2.6叠加法作弯矩图
当梁在荷载作用下变形微小,因而在求梁的支反
力、剪力、弯矩时可直接代入梁的原始尺寸进行计算,
且所得结果与梁上荷载成正比。
在这种情况下,当梁
上有几项荷载作用时,由每一项荷载所引起的梁的支
反力或内力,将不受其他荷载的影响。
所以在计算梁
的某截面上的弯矩时,只需先分别算出各项荷载单独
作用时在该截面上引起的弯矩,然后求它们的代数和
即得到该截面上的总弯矩。
这种由几个外力共同作用
引起的某一参数(内力、位移等)等于每一外力单独作
用时引起的该参数值的代数和的方法,称为叠加法。
叠加法的应用很广,它的应用条件是:需要计算的物
理量(如支反力、内力以及以后要讨论的应力和变形
等)必须是荷载的线性齐次式。
也就是说,该物理量
的荷载表达式中既不包含荷载的一次方以上的项,也
不包含荷载的零次项。
例题2-9试按叠加原理做例题2-9图(a)所示简
支梁的弯矩图。
求梁的极值弯矩和最大弯矩。
解:先将梁上每一项荷载分开(见图(b)、图(c)),
分别做出力偶和均布荷载单独作用的弯矩图(见图
(d)、图(e))两图的纵坐标具有不同的正负号,在叠
加时可把它们画在x 轴同一侧(见图f)。
于是两图共
有部分,其正、负纵坐标值互相抵消。
剩下的纵距(见
图(f)中阴影线部分)即代表叠加后的弯矩值。
叠加后
的弯矩图仍为抛物线。
如将它改画为以水平直线为基
线的图,即得通常形式的弯矩图(见图(曲)。
求极值
弯矩时,先要确定剪力为零的截面位置。
由平衡方程0B
m =∑可求得支反,
剪力方程为
Q 即可求出极值弯矩所在截面的位置。
令()0
x
极值弯矩为
由例题2-9图(g)可见,全梁最大弯矩为
本例中的极值弯矩并不大于梁的最大值弯矩。
当梁上的荷载较复杂时,也可将梁按荷载情况分段,求出每一段梁两端截面的内力。
这时该段梁的受载情况等效于一受相同荷载的
简支梁 (见图2-12(a)、(b))。
因为每一段梁在平面弯曲时的内力,不外是轴力N、剪力Q和弯矩M。
由于轴力N不产生弯矩,故在作弯矩图时可将它略去,剩下的梁端剪力1Q,2Q和梁端弯矩1M、2M,及荷载对梁段的作用,可用图2-12(b)所示的简支梁上相应的荷载来代替(梁段端截面上的剪力可由梁的支反力提供,故图中未画出)。
所以,如用叠加法做出了该筒支梁的弯矩图,即可得该段梁的弯矩图。
此种叠加法,有时也称为区段叠加法。
例题2-10 利用叠加法做图示悬臂梁的弯矩图。
解:本例中梁的荷载可将梁分成AC、CD两段。
梁
各段控制截面上的剪力和
弯矩为
由上述控制截面的剪力、弯矩值,可画出每段梁的受力如例题2-10图(b)所示。
与各段梁的荷载相对应的简支梁如图(c)所示。
按照叠加法我们可分别作出简支梁 AC和简支梁CD的弯矩图(见图(d)),将两段梁的弯矩图合并即得图(e)所示的悬臂梁的弯矩图。
平面刚架是由同一平面内,不同取向的杆件,通过杆端相互刚性连接(受力后夹角不变)而组成的结构。
平面刚架各杆的内力,除了剪力和弯矩外,还有轴力。
因刚架是由不同取向的杆件组成,为了能表示内力沿
各杆轴线的变化规律,习惯上约定:刚架截面上的弯矩如使刚架的内侧纤维受拉,则该截面上的弯矩规定为正(剪力、轴力的正负号规定同前),弯矩图画在各杆受拉的一侧,不注明正负号。
剪力图及轴力图可画在刚架轴线的任一侧(通常正值画在刚架外侧),但需注明正负号。
具体画图时,可采用上节叠加法做弯矩图时所介绍的方法,即将刚架分段,把各段杆的端面及刚架结点处的截面作为控制截面,求出其上的内力值。
在将各段杆简化为简支梁后可运用叠加法画出各段杆的内力图,最后合并为整个刚架的内力图。
例2-11 例2-11图(a)所示下端固定的刚架,其轴线平面内受荷载如图,试作
刚架内力图。
AB段及BC段杆对应的简支梁如例题2-11图(b)、图(c)所示。
刚架的内力图如例题2-11图(d)、图(e)、图(f)所示。
对于本例题,也可将刚架分段仿照梁的内力图的作法。
这时决定杆截面位置的x坐标应改为流动坐标,如图(a)所示。
在本例中,由于A点系自由端,为避免求支反力的麻烦,坐标原点先从A点算起,分别求出各段杆的内力方程,各段杆的内力图即可随之绘出(建议读者自行练习)。
曲杆内力图的绘制方法与此类似。
例题2-12 一端固定的半圆环受集中力P作用,试做此曲杆弯矩图。
解:以极坐标来表示杆横截面的位置。
如图(a)所示,θ表示m-m截面的位置,其上的弯矩的正负号通常规定为:使曲杆的曲率增加(外侧纤维受拉)的弯矩为正。
按照这一规定
M(θ)=Px=PR(1-cosθ) (O≤θ≤π)
它即是曲杆的弯矩方程,以曲杆的轴线为基线,将各相应截面的弯矩画在与横截面相应的半径线上。
这里也将弯矩图画在曲杆受拉的一侧,而不标注正负号。
由图可见,固定端处弯矩最大,。