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文档简介
1、第十九章 超静定拱的计算,知识目标: 了解超静定拱在工程上的应用和受力特点 掌握两铰拱的计算方法 掌握计算对称无铰拱的弹性中心法的基本原理 了解温度改变、混凝土收缩和支座移动对无铰拱的影响 能力目标: 能熟练运用弹性中心法计算两铰拱及无铰拱的内力,第十九章,第一节两铰拱的计算,第一节两铰拱的计算,两铰拱是一次超静定结构,如图19-1(a)所示,通常有带拉杆(系杆拱)和不带拉杆两种形式。因为两铰拱的支座发生竖向位移时并不引起内力,所以宜在地基可能发生较大的不均匀沉陷时采用。两铰拱的弯矩在两端拱趾处为零逐渐向拱顶增大,所以其截面一般亦相应设计为由拱趾向拱顶逐渐增大的形式。通常采用的变化规律为: i
2、=iccos (19-1) 计算两铰拱时,通常采用如图19-1(b)所示简支曲梁为基本结构,以支座的推力为基本未知量,如图19-1(c)所示。又因基本结构在x1=1作用下,如图19-1(d)、(e)所示,由力法典型方程可得:,第一节两铰拱的计算,第一节两铰拱的计算,【例19-1】 如图19-2所示为一抛物线两铰拱,承受半跨均布荷载作用,试求其水平推力h。设拱截面尺寸为常数,以左支座为原点,拱轴方程为:y=4fx(l-x)/l2,解:计算时,我们采用两个假设: (1)忽略轴向变形,只考虑弯曲变形; (2)当拱比较平时,可近似地取ds=dx,cos=1。因此,简化后的位移公式为,,,计算得:,计算
3、1p时,先绘制简支梁的弯矩m0图如图19-2(b)所示,其弯矩方程分两段表示如下: 左半跨 : m0=3qlx/8-qx2/2 (0 xl/2) ; 右半跨 : m0 =ql(l-x)/8 (l/2xl) ; 因此,第一节两铰拱的计算,第二节无铰拱的计算,本节只讨论常见对称无铰拱的计算。,一、弹性中心法,如图19-5(a)所示为一对称无铰拱,属于三次超静定结构。为简化计算,我们采用以下两项简化措施: 1. 第一项简化措施是利用结构的对称性, 选取对称的基本体系,将拱顶截面c截开,取拱顶的弯矩x1、轴力x2、剪力x3为多余未知力,得到两个悬臂曲杆的基本结构,如图19-5(b)所示。 2. 第二项
4、简化措施是利用刚臂,进一步使余下的副系数12和21也等于零,从而使力法方程简化为三个独立的一元一次方程,如图19-5(c)、(d)所示。 此时,副系数12和21的表达式为: 这里规定:轴向右为正,轴向下为正,弯矩以使得拱内侧受拉为正,剪力以使隔离体顺时针方向转动为正,轴力以压力为正。,一、弹性中心法,一、弹性中心法,我们设想沿拱轴线作宽度等于1/ei的图形,如图19-6所示,则ds/ei就代表此图中的微面积,而式(19-4)就是计算这个图形面积的形心坐标公式。由于此图形的面积与结构的弹性性质ei有关,故称它为弹性面积图,它的形心则称为弹性中心。由于y轴是对称轴,故知x、y是弹性面积的一对形心主
5、轴。由此可见,把刚臂端点引到弹性中心上,且将x2、x3置于主轴方向上,就可以使得全部副系数都等于零。这一方法就称为弹性中心法。此时典型方程将进一步简化为以下三个独立方程式: (19-5) 于是,多余未知力可按下式求解: x1=-1p/11 ,x2= -2p/22,x 3=-3p/33 (19-6),一、弹性中心法,图19-5,图19-6,二、系数和自由项的简化,三、内力计算,三、内力计算,因此,弹性中心法求解对称无铰拱的一般步骤为: (1)利用公式(19-4)确定弹性中心的位置; (2)选取带刚臂的对称基本结构,将三对多余未知力作用在弹性中心上,按公式(19-7)求解力法典型方程的系数和自由项
6、; (3)根据公式(19-6)求出多余未知力; (4)根据公式(19-8)求拱的各项内力。,三、内力计算,三、内力计算,三、内力计算,;,(4)内力计算:由公式(19-8)得,支座水平推力为:,(3)求多余未知力:由公式(19-6)得:,拱趾弯矩为:,由此可得: 拱顶弯矩为:,三、内力计算,图19-7,第三节温度改变和混凝土收缩对无铰拱的影响,一、温度改变的影响,一、温度改变的影响,一、温度改变的影响,一、温度改变的影响,二、混凝土收缩的影响,混凝土在凝固收缩时也会使无铰拱产生内力,这种收缩的影响与温度均匀降低的影响相似,因此可按计算温度内力的办法来计算混凝土收缩产生的内力,问题的关键在于混凝土收缩相当于温度降低了多少度。 对于一般混凝土,
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