结构力学课件:4静定拱.ppt
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- 结构 力学 课件 静定
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1、结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25第第四四章章 静定拱静定拱 4-1 概概 述述4-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 4-3 三铰拱的合理拱轴线三铰拱的合理拱轴线结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25 杆轴线为曲线,在竖向荷载杆轴线为曲线,在竖向荷载作用下会产生水平反力(称为推力)。作用下会产生水平反力(称为推力)。 拱式结构的特点:拱式结构的特点: 拱式结构又称为拱式结构又称为推力结构推力结构。4-1 概概 述述结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25梁式结构在竖向荷载作用下是不会产生推力的。梁式结构在竖向荷载作用下是不会产生推力的。 (a)lABBACCABC(c
2、)lABBACCAB有拉杆的三铰拱有拉杆的三铰拱 两铰拱两铰拱 曲梁曲梁 4-1 概概 述述结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25三铰拱各部分名称三铰拱各部分名称 高跨比高跨比f/l是拱的一个重要的几何参数。工程实际是拱的一个重要的几何参数。工程实际中,高跨比在中,高跨比在l110之间之间,变化的范围很大。,变化的范围很大。跨度矢高拱趾拱趾拱顶fl拱轴线拱顶:拱的最高点。拱顶:拱的最高点。拱趾:拱趾: 支座处。支座处。 跨度:两支座之间的水平距离,跨度:两支座之间的水平距离, 用用l表示。表示。 矢高:拱顶到两拱趾间联线的竖向距离,用矢高:拱顶到两拱趾间联线的竖向距离,用f表示。表示。
3、 4-1 概概 述述结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25 拱与其同跨度同荷载的简支梁相比其弯矩要小拱与其同跨度同荷载的简支梁相比其弯矩要小得多,得多,所以所以拱结构适用于大跨度的建筑物拱结构适用于大跨度的建筑物。它广泛它广泛地应用房屋桥梁和水工建筑物中。由于推力的存在地应用房屋桥梁和水工建筑物中。由于推力的存在它要求拱的支座必须设计得足够的牢固,这是采用它要求拱的支座必须设计得足够的牢固,这是采用拱的结构形式时必须注意的。拱的结构形式时必须注意的。 4-1 概概 述述结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25一、三铰拱的反力和内力计算。一、三铰拱的反力和内力计算。 1. .支座反
4、力支座反力计算计算(与三铰刚(与三铰刚架反力的求法类架反力的求法类似)。似)。 代梁代梁 代梁:代梁:同跨度、同跨度、同荷载的简支梁同荷载的简支梁, ,其其反力、内力记为反力、内力记为、 、 、 0V AF0V BF0M0SF三铰拱三铰拱 BFFFFfFFFAyxl/xKC2l/2VAHBHAVBF1F2F3BACFaaa12300FKVAVB4-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25HHHFFFBA考虑整体平衡考虑整体平衡 0V332211lFaFaFaFB332211V1alFalFalFlFA考虑考虑C 铰左侧部分平衡铰左侧部分平衡 2211H2
5、221alFalFlFfFyA由由X=0,得,得由由MA=0332211V1aFaFaFlFB得得由由MB=0,得得由由MC=0,得得BFFFFfFFFAyxl/xKC2l/2VAHBHAVB4-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25与代梁相比较有:与代梁相比较有: fMFFFFFCBBAA0H0VV0VV可见:可见: 三铰拱的竖向支座反力就等于代梁的反力;三铰拱的竖向支座反力就等于代梁的反力; 水平推力就等于代梁水平推力就等于代梁C 截面的弯矩除以矢高;截面的弯矩除以矢高; 拱的矢高对水平推力影响很大(矢高愈小即拱的拱的矢高对水平推力影响很大(矢高愈
6、小即拱的形状愈扁平推力愈大)。形状愈扁平推力愈大)。F1F2F3BACFaaa12300FKVAVBFfFFFAyxl/xKC2l/2VAHBHAVBBFFF4-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:252. .内力计算内力计算 (1)截面的内力假定:截面的内力假定: 轴力以轴力以压力压力为正,为正, 剪力以剪力以有使截面产生顺时针转动的趋势者有使截面产生顺时针转动的趋势者为正,为正, 弯矩以弯矩以拱内侧纤维受拉者拱内侧纤维受拉者为正。为正。 讨论:讨论:当拱的矢高当拱的矢高 f=0 时,情况如何?时,情况如何? 4-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 结构
7、力学中南大学中南大学返 回退 出22:25 K截面形心的坐标为截面形心的坐标为x、y,截面切线的倾斜,截面切线的倾斜角为角为。且左半拱的为。且左半拱的为正值,右半拱的正值,右半拱的为负为负值。值。考虑截面左侧部份平衡考虑截面左侧部份平衡, ,由由 yFbxFbxFxFMAKH2211V与代梁相比较与代梁相比较yFMMKKH0 拱的弯矩等于相应截面代梁拱的弯矩等于相应截面代梁的弯矩再减去推力引起的弯矩。的弯矩再减去推力引起的弯矩。 (2)内力计算内力计算 FF21yMFFKKSKKNVAFFH由由MK=0可得可得 F1F2F3BACFaaa12300FKVAVBBFFFFfFFFAyxl/xKC
8、2l/2VAHBHAVB4-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:250sincosSH21VKAFFFFF与代梁相比较与代梁相比较 sincosH0SSFFFKK0cossinH21VNFFFFFAK与代梁相比较与代梁相比较 cossinH0SNFFFKKFFF21yMFFKKSKKNVAFH0由由0由由F1F2F3BACFaaa12300FKVAVBBFFFFfFFFAyxl/xKC2l/2VAHBHAVB4-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25 三铰拱任意截面三铰拱任意截面K上的内力上的内力MK、FSK和和
9、FNK的计的计算公式:算公式: yFMMKKH0sincosH0SSFFFKKcossinH0SNFFFKK 拱的弯矩要比同跨度同荷载的简支梁的弯矩小拱的弯矩要比同跨度同荷载的简支梁的弯矩小很多,当跨度比较大时采用拱比用梁要更为经济合很多,当跨度比较大时采用拱比用梁要更为经济合理。理。4-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25 例例4-1 试求图示三铰拱截面试求图示三铰拱截面D的内力。的内力。 设拱轴线设拱轴线为抛物线,当坐标原点选在左支座时,它的轴线方程式为抛物线,当坐标原点选在左支座时,它的轴线方程式为为 ,已知,已知D截面的坐标为截面的坐标为:
10、xD=5.25m 。 xlxlfy24 解解: :(1) 代入数据后代入数据后拱轴线方程为:拱轴线方程为: )12(91xxyxy692tanBF =F =f=AYXHF =D12m5.25m3my=F =q=20 kN/m82.5 kN115 kN82.5 kN105 kN4m3.983 m100 kNCF =HVAVB当当x =5.25m 时时,y =3.938m,因而,因而 , 1644. 0sinD9864. 0cosD1667. 0tanD故故4-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25得得kN 5kN 010kN 5100SDFDDDDFFF
11、sincosH0SS1kN63. 81644. 0kN 5 .829864. 0kN 50H0SNcossinFFFDDDkN 2 .829864. 0kN 5 .821644. 0kN 5kN 510VAF(2) 求支座反力求支座反力, ,结果为:结果为: , , kN 511VBFyFMMDDH0m 893. 3kN 5 .82m 52 . 2kN 010m 52 . 5kN 510mkN 536. 1kN 5 .82HF(3) 求内力求内力 由水平推力由水平推力 4-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25注意:内力微分关系不适用于拱(拱轴线为曲线
12、)。注意:内力微分关系不适用于拱(拱轴线为曲线)。 作拱的内力图时需计算若干个截面的内力值然后作拱的内力图时需计算若干个截面的内力值然后连线成图。连线成图。 在本例的情况至少在本例的情况至少要计算要计算9个截面的内力个截面的内力值然后连线成图才能获值然后连线成图才能获得满意的效果。得满意的效果。 最终弯矩图最终弯矩图,可以看出可以看出,它是由代梁的弯矩图它是由代梁的弯矩图M 0减减去一个与拱轴线相似的抛去一个与拱轴线相似的抛物线图形后剩下的图形物线图形后剩下的图形FHy , 即右下图阴影部份即右下图阴影部份. 可见拱的弯矩是很小的,可见拱的弯矩是很小的,其内力是以轴力为主其内力是以轴力为主。B
13、fAyxFqF HBACqF fHFF F CF HVAVBF VAF VB00BfAyxFqF HBACqF fHFF F CF HVAVBF VAF VB004-2 三铰拱的数值解三铰拱的数值解 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25三铰拱的合理拱轴线三铰拱的合理拱轴线 三铰拱在竖向荷载作用下任一截面的弯矩为:三铰拱在竖向荷载作用下任一截面的弯矩为: yFMMKKH0 拱合理拱轴线:拱合理拱轴线:若拱的所有截面上的弯矩都为零,若拱的所有截面上的弯矩都为零, 这样的拱轴线为合理拱轴线。这样的拱轴线为合理拱轴线。 由由 0H0yFMM得合理拱轴线方程得合理拱轴线方程 H0FMy ( (
14、4-4) ) M 0代梁在该竖向荷载作用下的弯矩方程代梁在该竖向荷载作用下的弯矩方程FH 拱支座的水平推力拱支座的水平推力 由公式(由公式(3-4)看出)看出: :合理拱轴线的形状应与代梁合理拱轴线的形状应与代梁的弯矩图相似,纵坐标应与代梁弯矩图的纵坐标成比的弯矩图相似,纵坐标应与代梁弯矩图的纵坐标成比例。例。4-3 三铰拱的合理拱轴线三铰拱的合理拱轴线 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25将公式(将公式(4-5)对)对x 微分两次微分两次 202H22dd1ddxMFxy注意到当荷载注意到当荷载q(x)为沿水平方向的分布荷载时,为沿水平方向的分布荷载时, )(dd202xqxM合理
15、拱轴线的坐标合理拱轴线的坐标y与分布荷载与分布荷载q之间的关系为之间的关系为H22)(ddFxqxy(4-6) 上式就是合理拱轴线的微分方程上式就是合理拱轴线的微分方程,在这里规定在这里规定y 向上向上为正为正, x 向右为正向右为正,q 向下为正向下为正,故上式右边为负号。故上式右边为负号。 H0FMy (4-5) 4-3 三铰拱的合理拱轴线三铰拱的合理拱轴线 结构力学中南大学中南大学返 回退 出22:25 例例4-2 设三铰拱上作用沿水平向均布的竖向荷载设三铰拱上作用沿水平向均布的竖向荷载q 试求拱的合理轴线。试求拱的合理轴线。 解解:由式(由式(4-5) H0FMy 在均布荷载在均布荷载
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