地下建筑结构弹性地基梁

(8)
二阶
y py qy 0
(9)
设想(9)有形式解 y = erx (为什么?)
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代入得 (r2 + pr + q ) erx = 0
故有
r2 + pr + q = 0
(10)
(10)式称为(9)的特征方程, 分三种情形讨论
(i) = p2– 4q > 0, (10)有两个不等实根 r1, r2.
EI
EI
（3.8） （3.9）
是与梁和地基的弹性性质相关的一个综合参数，反映了地基梁与地基
的相对刚度，对地基梁的受力特性和变形有重要影响，通常把
称为特征系数， l 称为换算长度。
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常系数齐次线性微分方程
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一般形式
y(n)
p y(n1) 1
pn1 y
pn y 0
由微分方程理论知，上述方程的通解由四个线性无关的特解组合而成。为
寻找四个线性无关的特解，令 y erx 并代入上式有：
4 K
EI
或 4 K cos i sin
EI
由复数开方根公式得：
rk
4
K EI
COS
2k
4
i sin
2k
4
k
0,1,2,3
令 4 K ， 若地基梁宽度为b，则有 4 Kb
（2）由于梁与地基间的摩擦力对计算结果影响不大，可以略去 不计，因而，地基反力处处与接触面相垂直；
（3）地基梁的高跨比较小，符合平截面假设，因而可直接应用 材料力学中有关梁的变形及内力计算结论。
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1.弹性地基梁的挠度曲线微分方程式
左图所示为局部弹性地基梁 上的长为l、宽度为b单位宽度1的 等截面直梁，在荷载 qx 及Q作用 下，梁和地基的沉陷为 yx ，梁与 地基之间的反力为 x 。
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1. 荷载种类和组合
弹性地基梁与普通梁的区别：
普通梁只在有限个支座处与基础相连，是有限个 未知力 ,弹性地基梁具有无穷多个支点和无穷多个 未知反力。 超静定次数是无限还是有限，这是它们的一个主要区别 普通梁的支座通常看作刚性支座，即可以略去地基 的变形，只考虑梁的变形，弹性地基梁则必须同时 考虑地基的变形。 地基的变形是考虑还是略去，这是它们的另一个 主要区别。
y
4
,
EI
d4y dx4
ky
q x
3.5
代入式 3.4 得 3.6
此即为弹性地基梁的挠 曲微分方程式
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2. 对应齐次微分方程的通解
上面推导得弹性地基梁的挠曲微分方程式是一个四阶常系数线性非
齐次微分方程，令式中
d4y
qx o
，即得对应齐次微分方程：
EI ky 0
dx 4
（3.7）
ky qx
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（3-4）
1.弹性地基梁的挠度曲线微分方程式
如果梁的挠度已来自百度文库，则梁任意截面的转角Q，弯矩M，剪力Q可按材料 力学中的公式来计算，即:
dy
dx
M
EI
d
dx
EI
d2y
dx2
Q dM EI d 3 y
dx
dx3
由式 3.5 有,
d 2M dx2
EI
d4 dx
的平衡有：
Y 0, 得：
Q (Q dQ) kydx q(x) d x 0
化简得：dQ ky q(x) dx
M 0 得：
（3-2）
M
(M
dM )
(Q
dQ)d x
q(x)
(dx) 2 2
(dx)2
2
0
略去二阶微量得：
Q dM dx
将上式对于x求导得：
（3-3）
dQ dx
d 2M dx2
则 y1 er1x , y2 er2x是(9)的二个线性无关的解 ,
(9)的通解为
y
C er1x 1
C er2x 2
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(ii) = 0, r1= r2( = r)
此时 y1 = erx .
y2 y1
优点：
1、地基的连续整体性；2、几何物理上简化模型
缺点：
1、地基土非连续；2、地基土非均质；
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图3.2 弹性地基梁的受力和变形
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3.弹性地基梁的挠度曲线微分方程 式及其初参数解
基本假设：
除局部弹性地基模型假设外，还需作假设：
（1）地基梁在外荷载作用下产生变形的过程中，梁底面与地基 表面始终紧密相贴，即地基的沉陷或隆起与梁的挠度处处相等；
在局部弹性地基梁的计算中， 通常以沉陷函数 作y为x 基本未知 量，地基梁在外荷载 、qxQ 作 用下产生变形，最终处于平衡状 态，选取坐标系xoy，外荷载，地 基反力，梁截面内力及变形正负 号规定如右图所示。
图3.3 弹性地基梁的微元分析 第11页/共58页
1.弹性地基梁的挠度曲线微分方程式
为建立 yx 应满足的挠曲微分方程，在梁中截取一微段 d x ，考察该段
本讲内容—弹性地基梁理论
概述 弹性地基梁的计算模型 弹性地基梁的挠度曲线微分方程及其初 参数解 弹性地基梁短梁、长梁及刚性梁 算例
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1. 概述
定义：
弹性地基梁，是指搁置在具有一定弹性地基上， 各点与地基紧密相贴的梁 。如铁路枕木、钢筋 混凝土条形基础梁，等等。
作用：通过这种梁，将作用在它上面的荷载，
分布到较大面积的地基上，既使承载能力较低 的地基，能承受较大的荷载，又能使梁的变形 减小，提高刚度降低内力。
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1. 概述
地下建筑结构的计算，与弹性地基梁理论有密 切关系。地下建筑结构弹性地基梁可以是平放 的，也可以是竖放的，地基介质可以是岩石、 粘土等固体材料，也可以是水、油之类的液体 介质。弹性地基梁是超静定梁，其计算有专门 的一套计算理论。
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2. 弹性地基梁的计算模型
. 计算模型分类：
1. 局部弹性地基模型 2. 半无限体弹性地基模型
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1. 局部弹性地基模型
1867年前后，温克尔（E.Winkler）假设： 地基表面任一点的沉降与该点单位面积上所受的压 力成正比。即
y p k
（3-1）
弹性底座
图3.1 局部弹性地基模型
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1. 局部弹性地基模型
✓优点： 可以考虑梁本身的实际弹性变形，消除了反力直 线分布假设中的缺点。
✓缺点：
没有反映地基的变形连续性，故温克尔假设 不能全面反映地基梁的实际情况。
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2. 半无限体弹性地基模型 假设：
把地基看作一个均质、连续、弹性的半无限体（所谓 半无限体是指占据整个空间下半部的物体，即上表面 是一个平面，并向四周和向下方无限延伸的物体）。