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作用于平面壁上的静水总压力

作用在物体表面上的静水总压力,是许多工程技术上(如分析水池、水闸、水坝及路基等的作用力)必须解决的力学问题。只要掌握了前面所讲的静水压强分布规律就不难确定静水总压力的大小、方向和作用点。这一节介绍平面上静水总压力的计算。下一节讨论曲面上静水总压力的计算。

4.1静水压强分布图

由静水压强方程p=γh可知,压强p与水深h呈线性函数关系,把受压面上压强与水深的这种函数关系表示成图形,称为静水压强分布图。由于建筑物的四周一般都处在大气中,各个方向的大气压力将互相抵消,故压强分布图只需绘出相对压强值。其绘制原则是:

(1)以线段长度表示点压强的大小;

(2)以线端箭头表示点压强的作用方向,必须垂直并指向受压面。图1-11

图1-11为一直立矩形平板闸门,一面受水压力作用,其在水下的部分为ABB1A1,深度为H,宽度为b。图1-11(a)便是作用在该闸门上的压强分布图,为一空间压强分布图;图1-11(b)为垂直于闸门的剖面图,为一平面压强分布图。因p与h为一次方关系,故在水深方向静水压强系直线分布,只要直线上两个点(一般选受压面的两个端点)的压强为已知,就可确定该压强分布直线。图1-12为各种情况的压强分布图。

图1-12

4.2利用图解法求矩形平面上的静水总压力

求矩形平面上的静水总压力实际上就是平行力系求合力的问题。通过绘制压强分布图求一边与水面平行的矩形平面上的静水总压力最为方便。

图1-13表示一任意倾斜放置但一边与水面平行的矩形平面ABB1A1的一面受水压力作用。平面尺寸及平面在水面下的淹没深度如图1-13所示。可先画出该平面上的压强分布图,然后根据压强分布图确定总压力的大小、方向和作用点。图1-13

4.2.1静水总压力的大小

当作出作用于矩形平面上的压强分布图ABEF后,便不难看出:作用于整个平面上的静水总压力的大小应等于该压强分布图的面积Ω与矩形平面的宽度b的乘积,即

P=Ω·b(1-29)

当压强分布图为梯形时:P=γ(h1+h2)l·b(1-30)

当压强分布图为三角形时:P=γhl·b(1-31)

4.2.2静水总压力的方向

根据静水压强的特性,静水压强的方向总是垂直指向受压面,因此静水总压力的方向必然垂直并指向受压平面。

4.2.3静水总压力的作用点

总压力P的作用点D(又称压力中心)必位于受压面的纵向对称轴O-O上,同时总压力P的作用线通过压强分布图的形心。压力中心的位置用压力中心D至受压面底边缘的距离e表示。

压强分布图为矩形,如图1-13(a),总压力作用点必在中点a/2处;

压强分布图为三角形,如图1-13(b)和(c)的,合力必在距底/3高度处;

压强分布图为梯形,如图1-13(d)的,总压力作用点在距底e=处。

4.3用解析法求任意平面上的静水总压力

如图1-14所示,EF为一任意形状的平面,倾斜放置于水中任意位置,与水面相交成α角。设想该平面的一面受水压力作用,其面积为A,形心位于C处,形心处水深为hc。对任意形状的平面,需要用解析法来确定静水总压力的大小和作用点。

4.3.1静水总压力的大小图1-14

取平面的延展面与水面的交线为ox轴,以通过平面EF中任意选定点N并垂直于ox轴的直线为oy轴。在平面中的M处取一微小面积dA,其上的压力为dP=γhdA,由于每一微小面积上作用的静水压力方向相同,因此,作用于整个EF平面上的静水总压力为

P=∫AγhdA=∫AγysinαdA=γsinα∫AydA

上式中∫AhdA代表平面EF对ox轴的静面矩,它等于平面面积A与其形心坐标yc的乘积,即∫AγhdA=ycA。如以pc代表形心C处的静水压强,则有

P=γsinαycA=γhcA=pcA

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