求简支梁的绝对最大弯矩

在设计承受移动荷载的结构时,须求出每一截 面内力的最大值 (最大正值和最大负值)。连接各截面内力最大值的曲线称为内力包络图。包络图是结构设计中重要的工具,在吊车梁、楼盖的连续和桥梁的设计中应用很多。

包络图表示各截面内力变化 的极值,在设计中是十分重要的。弯矩包络图中最高的竖距称为绝对最大弯矩,它代表在一定移动荷载作用下梁内可能出现的弯矩最大值。

需要特别注意,最大弯矩一般出现在 跨中附近,但不一定是跨中。

简支梁均布荷载作用的最大弯矩

当全梁布满匀布荷载,其绝对最大变矩也就是匀布静荷载作用下的跨中最大弯矩:,其值为 \[ M_{跨中} = \frac{1}{8}ql^2 \]

简支梁集中荷载组作用的最大弯矩

如果简支梁上作用的是一组移动的集中荷载,求梁的绝对最大弯矩较难。

有人认为,如果分别把梁的各截面的最大弯矩值求出,加以比较,取其中的最大值,不就可以确定绝对最大弯矩值了吗? 这种想法是可行的,可实际涉及到计算并不容易,甚至是无法进行的。

那么到底用什么方法可以计算其绝对最大弯矩呢?

原理

我们知道,荷载在任一位置时,梁的弯矩圆的顶点永远发生在集中荷载下面。因此,可以断定,绝对最大弯矩必定发生在某一集中荷载的作用点处。把这一集中荷载记为 \(P_k\)。那么在一组移动的集中荷 载中,哪一个会成为 \(P_k\) 呢?

事实上,一般情况下,在一组移动的集中荷载 中,使梁的跨中截面产生最大弯矩的荷载即是产生绝对最大弯矩的荷载 \(P_k\)

确定了 \(P_k\) 荷载后,我们即可遵照下面的方法 来计算绝对最大弯矩了。下图表明,梁上所有荷载(包括 \(P_k\) 在内) 的合力 R 与 \(P_k\) 恰好位于梁的跨中截面 C 两侧的对称位置时,\(P_k\) 所在截面的弯矩最大。

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此时简支梁的绝对最大弯矩为: \[ \begin{align} M_{max} = \frac{R}{4l}(l-a)^2-M_k \tag{2-1} \end{align} \]

  • l,跨长
  • R,梁上实有荷载的合力
  • a,梁上实有荷载的合力 R 与 \(P_k\) 荷载间的距离。当 \(P_k\) 荷载 在合力 R 之左时,a 取正值;当 \(P_k\) 在 R 之右时,a 取负值
  • \(M_k\)\(P_k\) 以左荷载对 \(P_k\) 点的力矩之和,是一常数

求解步骤

  1. 求出能使梁中点截面的弯矩发生最大值的临界荷载 \(P_k\)

  2. 计算梁上合力 R 及其与 \(P_k\) 的距离 a;

    求解合力时,只需将力摘出来,利用静力平衡方程求解。

  3. 移动荷载,使 R 与 \(P_k\) 对称分布与中点两侧。若无荷载移出或移入梁,则用式(2-1)计算绝对最大弯矩;若有荷载移出或移入,则从第 2 步重新计算。

参考

  1. 简支梁的绝对最大弯矩.pdf

  2. 第五节 简支梁的绝对最大弯矩 (5any.com)