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52三铰拱的支座反力
* * 第五章 三铰拱 本章提要 本章主要介绍了拱的概念、特点,三铰拱的支座反力及内力计算,三铰拱的合理轴线的概念等内容。通过本章的学习应掌握: 1.拱的概念、特点; 2.三铰拱的支座反力及内力计算; 3.了解三铰拱合理轴线的概念。 本章内容 5.1 拱的受力特点和分类; 5.2 三铰拱的支座反力; 5.3 三铰拱的内力计算。 5.1 拱的受力特点和分类 5.1.1 拱的概念 拱(拱式结构)是指杆轴为曲线,在竖向荷载作用下,支座处产生水平推力的结构。如图1(b)所示。 图1 而图(a)所示结构,轴线虽为曲线,但在竖向荷载作用下不产生水平反力,是一根曲梁。 拱式结构的顶点称为 拱顶,三铰拱的中间铰往 往布置于拱顶,拱与基础 的联结处称为拱脚(拱趾 ), 拱脚的水平距离l称 为拱的跨度,拱顶到拱脚 连线的竖直距离f叫拱高,拱高f与跨度l之比f/l叫高跨比。 5.1.2 拱的类型 拱的形式一般有无铰拱、两铰拱、三铰拱等几种,如图3所示。其中无铰拱、两铰拱为超静定结构,三铰拱为静定结构。 图3 5.1.3 拱的特点 拱与梁的区别主要不在于杆轴线的曲直,而是拱在竖向荷载作用下会产生水平推力。 正是由于推力的存在,拱的弯矩要比跨度、荷载相同的梁的弯矩小得多,而且主要承受压力。所以拱结构可用抗压强度较高而抗拉强度较低的砖、石、混凝土等脆性材料来建造。 另一方面,由于推力的存在,对地基和支承结构的要求较高。三铰拱式屋架常在两支座之间设置拉杆,以代替承受水平推力,从而消除了推力对支承结构的影响。如图3(d)所示。 5.2 三铰拱的支座反力 三铰拱有四个支座反力,如图示,计算时可取整体及半拱为对象,列平衡方程计算。 为了比较拱与梁的异同,通常将三铰拱与相应跨度、荷载的简支梁相对应求解。 简支梁: 三铰拱: VA0 =(P1.b1+P2.b2)/ l = VA VB0 =(P1.a1+P2.a2)/ l = VB 即:三较拱的竖向支座反力等于相应简支梁的竖向支座反力。 水平推力: H= HA = HB =MC0 / f 图4 可见: 支座水平推力与拱轴曲线形状无关,而只与荷载及三个铰的位置有关;当荷载与跨度确定时,MC0为定值,水平推力与拱高成反比关系,f愈大,拱愈高,则推力愈小;f愈小,拱愈扁平,则推力愈大。 对于有拉杆的三铰拱(图3.d所示),同样可求得: VA=VA0 VB=VB0 但: H=0 而拉杆内力: N= MC0 / f 5.3 三铰拱的内力 5.3.1 三铰拱的内力及正负号规定 三铰拱截面的内力有轴力轴力、剪力、弯矩。 正负号规定: 弯矩----使拱曲杆内缘受拉为正; 剪力----使拱段顺时针转为正; 轴力----以拉力为正。 5.3.2 三铰拱的内力计算 三铰拱轴线为曲线,曲杆截面的倾角φ随位置而变化,内力亦随φ而变化。内力计算仍然将三铰拱与相应跨度、荷载的简支梁相对应求解。 任意一截面D的内力: MD= M0D-H.yD QD= Q0DcosφD-H. sinφD ND=-Q0DsinφD-H. cosφD 截面的倾角φ由轴线方程y=f(x)求得(dy/dx=tanφ ),当X轴向右为正,Y轴向上为正时,左半拱φ取正,右半拱φ取负。 5.3.2 三铰拱的内力图绘制 将拱沿着跨度方向等分为若干等份,逐点求出内力值,将内力图的纵坐标垂直于杆轴线画出,然后连接各点成曲线。 例1. 某三铰拱及其荷载如图5所示,当坐标原点选在左支座时,拱轴方程为y=4f(l-x)x /l2,试作该三铰拱的内力图。 解: (1)求支座反力 VA =V0A=90kN VB =V0B=70kN H =HA=HB=M0C/f =1/2×(90×4-50×3-20×2×1) =85kN (2)确定并计算控制截面的内力
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