弹性地基梁.
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图3.3 弹性地基梁的微元分析
1.弹性地基梁的挠度曲线微分方程式
为建立 y x 应满足的挠曲微分方程,在梁中截取一微段 d x ,考察该段 的平衡有: Y 0, 得:
Q (Q dQ) kydx q( x) d x 0
dQ 化简得: ky q( x) dx
(3-2)
弹性地基梁理论
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
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,
二阶
(8)
y py qy 0
(9)
设想(9)有形式解 y = erx (为什么?)
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.
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。
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。
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。
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
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
p y k
(3-1)
弹性底座
图3.1 局部弹性地基模型
1. 局部弹性地基模型
dy dx
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
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 q o ,即得对应齐次微分方程: x
EI
d4y dx
4
ky 0
(3.7)
(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 l 称为换算长度。 称为特征系数,
常系数齐次线性微分方程
一般形式
y ( n ) p1 y ( n1) pn1 y pn y 0
M 0 得:
M ( M dM ) (Q dQ)d x q ( x )
略去二阶微量得:
(dx) 2 ( dx) 2 0 2 2
Q
dM dx
(3-3)
将上式对于x求导得:
dQ d 2 M ky q x dx dx2
(3-4)
1.弹性地基梁的挠度曲线微分方程式
(2)由Biblioteka Baidu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。
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 y x ,梁与 地基之间的反力为 x 。 在局部弹性地基梁的计算中, y x 通常以沉陷函数 作为基本未知 q xQ 作 量,地基梁在外荷载 、 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。
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;
图3.2 弹性地基梁的受力和变形
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;
如果梁的挠度已知,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:
2 d d y M EI EI 2 dx dx dM d3y Q EI 3 dx dx d 2M d4y 由式 3.5 有 , EI 4 , 2 dx dx d4y EI 4 ky q x dx
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 e rx 并代入上式有:
K EI
4
或
K cos i sin EI
4
由复数开方根公式得:
rk 4
令
4
K 2k 2k i sin COS k 0,1,2,3 EI 4 4 Kb K , 若地基梁宽度为b,则有 4 EI EI
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。
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)。