = 4 + 2 ;
б) структурный анализ расчётной схемы:
так как ни у одного диска нет трёх связей с диском «земля» ( рис. 2.10 ), то рассматривать соединение двух дисков типовым способом ( рис. 1.2, б, в ) невозможно; поэтому пытаемся применить приём соединения трёх дисков – в схеме балки можно усмотреть соединение дисков D3 , D4 и «земля» с помощью трёх пар связей первого типа ( по рис. 1.2, г ) – двух параллельных опорных связей между «землёй» и D3 , двух в виде неподвижной шар-нирной опоры диска D4 и двух в виде цилиндрического шарнира, связывающего диски D3 и D4 , причём три точки попарного пересечения осевых линий связей не располагаются на одной прямой ( первая – бесконечно удалённая по вертикали, а две остальных – на горизонтальной оси балки ), следовательно, связи наложены правильно, и, поскольку один из соединяемых дисков – это «земля», в результате получается геометрически неизменяемая система ГНС1 = DI = D3 + D4 + «земля», которая далее таким же способом соединяется с дисками D1 и D2 : DII = DI + D1 + D2 без дефектов в расположении связей*); результат – геометрически неизменяемая система ( за-
д
*)
Второй шаг синтеза системы можно
истолковать по-другому:
как присоединение диска D1
к
ГНС1
с
помощью
трёх
линейных
связей
(по
спо-собу
рис.
1.2,
б
),
если
диск D2
считать
связью.
анная
балка ).
Дополнительно: взаимное распо-
ложение опор и шарниров удовлетворя-
ет требованиям, изложенным на с. 48.
Вывод: рассматриваемая балка геометрически неизменяема и статически определима ( W = 0 ).
Рабочая схема балки
ВЧ1
ВЧ2
ные и втор
УГЧ2
УГЧ1
с ти на разн ых уровнях
(
см.
с.
49
),
Рис. 2.11
чую схему балки ( рис. 2.11 ).
Расчёт МСОБ на действие постоянной нагрузки
Показываем на рабочей схеме балки заданную постоянную нагрузку, компоненты которой – q , M и две одинаковых силы F ( рис. 2.12, а ); освобождаем балочные части системы ( главные и второстепенные ) от внешних ( с «землёй» ) и внутренних ( между стержнями ) связей, взамен которых прикладываем их реакции ( рис. 2.12, б, в, г, д ), следя за тем, чтобы одноимённые реакции, действующие на соединявшиеся в шарнире части, были изображены противоположно направленными. Силу F, показанную на исходной схеме ( рис. 2.9 ) приложенной к шарниру с, следует сместить на dx в любую сторону – влево или вправо, вследствие чего она оказывается на одной из частей балки ( здесь выбрано – на УГЧ1 ). Смещать точку приложения сосредоточенного момента M нельзя – в решаемой задаче она оказывается на левом конце ВЧ2 .
q
= 12 кН
/м
F
=
15 кН
M
= 16
кН∙м
y
1
K
c
d
e
УГЧ2
УГЧ1
ВЧ1
ВЧ2
F
A
B
P
2 м
2
2
1
2
2
1
4
2
F
=
15 кН
c
d
q
= 12 кН
/м
M
= 16
кН∙м
ВЧ1
K
e
ВЧ2
VK
Ve
Vd
Vc
2
2
4
2
Vc
=
Vd
=
7,5
кН
VK
=
50
кН,
Ve
= 22
кН
24
16
MeK
Mcd
24
22
7,5
15
MeK
Qcd
11/6
м
26
7,5
УГЧ1
Vc
=
7,5
кН
Vd
=
7,5
кН
Ve
=
22
кН
MP
УГЧ2
c
d
e
A
B
F
=
15 кН
P
VP
VB
VA
2
1
4
1
VB
= 25,625
кН,
VA
=
3,875
кН
45
Mde
22
MPc
7,5
MP
=
= –
45
кН∙м,
VP
=
22,5
кН
22,5
22
QPc
Qde
7,5
3,625
24
22
45
26
16
7,5
M
(
кН∙м
)
14,75
24
0
0
0
0
22
7,5
15
22,5
Q
(
кН
)
0
3,625
0
7,5
Рис. 2.12
Расчёт составной системы следует начинать с самой второстепенной части, но в данной балке части ВЧ1 и ВЧ2 – равносильные, поэтому определять реакции их связей можно в любом порядке. В части cd ( ВЧ1 ) силовые факторы находятся как в типовой балке ( см. табл. 1.2 ). Для ВЧ2 два основных уравнения равновесия позволяют вычислить Ve и VK :
122.2
Третье
уравнение
даёт
He
= HK
(
на схеме
не показаны, так как они заведомо равны
нулю – см. с. 50
).
122.2
Полученные поэлементно эпюры ( рис. 2.12, б – д ) объединяются – рис. 2.12, е, ж. Указание: в пределах общей эпюры нужно строго выдерживать масштаб изображения ординат.
В заключение следует выполнить статическую проверку результатов расчёта. Качественно – оцениваем очертание эпюр M и Q на разных грузовых участках ( прямые или криволинейные ) и соответствие их особенностей ( изломов и разрывов ) вне-шним сосредоточенным воздействиям (нагрузкам в виде сил F и момента M, а также реакциям внешних связей – MP , VP , VA , VB , VK ), руководствуясь правилами, изложенным в табл. 1.1. Количественно – проверяем равновесие балки в целом ( рис. 2.13 ):
F
MP
=
= –
45 кН∙м
q
= 12 кН
/м
F
=
15 кН
M
= 16
кН∙м
P
VK
= 50
кН
VP
= 22,5 кН
VB
= 25,625
кН,
VA
=
3,875
кН
2
2
3
4
2
1
4
Рис. 2.13
Альтернативой выполненному выше расчёту, построенному на использовании особенностей работы составных систем с главными и второстепенными частями, является формирование полной системы уравнений статики по общему конечно-элемен-тному алгоритму, изложенному в п. 1.3.1 ( с. 12 – 18 ). Для балки при вертикальной нагрузке размеры матриц коэффициентов и свободных членов системы уравнений равновесия могут быть существенно уменьшены вследствие того, что в вектор усилий в концевых сечениях не нужно включать равные нулю продольные силы, сохранив для некоторого j-го элемента только концевые изгибающие моменты и поперечные силы:
SKj = [ Mbj Qbj Mej Qej ] Т . ( 2.2 )
( 2.3 )
Aj
Bel,
Fj
SKj
Компоненты вектора Bel, Fj – как в ( 1.7 ).
Fy,
t
M
t
Q
e,
j
–
1
t
(
M
bj
Me,
j
–
1
2.4 )
Q
bj
dx
V
t
Рис. 2.14
нагрузки.
( 2.5 ) ( 2.6 )
где M0 , Ml – опорные моменты концевых защемлений ( если есть ).
Схема нумерации элементов, их концевых сечений и узлов рассчитываемой балки приведена на рис. 2.15, а ( рабочая схема не используется ), а поэлементная и поузловая схема балки с нагрузками, концевыми усилиями и реакциями опор – на рис. 2.15, б.
1
2
3
4
5
6
7
8
2
3
4
5
6
7
1
b1
e1
b2
e21
e31
b4
e41
b5
e51
b6
e61
b7
e71
а)
b3
l2
=
4
м
F =
15
кН
F =
15
кН
M0
Qb2
Qb1
Mb1
Qe1
Me1
Mb2
Qe2
Me2
Qb3
Mb3
Qe3
Me3
Mb4
1
1
2
3
4
l1
=
2
м
2
Qb1
Qe1
3
Qe2
Qb3
Qe3
Qb4
V1
Qb2
l3
=
1
м
VA
б)
Mb4
Qe4
Qb5
Qe5
Me6
q
= 12 кН
/м
M
= 16
кН•м
Qe6
Mb7
4
l4
=
4
м
Qb4
Qe4
Me4
5
Mb5
5
Me5
7
Mb6
6
6
l6
=
4
м
Qb5
VB
l5
=
1м
Qe5
Qb6
Qe6
Qb7
VK
Qb7
q
8
Me7
7
l7
=
2
м
Mb7
Qe7
Р ис. 2.15
Общее количество искомых силовых факторов ( изгибающих моментов и поперечных сил в концевых сечениях элементов и опорных реакций ) n = 4 nel + C0 = 4∙7 + 5 = 33; вектор неизвестных
S = [ Mb1 Qb1 Me1 Qe1 … Me7 Qe7 M0 V1 VA VB VK ] Т. Число уравнений 1-й группы ( равновесия элементов ) – 2 nel = 2∙7 = 14; 2-й группы ( равновесия узлов ) – 2 nu = 2∙8 = 16; уравнений 3-й группы (см. с. 14, 17 ) должно быть 2 ( nel – nu ) + С0 = 3 ( 7 – 8 ) + 5 = 3.
Формируем поблочно матрицу коэффициентов уравнений ( 1.4 ): а) для элементов Ael = diag [ A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 ], где
A1
=
A7
=
;
A2
=
A4
=
A6
=
;
A3
=
A5
=
;
1
2
3
4
5
7
6
(14×28)
1
2
3
4
5
7
6
(16×33)
8
б) для узлов ( по
формулам ( 2.4)
– ( 2.6)):
Au=
По формулам
( 1.7
) для
элементов (
без второй
строки )
и ( 2.4
) – (
2.6
) для узлов
составляем вектор свободных членов
уравнений равновесия: BF
=
[
0
0 0 ]
т,
где
Bel,
F
= [ 0
0 – 30
– 15
0 0 0 0 0 0 – 96
– 48
– 24
– 24
]
т
;
1
2
3
4 5
6
7
Bu,
F
= [ 0
0 0 – 15
0 0
0 0 16
0
0 0 0 0 0 0
]
т.
1
2
3
4
5 6
7 8
Легко заметить, что матрицы Ael и Au имеют регулярную структуру ( за исключением последнего блока Au , отражающего особенности расположения опор).
Уравнения 3-й группы ( их три – см. с. 60 ) выражают равенство нулю одного из моментов в сечениях слева и справа от каждого из шарниров. Принимаем Me1 = 0, Me2 = 0, Me5 = 0. Возможны другие варианты – с «обнулением» Mb2 и Mb3 . Нельзя лишь задавать Mb6 = 0, так как к узлу 5 отнесён заданный сосредоточенный момент справа от шарнира. Матрица коэффициентов этих уравнений:
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
(3×28)
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Решив
полную
систему
уравнений
равновесия
(
1.4
) с матрицей
коэффициентов, скомпонованной из
составленных выше блоков (
для этого
можно использовать любую компьютерную
программу
решения
СЛАУ,
в
частности,
Excel
),
находим
искомый
вектор силовых факторов S
=
–
A
–1
BF
=
[ –
45
22,5
0
22,5
0
7,5
15 7,5 15 –7,5 0 –7,5 0 –7,5 –7,5 –7,5 –7,5 –3,625 –22 –3,625 –22 22 –24 –26 –24 24 0 0 – 45 22,5 3,875 25,625 50 ], что в точности совпадает с результатами, полученными в другом варианте расчёта.
П
192.2
Опора А и сечение 1 находятся на главной части ( УГЧ2 ) – см. рис. 2.11, следовательно, искомые VA , M1 и Q1 будут отличными от 0 при расположении единичного подвижного груза F = 1 как на самóй УГЧ2 , так и на обеих соседних с ней второстепенных частях ВЧ1 и ВЧ2 – в пределах этих трёх частей и строятся все три линии влияния. Когда груз F = 1 переходит на главную часть УГЧ1, никаких усилий в УГЧ2 не возникает – на всех линиях влияния в пределах УГЧ1 получаются участки с нулевыми ординатами.
Действуем согласно рекомендациям, изложенным на с. 51.
В пределах части, которой принадлежит опора А и сечение 1, независимо от того, главная это часть или второстепенная, линии влияния строятся как типовые (см. рис. 2.7 ). Вправо каждая Л.В. достраивается как прямая, соединяющая конец ординаты под шарниром e и 0 под опорой K, так как при расположении единичной силы F = 1 над этой опорой все усилия в балке, в том числе M1 и Q1 , и реакции опор, кроме VK , равны 0, т. е. и VA = 0 – поэтому на всех Л.В. под опорой K получается 0. Влево от типовой части ( от шарнира d ) – также прямая c 0 под концом главной части УГЧ1 . Результат – построенные Л.В. VA , M1 и Q1 – приведены на рис. 2.16, б – г .
Используем линии влияния для вычисления VA , M1 и Q1 :
1) определение силовых факторов от постоянной нагрузки ( рис. 2.16, д ) загружением Л.В., по формуле ( 1.24 ):
VA = 15 кН ∙ 0,625 + (–16 кН ∙ м ) ∙ 0,25/(4 м) +
+ 12 кН/м ∙ 0,5(–0,25+0,125) ∙ 6 м = 3,875 кН;
M1 = 15 кН ∙ (–0,25 м ) + (–16 кН ∙ м ) ∙ 0,5 м/(4 м) +
+ 12 кН/м ∙ 0,5(–0,5+0,25) м ∙ 6 м = –14,75 кН ∙ м;
Q1 = 15 кН ∙ 0,125 + (–16 кН ∙ м ) • 0,25/(4 м) +
+ 12 кН/м ∙ 0,5(–0,25+0,125) ∙ 6 м = –3,625 кН.
F
=
1
1
K
c
d
e
УГЧ2
УГЧ1
ВЧ1
ВЧ2
A
B
P
F
=
15 кН
2
2
2
1
a
=
2
м
1
4
2
b
=
2
м
l
=
a
+
b
=
4
м
1
1,25
0,625
Л.В. VA
0,125
0
0,25
0
0
ab/l
=
1
м
Л.В. M1
(м)
0,25
0
0
0
0
Л.В. Q1
0,125
0,5
0,25
0,5
0,5
0,125
0,25
0,25
0
0
0
0
q
= 12 кН
/м
0,5
F
д)
M
= 16
кН•м
p
= 10
кН /м
p
p
е)
Загружения на
p
p
p
p
p
ж)
p
p
p
p
з)
Р ис. 2.16
2) на рис. 2.16, е – з показаны схемы невыгоднейших (опасных) расположений временной распределённой нагрузки р, которая может иметь произвольные разрывы, при отыскании экстремальных (максимальных и минимальных ) значений VA ( рис. 2.16, е ), M1 ( рис. 2.16, ж ), Q1 ( рис. 2.16, з).
Согласно рис. 1.23, в,
3) определение экстремальных значений VA , M1 и Q1 от под-вижной системы сосредоточенных сил:
в случае линии влияния с треугольными участками для отыскания критического груза, характеризующего опасное положение нагрузки, применяем аналитический критерий (1.26) и его графический аналог ( рис. 1.24). На рис. 2.17 показаны опасные загружения для VA . При выявлении первого критического груза используем характеристики системы сил и положительной треугольной части Л.В. VA : ( a /l )+ F = (4/9) ∙ 30 = 13,33 кН , а второго – отрицательной : ( a /l )– F = (1/5) ∙ 30 = 6 кН .
Загружение
на VA,
max
Загружение
на VA,
min
F1
F3
Fcr=F2
F3
F2
Fcr=F1
F1=
8
кН
F2=
12
кН
F3=
10
кН
8
< 13,33
8
+
12
> 13,33
0
< 6
0 +
8
> 6
а
1,25
0,9375
1,125
0,5
1
)
Л.В. VA
0
0
б
0,25
0
0,15625
F1
F2
F3
0,1875
Fcr
//
1
4
5
4
м
Рис. 2.17
На рис. 2.17, б дан также графический приём обнаружения критического груза. Напоминание: размеры Л.В. и векторы сил нужно изображать с соблюдением пропорций.
Вычислив необходимые дополнительные ординаты Л.В., находим:
= – 5,8125 кН.
Определение экстремальных значений изгибающего момента M1 поясняет рис. 2.18. Из-за наличия двух отрицательных частей Л.В. M1 с одинаковыми ординатами вершин приходится вычислять два локальных минимума, из которых затем выбираем больший по абсолютной величине:
Загружение
на M1,
max
Загружение 2
на M1,
min
Загружение 1
на M1,
min
F3
F2
F3
Fcr=F2
F3
F2
Fcr=F1
F1
F1
20
< 24
20
+
12
> 24
0
< 6
0 +
8
> 6
1
Л.В. M1
(м)
0,5
0,75
( a /l
)– F
=
=
(4/5)
∙ 30
=
24
кН
0
0
0
0
F1
F3
1
4
4
м
0,3125
0,3125
0,5
0,5
F2
Fcr
//
0,375
0,4375
( a /l
)– F
=
=
(1/5)
∙ 30
=
6
кН
2
2
1
Рис. 2.18
F3
F1
Загружение
на Q1,
max
F2
F3
F1
F2
Загружение
на Q1,
min
0,5
0,25
Л.В. Q1
0,25
0,125
0,25
0
0
0
0,125
0,5
0,375
Рис. 2.19
Факультативное дополнение: рассмотреть загружение развёрнутой системой подвижных грузов ( F3 , F2 , F1 ).
Определение расчётных изгибающих моментов
и соответствующих им поперечных сил.
Построение объемлющей эпюры M
На участке, заданном для построения объемлющей эпюры M ( см. рис. 2.9 ), в соответствии с алгоритмом, описанным на с. 34 – 35, намечаем расчётные сечения с шагом a /2 = 1 м ( рис. 2.20 ), для каждого из которых строим линию влияния изгибающего момента. Целесообразно при этом использовать типовые Л.В. ( рис. 2.7 ) и стандартные приёмы ( см. с. 51 ). В качестве методического дополнения на примере Л.В. M3 показано применение кинематического метода ( алгоритм – на с. 30 – 31 ). Обратим вни-мание на то, что эпюру F можно и не строить, так как распределение возможных перемещений по длине балки уже достаточно отчётливо представлено на схеме системы с удалённой связью (пунктирная линия на рис. 2.20, б ). Отметим также, что для перехода от F к линии влияния фактора S путём деления характерных ординат F , выраженных через S , на этот параметр ( с изменением знака ), согласно основной формуле ( 1.23 ), нет необходимости задавать, как это иногда делается, условие S = 1, противоречащее смыслу виртуального перемещения.
На рис. 2.20 представлены опасные положения временных нагрузок и соответствующие результаты загружения линий вли-яния. Л.В. М1 и её загружения рассмотрены ранее ( см. рис. 2.16 и 2.18 ). Схемы невыгоднейших положений нагрузки р для моментов М1 , М3 и М4 – одинаковые ( по рис. 2.16, ж ).
временными
нагрузками следует анализировать по
всей длине балки.
2 3 1
4 5 6
2 м
4
4
2
1
1
1
A
e
F
=
1
1
1
1
p
= 10
кН /м
F3
F1
F2
Л.В. M2
(м)
1
0,625
0,875
3
м
∙
S
S
>
0
¾
м
∙
S
F
=
1
S
1м
∙
S
/4
F
>
0
M3
¾
м
∙
S
Эпюра F
0
0
0
0
¾
м
∙
S
0,75
0,5
0,375
0
0
0
Л.В. M3
(м)
0,125
0
0,25
(a
/l
)+
F
=
=
7,5 кН
0,46875
0,75
0,65625
F3
F1
F2
F3
F1
F2
0,75
0,46875
Л.В. M4
(м)
0,375
0,375
0
0
0
0
(a
/l
)+
F
=
=
22,5 кН
0,75
0,25
0,46875
F1
F2
0,5625
F3
F3
F1
F2
Л.В. M5
(м)
0,5
p
= 10
кН /м
0
0,375
0
0,75
0,625
0,125
F1
F2
F3
F1
F2
F3
1
Л.В. M6
67
Рис. 2.20
0
Найденные экстремальные значения изгибающих моментов от двух временных нагрузок используем для вычисления расчётных моментов
– (
2.7
)
это удобно делать в табличной форме ( все моменты – в кН∙м ):
№ сече- ния ( j ) |
Момент от посто- янной на- грузки Mj,const*) |
Моменты от временных нагрузок |
Расчётные моменты |
||||
распределённой p |
подвижной F1+ F2 + F3 |
||||||
|
|
|
|
|
|
||
2 |
–7,5 |
0 |
–25 |
0 |
–25,5 |
–7,5 |
–58 |
3 |
–11,125 |
16,25 |
–25 |
15,75 |
–19,125 |
20,875 |
–55,25 |
1 |
–14,75 |
22,5 |
–25 |
23,5 |
–12,75 |
31,25 |
–52,5 |
4 |
–18,375 |
18,75 |
–25 |
16,125 |
–17,438 |
16,5 |
–60,813 |
5 |
–22 |
5 |
–25 |
10,5 |
–23,25 |
–6,5 |
–70,25 |
6 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
*) По эпюре, представленной на рис. 2.12.
2 3
1 4
5
6
Эпюра расчётных
изгибающих моментов (
объемлющая
эпюра М
) приведена
на рис. 2.21.
58
70,25
Mmin
Примечание:
в
действительности
ветвь
Mmax
между
опорами
не
ломаная,
как упрощённо
изображено
на
рис.
2.21,
а
состоит
из
трёх
парабол; Mmin
между 5 и 6
–
также парабола.