Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
MU_SOSS_-_SUZS-text_1.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
5.67 Mб
Скачать

2.2.4. Пример выполнения расчёта многопролётной балки

Р

F1

F2

F3

асчётная схема
( рис. 2.9 ) и исходные данные

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

) проверка выполнения необходимого условия геометрической неизменяемости системы ( 1.1 ) – количественный анализ:

с

K

огласно рис. 2.10,

D

«з е м л я»

= 4, H = 3, С = 0,

С

Рис. 2.10

0 = 6, тогда

W = 3D 2HCC0 = 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

Как следует из структурного анализа, образование балки осуществляется в несколько действий ( шагов), приводящих к по-следовательному возникновению геометрически неизменяемых систем – т. е. МСОБ является составной системой с главными и второстепенными частями ( см. с. 8 ). Но, как уже отмечалось ранее, ни у одного из элементов балки нет трёх связей с «землёй», поэтому безусловно главных частей нет ( см. с. 49 ). Тем не менее, диски D1 и D3 ( рис. 2.10 ) – условно главные части ( каждая из них соединена с «землёй» двумя вертикальными связями и может воспринимать любую вертикальную нагрузку даже при отсутствии всех других частей ). Диски D2 и D4 – независимые друг от друга второстепенные части ( они разделены условно главной частью ). Изображая глав-

ные и втор

УГЧ2

УГЧ1

остепенные ча-

с ти на разн ых уровнях

( см. с. 49 ),

Рис. 2.11

получаем рабо-

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

F = 15 кН

M = 16 кН∙м

y

1

K

c

d

e

УГЧ2

УГЧ1

ВЧ1

ВЧ2

а)

F

A

B

P

2 м

2

2

1

2

2

1

4

2

F = 15 кН

c

d

q = 12 кН

M = 16 кН∙м

б) в)

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

г) д)

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

( кНм )

14,75

24

0

0

0

0

е)

22

7,5

15

22,5

Q

( кН )

0

3,625

0

ж)

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

Найденные реакции связей второстепенных частей используются, во-первых, для определения внутренних усилий (моментов M и поперечных сил Q в этих частях – рис. 2.12, б, в ) по правилам сопротивления материалов, кратко изложенным на с. 19 и в табл. 1.1, а во-вторых, в качестве уже известных давлений второстепенных частей на менее второстепенные или, как в заданной балке, на главные ( рис. 2.12, г, д ). Главные части рассчитываются в последнюю очередь, с вычислением реакций и внутренних силовых факторов. Заметим, что в данной задаче при воздействиях на обе главные части в виде сосредоточенных сил на концах консолей эпюры M и Q можно построить без определения реакций связей – по стандартным задачам таблицы 1.2. Поперечная сила на межопорном участке ВЧ2 при этом отыскивается как размерный тангенс угла наклона эпюры M : QAB = [– 22 (– 7,5)] /4 = – 3,625 (кН).

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

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 )

Уравнения равновесия j-го элемента балки ( вместо ( 1.6 )):

( 2.3 )

Aj

Bel, Fj

SKj

Компоненты вектора Bel, Fj – как в ( 1.7 ).

Fy, t

Упрощаются также уравнения равновесия узлов: вместо ( 1.9 ) – ( 1.11 ), с учетом того, что j = 0, j 1 = , для промежуточно-го ( не концевого ) узла балки с номером t получается ( рис. 2.14 )

M t

Q e, j 1

t

(

M bj

Me, j 1

2.4 )

Q bj

dx

V t

где Vt – реакция опоры в узле t ( если

Рис. 2.14

опора есть ); Mt , Fy, t – узловые

нагрузки.

Для узлов на левом ( t = 1) и правом ( t = nu ) концах балки соответственно:

( 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

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 =

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 Qe1Me7 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 ( nelnu ) + 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)

Ael =

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)

Ah = 0 0 0 0 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 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

остроение линий влияния VA, M1 и Q1; их загружение

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

Значения факторов, найденные с помощью линий влияния, точно совпадают с полученными на с. 57 ( рис. 2.12 ).

1

K

c

d

e

УГЧ2

УГЧ1

ВЧ1

ВЧ2

а)

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

б)

0,25

0

0

ab/l = 1 м

Л.В. M1 (м)

0,25

0

0

0

0

в)

Л.В. Q1

0,125

0,5

0,25

0,5

0,5

0,125

0,25

0,25

0

0

0

0

г)

q = 12 кН

0,5

F

д)

M = 16 кН•м

p = 10 кН

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

При загружении Л.В. Q1 , имеющей разрыв, нахождение кри-тического груза по критерию ( 1.26 ) невозможно. Используется простой перебор вариантов. Опасные положения нагрузки показаны на рис. 2.19. Соответствующие значения поперечной силы:

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.

Особо подчеркнём, что хотя расчётные моменты определяются, по заданию, лишь на некоторой части балки, тем не менее, загружение

2 3 1 4 5 6

2 м

4

4

2

1

1

1

A

e

F = 1

1

1

1

p = 10 кН

F3

F1

F2

Л.В. M2 (м)

а)

1

0,625

0,875

3 м S

S > 0

¾ м S

F = 1

S M3

S /4

F > 0

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

б)

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

в)

0,5625

F3

F3

F1

F2

Л.В. M5 (м)

0,5

p = 10 кН

0

0,375

0

0,75

0,625

0,125

F1

F2

F3

F1

F2

F3

г)

1

Л.В. M6 0

67

Рис. 2.20

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.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]