单元8+++梁的弯曲

单元8梁的弯曲知识点：梁弯曲变形的概念；梁平面弯曲时横截面上的内力——弯矩和剪力、内力正负号规定；截面法求指定截面上的内力；用剪力方程、弯矩方程作简单梁的剪力图和弯矩图；荷载集度、剪力和弯矩之间的微分关系及其在绘制内力图上的应用；叠加法绘制弯矩图；区段叠加法绘制弯矩图。梁纯弯曲时的正应力分布规律及正应力计算公式；梁的正应力强度条件及强度计算；矩形截面与工字形截面梁剪应力的计算公式、常用截面梁的最大剪应力公式；梁的剪切强度条件；梁的合理截面形状、提高梁抗弯强度的措施。梁变形的概念；挠曲线近似微分方程；抗弯刚度；叠加法求梁的变形；梁的刚度条件；提高梁刚度的措施。一点处的应力状态、单元体、平面应力状态、主应力、主平面，最大切应力；梁的主应力迹线；强度理论简介。教学目标：理解梁平面弯曲的概念及其受力特点、变形特点；掌握用截面法计算梁的剪力和弯矩；掌握画梁的内力图的基本方法及其规律；理解荷载集度、剪力和弯矩之间的微分关系；理解叠加原理；掌握用叠加法画弯矩图。掌握正应力分布规律及横截面上任一点的正应力计算公式；理解正应力强度条件，熟练对梁进行正应力强度计算；了解剪应力的分布规律及剪应力强度条件；掌握梁的变形及刚度条件。掌握用叠加法求梁的变形、理解梁的挠度与转角的概念；了解梁的挠曲线近似微分方程、了解刚度条件及刚度计算；了解提高梁抗弯刚度的措施。理解应力状态、单元体的概念；掌握平面应力状态分析的解析法；掌握主应力、主平面、最大剪应力的概念及其计算；了解梁的主应力迹线；了解强度理论。课题1平面弯曲1.1平面弯曲当杆件受到垂直于杆轴的外力作用或在纵向平面内受到力偶作用(下图)时，杆轴由直线弯成曲线，这种变形称为弯曲。以弯曲变形为主的杆件称为梁。弯曲变形是工程中最常见的一种基本变形。例如房屋建筑中的楼面梁和阳台挑梁，受到楼面荷载和梁自重的作用，将发生弯曲变形，如下图所示。工程中常见的梁，其横截面往往有一根对称轴，这根对称轴与梁轴线所组成的平面，称为纵向对称平面（见下图）。如果作用在梁上的外力(包括荷载和支座反力)和外力偶都位于纵向对称平面内，梁变形后，轴线将在此纵向对称平面内弯曲。这种梁的弯曲平面与外力作用平面相重合的弯曲，称为平面弯曲。平面弯曲是一种最简单，也是最常见的弯曲变形，本章将主要讨论等截面直梁的平面弯曲问题。1.2单跨静定梁的几种形式工程中对于单跨静定梁按其支座情况分为下列三种形式：(1)悬臂梁梁的一端为固定端，另一端为自由端（见下图a）。(2)简支梁梁的一端为固定铰支座，另一端为可动铰支座（见下图b）。(3)外伸梁梁的一端或两端伸出支座的简支梁（见下图c）。课题2梁的弯曲内力——剪力和弯矩为了计算梁的强度和刚度问题，在求得梁的支座反力后，就必须计算梁的内力。下面将着重讨论梁的内力的计算方法。2.1截面法求内力2.1.1剪力和弯矩下图（a）所示为一简支梁，荷载F和支座反力RA、RB是作用在梁的纵向对称平面内的平衡力系。现用截面法分析任一截面m—m上的内力。假想将梁沿优m一m截面分为两段，现取左段为研究对象，从图9—6可见，因有支座反力RA作用，为使左段满足Σy=O，截面m—m上必然有与RA等值、平行且反向的内力Q存在，这个内力Q，称为剪力；同时，因RA对截面m—m的形心。点有一个力矩RA·a的作用，为满足三眠截面m—m上也必然有一个与力矩RA·a大小相等且转向相反的内力偶矩M存在，这个内力偶矩M称为弯矩。由此可见，梁发生弯曲时，横截面上同时存在着两个内力素，即剪力和弯矩。（a）剪力的常用单位为N或kN，弯矩的常用单位为N·m或kN·m。剪力和弯矩的大小，可由左段梁的静力平衡方程求得，即：如果取右段梁作为研究对象，同样可求得截面m—m上的Q和M，根据作用与反作用力的关系，它们与从右段梁求出m—m截面上的Q和M大小相等，方向相反,(c)图所示。2.1.2剪力和弯矩的正、负号规定为了使从左、右两段梁求得同一截面上的剪力Q和弯矩M具有相同的正负号，并考虑到土建工程上的习惯要求，对剪力和弯矩的正负号特作如下规定：(1)剪力的正负号使梁段有顺时针转动趋势的剪力为正，反之为负(下图a、b)。(2)使梁段产生下侧受拉的弯矩为正,反之为负(下图a、b)2.1.3用截面法计算指定截面上的剪力和弯矩用截面法求指定截面上的剪力和弯矩的步骤如下：(1)计算支座反力；(2)用假想的截面在需求内力处将梁截成两段，取其中任一段为研究对象；(3)画出研究对象的受力图(截面上的Q和M都先假设为正的方向)；(4)建立平衡方程，解出内力。【例1】简支梁如图所示。已知F1=30kN，F2=30kN，试求截面1—1上的剪力和弯矩。【解】(1)求支座反力，考虑梁的整体平衡如取1-1截面右段梁为研究对象如上图b,可得出同样的结果课题3用内力方程法绘制剪力图和弯矩图为了计算梁的强度和刚度问题，除了要计算指定截面的剪力和弯矩外，还必须知道剪力和弯矩沿梁轴线的变化规律，从而找到梁内剪力和弯矩的最大值以及它们所在的截面位置。3.1剪力方程和弯矩方程从上节的讨论可以看出，梁内各截面上的剪力和弯矩一般随截面的位置而变化。若横截面的位置用沿梁轴线的坐标x来表示，则各横截面上的剪力和弯矩都可以表示为坐标x的函数，即：Q=Q(x)，M=M(x)以上两个函数式表示梁内剪力和弯矩沿梁轴线的变化规律，分别称为剪力方程和弯矩方程。3.2剪力图和弯矩图为了形象地表示剪力和弯矩沿梁轴线的变化规律，可以根据剪力方程和弯矩方程分别绘制剪力图和弯矩图。以沿梁轴线的横坐标x表示梁横截面的位置，以纵坐标表示相应横截面上的剪力或弯矩，在土建工程中，习惯上把正剪力画在x轴上方，负剪力画在x轴下方；而把弯矩图画在梁受拉的一侧，即正弯矩画在x轴下方，负弯矩画在x轴上方，如图9—12所示。【例2】简支梁受均布荷载作用如下图所示，试画出梁的剪力图和弯矩图。【解】(1)求支座反力因对称关系，可得根据这两个截面的剪力值，画出剪力图。由式(2)知，M(x)是x的二次函数，说明弯矩图是一条二次抛物线，应至少计算三个截面的弯矩值，才可描绘出曲线的大致形状。根据以上计算结果，画出弯矩图。从剪力图和弯矩图中可得结论：在均布荷载作用的梁段，剪力图为斜直线，弯矩图为二次抛物线。在剪力等于零的截面上弯矩有极值。【例3】简支梁受集中力作用如图所示，试画出梁的剪力图和弯矩图。【解】(1)求支座反力由梁的整体平衡条件计算无误。(2)列剪力方程和弯矩方程梁在C处有集中力作用，故AC段和CB段的剪力方程和弯矩方程不相同，要分段列出。AC段：在距A端为X1的任意截面处将梁假想截开，并考虑左段梁平衡，则剪力方程和弯矩方程为：(1)(1)(2)画剪力图和弯矩图根据剪力方程和弯矩方程画剪力图和弯矩图。Q图：AC段剪力方程Q(x1)为常数，其剪力值为Fb/L，剪力图是一条平行于x轴的直线，且在x轴上方。CB段剪力方程Q(x2)也为常数，其剪力值为一Fb/L，剪力图也是一条平行于x轴的直线，但在x轴下方。画出全梁的剪力图。M图：AC段弯矩M(x1)是x1的一次函数，弯矩图是一条斜直线，只要计算两个截面的弯矩值，就可以画出弯矩图。由上面两个弯矩值，画出CB段弯矩图。整梁的弯矩图如上图所示。从剪力图和弯矩图中可得结论：在无荷载梁段剪力图为平行线，弯矩图为斜直线。在集中力作用处，左右截面上的剪力图发生突变，其突变值等于该集中力的大小，突变方向与该集中力的方向一致；而弯矩图出现转折，即出现尖点，尖点方向与该集中力方向一致。【例4】如图9—15所示简支梁受集中力偶作用，试画出梁的剪力图和弯矩图。【解】(1)求支座反力由整梁平衡得：(2)列剪力方程和弯矩方程梁在C截面有集中力偶m作用，应分两段列出剪力方程和弯矩方程。AC段:在A端为x1的截面处假想将梁截开，考虑左段梁平衡，则剪力方程和弯矩方程为：(3)画剪力图和弯矩图Q图：由式(1)、式(3)可知，梁在AC段和CB段剪力都是常数，故剪力是一条在x轴上方且平行于x轴的直线。画出剪力图如上图所示。M图：由式(2)、式(4)可知，梁在AC段和CB段内弯矩都是x的一次函数，故弯矩图是两段斜直线。AC段：画出弯矩图如上图所示。由内力图可得结论：梁在集中力偶作用处，左右截面上的剪力无变化，而弯矩出现突变，其突变值等于该集中力偶矩。课题4用叠加法画弯矩图4.1叠加原理由于在小变形条件下，梁的内力、支座反力，应力和变形等参数均与荷载呈线性关系，每一荷载单独作用时引起的某一参数不受其他荷载的影响。所以，梁在几个荷载共同作用时所引起的某一参数(内力、支座反力、应力和变形等)，等于梁在各个荷载单独作用时所引起同一参数的代数和，这种关系称为叠加原理，见下图所示。4.2叠加法画弯矩图根据叠加原理来绘制梁的内力图的方法称为叠加法。由于剪力图一般比较简单，因此不用叠加法绘制。下面只讨论用叠加法作梁的弯矩图。其方法为：先分别作出梁在每一个荷载单独作用下的弯矩图，然后将各弯矩图中同一截面上的弯矩代数相加，即可得到梁在所有荷载共同作用下的弯矩图。为了便于应用叠加法绘内力图，在下表中给出了梁在简单荷载作用下的剪力图和弯矩图，可供查用。单跨梁在简单荷载作用下的弯矩图【例8-9】试用叠加法画出下图所示简支梁的弯矩图。【解】(1)先将梁上荷载分为集中力偶m和均布荷载q两组。(2)分别画出m和q单独作用时的弯矩图(图b、c)，然后将这两个弯矩图相叠加。【例题】试作出下图外伸梁的弯矩图。【解】(1)分段将梁分为AB、BD两个区段。．（2）计算控制截面弯矩。(3)作M图，如下图所示。由上例可以看出，用区段叠加法作外伸梁的弯矩图时，不需要求支座反力，就可以画出其弯矩图。所以，用区段叠加法作弯矩图是非常方便的。【例题】绘制下图所示梁的弯矩图。【解】此题若用一般方法作弯矩图较为麻烦。现采用区段叠加法来作，可方便得多。(1)计算支座反力。(3)把整个梁分为CA、AD、DE、EB、BF五段，然后用区段叠加法绘制各段的弯矩图。方法是：先用一定比例绘出CF梁各控制截面的弯矩纵标，然后看各段是否有荷载作用，如果某段范围内无荷载作用(例如CA、DE、EB三段)，则可把该段端部的弯矩纵标连以直线，即为该段弯矩图。如该段内有荷载作用(例如AD、BF二段)，则把该段端部的弯矩纵标连一虚线，以虚线为基线叠加该段按简支梁求得的弯矩图。整个梁的弯矩图如上图所示。其中AD段中点的弯矩为：课题5梁弯曲时的应力及强度计算由于梁横截面上有剪力Q和弯矩M两种内力存在，所以它们在梁的横截面会引起相应的剪应力和正应力，5.1梁横截面上正应力1、正应力分布规律（1）平面假设各横向线代表横截面，变形前后都是直线，表明截面变形后仍保持平面，且仍垂直于弯曲后的梁轴线。（2）单向受力假设将梁看成由无数纤维组成，各纤维只受到轴向拉伸或压缩，不存在相互挤压。从上部各层纤维缩短到下部各层纤维伸长的连续变化中，必有一层纤维既不缩短也不伸长，这层纤维称为中性层。中性层与横截面的交线称中性轴，中性轴通过横截面形心，且与竖向对称轴垂直，并将横截面分为受压和受拉两个区域。由此可知，梁弯曲变形时，各截面绕中性轴转动，使梁内纵向纤维伸长和缩短，中性层上各纵向纤维的长度不变。通过进一步的分析可知，各层纵向纤维的线应变沿截面高度应为线性变化规律，从而由虎克定律可推出，梁弯曲时横截面上的正应力沿截面高度呈线性分布规律变化。2、正应力计算公式如下图所示，根据理论推导(推导从略)，梁弯曲时横截面土任一点正应力的计算公式为：式中M——横截面上的弯矩；．y——所计算应力点到中性轴的距离；Iz——截面对中性轴的惯性矩。由式(9-4)说明，梁弯曲时横截面上任一点的正应力口与弯矩M和该点到中性轴距离y成正比，与截面对中性轴的惯性矩Iz成反比，正应力沿截面高度呈线性分布；中性轴上(y=o)各点处的正应力为零；在上、下边缘处(y=ymax；)正应力的绝对值最大。用上式计算正应力时，M和y均用绝对值代入。当截面上有正弯矩时，中性轴以下部分为拉应力，以上部分为压应力；当截面有负弯矩时，则相反。5.2梁横截面上的剪应力1．剪应力分布规律假设对于高度h大于宽度b的矩形截