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完整版梁的内力计算
第四章梁的内力
第一节工程实际中的受弯杆
受弯杆件是工程实际中最常见的一种变形杆,通常把以弯曲为主的杆件称为梁。
图4—
i中列举了例子并画出了它们的计算简图。
如图(a表示的是房屋建筑中的板、梁、柱结
构,其中支撑楼板的大梁AB受到由楼板传递来的均布荷载口;图(b)表示的是一种简易挡水结构,其支持面板的斜梁AC受到由面板传递来的不均匀分布水压力;图(c)表示的是-小型公路桥,桥面荷载通过横梁以集中荷载的形式作用到纵梁上;图(d)表示的是机械中
的一种蜗轮杆传动装置,蜗杆受到蜗轮传递来的集中力偶矩m的作用。
a房屋建筑中的大梁
c小跨度公路桥地纵梁
图4-1
b简易挡水结构中的斜梁
1.1梁的受力与变形特点
综合上述杆件受力可以看出:
当杆件受到垂直于其轴线的外力即横向力或受到位于轴线平面
内的外力偶作用时,杆的轴线将由直线变为曲线,这种变形形式称为弯曲.。
在工程实际中受
弯杆件的弯曲变形较为复杂,其中最简单的弯曲为平面弯曲。
1.2平面弯曲的概念
工程中常见梁的横截面往往至少有一根纵向对称轴,该对称轴与梁轴线组成一全梁的纵向对..
称面(如图4—2),当梁上所有外力(包括荷载和反力)均作用在此纵向对称面内时,梁轴线变形后的曲线也在此纵向对称面内,这种弯曲称为平面弯曲.。
它是工程中最常见也最基本
的弯曲问题。
1.3梁的简化一一计算简图的选取
工程实际中梁的截面、支座与荷载形式多种多样,较为复杂。
为计算方便,必须对实际梁进
行简化,抽象出代表梁几何与受力特征的力学模型,即梁的计算简图...。
选取梁的计算简图时,应注意遵循下列两个原则:
(1)尽可能地反映梁的真实受力情况;
(2)尽可能使力学计算简便。
对称轴
向对称面纵冋
梁轴线
梁轴变形曲线
1与外力在同一平面内
图4-2梁的平面弯曲
一般从梁本身、支座及荷载等三方面进行简化:
(1)梁本身简化一一以轴线代替梁,梁的长度称为跨度;
(2)荷载简化一一将荷载简化为集中力、线分布力或力偶等;
(3)支座简化——主要简化为以下三种典型支座:
(a)活动铰支座(或辊轴支座),其构造图及支座简图如图4—3(a)所示。
这
种支座只限制梁在沿垂直于支承平面方向的位移,其支座反力过铰心且垂直于支
承面,用YA表示。
(b)固定铰支座,其构造与支座简图如图4—3(b)所示。
这种支座限制梁在支承处沿任何方向的线位移,但不限制角位移,其支座反力过铰心两互相垂直分力,用XA、YA表示。
(c)固定端支座,其构造与支座简图如图4—3(c)所示。
这种支座限制梁端的线位移(移动)及角位移(转动),其反力可用三个分量XYA及mA来表示。
图4—1中所示几种工程实际中梁的计算简图就是采用上述简化方法得出来的。
辊轴
枢轴
a活动铰支座
Ya
支承垫板
I
[r|ya
b固定铰支座
mA
AXaa
1飞—
Ya
c固定端支座
图4-3三种典型支座
1.4梁的基本形式
根椐梁的支座形式和支承位置不同,简单形式的梁有如下三种形式:
(1)简支梁。
梁的支座为一端固定铰,一端活动铰(如图4—4(a));
(2)外伸梁。
简支梁两端或一端伸出支座之外(如图4—4(b),(c));席自由(如图4—4(d))。
q
HIU{ (i)两端外伸梁 p IJ (i)悬臂梁 (3) 梁的支座为一端固定, 0 ()一端外伸梁 悬臂梁 ()简支梁 图4-4梁的类型 这三种梁的共同特点是支座反力仅有三个,可由静力平衡条件全部求得,故也称为静定梁。 第二节梁的内力——剪力和弯矩 2.1截面法求梁的内力 为进行梁的设计,需求梁的内力,求梁任一截面内力仍采用截面法,以图4—5 (a)为例,梁在外力(荷载P和反力W、Yb)作用下处于平衡状态。 在需求梁的内力x处用一假想截面m-n将梁截开分为两段。 取任意一段,如左段为脱离体。 由于梁原来处于平衡状态,取出的任一部分也应保持平衡。 从图4-5(b)可知,左脱离体A端原作用有一向上的支座反力X,要使它保持平衡,由丫0和 M0,在切开的截面m-n上必然存在两个内力分量: 内力Q和内力偶矩M内力分量Q位于横截面上,称为剪力.;内力偶矩M位于纵向 B 图4-5用截面法求梁的内力 对称平面内,称为弯矩 对左脱离体列平衡方程: 由 Y0,有Ya—Q=0 则得 由Mc0,有YaxM0 则得MYaX 注意此处是对截面形心C取矩,因剪力Q通过截面形心C点,故在力矩方程中为零。 同样可取右脱离体,由平衡方程求出梁截面m-n上的内力Q和M,其结果与左脱离体求得的QM大小相等,方向(或转向)相反,互为作用力与反作用力关系。 为使梁同一截面内力符号一致,必须联系到变形状态规定它们的正负号。 若从梁m-n处取一微段梁dx,由于剪力Q作用会使微段发生下错动的剪切变形。 我们规定: 使微段梁发生左端向上而右端向下相对错动的剪力Q为正(如图4—6(a)),反之为负(如图4—6(b));使微段梁弯曲为向下凸时的弯矩M为正,反之为负 (如图4—6(c)、(d))。 根据如上符号规定,图4—5中m-n截面内力符号均为正。 下面举例说明怎样用截面法求梁任一截面的内力。 例4—1外伸梁如图4—7(a),已知均布荷载q和集中力偶mqa2,求指定1-1、2-2、3-3截面内力。 图4-6剪力,弯矩的正负号规定之一 ■1 L: L一 Lik (YA Yb 3 1 3 2 m=qa *C 2q m 一M1M2十 {丫A— IQ (a) (c) Maq 「Q3丄 (d)Qa 图4-7例题牛1图 解 (1)求支座反力 设支座反力“、YB如图所示 5 由平衡方程MA0Yb2amqaa0 得Yb7qa 4 由丫0YaYbqa0 3 得Yaqa 4 由Mb0校核支座反力 Ya2a a mqa— 2 qa2aqa2 4 2 qa 2 所求反力无误。 (2)求1-1截面内力 Q和弯矩M均 由1-1截面将梁分为两段,取左段梁为脱离体,并假设截面剪力为正,如图4-7(b)所示 YaQ10 3 得QiYaqa 4 由Mj0YAaM1m0 232q2 得MrmYAaqaqaa 44 求得的Q结果为负值,说明剪力实际方向与假设相反,且为负剪力;M结果为正 值,说明弯矩实际转向与假设相同,且为正弯矩。 (3)求2-2截面(B截面右侧一点)内力 由2-2截面将梁分为两段,取右段梁为脱离体,截面上剪力Q和弯矩M均设为 正,如图4-7(c)o 由 Y0 Q2 qa 0 得 Q2qa 由 M20 m2 a小 qa0 2 得 m2 2 qa 2 (4)求3-3截面(D截面左侧边一点)内力 取右端为脱离体,3-3截面无限靠近D点,线分布力q的分布长度趋于0,则3-3 截面上Q=0,M=0o 2.2截面法直接由外力求截面内力的法则 上例说明了运用截面法求任一截面内力的方法。 因脱离体的平衡条件丫0的含义为: 脱离体上所有外力和内力在丫轴方向投影的代数和为零。 其中只有剪力Q为未知量,移到方程式右边即得直接由外力求任一截面剪力的法则: (1)某截面的剪力等于该截面一侧所有外力在截面上投影的代数和,即 丫左侧外力 (或 丫右侧外力) (4-2-1) 代数和中的符号为截面左侧向上的外力(或右侧向下的外力)使截面产生正的剪力,反之产生负剪力,如图4-8(a)所示,截面上的剪力为正。 同样,脱离体平衡条件Me0的含义为: 脱离体上所有外力和内力对截面形 心取力矩的代数和为零。 其中只有弯矩M为未知量,移到方程右边即得直接由外 力求任一截面弯矩的法则: P外 m「 P外 'P外|左上右下 Q(+)剪力为正 (a) M(+) (b) 、m 序卜 左顺右逆弯矩为正 图4-8剪力,弯矩的正负号规定之 (2)某截面的弯矩等于该截面一侧所有外力对截面形心力矩的代数和,即 M(左侧外力 (或 MC右侧外力) (4-4-2) 代数和中的符号为截面的左边绕截面顺时针转的力矩或力偶矩(或右边绕截面逆时针转的力矩或力偶矩)使截面产生正的弯矩,反之产生负弯矩。 如图4-8(b)所示,截面上的弯矩为正。 这样,运用上述两法则就不必取脱离体,可用式(4-2-1)和(4-2-2)直接由截面左侧(或右侧)外力计算任一截面剪力和弯矩。 此两法则是由截面法推出的,但比截面法用起来更方便快捷,对于求梁的内力极为有用,必须熟练掌握。 读者可用此方法验证例4-1的结果是否正确。 第三节剪力图与弯矩图 在一般情况下,梁截面上的内力(剪力和弯矩)随截面位置x的不同而变化,故 横截面的剪力和弯矩都可表示为截面位置X的函数,即 QQ(x),MM(x) 通常把它们分别叫做剪力方程.和弯矩方程。 在写这些方程时,一般是以梁左端为x坐标原点,但为计算方便,有时也可将原点取在梁右端或梁上任意点。 由剪力方程和弯矩方程,我们可以了解剪力和弯矩沿全梁各截面上的变化情况,从而找出最大内力截面即危险截面作为将来设计的依据。 为了形象地表示剪力、弯矩沿梁长的变化情况,可根据剪力方程和弯矩方程分别绘制剪力图..和弯矩图0根据剪力方程和弯矩方程作剪力图和弯矩图的方法与前面轴力图及扭矩图作法类似,即以梁横截面沿轴线的位置为横坐标X,以横截面上的剪力或弯矩为纵坐标,按照适当的比例绘出Q=Q(x)或M=M(x)的曲线。 绘制剪力图时,一般规定正号剪力画在x轴上侧,负号剪力画在x轴下侧,并注上正负号;绘制弯矩图时则规定正弯矩画在x轴的下侧,负弯矩画在x轴的上侧,这也就是把弯矩图画在梁受拉的一侧,以便钢筋混凝土梁根据弯矩图配置钢筋。 弯矩图可以不注正负号。 由剪力图和弯矩图可直观确定梁剪力、弯矩的最大值及其所在截面位置。 例4-2作图4-9(a)所示简支梁受均布荷载的剪力图和弯矩图。 qi 2 (2)列出剪力方程和弯矩方程: 以左端 A为原点,并将x表示在图上 Q(x)Yaqx qi 2 qx0 x YAxqa2 (a) (b) q=56.9kN/m A1 1 B () «_卜- — 'Yb qi 2 伍).图制Ml山山L」, ■'■"If 叫副1 <=177.5kN ()鸥叫 II 2 学 |||||||],' =276.9kN.m 图4-9例题4-2图 解 (1)求支座反力 由 Y0和对称条件知 YaYb 注意,由于反力Ya ql/2的指向是朝上的,它将使梁的任一截面上产生正号的 剪力和弯矩,因此在式(a)和式(b)中它们的符号均为正;由于均布荷载q 的指向是朝下的,它将使左段梁的任一截面上产生负号的剪力和弯矩,分布力q 的合力为分布力图的面积qx,且作用在分布力图的形心-处,而分布力对截面形 2 x 心的力矩的大小为其合力乘以合力到截面形心的距离即qx-,因此在式(a)中 和xl分别代人,就可得到梁的左端和右端截面上的剪力分别为 QAx0丫A ql ~2 QbxI学 qi2Yb 由这两个控制数值可画出一条直线,即为梁的剪力图,如图4-9(b)所示。 从式(b)可知弯矩方程是x的二次式,说明弯矩图是一条二次抛物线,至少需 由三个控制点确定。 故以x=0,x=1/2,x=l分别代入式(b)得 Mx00, 化q8,Mxi0 有了这三个控制数值,就可画出式(b)表示的抛物线,即弯矩图,如图4-9(c)所示。 对于初学者,为便于作图,可先将上面求得的各控制点的QM值排列如下表的 示,然后根据表中数据及剪力方程和弯矩方程所示曲线的性质作出剪力图和弯矩 图。 由作出的剪力图和弯矩图可以看出,最大剪力发生在梁的两端,并且其绝对值相 Qmax 生569空i77.5kN 22 max ql2 2 56.96.24 8 276.9kNm 等,数值为Qmaxy;最大弯矩发生在跨中点处(Q=0),Mmaxql2/8。 x 0 1 2 l qx) ql 2 0 qi 2 M(x) 0 ql2 8 0 将已知的q56.9kN/m和l=6.24m分别代入可得 例4-3作图4-10(a)所示简支梁受集中力P作用的剪力图及弯矩图 (C) A pab 图4-10例题4-3图 (1)求支座反力 (2) Mb0求得Ya Ma0求得Yb Pb l Pa l 分段列剪力方程和弯矩方程 由于C处作用有集中力P,AC和CB两段梁的剪力方程和弯矩方程并不相同。 因 此,必须分别列出各段的剪力方程和弯矩方程: AC段: Qx Ya Pb l (0 a) M(x)Yax Pb xl ( 0x a)( b) CB段: Q(x) Ya PPbl P P(lb)l Pa l (a ( a') M(x) YaX P(xa) Pb xl P(xa) Pa Pax( ax l)( b') ⑶根据Q M方程作QM图 由式(a)、 (a‘)知,两段梁的剪力均为常数,故剪力图为平等于x轴的水平 线,由(b)、(b‘)知,两段梁弯矩为x的一次函数,故弯矩图图形为斜直线。 计算各控制点处的剪力和弯矩见下页表。 并作出剪力图和弯矩图,如4-10(b)、 (c)所示。 由图可知,若a>b,则最大剪力发生在BC段,即QmaxPa/I。 而最大弯矩发生 在力P作用截面处,MmaxPab/I;若a=b,即当梁中点受集中力时,最大弯矩 发生在梁中点截面上,MmaxPI/4。 由图还可看出,在集中力P作用的截面C处,弯矩图的斜率 x 0 a I Q(x) Pb I 左侧右侧 PbPb II Pb I M(x) 0 Pab I 0 发生突变,形成尖角;同时剪力图上的数值也突然由 F变为F。 这种突变 现象的发生是由于我们假设集中力P是作用在梁的一“点”上。 实际上,集中荷 载不可能只作用在梁的一“点”上,而是作用在梁的一段微小的长度上,而剪力、弯矩在这段微小的梁段上还是逐渐地连续变化的。 图4-11表示出梁在这种荷载 作用下的剪力图和弯矩图的实际情况: 剪力图是连续变化(如图4-11(b))的,而弯矩图是一段光滑曲线(如图4-11(c))。 由于设计时需求的是最大剪力和弯矩,将这种微小长度上实际分布荷载简化为作用于一点的集中力会给内力计算带来方便,并且引起的误差很小。 同时可知,由于集中力处剪力突变,故剪力方程式(a)中x的变化为开区间(即0 而弯矩在该处不变,故弯矩方程式(b)中的x变化为闭区间(0xa)。 P B 图4-11在集中力作用下图与图的实际形状 例4-4图4-12(a)所示简支梁在C截面上受集中力偶m作用。 试作梁的剪力图和弯矩图。 (1)求支座反力假设反力Ya、Yb方向如图所示。 B (a) Yb (b) mb Tir i-i图 仃一门亠 MB0,YAlm ma 1 (C) 图4-12例题4-4图 0,得Yam。 l m 。 l Ma0,mYbI0,得Yb 求得的支座反力YB带有负号,说明它的实际方向与图中假设方向相反,由此可 知YA与YB组成一个力偶与外力偶m平衡。 (2)分别列QM方程以梁左端A为坐标原点 由于全梁只有集中力偶m作用, 故只有一个剪力方程 m Q(x)了 (Ovxvl) a) 弯矩方程则应分为两段: AC段M(x)YAxmx CB段M(x)YaX! mfxi b) (b‘) (3)根据QM方程作QM图 计算各控制点处Q(x)和M(x)的值(见附表),并作剪力图和弯矩图,如图4-12 x 0 a l Q(x) m l m l m l M(x) 0 左侧右侧 mamb ll 0 (b)、(c)所示。 由图可见,当b>a时,在集中力偶m作用处的右侧横截面上的弯矩为最大 max mb l 当集中力偶作用在梁的一端,例如左端(如图4-13(a))时,其剪力图无变化 (图4-13(b)),但弯矩图将变为一倾斜直线(如图4-13(c))。 (a) m B 图 (b) 『图U[|fll 丨丨丨丨丨丨丨丨丨II丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨III「. (c) 图4-13I作用在梁的一端时的讨图 由此例可看出,在集中力偶作用处剪力图不变,而弯矩图发生突变。 第四节荷载、剪力和弯矩间的关系 如图4-14(a)所示的梁、受向上分布荷载q(x)作用,若用垂直于梁轴线且相距为dx的两个假想截面mm和n-n由梁x处切出一微梁段。 因dx非常微小,在微段上作用的分布荷载q(x)可看做是均布的,设截面左边内力分别为Q(x)、 M(x),则右边内力相对左边有一增量,故为Q(x)dQ(x)、M(x)dM(x),且都 假设为正值,如图5-14(b)所示,根据微 (x) M(x)+dM(x) 'i M(x) q(x) (a) Q(x) Q(x)+dQ(x) (b) 图4-14 二*和r间的微分关系 段平衡条件,由 丫0,有 Q(x) q(x)dxQ(x) dQ(x)0 整理可得 響)q(x) dx (4-4-1) 由M。 0,有 dx M(x)Q(x)dxq(x)dx— M(x)dM(x) 忽略高阶微量q(x)色一项, 2 整理可得 些Q(x) dx (4-4-2) 对式(4-4-2)再求一次导数并由式(4-4-1) 可得 呼単q(x) dx (4-4-3) 此三式就是荷载集度q(x),剪力Q(x)和弯矩M(x)间的微分关系。 由以上 分析可知,它们的力学意义是平衡方程。 一阶导数的几何意义是图形的斜率。 因 此式(4-4-1)和(4-4-2)说明: 剪力图上一点处的斜率等于梁上该点处的荷载 集度;弯矩图上一点处的斜率等于梁上该点处的剪力 二阶导数的几何意义是图形斜率的变化率即图形的凸凹向。 因此式(4-4-3)说 明: 弯矩图上一点处的凸凹方向可由梁上该点处荷载集度q(x)符号来决定。 注 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 意,这里荷载的符号和坐标指向的规定为: 分布荷载向上为正,x轴向右为正, 剪力图的Q轴向上为正,弯矩图的M轴则以向下为正。 即M互在梁受控一侧,这是与其它内力图不同之处 根据以上微分关系可将剪力图和弯矩图的规律归纳如表4-1所示。 利用表4-1 可以校核剪力图和弯矩图。 例题4-5梁的荷载及剪力图、弯矩图如图4-15所示,试用微分关系校核其正确性。 P2=60kN Pi=120kN q1=30kN/m q2=20kN/m ()AC *J丰T I.I Ya 75 D m=80kN.m (丨) 匚图 () 门II輛 I」•「 'F! gi II —L—|yb 75: I 15! ; ii 45 25 |I 50 83.8 () 同图 (k闯凸) 75 TT 30 11 J1I'k' 15.6 图4-15例题4-5图 解 (1)由平衡方程求反力得YA75k,Yb25K (2)列表校核如下: Me4.5YB2q23.5P22.52.5q 2.5 2.5 4.5252203.5602.530- 2 83.8km Mg1.25YBq21.251.2525201.252 22 15.6km(看右脱离体) 各梁段或截面的内力变化均与表4-1相符,所作QM图正确。 bb 由式(441)可得在x=a和x=b处两截面间的积分为dQ(x)q(x)dx, aa 也可写成 b Q(b)Q(a)q(x)dx(4-4-4) a 同理,由式(4-4-2)可得 b M(b)M(a)Q(x)dx a (4-4-5) 式(4-4-4)和(4-4-5)表示荷载集度q(x)、剪力Q(x)和弯矩 例题4-5的附表 梁段 或截 AC C CD D DF F FB 面 Pt120 m80kNm t 荷载 q=0 (kN) q=0 反时针转 q=30kN P260kN q=20kN/m Q75k 向下突变 / 向下突变 水平线 120kN Q=-45kN Q右7560 斜直线 Q图 Q右75120 无变化 斜直线 =15kN Q=0处 45kN Q=0处 E点 G点 斜率有改变 * E点有极 有尖点 有突变 值 斜率有 G处有极 M图 1 斜直线 突变值 改变 ME 值 斜直线 Mc75kNgm =80kN 有尖点 Mg 83.8kN•m 15.6kN•m 表4-1梁的荷载,剪力图,弯矩图相互关系 q=0 (无分布荷载梁段) 集中力作用处(点) 集中力偶 作用处([;点) 「m ~C~ 水平线 斜直线 截面突变,F向下, 截面无变化 则向下突变,突变值=p Q=0时 Q>0时 Q<0时 水平线 Q P Pa M Q=0外,W有极值 (图凹向与荷载类似弓箭的形状) TTTTT
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