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

книги из ГПНТБ / Симвулиди И.А. Расчет инженерных конструкций на упругом основании учеб. пособие для студентов строит. специальностей вузов

.pdf
Скачиваний:
35
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
13.16 Mб
Скачать

Г Л А В А VI

РАСЧЕТ БАЛОК ПЕРЕМЕННОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ И ШАРНИРНО СВЯЗАННЫХ БАЛОК, ЛЕЖАЩИХ НА УПРУГОМ ОСНОВАНИИ

 

§ 1. Расчет многоступенчатого балочного

 

фундамента на упругом основании

Как известно, фундаменты многих инженерных конструкций и

сооружений

рассчитываются как балки, рамы или плиты, лежащие

на упругом

основании.

В зависимости от вида и назначения конструкции балочные фун­ даменты проектируются как цельные (постоянного или переменного поперечного сечения), так и состоящие из отдельно лежащих блоков, иногда связанных между собой шарнирами.

Если методы расчета балок постоянного поперечного сечения, ос­ нованные как на гипотезе Винклера, так и без нее, получили широкое развитие, то расчет балок переменного поперечного сечения ввиду его сложности до настоящего времени не достаточно изучен*.

Имеющееся в настоящее время небольшое число работ, посвященных этому важному вопросу, не всегда можно использовать, так как рас­ четные формулы, приводимые в них, очень сложны и одновременно не охватывают всех видов нагрузок.

Ниже приведен расчет многоступенчатого балочного фундамента на упругом основании (рис. ѴІ-1)**.

Для получения общего решения рассмотрим балку, заделанную обоими концами и лежащую на упругом основании, у которой закон изменения момента инерции по длине проявляется в виде ступенчатой линии (рис. ѴІ-1,а).

Мысленно освобождая концы балки от заделки и одновременно рас­ членяя ее на отдельные балки с постоянными моментами инерции, получим ряд балок конечной длины и постоянного поперечного сече­ ния. Каждая балка будет находиться под действием заданных нагру-

* С и м в у л и д и И. А. Расчет статически неопределимой балки пере­ менного сечения, лежащей на упругом основании. «Известия высших учебных заведений», Строительство и архитектура, № 2, 1964.

** С и м в у л и д и И. А. Расчет многоступенчатых балок, лежащих на упругом основании. Труды симпозиума. Югославия, Сараево, 1969.

189

зок, а также неизвестных поперечных сил Y0,

YLT

Y2, У3,

YN, YN+1

и изгибающих моментов М0, МІУ М2, МЯ,

МП>

МП+1,

которые воз­

никают в местах разреза, т. е. по их концам взамен отброшенных час­ тей (рис. V I - 1 , б) (пренебрегаем влиянием на грунт основания одной балки на другую в местах мысленного их расчленения и трением балки об основание).

Полученная таким образом расчетная схема дает возможность •каждую из полученных отдельных балок рассмотреть и рассчитать как простую балку конечной длины и постоянного поперечного сечения, лежащую на упругом основании.

Каждую отсеченную балку рассматриваем как тонкий упругий •брус, деформирующийся по длине, а грунт основания под каждой балкой принимаем разным и рассматриваем как сплошную упругую среду, характеризуемую модулем деформации и коэффициентом Пуассона.

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования в области упругого основания показывают, что под фундаментной бал­ кой реакции грунта распределяются не всегда равномерно и находятся в зависимости от характера нагрузки и ее расположения, жесткости и длины балки, а также от характеристики грунта.

Например, при центрально симметричной нагрузке чем жестче балка и слабее грунт, тем больше по ее концам по величине ординаты

190

реактивного давления; чем больше гибкость балки и тверже основа­

ние, тем больше по величине ординаты реактивного

давления в сред­

ней части балки (под нагрузкой)

и меньше по

концам.

 

Используем уравнения (1-2), описывающие характер распределения

реактивных давлений

грунта

под

балками

(начало

координат

берем

на левых концах балок — положительные

абсциссы

вправо,

орди­

наты вниз):

 

 

 

 

 

 

 

 

2 а < "

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

44"

Li

 

8а<"

и

\ 3

 

 

+ - Г 5 - [ * «

 

 

 

 

 

(VI -1)

 

 

 

 

 

 

 

 

^

х

 

8а<">

 

 

 

 

 

 

 

 

где а*"', а[п), а<п ) и а<")— неизвестные параметры, величины которых зависят от жесткости балки, ее длины, модуля деформации упругого основания, характера нагрузки и от ее расположения.

Приняв реакции основания под каждой балкой по закону (VI-1) и выразив нагрузки на балках в самом общем виде через функциональ­ ные прерыватели Герсеванова [1]

¥•<•> = ЕГ % /{»(Z) + ЕГ

М<-'> +

£Г

л,) РІ1)

-

'НІ

1

 

 

 

Ігі

 

- Г ^ О

+ Г^УИ. +

Г^О +

Г ; ^ ;

 

 

 

 

 

 

 

(ѴІ-2)

ЧГ'»+М = ЕГ $ +i>/i" + 1 , (z) +

( П +

І ) М Г + 1 ) +

 

'ні

 

 

'2«

 

 

 

+ ЕГ ;(? +.)РІ"+ 1 ) -

г;м„ + г2п+]

/И„+ 1

- г0г„

-

-г / . „ + 1 г " + 1 >

для каждой балки составляем соответствующее дифференциальное уравнение изгиба:

191'

F I

а * У і

f £Г

l2i

pi?

 

tu

f

 

 

+ Ж

 

( i)

т - Ж Д »

(i)

/ ( ,)M!-" +

 

 

ft/

 

 

 

 

Pi" + r 0

F 0

4-

YL

-

Г0М0

+ r L i

MT;

 

 

 

 

 

 

/(1+1)

 

(VI-3)

 

 

( n + 0

 

 

 

 

W +

 

 

- Г

Ы

. (n+ D

/ '

•n + l

^

A '(n+!)

 

 

 

 

 

Hi

 

 

(n+1)

 

 

 

(я+1)

( - 1 ) ( П + 1 ) [ Г 0 Г ( 1 +

 

 

3J

 

 

 

 

 

 

•n+l

я+1

 

и уравнения деформации грунта под балками.

Для нахождения деформации грунта под каждой отсеченной балкой используем уравнение плоской задачи теории упругости (плос­

кая деформация) (1-18).

После четырехкратного

интегрирования

уравнений (ѴІ-3) в каждое из них войдут по восемь

неизвестных ве­

личин

(по четыре параметра

и по четыре произвольные постоянные).

Для

нахождения

этих неизвестных величин для каждой балки ис­

пользуем восемь

следующих

условий*:

 

два

условия

равновесия;

 

два

 

граничных

условия;

 

 

четыре условия контактности балки с основанием:

а)

равенство прогибов обеих кривых на левом конце балки;

б)

равенство прогибов обеих кривых в середине балки;

в)

равенство прогибов обеих кривых на правом

конце балки;

г) равенство третьих производных обеих функций в середине

балки.

 

 

 

 

 

В результате использования

всех перечисленных выше условий на­

ходим параметры для всех отсеченных балок:

 

ß('); а'1 »; а'1*;

... ;

а'">; а<">; а<">;

а<">;

Формулы для параметров п-й балки имеют вид:

 

(8252 — Зіап(0п)

— 13440ß 0 ">

 

ап

 

 

13440 +

2 9 а „

 

 

 

 

(5188

+ &Ъап)А[п)

+

1 3 4 4 0 В 0

П ) о„

3

"

13440 + 29=t „

 

 

(ѴІ-4)

а[п>

 

 

 

 

 

 

( 2 С 0 " ) - < ) ) ( 1 2 8 0 - а „ ) - 8 У Ѵ ( " > а л

3

2048 +

ап

 

 

 

а ( п )

( 2 С < п » - Л ' " ) ) ( 384 +

а п )

+

4ЛГ<"> ая

" з

 

 

 

 

 

 

 

10

~

2048 +

а„

 

 

 

* Для удобства

ширину

балки принимаем

bn

=

1ж.

192

Ординаты поперечных сил и изгибающих моментов определяем по общим расчетным формулам (1-39) и (1-40).

В этих формулах:

 

А

І П ) =

А

{ П ) +

± ^ _ {

у у п ) >

 

 

( Ѵ І . 5 )

 

 

 

 

 

 

 

-п

 

 

 

 

 

А ( п ) = Т - {2 1

/ (

п ) ( ^ 2 „

-

2

f / ( п )

(z„) dz„

+

S Р{я,1.

(VI-6)

* 1 /№

 

 

 

 

 

4?>

 

 

 

J

 

 

 

 

С ( . )

=

С ( П ) +

( - 1 ) " " у

 

 

( Ѵ І . 7 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С(»)= -

L

-

j

 

f^{zn)zndzn-

 

 

 

S

j

 

f^(zn)zndzn

 

+

2

P!")

/<?>- S

AfÇ»>},

(VI-8)

 

 

 

/C<n)

=

 

<»> _ ( _ i ) ^ ! ^ , ,

 

 

(VI-9)

 

 

 

 

 

 

^ л

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f2 j"

f ^ { Z n ) { L n _ Z n ) d z _

 

 

 

 

 

 

 

НІ

 

 

 

 

 

 

-

2 j

/(")(2j (L„ -

zn)

dzn

+ S M<»>

+

 

 

 

/(")

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ S P | « ) ( L „ - / ^ ) } ,

 

 

(VI-10)

 

 

 

W(n) =

W(n)_

±=*p-

Yu.it

 

 

(VI-11)

4i 2

+ l t i r P \ « 1 2 „ " 1 j -

( Ѵ И 2 )

193

ß(n) =

BW

(VI-13)

'-n

 

 

Bw = - L f1 ] j p>(z„)

( L " ^ Z n ) 4 dz„

-

Ht

 

 

 

 

4!

+

^ f ^ < " ) - t t 7

( ' I ) I «

(VI-14)

 

 

 

 

 

 

 

(VI-15)

 

jV<">

 

Ы 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'-n 2

 

 

 

 

 

(VI-16)

 

 

 

 

 

 

 

 

,(n)

 

 

 

 

 

где n =

1, 2, 3, 4,

 

 

 

 

 

 

Для

определения

показателя

гибкости

а

применяем

формулы

(1-27) — (І-27в).

 

 

 

 

 

 

В формулах (VIA)

— (VI-16), заменяя всюду

п на (п +

1), полу­

чаем значения параметров для п +

1 балки. Но так как неизвестные

параметры содержат неизвестные усилия (Y0,

Ylt

Yn+l;

М0, Мъ

Мп+І),

возникающие по концам смежных

балок, то к

указанным

выше восьми условиям добавляем следующие условия сопряженнос­ ти*:

а) реактивные давления грунта и угловые деформации балки в местах мысленного отсечения одной балки от другой должны быть равны между собой;

б) реактивные давления грунта и угловые деформации балки на левом конце первой и на правом конце последней балки (в заделках) должны быть равны нулю.

В результате использования условия а) получаем две системы урав­ нений, а при использовании условия б) — еще четыре дополнитель­ ных уравнения.

* Влиянием на грунт основания одной балки на другую в местах соедине­ ния и трением балки с основанием (с грунтом) пренебрегаем.

194

Первая система уравнений, полученная из

условий равенства

реактивных

давлений

грунта

на балку

в местах ее мысленного рас­

членения:

 

 

 

 

 

 

 

Q u Y 0 + Q 1

2 Y X + Q 1 3 Y 2

+ Q U M

0 +

Q 15Мг+Сі

W

M 2 =

Ф{<»>;

— (ЙйКі+ЙггѴѴг-ЙгзѴя) + QiJ^i+

Q 2

5 M 2

+ Q 2 e M 3 = Ф<13>;

 

 

 

 

 

 

 

(VI-17)

( - 1 ) л + 1 ( й в і > Ѵ і + « „ Л + й л 8 Г я + і ) +

 

+

 

 

+ Д / І Б Л 1 Я + О Л В Л 1 Я + 1

= ф ( » - » ( » + і ) .

 

 

Вторая система уравнений, полученная из равенств угловых де­ формаций балки в местах ее мысленного расчленения:

D n Y 0

+ D i 2 Y i + D13Y2 + D 1 4 M 0 + D 1 5 M, +

 

 

+ D i e M a

= X o a [ / { > 2 > - [ / } < » > ;

 

 

 

- {DaiYi

+ D 2 2 y 2 + D 2 3 F 3 ) + D 2 4 M t + D 2 5 M 2

+

 

 

- 4 - D a e A l 3 = X 1 3 f / f ) - t / p ) ;

 

I ( V M 8 )

( - 1 Г Ч Д Л _ , + D,l2Yn

+ D n 3 Y n + i ) + Впп_,

 

+

 

+ D „ A + D n , M n + i

= V . ) ( n + . ) ^ ( n + 1 ) - £ / { г 1 ) я -

 

Уравнения,

полученные из условия

заделки

левого

конца балки

и из равенства

нулю реактивного давления грунта

в том же месте:

( Я и + H13)Y0 + ( Я и - Я 1 3 4 + f-^— 2 Я 1 3 - Я 1 4 >

Яі

я.

 

Я,

Мі

— ѵ лев !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мп

ИѴІ-19)

 

 

 

 

 

+

(<°ІІ + ш із) У о + (іі — Щз)Уі — К б + ^ів) - р -

 

I /

ч M l

(1) t Г

 

 

 

+(°>і5 — ш і в ) - т — = — е У в М - Г

Уравнения,

 

полученныэ из условия

 

заделки

правого

конца бал­

ки и из равенства

нулю

реактивного

давления

грунта

в том же

месте:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- Я ( П + . ) 3 ) ^ я + ( ^ ( „ + 1 ) 1 + Я ( П + . ) 3

 

) ^ і К - 1 >

 

Я

j

 

гг.

I и

 

я (п+1)5

 

 

 

(11+1)2

0

 

 

 

 

 

 

 

16

 

 

(1+1)3

 

(л+1)4

 

 

 

 

 

Я.(п+І)2

 

о

н

г,

 

Я ( п + 1 ) 5 Ч \

Мп+і

 

_Г!(п+\)

(ѴІ-20)

16

 

 

- " ( " + 1 ) 3

 

 

 

 

 

 

[ ( « W o . - Ѵ н > з ) r « + ( ° W u i + в ( п + і ) з

 

 

 

+

 

 

 

 

 

\ м„

,

,

\

Mn+1

 

 

 

+ ( ° , ( « + . ) 5 - Ш

( п + . ) б ) т ^ Г -

( Ш ( « + 0 5 + Ш (»+1)6> І ^

Г

=

 

195

Пользуясь основными уравнениями (ѴІ-17) — (ѴІ-20), можно ре­ шить большое количество разнообразных инженерных задач.

В уравнениях (VI-17) — (ѴІ-20) принято:

 

 

 

 

л

і

 

 

"ni

Jn3>

 

 

 

+ Ш ( п + 1 ) 3);

 

 

ß « 2

=

K

l + <0 в 8 ) +

 

4 (л - 1)(л+1) Ѵ " ( л+1)1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

» K n + l l l —

'

 

 

 

;);

 

 

 

 

 

 

 

 

ni = (шпЪ—ш„в) -Г";

 

 

 

 

 

 

(VI-21)

ЙЛ 5 =

 

 

) 5 + % п +

 

 

ч ^ ( Л — І ) ( л + 1 )

 

/

 

,

ч 1

 

 

 

 

1

)

)6

г \

 

 

K s

+

©„в) т — ;

 

 

 

 

2 ne

( Ш ( « + 1 } 6

Ш (п+І)5

^ ( n - D t n + l )

 

 

 

 

 

 

 

-я+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

шя 1

= (23,816 + 0,155 а„)Т п ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ü)„2 = 26,88 тп ал ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0)„ з - ( 7 , 6 8

4-0,007 ап )^л

л

'

 

 

 

(ѴІ-22)

 

 

 

 

п 4

 

=

0,016^„а

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~ л >

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

% 5 = ^(15,36 +

0,03а„);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ш„в

=

0,56

"іпап;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ь

Д

л

 

Р

л

 

 

 

(ѴІ-23)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е

^ » = К И (

0 + m

« ß (

1 ) -

«>1,(2СП) -

 

Л">) •

 

 

 

 

 

 

 

 

- ( 0 1 4 У Ѵ С ) ] ;

 

 

 

 

 

 

 

 

(ѴІ-24)

 

пр

 

(л+1)1 "

 

I

~(л+1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

" W . , 3 (2С"И-'> -

І4СН - » ) +

» ( я + 1

) 4 ІѴ(*«)];

 

 

 

ф ( л - 1 ) ( л + 1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

л

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

+„2 В{п+І)

-

 

<Ѵ+.,з (2С(»И-і)._

Л<»+» )

-

 

 

 

 

 

(1+1)4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

и)„2Я<"> +

 

я,(2С(») -

AW) + «>„4M«>];

(ѴІ-25)

^ л і = нпі

^ л з ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ѴІ-26)

^ „ 2 =

( # л і +

^ л з ) — \ „ _ 1

 

 

 

 

 

 

( ^ (

+ І ) 1

)

( Л

 

+

1

)

+

^ ( я +

^ « 3 =

 

\ л - 1 ) ( л + 1 ) ( ^ ( л + І ) 1

 

^ ( л + 1 ) 3 )î

 

 

 

196

Я " 2

2 Я „ . , - Н 4

- Я И А - Ш -

 

16

^ J « 3 — " « 4 — l l n b - ^ - j — n

X (n-I)(rc+1)

/ Я ( п + 1 ) 2

g//

 

/ /

L n + i

V

16

( п + і ) з

(n+I)4

 

 

 

Я ( л + І ) 5

 

 

 

 

 

3

 

 

D " 6 = 1

' " l e " 2

+ 2 Я ( і + 1 ) 3 +

 

Я ( і + 1 ) 4

 

Я ( п + 1 ) 5 ^ V - 1 ) ( n + l )

 

(1—l)(i+l)

p

,

/ 2

Иногда удобно пользоваться формулой

,

bNLNP'N

E

" ( „ _ „ ( + i )

é ^ L ^ p ^ ,

£ 0 ( B + 1 )

HNL

= (163,1952 +

0,0588а„)т„а„;

 

Я я 1

=45,1584Т й <х*;

 

Я л 3 =

[(80,64 + 0,112а„)(38,4

— 0,03 а„) +

+- (53,76 +

0,048 а„)(38,4 +

0,1 а„)]£п ;

Я„4 = (2,1504-0,00768

«n)g'n«n;

 

НПЬ

= 403,2

lng'nan-

 

H ni ^~Ï^ — 2 Я п 3 Я„4 — —<р j -

р« =

т« £«;

J

Т л - 2,048 +

0,001 а„;

=13,44 + 0,029 ап ;

^= 13,44 + 0,0385 а,

 

ціп-т

=

[HnlAw+HnJW»)

+

Я„3 (2№>

-

 

 

 

 

-AW)

 

+

HniNW

+ H n &

^

 

 

]bnLn;

 

 

 

 

Цп(п+[)

=

 

( n + l ) l

 

J i ( n + 1 ) 2

 

 

 

}

(ѴІ-33)

 

 

 

 

 

 

/ І 4

 

 

 

' " ( п + П З

 

 

 

/ Т ^ ( п + 1 ) 4 J

 

 

 

 

 

— Я("+1)5

 

#("+!)

Ф ^ + 1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

~ 6 І

 

^ п + / - п + і ' >

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С/о

=

я и

л ( 1

) -

я 1 2 ж ( "

+

Я ^ С * 1 » -

Л<»)

+

 

 

лев

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г//

ЛС+1 )

+

Я

Ж<"+" + Я

 

(2С<"+ [ ) -

(ѴІ-34)

^ / ( п + і ) =

 

 

л

 

"

( „ +

1

) 4

 

- Г і і( п + 1 ) 5

Ф л : „ + 1 = і . „ + 1 1 У « + 1 ^ л + 1 -

Для

определения

f/лев

используются

таблицы

(VI-10)

или

(VI-12)

в зависимости от вида нагрузки, действующей на левой (первой)

отсеченной балке, длиной

L x .

Для определения 11%^

используются таблицы (ѴІ-9) или (VI-11)

в зависимости от вида нагрузки, действующей на правой (крайней) отсеченной балке, длиной L„+ 1 :

 

у

1 —

1

Pl,n)

/(") \a

л л

2 ^

ô„L„

 

 

 

 

 

2 j /!•'(»)

- s J"

 

 

2!

L

/(n)

,(n)

/,

 

+

+

Kin)

ф p"

(VI-35)

3L„

Ж ( » ) =

( j p C )

(n)

(VI-36)

 

 

 

 

16L„

( Л _ / ( " ) \ 2

( j _ / ( n ) \3

(VI-37)

3!

1 9 8

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ