расчет многопролетной шарнирной балки

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

šКузбасский государственный технический университетŸ

Кафедра строительного производства и экспертизы недвижимости

РАСЧЕТ МНОГОПРОЛЕТНОЙ ШАРНИРНОЙ БАЛКИ

Методические указания к расчетно-графической работе по курсу šСтроительная механикаŸ для студентов специальности 270102

šПромышленное и гражданское строительствоŸ заочной формы обучения

Составители Г. П. Бардакова А. В. Покатилов

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 4 от 30.11.2009

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией специальности 270102 Протокол № 40 от 01.12.2009

Электронная копия хранится в библиотеке ГУ КузГТУ

Кемерово 2010

1

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

Настоящие методические указания составлены с целью облегчения студентам, имеющим предварительную теоретическую подготовку, самостоятельного выполнения расчетно-графической работы на тему šРасчет многопролетных шарнирных балок на действие неподвижной и подвижной нагрузокŸ.

Прежде чем приступить к выполнению работы, студент должен изучить по рекомендуемой литературе следующие вопросы из теории расчета многопролетных шарнирных балок (м.ш.б.):

порядок расчета м.ш.б. на неподвижную нагрузку;

понятие о линиях влияния (л.в.);

построение л.в. опорных реакций и внутренних усилий в

м.ш.б.;

определение внутренних усилий с использованием л.в. Расчетно-графическая работа выполняется в карандаше на

стандартном листе ватмана. Все схемы и эпюры вычерчиваются в масштабе. В правом нижнем углу вычерчивается стандартный штамп.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ РАСЧЕТА МНОГОПРОЛЕТНОЙ ШАРНИРНОЙ БАЛКИ

Многопролетной шарнирной балкой (м.ш.б.) называется статически определимая и геометрически неизменяемая система, состоящая из ряда однопролетных балок, соединенных между собой шарнирами.

Расчет м.ш.б. на действие неподвижной нагрузки сводится к расчету отдельных однопролетных балок с использованием уравнений статики.

Расчет м.ш.б. на действие подвижной нагрузки производится с помощью л.в.

2

3. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МНОГОПРОЛЕТНОЙ ШАРНИРНОЙ БАЛКИ

Для статической определимости и геометрической неизменяемости м.ш.б. число шарниров, введенных в пролеты, должно удовлетворять условию:

Ш Со 3,

где Со число опорных связей; 3 – число уравнений статики.

Это условие является необходимым, но недостаточным для оценки геометрической неизменяемости. Необходимо изобразить схему взаимодействия балок (šпоэтажнуюŸ схему) и посмотреть, является ли каждый из элементов образующих м. ш. б. простой балкой с тремя связями.

Для построения šпоэтажнойŸ схемы м.ш.б. мысленно расчленяют по шарнирам на ряд однопролетных балок. Балки с двумя наземными опорами или с жестким защемлением являются главными балками, занимают нижние этажи на šпоэтажнойŸ схеме и служат опорой для соседних балок. Балки с одной наземной опорой являются вспомогательными балками, занимают этаж выше и опираются шарниром на соседний устойчивый элемент.

Балки, не имеющие наземных опор (подвесные балки) занимают верхний этаж на šпоэтажнойŸ схеме.

šПоэтажнуюŸ схему удобно расположить непосредственно под схемой заданной балки.

Примеры построения šпоэтажныхŸ схем показаны на рис. 1.

Рис. 1. šПоэтажныеŸ схемы балок

3

4. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА МНОГОПРОЛЕТНОЙ ШАРНИРНОЙ БАЛКИ

После построения šпоэтажнойŸ схемы заданную м.ш.б. можно рассматривать как ряд простых балок. Аналитический расчет следует вести по частям, начиная с расчета вышележащей балки на действие внешней нагрузки и последовательно переходя к нижележащим. При расчете нижележащих балок следует учитывать кроме внешней нагрузки опорные давления от вышележащих балок, равные опорным реакциям последних, но имеющих обратное направление.

Для расчета удобно схему каждой простой балки вычерчивать отдельно, а эпюры М и Q строить на общей базе šпоэтажнойŸ схемы.

Правило знаков для М и Q. Изгибающий момент положителен, если растянуто нижнее (пунктирное) волокно и на эпюре М откладывается со стороны пунктирного волокна. Поперечная сила положительна, если стремится повернуть ось балки по ходу часовой стрелки и на эпюре Q откладывается со стороны сплошного волокна.

Порядок расчета: 1.Проверяем число шарниров.

2.Строим šпоэтажнуюŸ схему.

3.Составляем расчетную схему каждой простой балки.

4.Определяем опорные реакции в каждой простой балке, используя уравнения статики.

5.Проверяем величины опорных реакций с использованием уравнения Y 0 .

6.Строим эпюру моментов для балок, занимающих верхние этажи на šпоэтажной схемеŸ.

7.При построении эпюр моментов нижележащих балках учитываем опорные давления вышележащих балок.

8.Строим эпюру моментов для всей м.ш.б.

9.Строим эпюру поперечных сил Q по эпюре изгибающих моментов М.

4

5. ПРИМЕР РАСЧЕТА МНОГОПРОЛЕТНОЙ ШАРНИРНОЙ БАЛКИ АНАЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Построить (аналитически) эпюры моментов М и поперечных сил Q для балки изображенной на рис. 2а.

а

б

в

г

е

ж

q= 4кН/м

3 3 3

			q
	V А= 6		3	VВ= 6
			4,5
q				ДВ=6	VЕ= 19
			ДА=6		q
	С 3
				3
36				36

36

36

4,5

18

12

12

30

1

P= 6кН

4

VF= 5

P

1 д

4

24

24

эп.М

6

эп.Q

18

Рис. 2. Пример аналитического расчета многопролетной шарнирной балки

5

Проводим кинематический анализ м.ш.б.

Необходимое число шарниров: Ш Со 3 6 3 3 , следовательно, система статически определима и может быть геометрически неизменяема.

Построение šпоэтажнойŸ схемы (рис. 2б) указывает на то, что каждая из частей м.ш.б. имеет достаточное количество связей и, следовательно, образует геометрически неизменяемую систему в целом.

Аналитический расчет начинаем с расчета балки А-В занимающей верхний этаж на действие внешней нагрузки q (рис. 2в).

Опорные реакции такой балки равны А	В		q l		4 3	6 кН.
V	V	2		2

Эпюра М имеет вид квадратной параболы с ординатой посередине пролета, равной q l 2 4 32 4,5 кН м.

88

Расчет балки А–С (рис. 2г) производим на действие внешней нагрузки q и силы взаимодействия в шарнире Д А / VА / 6 кН.

М С q 3 1,5 Д А 3 4 3 1,5 6 3 36 кН

Расчет балки Е F (рис. 2д) производим на действие внешней нагрузки и силы взаимодействия в шарнире Д В / VВ / 6 кН.

Определяем опорные реакции VЕ и VF , используя уравнения статики.

М Е 0 ; P 16 VF 12 Д В 3 q 3 1,5 0

VF 6 16 6 3 4 3 1,5 5 кН 12

М F 0 ; P 4 VЕ 12 Д В 15 q 3 13,5 0

VЕ 6 4 6 15 4 3 13,5 19 кН 12

6

Проверка:

У 0 ; Д В q 3 VЕ VF P 6 4 3 19 5 6 0

Для построения эпюры М вычисляем значения изгибающих моментов в характерных сечениях:

МВ 0;

МЕ Д В 3 q 3 1,5 6 3 4 3 1,5 36 кН;

МF P 4 6 4 24 кН м;

М1 0 .

Эпюра изгибающих моментов для м.ш.б. показана на рис. 2е. Эпюру поперечных сил строим по эпюре изгибающих момен-

тов (рис. 2ж).

Q лев

q l

М пр М лев

4 9

36 36

18 кН

СЕ

2

l

2

9

Qпр

q l

М пр М лев

18 кН

СЕ

2

l

Q

М пр М лев

24 36

1 кН

ЕF

l

12

Q

М пр М лев

0 24

6 кН

F1

l

4

6. РАСЧЕТ МНОГОПРОЛЕТНОЙ ШАРНИРНОЙ БАЛКИ НА ПОДВИЖНУЮ НАГРУЗКУ

Расчет сооружений на подвижную нагрузку производится с помощью линий влияния.

Линия влияния (в дальнейшем л.в.) – это график изменения какого либо фактора (опорной реакции, изгибающего момента, по-

7

перечной силы) в данном сечении от подвижной нагрузки Р=1. Ордината л.в. равна величине того фактора, для которого эта л.в. построена в тот момент, когда груз Р=1 стоит над этой ординатой.

Линии влияния имеют отличия от эпюр внутренних усилий. Линия влияния строится от подвижной единичной сосредото-

ченной силы, а эпюры от неподвижной нагрузки любой величины. Эпюры усилий изображают закон изменения данного усилия

(изгибающего момента, поперечной силы) во всех сечениях сооружения, но только для одного конкретного положения заданной нагрузки. При изменении нагрузки следует строить новую эпюру.

Линия влияния, наоборот, характеризует изменение данного усилия в одном, определенном сечении в зависимости от положения единичной силы, перемещающейся по сооружению. Чтобы судить об изменении усилия, относящегося, к другому сечению следует строить новую линию влияния.

Л.в. может быть построена статическим или кинематическим способом. Строится л.в. в два этапа. На первом этапе строится л.в. искомого усилия в пределах той простой балки, к которой относится исследуемое сечение. На втором этапе добавляется продолжение л.в., обусловленное взаимодействием отдельных балок.

Для построения л.в. усилия статическим способом необходимо написать аналитическое выражение, из которого определяется исследуемое усилие и подставляя в него значения координат, характеризующих положение подвижной силы Р=1, вычислить ординаты л.в.

Кинематический способ построения л.в. основан на принципе возможных перемещений, который заключается в том, что для равновесия системы необходимо и достаточно, чтобы сумма работ всех сил, действующих на систему, на любом возможной для нее бесконечно малом перемещении была равна нулю.

Силовой фактор, для которого строится л.в. (опорная реакция, изгибающий момент, поперечная сила) обычно представляют собой усилия в одной из связей системы. Удалив эту связь и заменив ее влияние искомым усилием, мы получим механизм с одной степенью свободы, график возможных перемещений которого и будет представлять собой в некотором масштабе искомую л.в.

8

7. ПРИМЕР ПОСТРОЕНИЯ ЛИНИИ ВЛИЯНИЯ УСИЛИЙ В МНОГОПРОЛЕТНОЙ ШАРНИРНОЙ БАЛКЕ

Произвести расчет на подвижную нагрузку м.ш.б. изображенной на рис. 3а.

а

б

в

г

д

е

ж

и

Рис. 3. Пример построения линии влияния усилий в многопролетной шарнирной балке

9

Строим поэтажную схему м.ш.б. (рис. 3б).

Для построения л.в. VЕ на поэтажной схеме находим ту балку, которой принадлежит опора Е и строим л.в. VЕ в пределах балки ЕF аналитическим способом. Записав уравнение статики М F 0 , получаем зависимость VЕ от текущей абсциссы x груза Р=1.

М F 0 ; VЕ l Р l x 0; VЕ

l x

l

Задавая x граничные значения, строим график изменения VЕлинию влияния VЕ : при x 0 VЕ =1; при x l VЕ 0.

Для продолжения построения л.в. VЕ рассматриваем движение груза Р=1 по вышележащим балкам по отношению к искомой, зная, что:

л.в. это прямая линия, которая имеет перелом в шарнирах

ипроходит через ноль в наземных опорах;

в подвесной балке л.в. равна нулю во втором шарнире по ходу движения единичного груза от нижележащей балки;

движение единичного груза по нижележащим балкам не вызывает усилие в верхних этажах и искомая л.в. на этих участках будет нулевой.

Ординаты л.в. VЕ определяем из подобия треугольников

линии влияния.

Для построения л.в. VЕ кинематическим способом удалим, опорный стержень в точке Е и зададим балке ЕF в этой точке бесконечно малое возможное перемещение. В полученном таким образом механизме отклонение балки ЕF, как абсолютно жестком стержне, состоит только в повороте около опоры F, что вызывает поворот балки АВ около шарнира А и оставляет неподвижным стержень СА. График возможных перемещений механизма, показанный на рис. 3г, совпадает с л.в. VЕ (рис. 3в).

Построение л.в. МI начинаем с построения аналитическим способом л.в. в балке ЕF, которой принадлежит сечение I.

При положении груза Р 1 левее сечения I записываем уравнение зависимости МI от текущей абсциссы x груза Р 1