前言 静定拱与静定桁架作为静定结构中的重要组成部分,各有不同,前面所学的梁主要承担弯矩,剪力次之,轴力可忽略;而拱恰恰相反,其受轴力为主,剪力次之,弯矩可忽略。至于桁架,其由二力杆组成,结构仅承受结点集中力,内力仅轴力,故其分析求解也有其本身的特点。
静定拱与静定桁架作为静定结构中的重要组成部分,各有不同,前面所学的梁主要承担弯矩,剪力次之,轴力可忽略;而拱恰恰相反,其受轴力为主,剪力次之,弯矩可忽略。至于桁架,其由二力杆组成,结构仅承受结点集中力,内力仅轴力,故其分析求解也有其本身的特点。
怎么定义拱式结构呢?并不是依据结构的形状来直接判定,比如曲梁是梁不是拱,从受力上来讲,拱结构在竖向荷载下,支座处须产生水平推力。如果只满足受力特征,不满足曲形结构,便和刚架无异。综上,力学中讨论的拱是在竖向荷载下,支座处产生水平推力的拱形结构。
静定拱即三铰拱,或者说所有的静定拱都是三铰拱,提到这里,很容易联想到三铰刚架, 两者似乎有某些联系,是的,三铰拱与三铰刚架的几何构造相同,不同之处也就是直杆变曲杆等,故两者受力分析可以类比。基本求解步骤都是拆铰、代未知力、取研究对象对另外两个未拆的铰求矩;两个方程解两个未知量。上述求解过程是最一般的过程。基于以上的分析思路,当三铰拱仅承受竖向荷载时,可以将反力的求解公式化。三铰拱内力求解仍是取隔离体分析,需要注意的是几何关系要厘清。关于三铰拱最后一个考点是合理拱轴线。
再次强调,下述公式的前提是三铰拱仅承受竖向荷载,当有水平向荷载时,只能采用一般方法。
以相应的简支梁为基准,记相应简支梁在荷载下反力为Ray0、Ray0,如图
(1)平拱
通过建立平衡方程知,平拱反力与相应简支梁反力相同,即FyA=FyA0,FyB=FyB0,FH=Mc0/f
(2)斜拱
FyA=FyA0+FHtanα,FyB=FyB0-FHtanα,FH=Mc0/f,注意到,水平反力不变,竖向反力有变化,记忆:竖向反力低加高减FHtanα(低处支座竖向反力在简支梁反力基础上加FHtanα,较高处支座相反)
小结:据以上分析,显然在给定荷载作用下,三铰拱的支座反力仅与三个铰的位置有关,而与拱轴的形状无关。
一般步骤:通过题目所给拱轴线方程求导得所求点斜率K=tanα,得角α,再通过隔离体三大平衡方程解得内力。
(1)合理拱轴线定义为在给定的荷载下,能使拱体所有截面上弯矩为零。给定约束条件,当拱为平拱且仅受竖向荷载,则易得三铰拱合理拱轴线方程,y=M0/FH
拓展:斜拱的合理拱轴线,试用两种方法求解;
(2)几大常见竖向荷载下的合理拱轴线
竖向均布荷载下---二次抛物线
填土质量下---悬链线
拱轴线法线方向均布压力---圆弧线
结力中经过简化的桁架模型为理想桁架,其仅承受轴向力。
将桁架按几何组成的特征进行分类
(1)简单桁架;由基础或一个基本铰结三角形开始,依次增加二元体所构成的桁架,如图
或者说桁架结构中每个大刚片其实都是简单桁架。
(2)联合桁架;由简单桁架按两刚片或三刚片组成规则形成的桁架,如图
(3)复杂桁架;不能用基本组成规则分析的桁架,如图
(1)结点法:截取桁架的一个结点作为隔离体求解的方法。
应用结点法求解内力应该避免建立联立方程,一个结点可列ΣX=0、ΣY=0两个方程,故当结点上未知力个数小于等于2时,用结点法较为合理。由结点法引出的关于结点平衡的某些特殊情况需要重视,单纯的结点法不能考察力学知识,故结点平衡这些力学概念性的内容自然为重点,它可以用来判定桁架中的某些杆件轴力为零,或者判定与某一结点相联的两杆内力数值相等,可以使计算简化,多数真题中往往需要先使用结点平衡的特殊情况进行简化,再使用截面法进行突破。具体如下:
①两杆结点上无外力作用时(两杆不在一条直线上),则两杆均为零杆;
②两杆在一直线上的三杆结点上无外力作用时,则侧杆为零杆,在一直线上的两杆轴力相等,且受力性质(受拉或受压)相同;
③直线交叉形四杆结点上无外力作用时,则在同一直线上两杆的轴力相等,且受力性质相同;
④侧杆倾角相等的K形结点上无外力作用时,则两侧杆轴力相等,且受力性质相反。
注:其中特殊情况①与②常用来去零杆以简化结构,特殊情况④常作为一已知条件(减少了未知量)配合截面法进行分析。
(2)截面法:截取桁架中包含结点个数为两个以上的部分作为隔离体求解的方法。
截面法所截隔离体可建立ΣX=0、ΣY=0、ΣM=0三个方程,按照常理,只要隔离体上的未知力不超过三个,则可用这三个方程求得。但是真题中往往会遇到截开多根未知力杆的情况,该怎么求解呢?此时引出截面单杆的概念,即采用截面法截取出的隔离体,不管其上有几个轴力,如果某杆的轴力可以通过列一个平衡方程求得,则称此杆为截面单杆。截面单杆一般有两种类型,对截开截面,其一是多杆平行,仅一杆与之不平行,则该不平行杆为截面单杆,可通过ΣF=0求得,其二是除某杆外,其余杆均相交于一点,则该杆为截面单杆,可通过对交点求矩ΣM=0求得。
注:桁架结构与其余静定结构不同,它不绘制轴力图,而是将轴力数值直接标于各杆件旁,受拉标正(+)、受压标负(-)
如图,结构为简单桁架,求得反力后,依次由结点法便可全部求得(不用解联立方程),但为提高效率,往往优先采用截面法,本题先去除零杆,再从1杆入手,1杆处是K形结点,可知两侧杆轴力大小相等,受力性质相反,取I-I截面以左分析,由竖向力的平衡得1杆轴力,同理截取II-II截面以右分析,可得4杆轴力,再对C点分析,可得3杆轴力,2杆轴力由A支座-5杆-2杆即可求得。
如图,上部结构符合三刚片组成规则,先拆除刚片间的约束求解约束力,取I-I截面,代以未知约束力,分别由刚片I对A求矩,刚片II对B求矩,可得两个约束力,再由结点法求3杆轴力,最后取II-II截面,则1杆为截面单杆,由竖向力的平衡即可求得。
此同为联合桁架,如右图,上部结构符合三刚片规则,欲求解结构内力,可从刚片间的约束下手,先对III刚片分析,由竖向力的平衡知N1与N2大小相等,方向相反,求支座反力,再取刚片II分析,对C点求矩,可解处N1与N2,则其他杆件内力可由结点法依次求解,且不需解联立方程。
内力分析特点:由以上不同桁架的构造特征,简单桁架通过结点法便可依次求解各杆件轴力;联合桁架常可先通过拆除刚片间约束(截面法),代未知力,列平衡方程求出约束力,再通过结点法或截面法求解各杆件轴力;复杂桁架常根据结构具体特征选择截面法与结点法联合求解。
内容源于网络,如有侵权,请联系删除
相关资料推荐:
预应力混凝土超静定结构的弯矩调幅系数与抗裂度
结构力学静定桁架
知识点:静定结构