Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Гибшман М.Е. Теория расчета мостов сложных пространственных систем

.pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
10.76 Mб
Скачать

о;

W

S/

w.

 

Рис. 16. Тонкостенные сечения конструкции

с одним замкнутым контуром

Нетрудно убедиться, что для кольцевого сечения постоянной тол­ щины с тонкими стенками полярный момент, определяемый по фор­ муле (1.20), совпадает с / к по формуле (1.34):

І Р = Ь f r 2 dr I =

b \ I

R2sin2

■R 3 cos2

ds =

0

 

 

R

R

 

 

 

 

2K

 

2 K

 

= b I R3 —

= bR3 \dip = 2nR3 b-

b

^

b

 

 

IK

4b (я#2)г

2nR3b.

 

R

 

 

 

 

Тонкостенное незамкнутое приведенное сечение (см. рис. 13), со­ ставленное из прямоугольников (с ломаной срединной линией), харак­ теризуется моментом инерции на кручение не в виде интегралов, а в виде сумм:

^кпр

g 2

St

2

« ib ? |r,+1— r ; |;

 

/=

1

i = 1

 

(1.35)

а ,

1 —

0,63 bi

0,052

bi

n + i -

\Гі+і~Гі

 

 

 

Здесь rrij — число узлов перелома на /-м участке с одинаковыми упругими свойствами, исключая конечную точку участка.

При I г ш r t\ : bi > 10 можно принимать а, = 1.

Формула (35) справедлива и для массивных незамкнутых сечений, составленных из прямоугольников.

Тонкостенное сечение с одним замкнутым контуром и ломаной сре­ динной линией (рис. 16, б) имеет момент инерции на кручение, вычис­ ляемый по формулам:

для однородного сечения

 

 

т — 1

\ 2

 

4Q2

2

г г Х Г і + 1 ]

 

/= 1

 

m — 1

^

ІП+1— ni

V

! Гі+і— r i I

* = I

1

І Т :1

 

^

для приведенного сечения

 

 

(1.36)

т — 1

 

 

 

п

2 П Х г і+1

k

mj

 

' кпр ' т —.

Ig.nZ

і

= 1

 

 

 

2 1 \ Гі +і — Гі\

/ = 1

i =

1

 

 

 

І = 1

bi

 

 

 

где m — общее число узлов замкнутого контура (начальная точка по' вторяется в конце).

§ 7. СЕКТОРИАЛЬНЫЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОНКОСТЕННЫХ СЕЧЕНИИ

Элементы конструкции тонкостенных сечений испытывают при из­ гибе и кручении специфические силовые воздействия, для определения которых необходимы дополнительные геометрические характеристики сечений.

Закручивание тонкостенных сечений происходит не вокруг их центра тяжести, а вокруг другой точки—центра изгиба, часто не сов­ падающей с центром тяжести. В сечениях появляются дополнительные нормальные и касательные напряжения, для вычисления которых надо знать секториальный момент инерции (бимомент инерции) и секториальные статические моменты сечения. Методика расчета тонкостен­ ных стержней изложена в обширной литературе [28, 30, 49, 59, 68, и др.].

Для векторного представления формул секториальных характе­ ристик рассмотрим лишь два вида тонкостенных сечений: незамкнутое и только с одним замкнутым контуром. Срединная линия сечений мо­ жет быть криволинейной или ломаной. Материал конструкции может иметь участки с разной упругостью.

Считаем, что обычные геометрические характеристики, положение центра тяжести и направление главных осей инерции сечения уже оп­ ределены (см. § 2—4). Срединная линия сечения задана радиусамивекторами, выходящими из центра тяжести. Тогда положение центра

изгиба относительно центра тяжести определится

вектором г А (с м .

рис. 1 0 ):

 

rA = vAm + wAl.

(1.37)

Проекции вектора гА на оси ѵ и w для незамкнутого приведенного сечения с криволинейной срединной линией определяем по формулам:

 

k

S j

 

VA =

np j2—I пі \ ( S r x d r ) (r /) b I dr l;

 

k

s.

(1-38)

wA =

n ■2

nJ 5

( S r x dr) (r m ) b\dr\,

 

/1

 

 

причем участки интегрирования Sj должны обязательно следовать один за другим без разрывов.

Если незамкнутое сечение имеет ломаную срединную линию, то проекции вектора гА определятся выражениями:

 

 

k

 

т]

 

ѵ^ т г —

2

я;

2

I ■/•*+!—/-,1 {з f(/-1+i -

° ' г < п р

j — I

і = 1

 

+ r t)l]

2

 

гр_1 х г р + [(2 г і+ 1 + Г і)/](гі х г г+1)};

Р =

I

 

 

(1.39)

 

 

 

 

 

wA = — ~ —

 

2

Щ 2

bt \ r t+1~ г,I {3 [(Г,+1 -

wœ>np

/= 1

£= i

Гі)т\

2

r p_ i x r p + [(2 r ,+1 - f r , ) « ] ( r , x r l+1)}.

 

р

=

1

 

 

Так же как и в формулах (1.38), участки rrij с разными свойствами должны следовать один за другим без разрывов.

Зная вектор гА, определяем новые радиусы-векторы срединной ли­ нии по формуле (1.8), заменяя г 0на гА. Полученные радиусы-векторы срединной линии г*, выходящие из центра изгиба, применяем в даль­ нейших формулах. Для простоты записываем их по-прежнему г вме­ сто г*.

Статический секториальный момент незамкнутого приведенного сечения определяем по формулам:

для криволинейной срединной линии

 

к

}

 

 

5шпр =

. 2

tij §

( § г x dr) b\dr\,

 

а для ломаной срединной линии

(1.40)

 

k

m j

г -

і

5 ШПР=

2

^ 2

> ^ і+1- г г |

2 r p - i xrp Гі X r i+1

/= 1

<’= 1

■ p = 1

І

В формулах (1.39) — (1.40) и далее встречаются суммы вида

г р-і X г р. Если в таких суммах или в других выражениях индекс

S

р =

і

при векторе г равен нулю или отрицателен, то соответствующий вектор

принимают

1

1

равным нулю. Например, 2

r i-i X г х = 21 г0 X г г — 0,

так как г 0

р = і

р = 1

= 0 .

 

Для дальнейших расчетов необходима секториальная координата главной нулевой точки—точки начала отсчета со„ секториальных пло­ щадей. Статический секториальный момент сечения по формулам (1.40) относительно этой точки равен нулю. Величина <в0 определяется как модуль вектора щ :

для криволинейной срединной линии

 

 

й0

(0 „ = “'(О П р

 

: j r x d r \

Fпр

 

 

для ломаной срединной линии

 

(1.41)

(О П р

:

2, ГіХГі+1,

Сір

 

і = 1

где s0 — длина срединной линии от первой точки до точки с координа­ той (о0; т0 — число узлов срединной линии, начиная с первого и до узла, соответствующего координате со0.

Обычно интегралы или суммы формул (1.41) определять не требует­ ся. Достаточно найти частное от деления секториального статического момента на площадь сечения.

Секториальный момент инерции /ипр тонкостенного незамкнутого сечения определяем по формулам (при начале отсчета в первом узле): для сечения с криволинейной срединной линией

/шпр =

2

rij/ (j г X d r f b\dr[,

 

 

 

i=i

 

 

 

 

 

 

/спр =

2j SJ J [(я Xdr) r fb \ d r \;

 

 

 

/= 1

 

 

 

 

 

 

для сечения

с ломаной срединной линией

^шпр — 2l

nj

il

bI I Гi+1

ГII n

s

(1.42)

Гр-l X Гр X

 

1=1

 

i=l

 

\

p =

l

 

 

 

1i

1

(ГіХГі+1)2 I .

 

X

n[ s

/ѴхХГ,

 

+

 

 

 

 

 

P = 1

 

 

 

 

 

 

(= 1 I ^i+l

{(Гш +

Гі)1ЯХ(Гі+1 - г г)]}2.

 

2 / = 1

ri

 

 

2 Гибшман M. E.

В этих же формулах даны выражения для определения направлен­ ного полярного момента инерции приведенного сечения /спР, который необходимо знать в некоторых случаях расчета одно- и многоконтур­ ных сечений на стесненное кручение (см. гл. II).

Реальный секториальный момент инерции сечения /Ипр при начале отсчета секториальных площадей в точке с координатой со0 опреде­ ляется через момент /ипр в виде

 

(!>П р

/ '

-

(1.43а)

' ыпр - 7м пр

®о ^ о п р = /«<впр

1 сопр

пр-

 

пр

 

 

 

 

В формулах (1.40) — (І.43а) участки с разной упругостью (sj или Ш}) должны обязательно следовать один за другим без разрывов.

Все формулы

(1.37) — (І.43а) секториальных геометрических

характеристик незамкнутого сечения

применимы и для замкнутого

одноконтурного сечения

(см. рис. 16).

 

Во все формулы (1.38)

— (1.42) входят выражения

r x d r ;

r t x r i+1; j r x d r

и г р- гх г p.

Эти выражения характеризуют секториальную координату рассмат­ риваемой точки срединной поверхности сечения [6 8 ] с радиусом-век­ тором г, т. е.

d(à = r x dr;

A<oi = r t x r i+1;

 

S

(1.436)

(0 =

j r x d r ;

® i=

S 'V i X 'V

 

 

P = 1

 

При вычислении секториальных геометрических характеристик замкнутого сечения величины по выражению (1.436) в формулах (1.38) — (1.42) надо заменять более сложными:

d(ù= r x d r

§ r x d r

1 I dr I .

 

 

 

 

 

 

m — 1

 

(1.44)

 

2

гіХГі+1

_ I n+i — rt I .

Äfflj = r(x r i+1

1= 1

i

k

mj \ Г І + 1 — Г і I gi

bt

 

 

2 8}

2

bi

 

« =

l r x d r

I r x d r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V —

? 1 * 1

 

 

 

 

"

 

ft

J

b

 

 

 

 

/= 1

 

 

 

 

 

(1.44)

 

 

 

 

m—I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

2

riXri+i

 

 

 

 

 

ft

i—1

 

 

 

 

P = 1

 

_1_

kt+ i—f»l

 

 

 

 

 

s

 

 

h

 

 

 

 

/ = 1 f t ’

 

 

 

где m — число узлов

срединной

линии замкнутого контура (первая

точка

повторяется

в

конце); і ^

т — номер

рассматриваемой точки

(узла);

k t — номер участка одинаковых упругих свойств, на котором

находится точка і.

 

 

 

 

 

при р = 1 принимают рав­

В последней формуле (1.44) слагаемые

ными нулю, т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гі-іХ/Ѵ

П — гi-і

I

: 0 .

 

 

 

Ьг-і

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если толщина сечения всюду постоянна

и материал однородный,

то формулы (1.44) упрощаются, принимая вид:

 

diо = r x d r -

2£3 dr I;

 

 

 

Асог =

г гх г г+1

2fi

r t+i— r t I;

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

о» = j r x d r 2 Й

С0 г= > > r l X r p=i

(1.45)

j I dr I;

2 Q

 

21

P~ 1 1

p—l

где L — длина срединной линии замкнутого сечения;

fi — вектор, перпендикулярный плоскости сечения и равный по моду­ лю площади Q, охватываемой срединной линией сечения.

В формулах (1.39) — (1.42) для однородного сечения исключаются суммы по j до k, а во вторых суммах rrij = т 1 .

Рассмотрим примеры, поясняющие приведенные выше формулы.

Пример 1.3. Определим секториальные геометрические характеристики и

центр изгиба сечения в виде швеллера постоянной толщины (рис. 17, а). Центр

2

тяжести сечения находится на расстоянии ^ 2h от сРеДинн°й линии вертикаль­

ной стенки. Направление главных осей о и w и осевые моменты инерции /„ и / ш считаем заданными.

По формулам (1.39) определяем положение центра изгиба сечения:

для точки '

1

 

 

р- I X f р —0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р= >

 

 

 

hhx

 

 

 

 

 

 

 

для точки 2

2

 

rp -iX rp =

 

 

 

 

 

 

 

2

 

——-я;

 

 

 

 

 

 

 

 

Р =

1

 

 

 

 

2

 

hhf

 

 

 

 

 

хт

Гр-іХГ

 

 

ЛАі

 

 

 

 

 

 

для точки 3

>

 

р ■

 

я

 

 

 

я;

 

 

 

 

X J

 

'

P

 

 

 

h + 2hx

 

 

 

 

Р =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для точки 4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

hh\

я;

 

 

 

V

 

Гр_1 х г п= —ЛАг я — ------ =—

 

 

 

 

Р = 1

 

 

 

 

 

 

 

Л+ 2Лі

 

 

 

 

 

6L hi

 

 

h

\

(

hhi \

 

. I .

 

h

 

hh\

 

 

 

 

hhi

 

 

 

 

2

./ (

h-\-2hL

„ .

Л

 

 

h

 

hh\

4

 

H

h \

/ /i/i!

+ hi 3

— 4- —

 

2

 

 

 

\

2 I 1 ~~ 1Г

1 2

 

 

2

 

 

Л4 -2А! ;

 

 

 

 

 

_6_

 

 

hf h2

 

 

 

3h2 h?

 

 

 

 

 

 

6 /„

 

2(ft42/ii)

(ft+ 6/ti)-

 

 

 

Учитывая,

что

 

bh2

(h + 6h,),

получим o , =

hl

bh2 h2

 

/„ = —

2hx

, T. e.

 

 

 

 

12 v

т

 

 

 

J

л

 

h +

4/r,

центр изгиба

А

расположен

за

стенкой

швеллера на

расстоянии

еА = bh?hl

Поскольку ось V является осью симметрии сечения, то w A =

0.

AI7,

 

Определим по формуле (1.40) статический бимомент Sa относительно центра

изгиба (радиусы-векторы выходят из точки А), считая за начальную точку от­ счета точку 1.

Тогда

Координата главной нулевой точки по формуле (1.41) составляет:

S (0

h

®о= —

= у (е л —Аі)-

Такая координата соответствует точке 3', для которой

hhi h h

ш = - — - ^ е д — = — (eA - h 1) = со*.

Определим теперь секториальный момент инерции сечения по формуле (1.42), принимая за начало отсчета по-прежнему точку 1:

 

h\h

 

 

2 e^A

 

Лі

12

( -

2 ) heA +

+

hhi

. ,

\ (

hhi

. ,

hht

 

+ Ä1 — n

^ heA J ( —

2

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

«Î2 ftf

(З/Н +

26/i2 ft1 +

78ftA? +

72h\).

 

 

12 (Л-p-6/îi)2

 

 

 

 

По формуле (1.43) получим действительный бимомент инерции сечения в виде:

/ со = / ш - у ( е л - Л і ) - у ( А^ 2/гх) (< U - Ai) =

bh?h2

Пример 1.4. Определим секториальные геометрические характеристики замк­ нутого тонкостенного сечения (рис. 17, б) площадью F = 6,8 л<2.

Расстояние от центра тяжести до срединной линии верхней полки составляет wо = 0,53 м. Моменты инерции относительно главных центральных осей

Іѵ — 2,96 м4; Iw = 36,2 м4.

Координаты точек перелома срединной линии сечения:

ѵг =

 

0; и>х

=

0,53;

ѵ2 =

—4,0;

w2 =

0,53; v3 = 0 ;

w3 = — 1,47;

v4 =

4,0;

Wi =

0,53;

t>5 =

0; w3 =

0,53.

 

 

Определим по формулам (1.45)

необ-

ходимые

для

расчета величины

со*,

учитывая что

Q =

2-8

L =

8 +

8 м2;

+

2-4,47 =

16,94 м- Q =

8и.

 

 

 

2x8

 

 

 

 

 

 

Тогда

Wl =

0;

Дшх =

га (4,0

 

4,0) = га (2,12 — 0,945 X

 

 

X 0,53 —

X

4,0) =

— 1,66

га;

ш2 =

1,66га;

 

 

 

 

 

 

Дм2

=

га(4,47

X

1,32 — 0,945 X

4,47) =

1,66 га; ы3 = 0;

 

 

Дюд =

1,66 га; to4 =

1,66 га; До>4 =

— 1,66 га; <о5 — 0.

 

 

 

 

 

По формулам (1.39) получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

цл =

0;

а > л = -

6 х ’зб ~2~ К » X 2,0 ( - 4 ,0 )

( - 1 ,6 6 ) +

 

 

 

 

 

 

 

+ 4,47 [3 ( — 4,0) (— 1,66)+ ( — 4,0) 1,66] +

4,47 X 2,0 X 4,0 X

 

 

 

 

 

 

 

X 1,66 + 4,0 [ЗХ 4,0 X 1,66+ 4,0 ( — 1,66)]} =

—0,41 м.

 

 

 

Новые координаты узлов срединной линии относительно осей, проходящих

через центр изгиба

параллельно главным

центральным осям, составят:

= 0 ;

0,94;

ѵ2 =

—4,0;

w2 =

0,94;

vs = 0 ;

w3 — — 1,06; vi = 4,0;

wt =

0,94; v6 =

0; ro5 =

0,94.

 

 

 

 

 

 

 

Соответственно новые значения величин (1.45) будут:

й)! =

0;

Awj =

«(4,0

X

0,94 — 0,945

X 4,0) =

—0,02«;

о>2 =

— 0,02«;

Лю2 =

н(4,47 X 0,99 — 0,945

X

4,47) = 0,02«;

в)3 =

0; Дю3 =

0,02«;

ю4 = 0,02 я; Дм4 =

— 0,02«; to6 = 0.

 

По формуле (1.40) определим секториальный статический момент:

 

 

Sffl= 0,40

4,0 ( — 0,02)

: 2 + 4,47

0,02 +

0,02

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

4,47

0,02

+

4,0

0,02

0,02

я = 0.

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку статический бимомент равен нулю, начальная точка 1 будет и

главной

нулевой точкой.

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим теперь по формуле (1.42) секториальный момент инерции сечения:

 

 

 

/ш= /о>= 0 -40

 

0 ,0 2 2

 

 

0 ,0 2 2

 

 

 

[ 4 >0

— + 4,47 • -------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

3

 

 

 

 

+ 4,47

0 ,0 2 2

+

4,0

0 ,0 2 2 ,

 

jue.

 

 

 

• - L—

 

) =0,0009

ОО

§8. СПОСОБЫ ЗАДАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ РАСЧЕТА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕЧЕНИИ

Расчеты геометрических характеристик сечений по формулам (1.1) — (1.45) требуют задания контура массивных сечений или средин­ ной линии тонкостенных.

Криволинейные сечения могут быть заданы уравнениями этих ли­ ний в начальной системе координат. Однако такое представление воз­ можно лишь в простейших случаях и при решении интегралов формул будет давать различные расчетные выражения для разных сечений. Для расчета на вычислительных машинах более целесообразно пред­ ставление контура или срединной линии сечений в виде ломаной линии. Это позволяет производить вычисления для различных сечений по оди­ наковым формулам, а достаточное число отрезков ломаной линии мо­ жет приближенно представить любую кривую линию. Ломаная линия может быть задана координатами узлов перелома в плоскости сечения, т. е. двумя цифрами на каждый узел.

Все расчетные формулы для сечений, составленных из ломаных ли­ ний, имеют вид сумм. Следовательно, надо назначить порядок выбора необходимых данных для вычисления слагаемых и порядок суммиро­ вания. Наиболее просто это решается для массивных сечений с ломаны­ ми контурами, охватывающими участки с одинаковыми упругими свой­

ствами. Обходя последовательно каждый такой контур против часовой стрелки и записывая координаты узлов перелома, получим

Ѵп Wn VülW21V3i Wgi ... vml wmyü12 W12 Z>22 Щ2 ■■■vm-2 wm2

1-й контур 2-й контур

- ° l h wlkvîhU>2hУткетъ:

(I-46)

£-й контур

 

Здесь последовательно записаны координаты k контуров участков сечения с разной упругостью. Сигнал об окончании координат одного контура состоит в том, что последняя точка контура повторяет первую, т. е. ѵп = ѵт1; wlt = wml для первого, ѵ12 = ѵт2, w12 = wm2 для второго контура и т. д. Число координат т в каждом контуре может быть любым. Для окончательной информации о свойствах сечения кон­ струкции надо задать еще модули упругости Еъ Е 2 ... Е к и модули сдвига Gx, G2 ... Gh для каждого участка (контура). В этом случае суммирование в расчетных формулах и вычисление слагаемых произ­ водятся при последовательном выборе координат внутри каждого контура и последовательном переходе от контура к контуру.

Столь же просто задается информация для сосредоточенных пло­ щадей. Она состоит из координат центра тяжести, величины сосредото­ ченной площади и модуля упругости материала

V1W1F1E1V2W2F2E2 ... VpWpFpEp

(1.47)

для всех р сосредоточенных площадей. Порядок их записи и суммиро­ вание в расчетных формулах могут быть произвольными.

Тонкостенные сечения, составленные из прямоугольников, зада­ ются координатами узлов перелома срединной линии и толщиной стенок на каждом прямом участке. Все координаты таких сечений могут иметь разные значения, и по ним уже нельзя определить момент перехода от участка с одними свойствами к участку с другими свойствами. Поэтому

в информации должны быть даны количества узлов на каждом участке

содними свойствами. Расположение информации для такого сечения может быть следующим:

VllWn ѵ21 хю2Л...vklwhl vn wn v22 w22... vh2 wk2...

1-й участок ( k i узлов) 2-й участок ( k 2 узлов)

•••Vlk Wlh ••• Vhh whhb11 ^21 ••• bki b12... bh%...

k участок (k £ узлов)

... blk b2k... bhkkx k2... khE i ... EkG1... Gk.

(1-48)

Координаты узлов каждого участка с одинаковыми упругими свойствами записывают последовательно, как и толщины этих участ­ ков, от первой до последней k-я точки. Число координат на каждом участке может быть любым. После толщин записывают числа узлов (пар координат) kx -h- kh для каждого участка, а затем упругие харак­ теристики материала участков. При вычислении геометрических харак­ теристик на изгиб, внецентренное сжатие и на кручение (для незамкну­

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ