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结构工程师基础科目(二)辅导:三铰拱和三铰刚架

更新时间:2009-10-19 15:27:29 来源:|0 浏览0收藏0

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  七、三铰拱和三铰刚架的内力计算

  图2―6(a)所示由曲杆组成的结构在竖向荷载作用下将产生水平反力,这种结构称为 拱形结构。而图2―6(b)所示的结构,在竖向荷载作用下其水平支座反力等于零,这种结 构称为曲梁。图2―6(c)所示为两个曲杆由三个不共线的铰与地基两两相连的三铰拱,它 是工程中常用的静定拱形结构,由于它的支座产生水平推力,基础应具有相应的抗力,故 有时做成图2―6(d)所示的拉杆拱,水平推力由拉杆来承担。

三铰拱由于存在水平推力,故拱轴截面中的弯矩比相同跨度相同荷载的简支梁的弯矩要小,使拱成为主要是承受压力的结构,可采用受压性能强而受拉性能差的材料建造。与简支梁相比,拱形结构可以跨越更大的跨度。

    三铰拱的有关术语表示在图2―6c)中,工程中常用的矢跨比fl=0.51,常用的拱轴方程有二次抛物线,圆弧线,悬链曲线等。

    ()三铰平拱在竖向荷载作用下的支座反力及内力计算

    拱脚铰在同一水平线上的三铰拱称为三铰平拱。

    支座反力

    由图2―7(a)所示三铰拱的整体平衡条件及顶铰C处弯矩为零的条件,可得支座反力的计算公式为

    VAVA0                                                                                  (2―1)

    VBVB0                                                                                  (2―2)

HAHBHMC0 f                                                                (2―3)

    式中VA0VB0MC0分别为与三铰拱相同跨度、相同荷载简支梁(简称为三铰拱的代    梁,图2―7b)支座AB处的支座反力及截面C的弯矩。

    (2―3)表明,在给定的竖向荷载作用下,三铰拱的水平推力只与三个铰的位置有关,而与拱轴线的形状无关。当荷载与拱跨不变时,推力H与矢高f成反比,f愈大即拱愈高时H愈小,f愈小即拱愈平时H愈大。若f0,则H为无穷大,这时三铰已共线,体系为瞬变体系。

取图2―7c所示的隔离体,并由隔离体的平衡条件,可得任意截面D的弯矩、剪力、轴力计算公式为

    MDMD0―HyD                                                                           (2―4)

    VDVD0cosφDHsinφD                                                              (2―5)

    NDVD0sinφDHcosφD                                                              (2―6)

    式中MDVDND的正方向如图2―7c所示,MD0VD0为代梁D截面的弯矩、剪力,yDφD的含意如图2―7a所示。在图示坐标系中,φD在左半拱内为正,在右半拱内为负。

    三铰拱的内力计算,除上述数解法外,还可用图解法进行,可通过绘制三铰拱的力多    边形及压力线(索多边形)来确定其内力。

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()三铰拱的合理拱轴

    在某种固定荷载作用下,拱的所有截面的弯矩均为零的轴线称为合理拱轴。


三铰拱在竖向荷载作用下合理拱轴的一般表达式,可根据合理拱轴的定义,令式 (2―4)等于零,得合理拱轴方程为

    yM0H                                                                            (2―7)

      2―8a所示三铰拱承受满跨均布荷载q作用,其具体的合理拱轴方程可按式(27)推导如下:

    按图2―8a所示坐标系,将代梁(2―8b)的弯矩方程

    M0qxlx)/2                                                     

及拱的水平推力

    HMC0fql28f

代人式(2―7)得拱的合理拱轴方程为

    y4fxlx)/l2                                                                     (2―8)

    顺便指出,三铰拱在满跨填料重量作用下的合理拱轴为悬链曲线;在径向均布荷载作用下的合理拱轴为圆弧线。

    ()三铰刚架的内力计算

    分析图2―9a所示的三铰刚架,绘制其弯矩、剪力、轴力图。

    1.计算支座反力

    计算三铰刚架的支座反力与三铰拱是类似的,除了应用三个整体平衡条件外,还需要利用铰C处弯矩等于零的条件。经计算得

HA1.33qaVA24qa

    HB13.33qaVB46qa

    2.计算各杆端截面内力并绘制内力图

    支座反力求出后,各杆端截面内力计算及各内力图的绘制方法,与前述简支刚架的方    法都是相同的,得出的MVN图,分别如图29bcd所示。

 

 

 

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