Пример расчета 2

Произвести статический расчет главной балки, расчетная схема которой приведена на рис. 4. Усилия в главной балке определить с учетом перераспределения. G =84 кН; Р=252 кН; l=6 м.

Рис. 4. Расчетная схема главной балки

Для расчета балки как упругой системы воспользуемся данными приложения 1. Рассмотрим следующие схемы нагружения:

G  постоянная нагрузка во всех пролетах

Р₁ – временная нагрузка в 1 и 3 пролетах;

Р₂  временная нагрузка во 2 и 4 пролетах;

Р₃ – временная нагрузка в 1,2 и 4 пролетах;

Р₄ – временная нагрузка во 2 и 3 пролетах;

Р₅ – временная нагрузка в 1, 3 и 4 пролетах.

Результаты расчета приведены в табл. 3. Последовательность определения изгибающих моментов покажем на следующем примере. Так, для опоры В четырехпролетной балки при нагрузке во всех пролетах находим = 0,28571. Следовательно, при действии постоянной нагрузки изгибающий момент на этой опоре определяем по формуле:

М_В=Gl= 0,28571846 = 144 кН.м.

Аналогичным образом определены величины изгибающих моментов и для других сечений главной балки, а также при различных вариантах положения временной нагрузки.

В табл.3 приведены величины моментов при сочетаниях нагрузок G+Р₁; G+Р₂ и т.д., а также ординаты огибающей эпюры до перераспределения.

Произведем перераспределение усилий с целью наибольшего уменьшения опорных моментов по сравнению с ординатами огибающей в табл. 3.

Таблица 3

Изгибающие моменты в главной балке по упругой стадии

G=84 кН; Р=252 кН;l=6 м.

МножителиGl=846=504 кН.м; Рl=2526=1512 кН.м

Вид нагрузки и ее положение		Изгибающие моменты (кН.м) в сечениях
		11	12	В	21	22	С	31	32	Д	41	42
G (все пролеты)		0,23870	0,14286	-0,28571	0,07937	0,11111	-019048	0,11111	9,07937	-0,28571	0,14286	0,23810
	М	120	72	144	40	56	96	56	40	144	72	120
Р1 (1 и 3 пролеты)		0,28571	0,23810	-0,14286	-0,12698	-0,11111	-0,09524	0,22222	0,20635	-0,14286	-0,09524	-0,04762
	М	432	360	216	192	-168	144	336	312	216	-144	-72
Р2 (2 и 4 пролеты)		-0,04762	-0,09524	-0,14286	0,20635	0,22222	-0,09524	-0,11111	-0,12698	-0,14286	0,23810	0,28571
	М	72	144	216	312	336	144	-168	-192	216	360	432
Р3 (1,2 и 4 пролеты)		0,22619	0,11905	-0,32143	0,10317	0,19444	-0,04762	-0,08333	-0,11905	-0,15476	0,23016	0,28175
	М	342	180	486	156	294	72	-126	- 180	234	348	426
Р4 (2 и 3 пролеты)		-0,03175	-0,06349	-0,09524	0,17460	0,11111	-0,28571	0,11111	0,17460	-0,09524	-0,06349	-0,03175
	М	48	96	144	264	168	432	168	264	144	-96	-48
Р5 (1,3 и 4 пролеты)		0,28175	0,23016	-0,15476	-0,11905	-0,08333	-0,04762	0,19444	0,10317	-0,32143	0,11905	0,22619
	М	426	348	234	180	-126	72	294	156	486	180	342
G + Р1	М	552	432	360	152	-112	240	392	352	360	-72	48
G + Р2		48	72	360	352	392	240	-112	-152	360	432	552
G + Р3		462	252	630	196	350	168	-70	-140	378	420	546
G + Р4		72	24	288	304	224	528	224	304	288	-24	72
G + Р5		546	420	378	140	-70	168	350	196	630	252	462
Ординаты огибающей	М^min	-	72	630	152	-112	528	-112	-152	630	-72	-
	M^max	552	432	-	352	392	-	392	352	-	432	552

На опорах В и D эти ординаты составляют  630 кНм. Уменьшив их на 30%, получим ординаты после перераспределения: М_В=М_D= 6300,7= 441 кНм.

Аналогично для опоры С

М_С= 5280,7= 369,6 кНм.

Таким образом, полученные величины опорных моментов будут использованы в дальнейшем для определения количества надопорной арматуры в главной балке. Если при каком-либо сочетании нагрузок в упругой стадии возникают опорные моменты, по абсолютной величине меньшие, чем получено выше (М_В=М_D= 441 кНм и М_С =  369,6 кНм.),

то для этого сочетания перераспределение усилий целесообразно производить путем увеличения опорных моментов до указанных величин, чтобы уменьшить и пролетные моменты.

Последовательность такого перераспределения покажем на примере сочетания G+Р₁.

На рис.5,а построена эпюра моментов для этого сочетания нагрузок по данным табл. 3.

Приложим на опорах В и D дополнительные моменты величиной

M^add= 441 (360)= 81 кНм,

а на опоре С

M^add= 359,6( 240)= 129,6 кНм,

Эпюры дополнительных моментов, приложенных к каждой из промежуточных опор, приведена на рис. 5,б, а суммарная эпюра дополнительных моментов – на рис. 5,в.

Складывая первоначальную эпюру моментов с суммарной дополнительной, получим эпюру моментов после перераспределения – см. рис. 5,г.

В результате произведенного перераспределения удалось несколько уменьшить положительные пролетные моменты - в сечении 11 теперь действует момент 525 кНм, вместо 552 кНм; а в сечении 31 – момент 278,6 кНм вместо 392 кНм. Тем самым уменьшены ординаты огибающей эпюры не только опорных, но и положительных пролетных моментов.

Подобным образом произведено перераспределение моментов и для других сочетаний нагрузок. Результаты расчета представлены

Рис. 5. Перераспределение моментов для сочетания нагрузок G+P₁

а) эпюра моментов по упругой стадии;

б) эпюра дополнительных моментов, приложенных к опорам B,CиD;

в) суммарная эпюра дополнительных моментов;

г) эпюра моментов после перераспределения.

в табл.4. Огибающая эпюра моментов после перераспределения усилий показана на рис. 6.

Как видно из сопоставления ординат огибающих (см. табл.3 и 4), в результате перераспределения усилий достигнуто уменьшение не только опорных моментов (что является основной целью расчета), но и положительных пролетных моментов; в крайних пролетах на 4,9%, а в средних – на 28,9%. Это позволяет снизить расход арматуры как в опорных, так и в пролетных сечениях балки.

Поскольку перераспределение усилий помимо уменьшения изгибающих моментов отражается и на величине поперечных сил находим последние только после перераспределения.

Значения поперечных сил на каждом участке определим по формуле (7) как тангенс угла наклона эпюры моментов – см. табл.4.

Так, для сочетания нагрузок G+Р₁. поперечные силы равны (длина каждого участка 2 м):

участок А – 11 Q=(5250)/2=262,5 кН;

участок 11- 12 Q=(378525)/2= 73,5 кН;

участок 12 – В Q=(441378)/2= 409,5 кН;

участок В – 21 Q=(249,2+441)/2=95,9 кН

и т.д. Вычисленные значения поперечных сил по участкам представлены в табл. 5.

Анализ результатов статического расчета показывает, что можно было ограничиться лишь тремя вариантами положения временной нагрузки - Р₁, Р₃ и Р₄, так как варианты Р₂ и Р₅ обратно симметричны вариантам Р₁ и Р₃. При этом следует изменить порядок построения огибающей эпюры моментов. После определения моментов с учетом перераспределения усилий огибающую эпюру строят только для левой половины балки, до оси симметрии. Для полностью симметричных нагрузок этого вполне достаточно. Для несимметричных нагрузок (сочетания G+Р₁; G+Р₂) построение эпюр производят также до оси симметрии, после чего значения моментов, возникающих на правой половине балки, откладывают на левой половине в обратном порядке. Например, для сочетания нагрузок G+Р₁ сначала строят эпюру моментов от опоры А до опоры С. Затем момент, действующий в сечении 31, откладывают в точке 22, момент в сечении 32 – в точке 21 и т.д.

Таблица 4

Перераспределение моментов в главной балке.

Сочетание нагрузок	Характер эпюры моментов		Изгибающие моменты (кН∙м) в сечениях ригелях
			1	2	B	3	4	C	5	6	D	7	8
G+P1	По упругой стадии		552	432	-360	-152	-112	-240	392	352	-360	-72	48
	Дополнительная		-27	-54	-81	-97,2	-113,4	-129,6	-113,4	-97,2	-81	-54	-27
	Перераспределенная		525	378	-441	-249,2	-225,4	-369,6	278,6	254,8	-441	-126	21
G+P2	По упругой стадии		48	-72	-360	352	392	-240	-112	-152	-360	432	552
	Дополнительная		-27	-54	-81	-97,2	-113,4	-129,6	-113,4	-97,2	-81	-54	-27
	Перераспределенная		21	-126	-441	254,8	278,6	-369,6	-225,4	-249,2	-441	378	525
G+P3	По упругой стадии		462	252	-630	196	350	-168	-70	-140	-378	420	546
	Дополнительная		63	126	189	58,8	-71,4	-201,6	-115,4	-109,2	-63	-42	-21
	Перераспределенная		525	378	-441	254,8	278,6	-369,6	-225,4	-249,2	-441	378	525
G+P4	По упругой стадии		72	-24	-288	304	224	-528	224	304	-288	-24	72
	Дополнительная		-51	-102	-153	-49,2	54,6	158,4	54,6	-42	-153	-102	-51
	Перераспределенная		21	-126	-441	254,8	278,6	-369,6	278,6	254,8	-441	-126	21
G+P5	По упругой стадии		546	420	-378	-140	-70	-168	350	196	-630	252	462
	Дополнительная		-21	-42	-63	-109,2	-155,4	-201,6	-71,4	58,8	189	126	63
	Перераспределенная		525	378	-441	-249,2	-225.4	-369,6	278,6	254,8	-441	378	525
Ординаты огибающей после перераспределения		M^min	-	-126	-441	-249,2	-225,4	-369,6	-225,4	-249,2	-441	-126	-
		M^max	525	378	-	254,8	278,6	-	278,6	254,8	-	378	525

Рис. 6. Огибающая эпюра моментов (кН.м) после перераспределения усилий

Таблица 5

Поперечные силы в главной балке.

Сочетание нагрузок	Поперечные силы (кН) на участках
	A-1	I-2	2-B	B-3	3-4	4-C	C-5	5-6	6-D	D-7	7-8	8-E
G+P1	262,5	-73,5	-409,5	95,9	11,9	-72,1	324,1	-11,9	-347,9	157,5	73,5	-10,5
G+P2	10,5	-73,5	-157,5	347,9	11,9	-324,1	72,1	-11,9	-95,9	409,5	73,5	-262,5
G+P3	262,5	-73,5	-409,5	347,9	11,9	-324,1	72,1	-11,9	-95,9	409,5	73,5	-262,5
G+P4	10,5	-73,5	-157,5	347,9	11,9	-324,1	324,1	-11,9	-347,9	157,5	73,5	-10,5
G+P5	262,5	-73,5	-409,5	95,9	11,9	-72,1	324,1	-11,9	-347,9	409,5	73,5	-262,5
Величины Q для расчёта наклонных сечений балки	262,5	73,5	409,5	347,9	11,9	324,1	324,1	-11,9	347,9	409,5	73,5	262,5

Анализ результатов статического расчета показывает, что можно было ограничиться лишь тремя вариантами положения временной нагрузки - Р₁, Р₃ и Р₄, так как варианты Р₂ и Р₅ обратно симметричны вариантам Р₁ и Р₃. При этом следует изменить порядок построения огибающей эпюры моментов. После определения моментов с учетом перераспределения усилий огибающую эпюру строят только для левой половины балки, до оси симметрии. Для полностью симметричных нагрузок этого вполне достаточно. Для несимметричных нагрузок (сочетания G+Р₁; G+Р₂) построение эпюр производят также до оси симметрии, после чего значения моментов, возникающих на правой половине балки, откладывают на левой половине в обратном порядке. Например, для сочетания нагрузок G+Р₁ сначала строят эпюру моментов от опоры А до опоры С. Затем момент, действующий в сечении 31, откладывают в точке 22, момент в сечении 32 – в точке 21 и т.д.