在移动荷载作用下,可以求出简支梁上任一指定截面处的最大弯矩。但在梁的所有各截面最大弯矩中,又有最大的,称为简支梁的绝对最大弯矩。
要确定简支梁的绝对最大弯矩,须解决两个问题:①绝对最大弯矩发生在哪一个截面?②此截面发生最大弯矩值时的荷载位置。
当梁上作用的移动荷载都是集中荷载时,梁在集中荷载组作用下,无论荷载在任何位置,弯矩图的顶点总是在集中荷载作用点处。因此可以断定,绝对最大弯矩必定是发生在某一集中荷载作用点处的截面上。
究竟发生在哪一荷载位置时的哪一个荷载下面。可先任选一集中荷载,看荷载在什么位置时,该荷载作用点处截面的弯矩达到最大值。然后按同样方法,分别求出其他各荷载作用点处截面的最大弯矩,再加以比较,即可确定绝对最大弯矩。
图 9.6.1
如图9.6.1a所示为一简支梁AB承受一组数值和间距不变的集中移动荷载作用,在荷载组中指定某一荷载Pk,它与支座A的距离为x,以R表示作用在梁上的所有荷载的合力,以a表示R与Pk之间的距离,RA代表左支座A的反力。现设Pk在合力R的左边(如图9.6.1a所示)。由∑MB=0,可得
Pk作用点所在截面的弯矩Mx为
式中Mk表示Pk以左各荷载对Pk作用点的力矩之和,是与x无关的常数。为求Mx的极值,可令
则
即
如果Pk在合力R的右边(图9.6.1b),同理可得
综合式(9.6.1a)和式(9.6.1b),可以得到Pk作用点所在截面弯矩为最大值的条件为
上式表明,当梁上所有荷载的合力R与Pk恰好位于梁的跨度中点两侧的对称位置时,Pk作用截面的弯矩达到最大值。
将式(9.6.2)代入式(b)即得弯矩最大值为
利用以上所述,我们可将各个荷载作用点截面的最大弯矩找出,将它们加以比较而得出绝对最大弯矩。不过,当荷载数目较多时,这仍是较麻烦的。实际计算时,宜事先估计发生绝对最大弯矩的临界荷载。因为简支梁的绝对最大弯矩总是发生在梁的中点附近,故可设想,使梁中点截面产生最大弯矩的临界荷载,也就是发生绝对最大弯矩的临界荷载。经验表明,这种设想在通常情况下都是正确的。据此,计算绝对最大弯矩可按下述步骤进行:首先确定使梁中点截面发生最大弯矩的临界荷载Pk,然后移动荷载组使Pk与梁上荷载的合力R对称于梁的中点,再计算此时Pk作用点截面的弯矩,即得绝对最大弯矩。
【9.6.1】 确定简支梁在吊车荷载作用下的绝对最大弯矩
要求:求图9.6.2a所示吊车梁的绝对最大弯矩,并与跨中截面C的最大弯矩进行比较。已知P1=P2=P3=P4=82kN。
【解答】 (1)求跨中截面C的最大弯矩MCmax。
1)作MC影响线如图9.6.2b所示。
2)判别临界荷载。由于当P2(或P3)位于影响线顶点(图9.6.2)时,有较多的荷载位于顶点附近和梁上,故可设P2(或P3)为Pk,用式(9.5.1)判别知P2(或P3)为临界荷载。
3)计算MCmax。P1、P2、P3、P4作用点处所对应的MC影响线上的竖标如图9.6.2b。
MCmax=P1y1+P2y2+P3y3+P4y4=82×(1.25+3.0+2.25+0.5)kN·m=574kN·m
(2)求AB梁的绝对最大弯矩Mmax。由图9.6.2a可见,绝对最大弯矩将发生在荷载P2(或P3)下面的截面。先求荷载P2为Pk的最大弯矩:
1)梁上荷载的合力R
R=82×4kN=328kN
2)确定R与Pk的间距a
由于P1=P2=P3=P4,故其合力R与P2和P3的距离应相等,可求得
图 9.6.2
3)确定Pk作用点位置
由图9.6.2a可知Pk与合力R应位于梁中点两侧的对称位置上,因而Pk=P2距跨中为(图9.6.2a)
4)计算最大弯矩
由式(9.6.3)求得
再求P3为Pk时的最大弯矩:
由于对称,P3为Pk时其荷载位置应如图9.6.2c所示。故其作用截面处的最大弯矩应与P2为Pk时的最大弯矩相等。
由以上计算可见,绝对最大弯矩为
Mmax=578kN·m
绝对最大弯矩比跨中截面最大弯矩大(578-574)/574=0.7%
真题 【9.6.2】 (1999年一级考题)
12m跨简支钢吊车梁,设有两台起重量Q=50/10t桥式吊车,每台吊车大车轮压分布及桥架宽度资料如图9.6.3所示。在一跨吊车梁上只可能有三个轮子同时作用,梁自重忽略不计。
图 9.6.3
试问,梁上最大弯矩作用截面距最近梁端支座的距离应为以下何项数值?(www.daowen.com)
(A)3.58m (B)5.44m (C)5.85m (D)6.00m
【答案】 (B)
【分析】 题目为影响线的简支梁的绝对最大弯矩问题。一般应求出合力及其位置,然后试验梁上集中荷载与合力对称位于梁中点两侧时,计算梁作用点截面的弯矩,即为绝对最大弯矩的位置,即可确定此位置距离支座的位置。
题目为两台吊车4个轮压,考虑轮压的距离位置,最不利的情况只有3个荷载在梁上,而且中间一个荷载应该与合力R对称位于梁中点两侧。
如图9.6.4所示,考虑一跨简支梁的作用。用合力矩定理,求合力及位置。
则梁上最大弯矩作用位置即绝对最大弯矩的截面位置,即与合力R对称位于中点两侧的集中荷载作用点,此点距离较近支座的距离为b。
图 9.6.4
有了绝对最大弯矩的概念,根据题目要求,只要确定绝对最大弯矩的位置即可,并不需要求出绝对最大弯矩。
【解答】
真题 【9.6.3】 (2007年一级考题)
某多跨厂房,中列柱的柱距12m,采用钢吊车梁。在吊车梁上行驶两台重级工作制的软钩桥式吊车,起重量Q=50/10t,小车重g=16.6t,吊车桥架跨度Lk=31.5m,最大轮压标准值P=453.7kN,每台吊车的轮压分布如图9.6.5所示。
试问,由两台吊车垂直荷载产生的吊车梁的最大弯矩设计值(kN·m),应与下列何项数值最为接近?
(A)2677 (B)2944
(C)3747 (D)4030
图 9.6.5
【答案】 (D)
【分析】 题目为影响线的简支梁的绝对最大弯矩问题。一般应求出合力及其位置,然后试验梁上集中荷载与合力对称位于梁中点两侧时,计算集中荷载作用点截面的弯矩,几个可能的试荷载所得结果比较最大的即为所求。
题目为两台吊车4个轮压,定性判断,考虑轮压的距离位置,最不利的情况只有3个荷载在梁上,而且中间一个荷载在中点附近最不利。
【解答】
(1)求合力及位置,用合力矩定理,如图9.6.6所示
(2)代入公式(其中a为试算荷载与合力距离,Mk为梁上与合力异侧的荷载对试算荷载作用点的力矩总和,这时a前面总取负号)
(3)根据《建筑结构荷载规范》3.2.4条,设计值:活荷载乘1.4
根据《建筑结构荷载规范》6.3.1条,动力系数1.1。
图 9.6.6
跨中弯矩最大值设计值
M=1.4×1.1×MKmax=1.4×1.1×2617.05=4030.26kN·m
真题 【9.6.4】 (2008年二级考题)
某跨度为6m的钢筋混凝土简支吊车梁,安全等级为二级,环境类别为一类,计算跨度l0=5.8m,承受两台A5级起重量均为10t的电动软钩桥式吊车,吊车的主要技术参数见表9.6.1。
表9.6.1 吊车主要技术参数表(g=10m/s2)
当进行承载力计算时,在吊车竖向荷载作用下,吊车梁的跨中最大弯矩设计值M(kN·m),应与下列何项数值最为接近?
提示:该两台吊车在6m跨吊车梁上产生的最大弯矩位置如图9.6.7所示。
(A)279 (B)293
(C)310 (D)326
图 9.6.7
【答案】 (D)
【解答】 题目为影响线的简支梁的绝对最大弯矩问题。一般应求出合力及其位置,然后试算梁上集中荷载与合力对称位于梁中点两侧时,计算梁作用点截面的弯矩,几个可能的试荷载所得结果相比较,最大的即为所求。
题目只有两个荷载而且大小相等,合力即为二力中间位置,对称情况,只需试算一个集中力与合力对称位于梁中点两侧,如图9.6.7所示,位于中点左侧二力间距的1/4处,可以利用公式,也可以直接用静力平衡求解。
(1)公式(其中a*为试算荷载与合力距离,Mk为梁上与合力异侧的荷载对试算荷载作用点的力矩总和,这时a*前面总取负号)。
(2)直接静力计算。先求支座反力,再求中点左侧荷载作用点的弯矩(这点很重要,必须由绝对最大弯矩的概念知道求什么位置的弯矩)
根据《建筑结构荷载规范》3.2.4条,设计值:恒荷载乘1.2,活荷载乘1.4
根据《建筑结构荷载规范》5.3.1条,A5级动力系数1.05
跨中弯矩最大值设计值
M=1.4×1.05×MKmax=1.4×1.05×221.74=325.96kN·m
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