Определение перемещений в балках при изгибе

Имеем закон Гука при изгибе: , где r(х) — радиус кривизны изогнутой оси балки в сечении х, М(х) — изгибающий момент в том же сечении, EJ — жесткость балки. Из высшей математики известно: — дифференциальное уравнение изогнутой оси балки. — тангенс угла между осью х и касательной к изогнутой оси. Эта величина очень мала (прогибы балки малы) Þ ее квадратом пренебрегают и угол поворота сечения приравнивают тангенсу. Приближенное дифференциальное ур-ние изогнутой оси балки: . Если ось y направлена вверх, то знак (+). В некоторых вузах ось y направляется вниз Þ (—). Интегрируя дифф. уравнение, получаем: — ур-ние углов поворота, интегрируем второй раз: — получаем ур-ние прогибов. Постоянные интегрирования С и D находятся из граничных условий, которые зависят от способов закрепления балки.

Метод начальных параметров. Начало координат выбирают в крайней левой точке. При включении в уравнение момента М, который приложен на расстоянии " а" от начала координат, его умножают на множитель (х — а)⁰, который равен 1. Любую распределенную нагрузку продлевают до конца балки, а для ее компенсации прикладывают нагрузку обратного направления.

Для рис.:

EJ = M(x) = R_A× x – – M(x – a)⁰ + – P(x – a – b); интегрируем:

EJ = EJq₀ + R_A× – – M(x – a) + – P ;

EJy =EJy₀ + EJq₀x + R_A× – – M + – P .

Начальные параметры — то, что мы имеем в начале координат, т.е. для рис.: М₀=0, Q₀=R_A, прогиб y₀=0, угол поворота q₀¹ 0. q₀ находим из подстановки во второе уравнение условия закрепления правой опоры: x=a+b+c; y(x)=0.

Дифференциальные зависимости при изгибе:

; ; ; .

Определение перемещений способом фиктивной нагрузки. Сопоставляя уравнения:

и имеем аналогию, Þ определение прогибов можно свести к определению моментов от некоторой фиктивной (условной) нагрузки в фиктивной балке: . Момент от фиктивной нагрузки М_ф после деления на EJ равен прогибу " y" в заданной балке от заданной нагрузки. Учитывая, что и , получаем, что угол поворота в заданной балке численно равен фиктивной поперечной силе в фиктивной балке. , . При этом должна быть полная аналогия в граничных условиях двух балок. Каждой заданной балке соответствует своя фиктивная балка.

Закрепление фиктивных балок выбирается из того условия, чтобы на концах балки и на опорах имелось полное соответствие между " y" и " q" в заданной балке и М_ф и Q_ф в фиктивной балке. Если эпюры моментов как в действительной, так и в фиктивной балках строить со стороны растянутого волокна (т.е. положительный момент откладывать вниз), то линии прогибов в заданной балке совпадает с эпюрой моментов в фиктивной балке.

Статически неопределимые балки.

Статически неопределимыми называются системы, реакции в которых не могут быть определены из уравнений равновесия твердого тела. В таких системах больше связей, чем это необходимо для равновесия. Степень статической неопределимости балки (не имеющей промежуточных шарниров – неразрезные балки) равна избыточному (лишнему) числу внешних связей (более трех).

Раскрытие статической неопределимости с помощью дифф-ного урав-ния изогнутой оси балки. Записываем дифф-ное урав-ние куда входит в качестве неизвестной реакция R_B и дважды его интегрируем: EJ = R_В× x – ; EJ = R_В× – + С;

EJy = R_В× – + С× х + D. Используем условия закрепления балки: х=0, y=0, =0; x=L, y=0. Подставляем их в два последних уравнения, находи постоянные интегрирования С и D и неизвестную реакцию R_B. Далее из урав-ний статики: H_A=0; R_A – q× L + R_B=0; R_B× L – + M_A=0; находятся R_A и M_A.

Уравнение совместности перемещений. Статически определимая балка, которая получается из статически неопределимой при удалении " лишнего" закрепления, называется основной системой. За " лишнюю" неизвестную можно взять любую из реакций. Приложив к основной системе заданные нагрузки добавляем условие, которое обеспечивает совпадение заданной балки и основной – уравнение совместности перемещений. Для рис.: y_B=0, т.е. прогиб в точке В = 0. Решение этого уравнения возможно разными способами.

Способ сравнения перемещений. Определяется прогиб точки В (рис.) в основной системе под действием заданной нагрузки (q): y_Вq= . Далее рассматривается основная система под действием " лишней" неизвестной R_B, и находится прогиб от действия R_B: . Подставляем в уравнение совместности перемещений: y_B= y_Вq + = 0, т.е. + = 0, откуда R_B= , далее остальные реакции находятся из уравнений статики.

Теорема о трех моментах. Используется при расчете неразрезных балок — балок на многих опорах, одна из которых неподвижна, остальные подвижны. Для перехода от статически неопределимой балки к статически определимой основной системе над –лишними опорами вставляются шарниры. Лишними неизвестные: моменты M_n, приложенные к концам пролетов над лишними опорами.

Строятся эпюры моментов для каждого пролета балки от заданной нагрузки, рассматривая каждый пролет, как простую балку на двух опорах. Для каждой промежуточной опоры " n" составляется уравнение трех моментов:

w_n, w_n+1–площади эпюр, a_n – расстояние от центра тяжести левой эпюры до левой опоры, b_n+1 – расстояние от центра тяжести правой эпюры до правой опоры. Число уравнений моментов равно числу промежуточных опор. Совместное их решение позволяет найти неизвестные опорные моменты. Зная опорные моменты, рассматриваются отдельные пролеты и из уравнений статики находятся неизвестные опорные реакции. Если пролета всего два, то левый и правый моменты известны, т.к. это либо заданные моменты, либо они равны нулю. В результате получаем одно уравнение с одним неизвестным М₁.