Жесткости методом начальных параметров

 

Рассмотрим часть балки длиной , нагруженную сосредоточенной силой F _i, сосредоточенным моментом M _i, равномерно распределенной нагрузкой q _i, а также внутренними усилиями M _y(0), Q _z(0), которые действуют в начальном сечении балки, то есть в сечении, расположенном в начале координат (рис.11.22,а).

   

                                             Рис.11.22

 

Это сечение балки может иметь перемещения v(0) и φ(0), которые не показаны на рис.11.22,а. Внутренние усилия M _y(0), Q _z(0)   и перемещения   v(0),   φ(0),  имеют название начальных параметров деформации балки при изгибе. Их значения зависят от условий закрепления балки на левом торце, то есть в начале системы координат.

Начало системы координат О всегда принимается на левом торце балки а ось x направляется вправо. Если, например, левый торец балки жестко закреплен, то начальный угол поворота и начальный прогиб балки равняются нулю, а начальные внутренние усилия равняются соответствующим реакциям жесткого закрепления со знаками изгибающего момента.

Более обстоятельно этот вопрос рассмотрим позже, когда будут получены уравнения углов поворота и прогибов упругой линии.                                              

Направления действия всех внешних нагрузок и внутренних усилий, которые приведены на рис. 11.22,а отвечают положительным знакам этих нагрузок и усилий.

Перемещения   v(0) и φ(0)  будем также считать положительными, то есть направленными вверх и против часовой стрелки.

Часть балки, которую мы рассматриваем, содержит 5 участков обозначенных римскими цифрами. Составим дифференциальное уравнение упругой линии (то есть изогнутой оси балки) для последнего правого участка балки, используя зависимость (11,27). Правая часть этой зависимости есть изгибающий момент в произвольном сечении последнего правого участка балки. Продолжим распределенную нагрузку q _i до конца части балки, которую рассматриваем (то есть в пределах пятого участка), и чтобы не нарушить равновесие балки, приложим в пределах пятого участка такую же нагрузку - q _i противоположного направления (рис.11.22,б).

Составим уравнение изгибающего момента в поперечном сечении последнего правого участка, который находится на переменном расстоянии x от начала координат. Чтобы это уравнение было структурированным относительно расстояния каждого вида нагрузки от рассматриваемого сечения, используем определение и правило знаков изгибающего момента, а также сосредоточенные моменты M _y(0),и M _i  умножим на их расстояния от сечения, возведенные в нулевую степень. Тогда получим следующее уравнение изгибающих моментов на пятом участке:

                                                               (11.44)

       Из уравнения (11.44) легко получить уравнение изгибающих моментов на любом участке, если сохранить в нем сумму моментов всех сил, которые действуют слева от конца этого участка.

       Подставим в уравнение (11.27) вместо M _y(x) его значение согласно зависимости (11.44) получим дифференциальное уравнение балки при изгибе:

                                                   11.45)

Это уравнение всегда составляется для последнего правого участка балки, но оно используется для любого предыдущего участка. Для этого в правой части уравнения сохраняются моменты сил, которые действуют слева от рассматриваемого участка.

       Интегрируем уравнение (11.45) дважды по независимой переменной x, используя прием Клебша (интегрируем без раскрытия скобок), получим соответственно уравнение углов поворота и прогибов поперечных сечений балки на пятом участке:

                                                      11.46)              

 

                                                  (11.47)                                                         

       Нетрудно доказать, что постоянные интеграции C₅ и D₅ для пятого участка равняются соответствующим постоянным интегрирования для любого участка и равняются начальным значением угла поворота и прогиба, умноженным на жесткость балки при изгибе (равенства C₂= C₁ и D₂= D₁=0 были получены в предыдущем параграфе).

       В результате имеем:

 

                                   C₅ =C₄= C₃= C₂= C₁=                                            (11.48)

 

                                         D₅= D₄= D₃= D₂= D₁=                                              (11.49)

 

       Заменим постоянные интегрирования в зависимостях (11.46) и (11.47) их значениями согласно (11.48) и (11.49), получим: 

                                            11.50)

                                             11.51)

                

       Зависимости (11.50) и (11.51) являются уравнениями углов поворота и прогибов балки на её произвольном участке. При составлении этих уравнений нужно учесть все нагрузки, которые действуют слева от рассматриваемого сечения балки. При этом нагрузки, которые действуют по часовой стрелке относительно сечения, учитываются с положительным знаком, а нагрузки, которые действуют против часовой стрелки относительно сечения, учитываются с отрицательным знаком.

Перед использованием составленных уравнений нужно определить начальные параметры из условий закрепления балки.

Если, например, балка шарнирно закреплена на двух концах и на левом торце не нагружена сосредоточенным моментом, то начальный изгибающий момент и начальное прогиб равняются нулю, то есть: M _y(0)=0 и   φ (0)=0. Начальная поперечная сила равняется вертикальной реакции левой опоры, а начальный угол поворота определяется из условия равенства нулю прогиба балки на правой опоре, то есть из условия: .

Если левый торец балки закреплен с помощью жесткой опоры, то начальный угол поворота и начальное прогиб балки равняются нулю, а начальный изгибающий момент и начальная поперечная сила равняются соответствующим реакциям жесткого закрепления. Знаки этих параметров принимаются в соответствии с направлениями действия реакций опоры по правилу знаков изгибающего момента и поперечной силы.

Если левый торец балки свободен от всякого закрепления, а правый торец имеет жесткую опору, то начальный изгибающий момент и начальная поперечная силы равняются нулю, или сосредоточенным нагрузкам того же характера на этом торце балки. Начальный прогиб и угол поворота неизвестны и их значения определяются из условий равенства нулю прогиба и угла поворота правого торца балки.

Если, наконец, левый торец балки свободен от всякого закрепления, а балка имеет две шарнирные опоры, то начальный прогиб и угол поворота неизвестны и их значения определяются из условий равенства нулю прогиба оси балки в точках закрепления шарнирными опорами.

Используя указанные условия и уравнения, составленные по типу уравнений (11.50) и (11.51) находим неизвестные начальные параметры, потом подставляем значение всех начальных параметров в те же зависимости (11.50) и (11.51), которые составлены для конкретной балки, и находим окончательные уравнения углов поворота и прогибов для произвольного участка балки.

 Для определения величин угла поворота и прогиба в каком-либо сечении, нужно подставить в соответствующие уравнения значение абсциссы этого сечения и учесть только те нагрузки, которые действуют слева от этого сечения. Сосредоточенные силы F_i учитываем при условии, что , сосредоточенные моменты M_i учитываем при условии, что  и распределенные нагрузки q_i учитываем при условии, что , или

Пример 11.5: Для балки, расчетная схема которой приведена на рис.11.23,а, составить уравнение углов поворота и прогибов упругой оси балки и построить эпюры этих параметров, если

E = 2∙10⁵ МПа, а Iy = 1840 см⁴ (двутавр №20).

          

                                                   Рис.11.23

 

Решение задачи:

1) Составляем уравнение равновесия балки из условий равновесия:

                ΣM_С=0 и ΣM_В=0   и определяем реакции опор из их решения:

            , откуда:

                           

            , откуда

              

Проверка: ΣZ _i=0    ,  или 110-110=0.

2) Выбираем начало координат на левом торце балки и устанавливаем известные и неизвестные начальные параметры:

В данном случае известна начальная поперечная сила , и известен начальный изгибающий момент . Неизвестными начальными параметрами являются угол поворота и прогиб левого торца балки, то есть параметры: и .

3) Составляем уравнение углов поворота и прогибов балки для третьего участка балки, то есть для поперечного сечения балки, расположенного на переменном расстоянии xот начала координат (рис.11.23,а):

                                                       (11.52)  

                                                                                        (11.53)  

                                                         

       4) Определяем начальные параметры изогнутой оси балки  и . Для этого используем два условия: при x=2 м, ипри    x=7 м прогиб балки равняются нулю. Подставим в уравнение (11.53) значение x=2, получим:

 

      , или + 2  =26,6667                    (11.54)

 

Подставим в уравнение (11.53) значения x=7, получим:

 

           , откуда:

                                              + 7·  =78,75                                      (11.55)

       Из решения системы уравнений (11.54) и (11.55) находим начальные параметры, увеличенные в  раз:

                                 = 10,41667;  = 5,83333.

5) С учетом найденных начальных параметров получаем

окончательные уравнения углов поворота и прогибов балки:

                                                   (11.56)

                                                                            (11.57)

6) Используя уравнение (11.56) и (11.57), определяем величины прогибов балки и углов поворота, увеличенные в  раз для ее сечения, расположенных на расстояниях 0,5 м один от другого (с шагом в 0,5 м), то есть при x = 0,5 м. имеем:

 = 10,41667 – 20·0,5²/2 = 7,917;

= 5,83333 + 10,41667·0,5-20·0,5³/6 = 10,625

При x = 1 м. имеем:

 = 10,41667 – 20·1²/2 = 0,417;

= 5,83333 + 10,41667·1-20·1³/6 = 12,917

При x = 1,5 м. имеем:

 = 10,41667 – 20·1,5²/2 = -12,083

= 5,83333 + 10,41667·1,5-20·1,5³/6 = 10,208. Продолжая, таким образом, подсчеты φ(x) и для следующих значений абсциссы x получим ординаты эпюр прогибов углов поворота увеличенных в  раз. Эти значения приведены во второй и третьей графах таблицы 11.1

                                                                                       

                                                                                   Таблица 11.1

x			м	рад.
0	5,833	10,417	0,002	0,0028
0,5	10,625	7,917	0,003	0,0022
1	12,917	0,417	0,004	0,0001
1,5	10,208	-12,083	0,003	-0,0033
2	0,000	-29,583	0,000	-0,0080
2,5	-19,313	-46,708	-0,005	-0,0127
3	-45,750	-58,083	-0,012	-0,0158
3,5	-76,438	-63,708	-0,021	-0,0173
4	-108,500	-63,583	-0,029	-0,0173
4,5	-131,641	-28,333	-0,036	-0,0077
5	-136,500	8,917	-0,037	0,0024
5,5	-123,016	44,417	-0,033	0,0121
6	-93,000	74,417	-0,025	0,0202
6,5	-50,141	95,167	-0,014	0,0259
7	0,000	102,917	0,000	0,0280

  

Если разделить их на  = 2∙10⁸∙1840∙10^-8 = 3680 кНм², то   получим прогибы упругой линии балки в метрах, а углы поворота сечений в радианах (эти значения приведены соответственно в 4 и 5 графах таблицы 11.1). На рис.11.23,б и 11.23,в построены эпюры углов поворота и прогибов оси балки.