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第3章力系平衡方程精要
【例3-9】一矩形平板OABC,在其平面内受F1、F2及m的作用,如图3-19所示。已知F1=20kN,F2=30kN,m=100kN·m,a=6m,b=10m,试将此力系向O点简化。 图3-19 【例3-9】图 【解】取O点为简化中心,选取坐标轴如图3-19所示。 (1)求主矢FR′的大小和方向 主矢FR′的大小为 主矢FR′的方向为 ∑Fx= F1sin20°+F2cos30°=20×0.342+30×0.866=32.82(kN) ∑Fy=- F1cos20°+ F2sin30°= - 20×0.94+30×0.5=-3.8(kN) (kN) 主矢FR′在第四象限内,与x轴的夹角为6.6°。 (2)求主矩MO 力系对点O的主矩为 MO=∑MO(F) =-F1sin20°·b-F2cos30°·b + F2sin30°·a +m =-20×0.342×10-30×0.866×10+30×0.5×6+100 =-138(kN·m) 顺时针方向。 3.4 平面一般力系的平衡方程及其应用 1.平面一般力系的平衡条件 平面一般力系的平衡的必要和充分条件是:力系的主矢和对于任一点的主矩都等于零。 2.平面一般力系的平衡方程 二投影一矩式: 平面一般力系有三个独立的平衡方程,可以求解三个未知量。 【例3-10】悬臂式起重机的水平梁AB,A端以铰链固定,B端用斜杆BC拉住,如图3-20(a)所示。梁自重W=4kN,载荷重Q=10kN。拉杆BC的自重不计,试求拉杆的拉力和铰链A的约束反力。 图3-20 【例3-10】图 【解】(1)选取梁AB与重物一起为研究对象。 (2)画受力图。 梁除了受到已知力W和Q作用外,还受未知力:斜杆的拉力和铰链A的约束力作用。因杆BC为二力杆,故拉力FB沿连线BC;铰链A的约束力用分两个互相垂直的分力FAx和FAy表示,指向假设,如图3-20(b)所示。 (3)列平衡方程。 ∑Fx =0 FAx-FBcos30°=0 ∑Fy =0 FAy+FBsin30°-W-Q=0 ∑MA(F)=0 FBsin30°×6-W×3-Q×4=0 (4)解联立方程。得 FB=17.33kN,FAx=15.01kN,FAy =5.33kN (5)校核 ∑MB(F)=W×3+Q ×2-FAy×6= 4×3+10 ×2-5.33×6=0 计算无误。 平面任意力系平衡方程的其他两种形式: (1)二矩式平衡方程 其中,x轴不得垂直于A、B两点的连线。 (2)三矩式平衡方程 其中,A、B、C三点不得共线。 【例3-11】如图3-21(a)所示一钢筋混凝土刚架的计算简图,其左侧受到一水平推力F=10kN的作用。刚架顶上承受均布荷载q=15kN/m,刚架自重不计,试求A、D处的支座反力。 图3-21 【例3-11】图 【解】(1)取刚架ABCD为研究对象,作受力图,如图3-21(b)所示 (2)列平衡方程,求解未知量 ∑Fx =0 F-FAx=0 解得 (3)校核 ∑MA(F)=0 FDy×6-F×3-q×6×3=0 ∑MD(F)=0 -FAy×6-F×3+ q×6×3=0 FAx=10kN,FAy =40kN,FDy=50kN ∑Fy =FAy-q×6+FDy=40-15×6+50=0 计算无误。 3.平面平行力系的平衡方程 二力矩式: 其中A、B两点连线不与各力的作用线平行。 图3-22 平面平行力系 3.5 物体系统的平衡问题 由若干个物体通过不同的约束按一定方式连接而成的系统,称为物体系统, 当物体系平衡时,组成该系统的每一个物体都处于平衡状态,因此对于每一个受平面任意力系作用的物体,均可写出三个平衡方程。如果物体系是由n个物体组成,则共3n个独立的平衡方程。 静定问题: 当所研究的问题的未知量的数目等于独立平衡方程的数目时,所有的未知量都能由平衡方程唯一确定。 超静定问题: 结构的未知量数目多于独立平衡方程数目,未知量就不能全部由平衡方程求出。 在求解静定的物体系的平衡问题时,可以选物体系中的每一个物体为研究对象,列出全部的独立平衡方程,然后求解。 也可以先取整个物体系为研究对象,列出独立的平衡方程,这样的方程因不包含内力,式中未知量较少,解出部分未知量后,在从系统中选取某个物体或几个物体组成的局部系统为研究对象,列出相应的独立平衡方程,直至求出所有未知量为止。 【例3-12】组合梁的支承及荷载情况如图3-23(a)所示,已知F1=10kN,F2=20kN,试求支座A、B、D及铰C处的约束反力。 图3-23 【例3-12】图 【解】组合梁由梁
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