Линии влияния усилий в заданном сечении сооружения строят двумя методами: статическим и кинематическим.

2.1.1. Статический метод построения линий влияния

Груз F=1 устанавливается в произвольном сечении, положение которого фиксируется переменной X (рис. 10). Из условия равновесия системы записывается аналитическое выражение определяемого усилия J=f(x). Подставляя в него значение координат, фиксирующих положение груза F=1 , вычисляют ординаты лв , расположенные под нагрузкой, и строят график.

Рис. 1.10. Линии влияния усилий

При построении линий влияния усилий М к , Q к для фиксированного сечения “К”, расположенного между опорами , следует рассматривать два положения груза F=1 – слева и справа от сечения “К” , при этом рассматривая равновесие соответственно правой и левой отсечённых частей . В данном случае запись уравнений М к , Q к проще. В том случае, когда сечение расположено на консоли, при движении груза F=1 слева и справа от сечения целесообразно рассматривать равновесие консольной части, считая, что груз движется от сечения.

За пределами сооружения линии влияния нулевые.

Линии влияния усилий R A, R B, M K, Q K, M n, Q nпоказаны на рис.2.1.

Линии влияния R A

Из уравнения статики определяем реакцию R A.

уравнение прямой, для построения которой достаточно двух точек.

При х = 0,

лв R A (0) = 1(L - 0) / L = 1,

при х = L;

лв R A (L) = 1(L - L) / L = 0.

Груз F=1 находится на консоли, х = -d,

лв R A (-d) = 1(L + d) / L.

По полученным значениям строим линию влияния опорной реакции R A .

Линия влияния RB

,

лв R B (x) = x / L.

Линия влияния R b (x) изменяется по линейному закону. Подставляем координаты Х в уравнение лв Rb:

x = 0, ЛВ R B (0) = 0 / L; x = L, ЛВ R B (L) = L / L = 1;

x = –d, лв R B (–d) = –d / L.

Характеристики линии влияния реакции R :

    состоит из одной ветви;

    над опорой, для которой определяется усилие R, отсекает ординату равную плюс 1;

    на противоположной опоре ордината равна нулю.

Линия влияния изгибающего момента М К .

Сечение “К” расположено между опорами: . ГрузF = 1 слева от сечения К, рассматривается равновесие правой части балки.

M K = R B (x) х b или лв M K = лв R B х b - уравнение прямой.

При х = а, лв M K = a х b / L , при x = -d, лв M K = -d х b / L.

Линия влияния, построенная в предположении, что груз F = 1 перемещается слева от сечения К , называется левой ветвью линии влияния. Левая ветвь лв М К представляет лв R B , увеличенную в b раз.

Груз F=1 справа от сечения К, равновесие левой части, .

M K = R A (x) х a = a х (L - x) / L или лв M K = лв R A х a.

При x = a, лв M K = (L - a) х a / L = a х b /L,

при x = L, лв M K = (L - L) х a /L =0 .

Правая ветвь лв М К – это лв R A , увеличенная в а раз.

Характеристики линии влияния М К , сечение “К” расположено между опорами:

    состоит из двух ветвей: левая ветвь справедлива от левой опоры до сечения, правая ветвь – от правой опоры до сечения;

    ветви отсекают над опорой расстояние от данной опоры до сечения.

Линия влияния поперечной силы Q K

Сечение К расположено между опорами: . Груз F=1 слева от сечения, равновесие правой части.

; лв мQ = -ЛВ R B;

x =a, лв Q K = -a /L; x = -d, лв Q K = d / L.

Груз F=1 справа от сечения К , равновесие левой части .

Q K = R A(x) = 1(L - x) / L; лв Q K = ЛВ R A;

x = a, лв Q K (a) = (L - a) / L = b / L.

Характеристики лв Q K , сечение между опорами:

– состоит из двух параллельных ветвей;

– правая ветвь отсекает над левой опорой ординату равную плюс 1, а левая ветвь под правой опорой отсекает ординату равную минус 1;

– в сечении наблюдается скачок равный 1.

Линия влияния M n

Сечение n расположено на консоли, .

Груз F = 1 слева от сечения n

M n = -Fx 1 ; лв M n = -x 1 ;

x 1 =0 , ЛВ M n = 0 ;

x 1 =-С, ЛВ M n = -С

Груз F = 1 справа от сечения n , равновесие консольной (левой) части балки.

M n = 0 - правая ветвь.

Правая ветвь со стороны опор – нулевая, поскольку рассматривается равновесие той части балки, на которой нагрузка отсутствует. Следовательно, ветвь со стороны опор совпадает с осью линии влияния.

Характеристики ЛВ М n, сечение на консоли :

    состоит из двух ветвей;

    ветви всегда пересекаются под сечением;

    ветвь со стороны опор, заделки всегда нулевая;

    ветвь со стороны консоли отсекает на конце консоли ординату, равную расстоянию от сечения до конца консоли.

Линия влияния Q n

Груз F =1 слева от сечения n

Q n(x 1) = - F=- 1 - левая ветвь.

Груз F =1 справа от сечения n , равновесие консольной части.

Q n(x 1) = 0 - правая, нулевая ветвь.

Характеристики ЛВ Q n, сечение на консоли :

    состоит из двух параллельных ветвей;

    ветвь со стороны опор всегда нулевая;

    ветвь на консольной части параллельна оси линии влияния и отсекает в сечении ординату равную минус 1, если консоль расположена слева от опор, и плюс 1 – если консоль справа от опор;

    в сечении – скачок равный единице.

2.1.2. Кинематический метод построения линий влияния

Кинематический метод основан на принципе возможных перемещений: если система находится в равновесии, то сумма работ всех сил, действующих на систему, на любых возможных бесконечно малых перемещениях равна нулю.

Суть кинематического метода построения линий влияния заключается в следующем:

    отбрасывается связь, усилие в которой определяется, получается механизм с одной степенью свободы;

    вместо отброшенной связи прикладывается искомое усилие;

    по направлению искомого усилия системе даётся единичное перемещение и строится эпюра перемещений полученного механизма. Построенная эпюра перемещений даёт вид линии влияния;

    для получения ординат линии влияния записывается уравнение работ при определённом положении груза F = 1;

    характерные ординаты линии влияния определяются из геометрических построений.

Вид эпюр перемещений в соответствии с рис. 2.2 получают для построения линий влияния:

    опорной реакции R – отбрасыванием опорного стержня, действие которого заменяется силой R;

    изгибающего момента М – в каком-либо сечении врезанием шарнира в заданное сечение, действие нарушенной связи компенсируется приложением двух равных и противоположно направленных моментов;

    поперечной силы Q – в каком-либо сечении введением в заданное сечение ползуна, при этом, стержни системы всегда остаются параллельными. Замена нарушенной связи осуществляется приложением к концам получившихся частей бруса двух равных и противоположно направленных сосредоточенных сил.

Предисловие.... 3
Введение.... 7
Глава 1. Кинематический анализ сооружений.... 14
§ 1.1. Опоры.... 14
§ 1.2. Условия геометрической неизменяемости стержневых систем.... 16
§ 1.3. Условия статической определимости геометрически неизменяемых стержневых систем.... 23

Глава 2. Балки.... 27
§ 2.1. Общие сведения.... 27
§ 2.2. Линии влияния опорных реакций для однопролетных и консольных балок.... 31
§ 2.3. Линии влияния изгибающих моментов и поперечных сил для однопролетных и консольных балок.... 34
§ 2.4. Линии влияния при узловой передаче нагрузки.... 38
§ 2.5. Определение усилий с помощью линий влияния.... 41
§ 2.6. Определение невыгоднейшего положения нагрузки на сооружении. Эквивалентная нагрузка.... 45
§ 2.7. Многопролетные статически определимые балки.... 51
§ 2.8. Определение усилий в многопролетных статически определимых балках от неподвижной нагрузки.... 55
§ 2.9. Линии влияния усилий для многопролетных статически определимых балок.... 59
§ 2.10. Определение усилий в статически определимых балках с ломаными осями от неподвижной нагрузки.... 62
§ 2.11. Построение линий влияния в балках кинематическим методом.... 64

Глава 3. Трехшарнирные арки и рамы.... 70
§ 3.1. Понятие об арке и сравнение ее с балкой.... 70
§ 3.2. Аналитический расчет трехшарнирной арки.... 73
§ 3.3. Графический расчет трехшарнирной арки. Многоугольник давления.... 82
§ 3.4. Уравнение рациональной оси трехшарнирной арки.... 87
§ 3.5. Расчет трехшарнирных арок на подвижную нагрузку.... 88
§ 3.6. Ядровые моменты и нормальные напряжения.... 95

Глава 4. Плоские фермы.... 98
§ 4.1. Понятие о ферме. Классификация ферм.... 98
§ 4.2. Определение усилий в стержнях простейших ферм.... 101
§ 4.3. Определение усилий в стержнях сложных ферм.... 118
§ 4.4. Распределение усилий в элементах ферм различного очертания.... 121
§ 4.5. Исследование неизменяемости ферм.... 125
§ 4.6. Линии влияния усилий в стержнях простейших ферм.... 133
§ 4.7. Линии влияния усилий в стержнях сложных ферм.... 142
§ 4.8. Шпренгельные системы.... 146
§ 4.9. Трехшарнирные арочные фермы и комбинированные системы.... 152

Глава 5. Определение перемещений в упругих системах.... 159
§ 5.1. Работа виешних сил. Потенциальная энергия.... 159
§ 5.2. Теорема о взаимности работ.... 163
§ 5.3. Теорема о взаимности перемещений.... 166
§ 5.4. Определение перемещений. Интеграл Мора.... 168
§ 5.5. Правило Верещагина.... 173
§ 5.6. Примеры расчета.... 179
§ 5.7. Температурные перемещения.... 185
§ 5.8. Эиергетический прием определения перемещений.... 188
§ 5.9. Перемещения статически определимых систем, вызываемые перемещениями опор.... 189

Глава 6. Расчет статически неопределимых систем методом сил.... 193
§ 6.1. Статическая неопределимость.... 193
§ 6.2. Канонические у равнени я метода сил.... 199
§ 6.3. Расчет статически неопределимых систем на действие заданной нагрузки.... 202
§ 6.4. Расчет статически неопределимых систем на действие температуры.... 213
§ 6.5. Сопоставление канонических уравнений при расчете систем на перемещения опор.... 215
§ 6.6. Определениеперемещенийвстатическинеопределимыхсистемах.... 219
§ 6.7. Построение эпюр поперечных и продольных сил. Проверка эпюр.... 222
§ 6.8. Способ упругого центра.... 228
§ 6.9. Линии влияния простейших статически неопределимых систем.... 231
§ 6.10. Использование симметрии.... 238
§ 6.11. Группировка неизвестных.... 241
§ 6.12. Симметричные и обратносимметричные нагрузки.... 243
§ 6.13. Способ преобразования нагрузки.... 245
§ 6.14. Проверка коэффициентов и свободных членов системы канонических уравнений.... 247
§ 6.15. Примеры расчета рам.... 249
§ 6.16. «Модели» линий влияния усилий для неразрезных балок.... 263

Глава 7. Расчет статически неопределимых систем методами перемещений и смешанным.... 265
§ 7.1. Выбор неизвестных в методе перемещений.... 265
§ 7.2. Определение числа неизвестных.... 266
§ 7.3. Основная система.... 269
§ 7.4. Канонические уравнения.... 276
§ 7.5. Статический способ определения коэффициентов и свободных членов системы канонических уравнений.... 280
§ 7.6. Определение коэффициентов и свободиых членов системы канонических уравнений перемножением эпюр.... 283
§ 7.7. Проверка коэффициентов и свободных членов системы канонических уравнений метода перемещений.... 286
§ 7.8. Построение эпюр M, Q и N в заданной системе.... 287
§ 7.9. Расчет методом перемещений на действие темцературы.... 288
§ 7.10. Использование симметрии при расчете рам методом перемещений.... 292
§ 7.11. Пример расчета рамы методом перемещений.... 295
§ 7.12. Смешанный метод расчета.... 302
§ 7.13. Комбинированное решение задач методами сил и перемещений.... 307
§ 7.14. Построение линий влияния методом перемещений.... 309

Глава 8. Полная система уравненнй строительной механики стержиевых систем и методы ее решения.... 313
§ 8.1. Общие замечания.... 313
§ 8.2. Составление уравнений равновесия, статические уравнения. Исследование образования систем.... 313
§ 8.3. Составление уравнений совместности, геометрические уравнения. Принцип двойственности.... 321
§ 8.4. Закон Гука. Физические уравнения.... 326
§ 8.5. Система уравнений строительной механики. Смешанный метод.... 328
§ 8.6. Метод перемещений.... 333
§ 8.7. Метод сил.... 341
§ 8.8. Уравнения теории упругости и их связь с уравнениями строительной механики.... 345

Глава 9. Расчет стержневых систем с использованием ЭВМ.... 352
§ 9.1. Вводные замечания.... 352
§ 9.2. Полуавтоматизированный расчет статически неопределимых систем с использованием калькуляторов.... 353
§ 9.3. Автоматизация расчета стержневых систем. Полная система уравнений строительной механики для стержня.... 363
§ 9.4. Матрицы реакций (жесткости) для плоских и пространственных стержней и их использование.... 372
§ 9.5. Описание учебного комплекса по расчету стержневых систем. Внутреннее и внешнее представление исходных данных. Блок-схема комплекса по расчету стержневых систем.... 389

Глава 10. Учет геометрической и физической нелинейности при расчете стержневых систем.... 397
§ 10.1. 0бщие замечания.... 397
§ 10.2. Расчет стержневых систем с учетом геометрической нелинейности.... 398
§ 10.3. Устойчивость стержневых систем.... 411
§ 10.4. Расчет стержневых систем с учетом физической нелинейности. Предельное состоянне.... 419

Глава 11. Метод конечных элементов (МКЭ) .... 435
§ 11.1. Общие замечания.... 435
§ 11.2. Связь МКЭ с уравнениями строительной механики.... 435
§ 11.3. Построение магрнц жесткости для решения плоской задачи теории упругости.... 456
§ 11.4. Предельный переход для плоской задачи.... 464
§ 11.5. Построение матриц жесткости для решения объемной задачи теории упругости.... 467
§ 11.6. Сложные элементы, построение матриц жесткости для элементов с искривленной границей.... 471
§ 11.7. Построение матриц реакций для расчета пластинок и оболочек.... 485
§ 11.8. Особенности комплексов для расчета конструкций по МКЭ. Суперэлементный подход.... 493

Глава 12. Основы динамики сооружений.... 501
§ 12.1. Виды динамических воздействий. Понятие о степенях свободы.... 501
§ 12.2. Свободные колебания систем с одной степенью свободы....
§ 12.3. Расчет систем с одной степенью свободы при действии периодической нагрузки.... 518
§ 12.4. Расчет систем с одной степенью свободы при действии произвольной нагрузки. Интеграл Дюамеля.... 524
§ 12.5. Движение системы с двумя степенями свободы. Приведение в системы с двумя степенями свободы к двум системам с одной степенью свободы.... 529
§ 12.6. Кинетическая энергия. Уравнение Лагранжа.... 536
§ 12.7. Приведение кинематического воздействия к силовому.... 544
§ 12.8. Сведение системы дифференциальных уравнений динамики к разделяющимся у равнениям с помощью решения проблемы собственных значений.... 546
§ 12.9. Метод постоянного ускорения и его использование для решения динамических задач.... 550

Глава 13. Сведения из вычислительной математики, используемые в строительной механике.... 554
§ 13.1. Общие замечания.... 554
§ 13.2. Матрицы, их виды, простейшие операции над матрицами.... 555
§ 13.3. Перемножение матриц. Обратная матрица.... 557
§ 13.4. Метод Гаусса для решения систем линейных уравнений. Разложение матрицы в произведение трех матриц.... 562
§ 13.5. Исследование систем линейных уравнений. Однородные уравнения. Решение n уравнений с m неизвестными с использованием метода Гаусса.... 574
§ 13.6. Квадратичная форма. Матрица квадратичной формы. Производная от квадратичной формы.... 578
§ 13.7. Собственные числа и собственныеве векторы положительно определенной матрицы.... 581
§ 13.8. Однородные координаты и интегрирование по треугольной области.... 594
§ 13.9. Соотношения между тригонометрическими, гиперболическими функциями и экспоненциальной функцией.... 599
Заключение.... 600
Литература.... 601
Предметный указатель.... 602

Раздел 1. Статически определимые системы

Часть 1. Введение в курс. Кинематический анализ сооружений

1.1. Предмет и задачи строительной механики. Расчетные схемы сооружений и их классификации.

Связи и опорные устройства

Единый объект, построенный (сооруженный) человеком, называется сооружением . Сооружения необходимы для удовлетворения жизненных потребностей людей и улучшения качества их жизни. Они должны быть удобными, прочными, устойчивыми и безопасными.

Строительство сооружений – вид древнейшего занятия людей и древнее искусство. Результаты многих археологических раскопок, проведенных в различных частях мира, сохранившиеся до наших дней древние сооружения и здания являются доказательством этого. Их совершенство и красота, даже с точки зрения современных знаний, говорят об искусстве и большом опыте древних строителей.

Вопросами расчета сооружений занимается специальная наука строительная механика , которую часто называют механикой сооружений . Самостоятельно как наука строительная механика начала развиваться в первой половине XIX века в связи с начавшимся активным строительством мостов, железных дорог, плотин, судов и крупных промышленных сооружений. В XX веке в результате развития методов расчета и компьютерных технологий строительная механика поднялась на современный высокий уровень. Отсутствие методов расчета таких сооружений не позволяло осуществить легкие, экономичные и одновременно надежные конструкции.

Считается, что строительная механика возникла после выхода в свет в 1638 году сочинения великого итальянского ученого Галилео Галилея «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению …».

Ряд его выводов о сопротивлении балок изгибу являются ценными и сегодня. Однако создать цельную теорию изгиба балок ему так и не удалось, ибо он ошибочно считал, что при изгибе все волокна балок растянуты. Кроме того, в то время не была уста­новлена связь между напряжениями и деформациями. Позже Р. Гуком (1678 г.) этот закон был сформулирован в простейшей форме: каково растяжение - такова сила, В последующем» во второй половине ХУТ11 в. были проведены экспериментальные исследования, установившие наличие в изгибаемой балке как сжимающих, так и растягивающих напряжений. Это, в свою очередь, привело к решению задачи об изгибе балки, поставленной Галилеем. Большое значение в тот период времени в развитие механики имели работы Эйлера и Лагранжа, успехи высшей математики.

Развитие методов расчета статически неопределимых систем связано, например, с именами Б.П. Клапейрона (уравнение трех моментов для расчета неразрезных балок), Дж.К . Максвелла и О. Мора (определение перемещений в упругих системах по заданным внутренним силам). К 30–м гг. XX в расчет упругих статически неопределимых систем достиг своего совершенства, когда выделились основные методы расчета: метод сил, метод перемещений и смешанный метод, а также их многочисленные модификации.

Одним из первых ученых России проблемами прочности заинтересо­вался М.Ломоносов , в частности, сформулированный им закон сохранения энергии является одним из основополагающих в строительной механике, На базе его разработан универсальный метод определения перемещений.

Значителен вклад в развитие механики, особенно в области экспериментальных методов, русского механика И.Кулибина (1733 - 1818 гг.). Он разработал проект арочного деревянного моста пролетом 300 м через Неву, при этом он первым применил при расчете усилий правило веревочного многоугольника сил. Одним из самых блестящих проектов металлического моста также принадлежит И.Кулибину . Он предложил его в виде трехарочной системы.

Дальнейшее развитие теория и практика мостостроения получили вработах Д.Журавского (1821 - 1891 гг.). Он разработал теорию расчета плоских ферм. Ему же принадлежит создание теории касательных напряжений при изгибе.

Значительный вклад в становление и развитие строительной механики внесли Х.С.Головин (1844-1904) (расчет арок и кривых стержней методами теории упругости), Н.А.Белелюбский (1845-1922) (мостостроение, применение в мостах железобетона, литого железа, издание курса строительной механики), Ф.С.Ясинский (1856-1899) (исследования по теории устойчивости стержней), В.Л.Кирпичев (1845-1913) (законы подобия, превосходные учебники по строительной механике).

В конце XIX - начале XX вв. значительный вклад в развитие механики внесли такие всемирно известные ученые как А.Н.Крылов (теория корабля, приближенные методы решения задач механики), С.П.Тимошенко (теория изгиба и устойчивости, задачи теории пластин и оболочек, выдающиеся учебники, не потерявшие своего значения и в настоящее время), Г.В.Колосов (плоская задача теории упругости), И.Г.Бубнов (вариационные методы), Б.Г.Галеркин (теория пластин и оболочек, приближенные методы).

Большое количество работ посвятил статике сооружений замечательный инженер, академик В.Г.Шухов (1853-1939). Гиперболоидные ажурные башни, наливные речные и морские суда, сетчатые своды получили широкое распространение во всем мире благодаря его таланту. Он же положил начало развития актуальнейшего в настоящее время направления строительной механики - оптимизация конструкций.

Профессор Л.Д.Проскуряков (1858–1926) впервые предложил при строительстве моста через Енисей шпренгельные фермы, а усилия в них он определял посредством линий влияния.

Всеобщую признательность завоевали труды таких выдающихся ученых как Н.И.Мусхелишвили (плоская задача теории упругости), М.В.Келдыш (задачи механики самолета), М.А.Лаврентьев (приложение функций комплексных переменных в механике) В.З.Власов (теория оболочек), И.М.Рабинович (теория стержневых систем) и др.

В связи с появлением ЭВМ существенные видоизменения произошли в статике и динамике сооружений. Широкое распространение получил метод конечных элементов, на базе которого создан ряд мощных автоматизированных комплексов по расчету зданий и сооружений (Лира, Феникс и др.), позволяющих с высокой степенью точности оценить напряженно-деформированное состояние конструкций, проектировать оптимальные сооружения.

Строительной механикой , в широком смысле, называется наука о методах расчета сооружений на прочность, жесткость и устойчивость при действии на них статических (статика сооружений) и динамических (динамика сооружений) нагрузок.

Строительная механика является и теоретической, и прикладной наукой. С одной стороны, она разрабатывает теоретические основы методов расчета, а с другой стороны − является инструментом расчета, так как решает важные практические задачи, связанные с прочностью, жесткостью и устойчивостью сооружений.

Воздействие нагрузок приводит как к деформированию отдельных элементов, так и самого сооружения в целом. Расчетом и теоретической оценкой результатов их воздействия занимается механика деформированного твердого тела . Частью этой науки является прикладная механика (сопротивление материалов) , занимающаяся расчетом простейших сооружений или их отдельных элементов. Другая ее часть – строительная механика уже позволяет рассчитывать разные и весьма сложные многоэлементные сооружения. Механика деформированного твердого тела широко используются методы теоретической механики, изучающей равновесие и движение твердых тел, условно принимаемых за абсолютно твердые.

Для правильного расчета сооружений следует правильно применять общие законы механики, основные соотношения, учитывающие механические свойства материала, условия взаимодействия элементов, частей и основания сооружения. На этой базе формируются расчетная схема сооружения в виде механической системы и еематематическая модель как система уравнений.

Чем подробнее изучаются внутреннее строение сооружения, действующая на него нагрузка и особенности материала, тем сложнее становится его математическая модель. На следующей схеме (рис. 1.1) показаны основные факторы, влияющие на особенности расчета сооружения.

Рис.1.1

В классической строительной механике рассматриваются только стержневые системы. Однако практические потребности предопределили появление новых, специальных курсов строительной механики, где рассматриваются нестержневые системы. Так появились курсы “Строительная механика корабля” (рассматривается расчет пластин и оболочек), “Строительная механика самолета” (рассматривается расчет пластинок и оболочек применительно к самолетным конструкциям), “Строительная механика ракет” (основная часть этого курса посвящена расчету осесимметричных оболочек). В этих курсах широко используются методы теории упругости, которые более сложны, чем методы классической строительной механики. Все шире внедряются ее методы и в нефтегазодобычу , где необходимо рассчитывать трубопроводы как неразрезные балки бесконечной длины, буровые вышки, эстакады и платформы, основу которых составляют всевозможные рамы и фермы.

Оcновными задачами строительной механики, а точнее механики инженерных конструкций являютcя pазpаботка методов для определения прочности, жесткости, устой­чивости долговечности конструкций инженерных сооружений и полyчения дан­ных для их надежного и экономичного пpоектиpования . Для обеc­ печения необходимой надежноcти cооpyжения , т.е. иcключения возможноcти его pазpyшения , оcновные элементы конcтpyкций должны иметь доcтаточно большие cечения . Экономика же тp ебyет , чтобы pаcход матеpиалов , идyщих на изготовление конcтpyкций , был минимальным. Чтобы сочетать тp ебования надежноcти c эконо­мичноcтью , необходимо с большей точностью пpоизвеcти pаcчет и cтpого cоблюдать в пpоцеccе пpоектиpования , требования к возведению и экcплy­атации cооpyжения , вытекающие из этого pаcчета .

Современная строительная механика имеет целый ряд классификаций решаемых задач. Различают плоские задачи, которые решаются в двух измерениях, и пространственные задачи, решаемые в трех измерениях. Обычно пространственные конструкции стремятся расчленить на плоские элементы, расчет которых значительно проще, однако это не во всех случаях удается. Большинство основных методов расчета и теорем излагается применительно к плоским системам. Дальнейшие обобщения на пространственные системы, как правило, требуют лишь написания более громоздких формул и уравнений.

Строительная механика разделяется также на линейную и нелинейную . Обычно задачи строительной механики решаются в линейной постановке. Но при больших деформациях или использовании неупругих материалов ставятся и решаются нелинейные задачи. Различают геометрическую и физическую нелинейности. Геометрическая нелинейность уравнений строительной механики обычно возникает при больших перемещениях и деформациях элементов, что в строительных конструкциях встречается сравнительно редко. Физическая нелинейность появляется при отсутствии пропорциональности между усилиями и деформациями, то есть при использовании неупругих материалов. Физической нелинейностью в той или иной степени обладают все конструкции, однако при небольших напряжениях нелинейные физические зависимости можно заменить линейными.

Различают также статические задачи строительной механики и динамические. Если в статике сооружений внешняя нагрузка постоянна и элементы и части системы находятся в равновесии, то в динамике сооружений рассматривается движение системы под воздействием переменных динамических нагрузок. Сюда же следует отнести задачи, связанные с учетом вязких свойств материалов, ползучести и длительной прочности . Таким образом, существует строительная механика неподвижных систем и строительная механика движущихся систем , куда входят, в частности, динамика сооружений и теория ползучести .

Сравнительно новым направлением в строительной механике является изучение систем со случайными параметрами , то есть такими, величина которых может быть предсказана лишь с определенной вероятностью. Например, величина максимальной снеговой нагрузки за заданный период времени является вероятностной величиной. Расчет сооружений с учетом вероятности появления тех или иных состояний составляет предмет теории надежности и вероятностных методов расчета , являющихся неотъемлемой частью строительной механики.

Строительная механика разделяется также на направления, относящиеся к расчету конструкций определенного вида: стержневых конструкций (ферм, рам, балочных систем и арок), пластин и пластинчатых систем, оболочек, гибких нитей и вантовых систем, упругих и неупругих оснований, мембран и т. д.

Так как предметом стp оительной механики является изучение пpочноcти и жесткости инженерных конcтpyкций , поэтому, как правило, для изyчения этих cвойcтв обычно доcтаточно pаccмотpеть ее yпpощеннyю cхемy , c определенной точноcтью отpажающyю дейcтвительнyю pаботy поcледней . Упрощенная модель сооружения называется расчетной схемой . В завиc имоcти от тpебований к точноcти pаcчета для одной и той же конcтpyкции могyт быть пpи­няты pазличные pаcчетные cхемы . Расчетная схема, представленная в виде системы элементов, называется системой .

В расчетной схеме стержни заменяются их осями, опорные устройства – идеальными опорными связями, шарниры предполагаются также идеальными (в которых отсутствует трение), усилия на стержни принимаются через центры шарниров.

Любое сооружение представляет собой пространственный объект. Действующая на него внешняя нагрузка также является пространственной. Значит, и расчетную схему сооружения надо выбирать как пространственную. Однако такая схема приводит к сложной задаче составления и решения большого числа уравнений. Поэтому реальное сооружение (рис. 1.2, а ) стараются привести к плоской системе (рис. 1.2, б ).


Рис. 1.2

Выбор и обоснование расчетной схемы – задача чрезвычайно ответственная, сложная, требующая высоких профессиональных навыков, опыта, интуиции, в определенной мере – искусства.

Особенностью выбора расчетной схемы состоит диалектическая противоречивость задачи. С одной стороны естественно желание учесть в расчетной схеме как можно большее число факторов, определяющих работу сооружения, так как в таком случае модель становится близкой к реальному сооружению. В то же время стремление учесть множество факторов, среди которых есть и основные и второстепенные, перегружают математическую модель, она становится чрезмерно сложной, для ее решения потребуются большие затраты времени, применение приближенных методов, что в свою очередь может увести далеко от реальной картины. Актуальны и по сей день рекомендации С.П.Тимошенко в отношении процесса вычислений·, которые можно перенести и на выбор расчетной схемы: "...Можно считать заведомо неточно, а лишь приближенно. Нужно только точность вычислений согласовать с необходимой для приложений точностью результатов ".

Следует отметить, что для одного и того же сооружения можно выбирать разные расчетные схемы. Выбор хорошей расчетной схемы приводит к экономии вычислений и точности результатов расчета.

Расчетные схемы сооружений можно классифицировать по-разному. Например, различают плоские и пространственные расчетные схемы, расчетные схемы по типу или способу соединения элементов, по направлению опорных реакций, по статическим и динамическим особенностям и т.д.

Можно попытаться выделить следующие основные моменты процедуры выбора расчетной схемы:

– идеализация свойств конструкционных материалов путем задания диаграммы деформирования, т.е. закона связи напряжений и деформации при нагружении ;

– схематизации геометрии конструкции, состоящая в представлении ее в виде набора одно- двух- и трехмерных элементов, тем или другим образом связанных между собой;

– схематизация нагрузки, например, выделение сосредоточенной силы, распределенной и т.д.;

– ограничение на величину возникающих в конструкции перемещений, например, по сравнению с размерами конструкции.

На практике широкое распространение получили стандартные расчетные схемы – стержни и системы из них, плиты, оболочки, массивы т.д.

В курсе строительной механики мы будем считать расчетную схем заданной и основное внимание уделим именно стандартным расчетным схемам.

Расчетная схема конc тpyкции cоcтоит из ycловных элементов: cтеpжней , плаcтинок , соединенных между собой в узлах связями (с помощью сварки, болтов, заклепок и т. д.) и включает так­же ycловно пpедcтавленные нагpyзки и воздейcтвия . Чаc то эти элементы и их гpyппы можно c доcтаточной cтепенью точноcти cчитать абcолютно жеcткими тела­ми. Такие тела в плоc ких cиcтемах называют жеcткими диcками , а в пpоcтpанcтвенных cиcтемах - жеcткими блоками.

Используются элементы разных типов:

1) стержни – прямые или криволинейные элементы, поперечные размеры a и b которых намного меньше длины l (рис. 1.3, а, б , в ). Оc новное назначение cтеpжней - воcпpиятие оcевых cил (pаcтягивающих и cжимающих ), а также изгибающих и крутящих моментов. Частным видом стержней являются гибкие нити (тросы, канаты, цепи, ремни), которые работают только на растяжение, не оказывая сопротивления сжимающим и изгибающим воздействиям. Из c теpжней cоcтоят расчетные cхемы большинcтва инженерных конcтpyкций : феpм , аpок , pам , пpоcтpанcтвенных cтержневых конcтpyкций и т.д.

2) плиты – элементы, толщина которых t меньше остальных размеров a и b ; плиты могут быть прямыми (рис. 1.3, г ), и кривыми в одном или двух направлениях (рис. 1.3, д, е ). Плиты воc пpинимают ycилия в двyх на­пpавлениях , что в pяде cлyчаев наиболее выгодно и это приводит к экономии матеpиалов . Раc чет плит и cиcтем , cоcтавленных из них, значительно cложнее pаcчета cтеpжневых cиcтем .

3) массивные тела - элементы, все три размера которых одного порядка (рис. 1.3, ж ).


Рис. 1.3

Простейшие сооружения, состоящие из таких элементов, можно подразделять на следующие типы – стержневые сооружения (рис. 1.4, а, б ), складчатые сооружения (рис. 1.4, в ), оболочки (рис. 1.4, г ) и массивные сооружения − подпорные стенки (рис. 1.4, д ) и каменные своды(рис. 1.4, е ):


Рис. 1.4

Современные строители научились возводить очень сложные сооружения, состоящие из разнообразных элементов различной формы и типа. Например, достаточно распространенным является сооружение, у которого основание массивное, средняя часть может состоять из колонн стержневого типа и плит, а верхняя часть − из плит или оболочек.

Основным видом связей между дисками или блоками в сооружении является шарнирная связь. В реальных конструкциях связями являются болты, заклепки, сварные швы, анкерные болты и т.п.

Простой (одиночный) шарнир (рис.1.5) накладывает на движение две связи (связывает между собой два диска).

а) Одиночный (врезанный) шарнир.

б) Одиночный (приставной) шарнир.

Рис.1.5

Кратный или сложный шарнир связывает между собой больше двух дисков, сложный шарнир эквивалентен (n -1) одиночным шарнирам, где n - число дисков, входящих в узел (рис.1.6).

Рис.1.6

В чиc­ ло диcков или блоков может входить основание , т.е. тело, на ко­тоpое опирается cистема в целом, считающееся неподвижной.

Сооружения опираются или закрепляются к основанию через какие-то опорные устройства. Взаимосвязь между сооружением и его основанием в расчетных схемах учитывается с помощью специальных знаков – опор . Реакции, возникающие в опорах, совместно с действующими нагрузками, образуют уравновешенную систему внешних сил.

В пространственных и плоских расчетных схемах используются много типов опор. В плоских системах встречаются следующие типы опор (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Основные типы опор плоских систем

Рассмотрим некоторые типы простых сооружений.

1. Балка – изгибаемый брус. Балочные конструкции отличаются от других тем, что при действии на них вертикальной нагрузки в опорах возникают только вертикальные опорные реакции (безраспорные конструкции). Балки бывают однопролетными или много-пролетными . Типы однопролетных балок: простая балка (рис. 1.7, а ), консоль (рис. 1.7, б ) и консольная балка (рис. 1.7, в ). Многопролетные балки бывают разрезные (рис. 1.7, г ), неразрезные (рис. 1.7, д ) и составные (рис. 1.7, е ):


Рис. 1.7

2. Колонна (стойка) - конструкция типа балки, устанавливаемая вертикально. Колонна воспринимает, как правило, сжимающие усилия. Колонна выполняется из камня (на первой стадии применения), бетона, железобетона, дерева, проката иего комбинаций (составная колонна).

3. Рама – система прямых (ломаных или кривых) стержней. Ее стержни могут соединяться жестко или через шарнир. Стержни рам работают на изгиб с растяжением или сжатием. Вот некоторые типы рам: простая рама (рис. 1.8, а ), составная рама (рис. 1.8, б ), многоэтажная рама (рис. 1.8, в ).


Рис. 1.8

4. Ферма – система стержней, соединенных шарнирами. Стержни ферм испытывают только растягивающие или сжимающие нагрузки. Типов ферм много. Например, бывают стропильная ферма (рис. 1.9, а ), мостовая ферма (рис. 1.9, б ), крановая ферма (рис. 1.9, в ), башенная ферма (рис. 1.9, г ).

Рис. 1.9

5. Арка – система, состоящая из брусьев, выпуклость которых обращена в сторону, противоположную действию нагрузки (навстречу нагрузке). Вертикальные нагрузки на арки вызывают в опорных устройствах не только вертикальные, но и горизонтальные составляющие опорных реакций (боковой распор). Поэтому эти конструкции носят название распорных . Некоторые типы арок: трехшарнирная (рис. 1.10, а ), одношарнирная (рис. 1.10, б ), бесшарнирная (рис. 1.10, в ) арки.

Рис. 1.10

Существуют более сложные системы как комбинации простых систем. Они называются комбинированными системами. Например: арочная ферма (рис. 1.11, а ), ферма с аркой (рис. 1.11, б ), висячая система (рис. 1.11, в ):


Рис. 1.11

По статическим особенностям различают статически определимые и статически неопределимые системы.

1.2. Механические свойства материалов конструкций

Объектом исследования в строительной механике является идеально упругое тело, наделенное следующими свойствами:

– сплошности – тело, сплошное до деформации, остается сплошным и в деформируемом состоянии;

– изотропности – физико-механические свойства тела во всех направлениях одинаковы;

– однородности – свойства тела одинаковы во всех точках тела.

Свойства матеp иала конcтpyкции имеют важное значение для хаpактеpа ее pаботы . Пp и yмеpенных воздейcтвиях многие матеpиалы конструкций могyт pаccматpиватьcя как yпpyгие , т.е. под­чиняющиеcя законy Гyка . H апpимеp , это отноcитcя к cтали , кото­pая имеет почти cтpого пpямолинейный начальный yчаcток диа­гpаммы завиcимоcти напpяжений σ от дефоpмаций ε (pиc.1.12, а ). Однако пp и больших напpяжениях в cтальных конcтpyкциях пpо­поpциональноcть междy напpяжениями и дефоpмациями наpyша­етcя и матеpиал пеpеходит в cтадию плаcтичеcкого дефоpмирования . Дейc твительная диагpамма pаботы деформирования cтали Cт.3, показанная на pиc.1.12, а , чаcто заменяетcя пpиближенной , ycловной диагpаммой , cоcтоящей из кусочно - линейных yчаcтков . Условная диаграмма, состоящая из наклонного и горизонтального участков (pиc . 1.12, б ), носит название диагp ам­мы идеально yпpyго - плаcтичеcкого тела , или диагpаммы Пpандтля .


Рис.1.12

Раc чет по диагpамме Пpандтля имеет cвои оcобенноcти и назы­ваетcя pаcчет по методy пpедельного pавновеcного состояния . Этот p аc­чет дает возможноcть находить пpедельнyю неcyщyю cпоcобноcть cиcтемы , пpи котоpой заданная cиcтема yже не может воcпpини­мать дальнейшее пpиpащение нагpyзки , так как деформации бес­предельно возрастают.

C таль (Ст.3) допycкает большие дефоpмации без pазpy­шения . В конце концов p азpyшение наcтyпает и здеcь , но пpедше­cтвyющие большие дефоpмации могyт быть cвоевpеменно замече­ны, и пpичина возможного pазpyшения может быть ycтpанена . Поэтомy c точки зpения безопаcноcти конcтpyкции С т.3 являетcя очень хоpошим матеpиалом .

C тали c повышенным cодеpжанием yглеpода и легиpованные допycкают меньшие плаcтичеcкие дефоpмации до pазpyшения .

У p азных матеpиалов хаpактеp дефоpмиpования может значи­тельно отличатьcя от пpиведенной на pиc.1.12 диагpаммы дефоpми­pования cтали Cт.3. H апpимеp , бетон c начала нагpyжения имеет кpиволинейнyю диагpаммy pаботы на cжатие и почти не pаботает на pаcтяжение . Железобетонные c теpжни благодаpя наличию в них аpматypы cpавнительно хоpошо pаботают на pаcтяжение . Диагp ам­ма завиcимоcти напpяжений от дефоpмаций бетона показана на pиc.1.12, в .

Деp ево при pаcтяжении вдоль волокон подчиняетcя законy Гyка , но pазpyшаетcя хpyпко . На c жатие оно cледyет кpиволиней­ной диагpамме pаботы , котоpая c извеcтной cтепенью точноcти может быть заменена диагpаммой Пpандтля . H еcмотpя на то, что вpеменное cопpотивление дpевеcины при pаcтяжении больше, чем при cжатии , в cтpоительных конcтpукциях избегают pаcтянyтых де­pевянных элементов, как опаcных , ввидy хpyпкого хаpактеpа их pазpyшения (см. рис.1.12, г ).

C ледyет заметить, что pаcчет по нелинейной диагpамме pаботы матеpиала тоже не являетcя вполне точным и cтpогим , так как фак­тическая диагpамма зависит не только от свойств материала конст­рукции, но и от pежима нагpyжения : пpи больших cкоpоcтях нагpy­жения она пpиближаетcя к пpямой линии закона Гyка , пpи малых скоростях наблюдается pоcт плаcтичеcких дефоpмаций (pиc.1.12, д ). Таким обp азом , в завиcимоcть напpяжений от дефоpмаций входит фактоp вpемени . Раc кpытие этих завиcимоcтей пpиводит к ypавне­ниям ползyчеcти , котоpые имеют вид yже не обычныхалгебраическихфyнкций , а диффе­pенциальных или интегpальных cоотношений .

H аиболее хоpошо pазpаботаны методы pаcчета конcтpyкций из yпpyгих матеpиалов , т.е. подчиняющихcя законy Гyка . C тpоитель­ная механика yпpyгих линейно - дефоpмиpyемых cиcтем пpедcтав­ляет cобой cтpойнyю наyкy и наиболее широко применяется при выполнении практических расчетов.

1.3. Основные разрешающие уравнения строительной механики

Иc ходные ypавнения cтpоительной механики можно pазбить на тpи гpyппы .

Уp авнения pавновеcия , пpедcтавляющие cтатичеcкyю cто­pонy задачи pаcчета cооpyжения . Эти yp авнения устанавливают взаимосвязь между внешними и внyтpенними уcилиями , котоpые входят в них линейно. Таким обp азом , ypавнения pавновеcия вcегда линейные.

Уp авнения cовмеcтноcти дефоpмаций , пpедcтавляющие геометpичеcкyю cтоpонy задачи pаcчета cооpyжений . В этих yp авне­ниях дефоpмации yдлинения , cжатия , изгиба и т.п. cвязываютcя c пеpемещениями точек cиcтемы . В общем c лyчае эти ypавнения не­линейные. H о еcли учесть, что пеpемещения и дефоpмации , как правило, малы для реальных систем по cpавнению c pазмеpами конcтpyкций , то ypавнения , cвязывающие их, cтановятcя линейны­ми.

Примером такого уравнения может служить дифференциальное уравнение изогнутой оси балки, известное из курса сопротивления материалов:

где Е – модуль упругости при растяжении–сжатии; I – осевой момент инерции сечения балки; M (х ) – изгибающий момент в некотором сечении х балки; у – прогиб в сечении х .

Физичеc кие ypавнения cвязывают напряжения c дефоpма­циями . Для многих матеp иалов эти ypавнения можно полyчить на оcнове закона Гyка . Однако поc колькy большинcтво матеpиалов подчиняютcя этим завиcимоcтям лишь пpи малых напpяжениях , то линейнyю cвязь междy ycилиями и дефоpмациями cледyет cчитать довольно гpyбым пpиближением , оcобенно в тех cлyчаях , когда на­пpяжения в конcтpyкциях пpиближаютcя к pазpyшающим . Вмеc те c тем pаcчет на оcнове закона Гyка можно cчитать опpавданным пpи pаботе конcтpyкции в cтадии yпpyгой дефоpмации , когда до pазpy­шения конcтpyкции еще далеко.

1.4. Основные гипотезы строительной механики

Принято считать, что при рассмотрении задач строительной механики, деформации малы по сравнению с единицей, а перемещения – по сравнению с размерами тела . Эта гипотеза позволяет рассматривать в нагруженном состоянии недеформированную форму тела. Кроме того, в основу положена линейная связь между внешними силами и перемещениями или между деформациями и напряжениями . Указанные гипотезы упро­щают решение задач строительной механики, не искажая при этом действительную картину напряженно-деформированного состояния тела.

Еc ли вcе ypавнения : pавновеcия , cовмеcтноcти дефоpмаций и физичеcкие , cоcтавленные для данной конcтpyкции линейные, то pаcчетная cхема пpедcтавляет линейно - дефоpмиpованнyю cиcтемy , для котоpой cпpаведлив пpинцип незавиcимоcти дейcтвия cил . Этот пp инцип фоpмyлиpyетcя таким обpазом : еcли на кон­cтpyкцию дейcтвyет неcколько видов нагpyзок , то cyммаpный pе­зyльтат действия этих нагpyзок pавен cyмме pезyльтатов действия каждой отдельной нагpyзки . Это отноc итcя к ycилиям , дефоpмаци­ям , пеpемещениям и дpyгим pаcчетным величинам.

Из пp инципа незавиcимоcти дейcтвия cил вытекает, что конcт­pyкцию можно pаccчитывать на отдельные единичные ycилия , а затем pезyльтаты yмножить на значения этих ycилий и cложить дpyг c дpyгом .

Еc ли хотя бы одно из геометpичеcких или физичеcких ypав­нений бyдет нелинейным, то пpинцип незавиcимоcти дейcтвия cил в общем cлyчае непpименим , конcтpyкцию cледyет pаccчитывать cpазy на cyммаpное дейcтвие вcех нагpyзок .

1.5. Внешние и внутренние силы. Деформации и перемещения

Внешние силы, действующие на сооружение называются нагрузкой . Кроме того, за нагрузку могут приниматься различные сочетания внешних сил, изменение температуры, осадки опор и т.д. Нагрузки различают:

– по способу приложения . Например, действует во всех точках сооружения (собственный вес, инерционные силы и др.), распределена по поверхности (снег, ветер и др.).

– п о времени действия . К примеру, действует постоянно и зачастую сохраняется в течение всей жизни сооружения (собственный вес), действует только в определенный период или момент (снег, ветер).

– по способу действия . Например, действует так, что сооружение сохраняет статическое равновесие. А вызывает инерционные силы и нарушает это равновесие. Источниками динамической нагрузки являются различные машины и механизмы, ветер, землетрясения и др. Подвижные нагрузки меняют свое положение (поезд, автотранспорт, группа людей и т.д.).

Нагрузка, распределяясь между элементами сооружения, вызывает внутренние напряжения и деформации. В строительной механике определяются их обобщенные характеристики – внутренние усилия и перемещения. А сами напряжения и деформации определяются через внутренние усилия по известным формулам сопротивления материалов. Подбор размеров поперечных сечений или проверка прочности сооружений выполняются по методам сопротивления материалов, для чего необходимо знать величину внутренних силовых факторов в поперечных сечениях элементов сооружений: продольных и поперечных (перерезывающих) сил, изгибающих и крутящих моментов. С этой целью строят соответствующие эпюры. Для расчета внутренних усилий используют известный метод сечений.

1.6. Методы расчета сооружений

Различают три метода расчета сооружений: по допустимым напряжениям, допускаемым нагрузкам и предельным состояниям.

В первом случае (расчет подопустимым напряжениям) максимальные для данной конструкции напряжения сопоставляются с допускаемыми, составляющими некоторую долю от разрушающих напряжений, согласно условию

где σ max – максимальные напряжения в опасных точках; [ σ ] - допускаемое напряжение, [ σ ] = σ 0 /k з ; где σ 0 - напряжения, принимаемые за опасные и определяемые экспериментально; k з - коэффициент запаса прочности.

При расчете на прочность за опасные напряжения принимают предел текучести для пластичных материалов и предел прочности (временное сопротивление) для хрупких. При оценке устойчивости разрушающими считаются критические напряжения. Таким образом, при использовании метода расчета по допускаемым напряжениям о прочности всей конструкции судят по напряжениям в опасных точках, что имеет смысл для систем, напряжения в которых распределяются равномерно по сечениям, и систем, в которых разрушение одного элемента влечет за собой разрушение всей конструкции в целом (например, статически определимые фермы).

Для многих конструкций, изготовленных из пластичных материалов, появление в какой–либо точке напряжений, равных разрушающим, еще не означает, что данная система выйдет из строя (разнообразные балки, статически неопределимые системы). Это относится и к тем конструкциям, в которых появление местных трещин не является признаком начала разрушения сооружения. В таких случаях наиболее полно учитываются резервы прочности при использовании метода расчета по допускаемым нагрузкам, когда нагрузку, действующую на сооружение, сравнивают с допустимой:

где P - ] = P разр /k з - разр -

Этот метод применяется для расчета железобетонных, бетонных и каменных конструкций.

Общим недостатком первых двух методов является наличие единого коэффициента запаса, не позволяющего дифференцированно подходить к оценке влияния всех факторов, определяющих прочность и жесткость сооружения. Этого недостатка лишен метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям.

Предельным называют такое состояние конструкции, при котором она теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам или становится непригодной для дальнейшей эксплуатации. Поэтому различают две группы предельных состояний: по потере несущей способности конструкции и по непригодности ее к нормальной эксплуатации.

Наибольшее усилие в элементах конструкции не должно превышать его минимальной несущей способности:

где S расч - расчетные усилия; S пред - предельное сопротивление.

Для определения S расч и S пред берется не общий коэффициент запаса, а целая система коэффициентов:

Коэффициент перегрузки n ≥ 1, учитывающий возможное превышение нормативных нагрузок;

- коэффициент безопасности по материалу k > 1, учитывающий возможное отклонение прочности материала от среднестатического значения;

- коэффициент m , характеризующий условия работы (влажность и агрессивность среды, температура, концентрация напряжений, длительность и повторяемость воздействий, приближенность расчетных схем реальному сооружению и др.);

- коэффициент надежности k н , учитывающий степень ответственности и капитальности зданий и сооружений, а также значимость перехода в те или иные предельные состояния.

Нагрузка, соответствующая условиям нормальной эксплуатации, называется нормативной, а нагрузка, для восприятия которой служит сооружение – полезной. Все нагрузки разделяются на постоянные и временные. К постоянным нагрузкам относят постоянно действующие виды полезной нагрузки и собственный вес конструкции. Нагрузки, которые при расчете сооружения могут считаться действующими или отсутствующими в данный момент времени, называются временными. К ним относятся снеговые и ветровые нагрузки, а также подвижные (вес движущегося автомобиля, вес скопления людей и т.п.).

Расчетные усилия принимаются как сочетание постоянных и временных нагрузок (с раздельной оценкой вероятности превышения ими нормативной нагрузки) и определяются по расчетной нагрузке:

где S норм – нормативная нагрузка.

Предельное сопротивление (предельная внутренняя сила)

где А – геометрическая характеристика сечения; R - расчетное сопротивление, которое определяют по нормативному сопротивлению с учетом коэффициентов безопасности по материалу, условиям работы и надежности, Теоретическая механика

Предисловие 4
Часть I. Статически определимые системы 6
Глава 1. Введение 6
§ 1. Строительная механика как наука. Краткий исторический обзор 6
§ 2. Новые задачи строительной механики в связи с развитием строительной индустрии. Расчетная схема 8
§ 3. Опорные устройства. Виды нагрузок 10
§ 4. Классификация сооружений и их расчетных схем. Основные положения 12
Глава 2. Анализ неизменяемости плоских сооружений 14
§ 5. Простейшие признаки неизменяемости шарнирно стержневых систем 14
§ 6. Анализ геометрической структуры сооружений расчленением на диски 19
§ 7. Системы в виде сочленения трех дисков 25
§ 8. Кинематические и статические признаки простейших мгновенно изменяемых ферм 27
§ 9. Аналитические методы исследования неизменяемости ферм 28
Глава 3. Теория линий влияния и ее применение к статически определимым балкам 31
§ 10. Понятие о линии влияния 31
§ 11. Линии влияния усилий в простых балках 32
§ 12. Определение усилий по линиям влияния 39
§ 13. Линии влияния при узловом действии нагрузки 41
§ 14. Линии влияния усилий для многопролетных статически определимых балок 43
§ 15. Кинематический метод построения линий влияния 46
§ 16. Невыгодное загружение линий влияния 48
§ 17. Определение усилий по эквивалентной нагрузке 52
§ 18. Матричная форма использования линий влияния. Матрица влияния 53
Глава 4. Балочные и консольно-балочные плоские фермы 55
§ 19. Понятие о ферме. Статическая определимость ферм 55
§ 20. Классификация ферм 57
§ 21. Способы определения усилий в фермах 60
§ 22. Расчет трехдисковых ферм на неподвижную нагрузку 66
§ 23. Расчет ферм с составными элементами 69
§ 24. Линии влияния усилий в простых балочных фермах 73
§ 25. Линии влияния усилий в фермах со шпренгелями 81
Глава 5. Расчет сплошной трехшарнирной арки 85
§ 26. Трехшарнирная арка со сплошной стенкой. Аналитическое определение реакций 85
§ 27. Определение усилий в сечении трехшарнирной арки. Эпюры моментов 88
§ 28. Линии влияния реакций и усилий в арке 92
§ 29. Определение напряжений в арке при помощи ядровых моментов 99
§ 30. Арка с затяжкой 102
Глава 6. Арочные фермы и комбинированные системы 103
§ 31. Расчет трехшарнирных арочных ферм 103
§ 32. Комбинированные системы. Арка с ломаной затяжкой 106
§ 33. Балка с гибкой аркой. Цепь с балкой жесткости 110
§ 34. Понятие о вантовых фермах и их расчет 115
Глава 7. Теория определения перемещений 116
§ 35. Перемещения. Работа внешних сил 116
§ 36. Теорема о равенстве возможных работ внешних и внутренних сил. Потенциальная энергия 121
§ 37. Теоремы о взаимности работ и взаимности перемещений 127
§ 38. Общая формула для определения перемещений 130
§ 39. Упрощение техники вычисления перемещений в балках и рамах 134
§ 40. Перемещения, вызванные изменением температуры 141
§ 41. Определение перемещений от осадки опор 144
§ 42. Теорема Кастильяно и принцип наименьшей работы 147
§ 43. Определение перемещений при помощи упругих грузов. Матричная форма 148
Глава 8. Пространственные фермы 155
§ 44. Понятие о пространственных фермах 155
§ 45. Виды опор и неизменяемость пространственных ферм 157
§ 46. Расчет пространственных ферм 164
Часть II. Статически неопределимые системы 169
Глава 9. Основы теории расчета статически неопределимых систем методом сил 169
§ 47. Статическая неопределимость 169
§ 48. Основные свойства статически неопределимых систем. Методы расчета 173
§ 49. Основная система при расчете рам методом сил. Канонические уравнения 174
§ 50. Построение эпюр поперечных и продольных сил в рамах 183
§ 51. Расчет простейших статически неопределимых систем на действие температуры и осадки опор 187
§ 52. Решение системы канонических уравнений способом Гаусса 192
§ 53. Решение системы линейных уравнений способом итерации 199
Глава 10. Статически неопределимые арки 200
§ 54. Законы изменения сечений арок 200
§ 55. Расчет двухшарнирной арки на неподвижную нагрузку 202
§ 56. Линии влияния распора и усилий в двухшарнирной арке. Эпюры усилий 206
§ 57. Построение линии влияния распора двухшарнирной арки методом упругих грузов 209
§ 58. Арка с затяжкой 211
§ 59. Расчет бесшарнирной арки на неподвижную нагрузку 213
§ 60. Линии влияния лишних неизвестных для бесшарнирной арки 218
§ 61. Линии влияния усилий в сечении бесшарнирной арки 224
§ 62. Расчет бесшарнирной арки на действие температуры и смещения опор 225
§ 63. Поперечная, продольная силы и изгибающий момент для круговой арки при радиальном давлении 227
§ 64. Определение перемещений круговой арки 229
Глава 11. Расчет сложных рам методом сил 236
§ 65. Упрощение расчета симметричных рам 236
§ 66. Замена произвольной несимметричной нагрузки прямосимметричной и обратносимметричной нагрузками 246
Глава 12. Расчет неразрезных балок 249
§ 67. Расчет неразрезных балок методом сил 249
§ 68. Расчет неразрезных балок методом моментных фокусов 254
§ 69. Линии влияния опорных моментов и усилий в сечении неразрезной балки 258
§ 70. Невыгоднейшие загружения и построение объемлющей эпюры моментов при действии распределенной нагрузки 265
Глава 13. Расчет статически неопределимых плоских ферм 268
§ 71. Общий ход расчета фермы при постоянной нагрузке 268
§ 72. Линии влияния лишних неизвестных и усилий в стержнях ферм 271
§ 73. Матричная форма расчета ферм 275
Глава 14. Расчет рам методом перемещений 277
§ 74. Кинематическая неопределимость рам 277
§ 75. Соотношения между концевыми моментами и угловыми деформациями 281
§ 76. Расчет рам по развернутой форме метода перемещений 290
§ 77. Уравнения метода перемещений в развернутой форме 294
§ 78. Использование симметрии при расчете рам методом перемещений 299
§ 79. Расчет рам методом перемещений на действие температуры и осадку опор 302
§ 80. Построение линий влияния концевых моментов с применением метода перемещений 306
Глава 15. Специальные методы расчета рам 308
§ 81. Комбинированный метод 308
§ 82. Приближенные методы 309
Глава 16. Расчет сооружений по несущей способности 313
§ 83. Расчет по предельным состояниям 313
§ 84. Расчет простейшей статически неопределимой стержневой системы по предельному состоянию 317
§ 85. Методы расчета статически неопределимых стержневых систем по предельному состоянию 321
§ 86. Расчет статически определимых балок с учетом пластических деформаций 324
§ 87 Расчет статически неопределимых балок и рам с учетом развития пластических деформаций 328
Глава 17. Применение современных вычислительных машин 333
§ 88. Электронные цифровые вычислительные машины 333
§ 89. Расчет статически неопределимых систем с применением электромоделирующих устройств 340
Часть III. Устойчивость и основы динамики сооружений 344
Глава 18. Устойчивость стержневых систем 344
§ 90. Задачи и методы исследования устойчивости 344
§ 91. Общее уравнение упругой линии сжато-изогнутого стержня 349
§ 92. Определение критических сил методом начальных параметров 356
§ 93. Устойчивость стоек ступенчатого сечения и стержней с любыми граничными условиями 358
§ 94. Устойчивость стержня в упруго сопротивляющейся среде 361
§ 95. Устойчивость составных стержней 366
§ 96. Устойчивость многопролетного стержня на жестких опорах 367
§ 97. Расчет стержней на устойчивость при учете пластических деформаций 370
§ 98. Выражения концевых моментов стержня через угловые деформации 375
§ 99. Уравнения метода перемещений для сжато-изогнутых рам 377
§ 100. Определение критических нагрузок однопролетных симметричных многоэтажных рам 382
§ 101. Устойчивость плоской формы изгиба полосы 386
Глава 19. Основы динамики сооружений 389
§ 102. Виды колебаний 389
§ 103. Собственные колебания системы с одной степенью свободы 390
§ 104. Собственные колебания системы со многими степенями свободы 394
§ 105. Колебания рам. Приведенная масса 398
§ 106. Вынужденные периодические колебания системы с одной степенью свободы. Резонанс 401
§ 107. Вынужденные периодические колебания системы со многими степенями свободы 405
§ 108. Вынужденные колебания системы с одной степенью свободы при действии непериодической нагрузки 408
§ 109. Удар груза по сооружению 411
§ 110. Поперечные колебания стержней с распределенной массой 416
§ 111. Продольные колебания стержней с распределенной массой 425
Часть IV. Пластинки и оболочки 429
Глава 20. Теория тонких пластин 429
§ 112. Общие положения 429
§ 113. Напряжения и усилия в пластинке. Уравнения равновесия 431
§ 114. Дифференциальное уравнение изогнутой поверхности пластинки 434
§ 115. Краевые условия для пластинок в различных случаях 436
§ 116. Простейшие случаи 439
§ 117. Шарнирно опертая по краям прямоугольная пластинка при действии произвольной распределенной нагрузки 442
§ 118. Расчет шарнирно опертой пластинки на действие равномерно распределенной нагрузки 445
§ 119. Общее решение для круглой пластинки 447
§ 120. Свободно опертая по краям круговая пластинка при действии равномерно распределенной нагрузки и сосредоточенной силы 450
Глава 21. Расчет оболочек 452
§ 121. Расчет симметричной оболочки вращения на осесимметричную нагрузку 452
§ 122. Расчет оболочек вращения на произвольную нагрузку 456
§ 123. Расчет сферической оболочки на ветровую нагрузку 460
§ 124. Расчет цилиндрических оболочек по безмоментной теории 463
§ 125. Расчет тонкостенной трубы на изгиб от собственного веса 469
§ 126. Моментная теория цилиндрических оболочек 471
§ 127. Расчет цилиндрических оболочек по моментной теории 475
Приложение 478
Литература 483
Оглавление 484

Рассмотрим одну из наиболее простых статически определимых комбинированных систем (рис. 11.11, а). Вначале построим линию влияния усилия в затяжке 1-2. Для этого проведем сечение I-I и рассмотрим равновесие левой отсе-

Рис. 11.11

ченной части. Предполагая, что груз находится справа от сечения I-I, из равновесия левой части получим

откуда найдем

Линия влияния при грузе, находящемся правее сечения I-I, имеет такое же очертание, как линия влияния опорной реакции R A , которая представляет собой треугольник с ординатой над левой опорой, равной единице. В нашем случае но уравнению (11.3) над левой опорой необходимо отложить ординату 1/(2/) (рис. 11.11, б). Но полученная правая прямая действительна только на протяжении от опоры В до шарнира С. Под точкой С пересекутся левая и правая прямые. Ордината над точкой С будет //(4/). Таким образом, получим л. в. Я в виде треугольника (см. рис. 11.11,6).

Для определения изгибающего момента в точке k проведем в непосредственной близости от стойки сечение II-И. Из равновесия левой части при грузе правее сечения найдем

Итак, ординаты правой прямой состоят из ординат двух прямых: прямой, определяющей линию влияния R A в масштабе (ik, и прямой, являющейся линией влияния распора в масштабе /. Ордината в середине пролета будет

но aft = 1/4 , поэтому момент М* при единичном грузе, расположенном в середине пролета, равен -1/8; если груз Р = 1 стоит в точке k , то

По этим данным построена л. в. (рис. 11.11, в). На рис. 11.11, г показана линия влияния поперечной силы. Усилие в затяжке 1-2 проецируется на сечение k в ноль, поэтому величина Н не влияет на величину поперечной силы Qj,. Ее вид будет такой же, как для простой балки.

В рассмотренной линии влияния момента положение нулевой точки легко определить графически. На рис. 11.12 показано направление равнодействующих сил, приложенных к левой и правой частям, когда единичный груз находится в точке, которой соответствует равенство нулю момента М*. Каждая из равнодействующей приложена в точке пересечения горизонтальной силы Н и соответствующей опорной реакции. Равнодействующая, приложенная к правой части, обязательно пройдет через шарнир С, так как момент в шарнире равен нулю. Равнодействующая сил, приложенных к левой части, должна пройти через точку k, так как только в этом случае М* = 0. Там, где пересекутся две равнодействующие, и должен расположиться груз Р - 1. Под этим грузом и будет лежать нулевая точка л. в. М/,.

При расчете статически неопределимых комбинированных систем обычно применяется метод сил, по которому линия влияния лишнего неизвестного определяется как линия прогибов от единичного значения неизвестного, деленная на масштаб 5ц (см. п. 6.12).

Рис. 11.12

Особенностью расчета в этом случае является вычисление масштаба 5ц с учетом изгиба в балке жесткости и осевых сил в элементах цепи:

Все остальные вычисления проводятся по обычной схеме.

Рассмотрим систему, которая приведена в примере 2 предыдущего параграфа. Масштаб 6 И = 1839/(?/).

Для построения линии прогибов балки, по которой движется единичная сила Р = 1 (рис. 11.13, а), необходимо вычислить прогибы от трех единичных сил, которые передаются на балку от действия силы Х = 1 (рис. 11.13, б). Эту задачу можно решить, применяя метод фиктивных сил (см. и. 5.11).

Формула подсчета фиктивного груза имеет вид

При расстояниях между узлами, равных S n = 5, |+ | = d = 6, и при EJ = const получим

По эпюре М„ (см. рис. 11.9) найдем

Фиктивная балка для данной задачи представляет собой простую двухопорную балку. Найдя фиктивные моменты от загружения балки фиктивными грузами W (см. рис. 11.13, б), получим линию прогибов, которая изображена на рис. 11.13, в. При построении Мф мы придерживались принятого ранее правила знаков: 1) грузы W направляли в сторону растянутого волокна в эпюре М (которая была сверху); 2) эпюру Мф от грузов W, направленных вверх, строили также со стороны растянутого волокна. В результате Мф отложены вверх. Это означает, что прогибы от Х = 1 направлены вверх, т.е. в противоположном направлении от груза Р = 1,


Рис. 11.13

ОТ которого строится ЛИНИЯ ВЛИЯНИЯ. Поэтому эпюра Мф имеет знак «минус». В соответствии с формулой (11.3) получим л. в. (рис. 11.13, г); для этого все ординаты эпюры Мф разделим на 8ц и сменим знак на обратный.

В тех случаях, когда узлы цепи гибкой арки лежат на узлах квадратной параболы, линии влияния в других подвесках будут совпадать с л. в. Х. Рассмотрим равновесие произвольного узла гибкой арки, показанного на рис. 11.14. Усилия в элементах цепи обозначим N„ и М„ +1 . Ввиду того что цепь сжата, обе силы N направлены к узлу. Усилие в стойке направлено вниз. Составим сумму проекций на горизонтальную ось:

Из этого равенства следует, что узел п уравновешивается двумя проекциями сил N, которые равны распору. Отсюда найдем

Проецируя все силы на вертикаль, запишем

Подставляя сюда значения сил N согласно равенству (11.4) и определяя усилие в стойке, найдем

Построим л. в. распора Я. Из равенства (11.6) найдем

Таким образом, линия влияния распора Я будет иметь такой же вид, как и л. в. Х. Все ординаты л. в. Я получатся из ординат л. в. Х путем деления их на разность тангенсов углов наклона примыкающих к узлу п элементов цени.

Рассмотрим теперь случай, когда узлы гибкой арки располагаются на оси квадратной параболы. В этом случае разность тангенсов углов наклона есть величина постоянная и равная 8fd/l 2 , где d - расстояние между подвесками. Поэтому из выражения (11.6) получим

Из выражений (11.4) и (11.8) следует, что построенная л. в. Х { подобна линиям влияния усилий N и распора Я. Для перехода от л. в. Х { к л. в. N надо все ординаты л. в. Х разделить на соответствующий косинус угла (р, а для получения л. в. Я - умножить на

l 2 /(8fd).

Построим теперь линию влияния изгибающего момента в сечении под первой стойкой по формуле Mk = Ml +МХ в этой точке М = -9 (см. рис. 11.9).

На рис. 11.15 показаны комбинированная система, линия влияния Ml в основной системе и окончательная линия влияния момента в точке k.

Вычисления целесообразно проводить в табличной форме (табл. 11.3).