上次课回顾:
1、度量梁变形的两个基本位移量:挠度和转角
2、挠曲线近似微分方程 ? ?
xMwEI ????
3、挠曲线近似微分方程的积分
1d))(()(' CxxMxE I w ??? ?
? ? 11dd))(()( DxCxxxMxE I w ???? ? ?
4、积分常数确定
?位移边界条件, ?连续条件, ?光滑条件。
? ?xMwEI ????
5、积分法求解梁位移的思路:
① 建立合适的坐标系;
② 求弯矩方程 M(x) ;
③ 建立近似微分方程:
⑤ 用约束条件或连续条件,确定积分常数;
⑥ 求指定截面的挠度和转角
wEI ? ;EIw④ 积分求 和
§ 5-3 按叠加原理计算梁的挠度和转角
由于,1) 小变形, 轴向位移可忽略;
简单载荷下梁的挠度和转角见附录 IV,必须记住!
因此, 梁的挠度和转角与载荷成线性关系, 可
用叠加原理求复杂载荷作用下梁的挠度和转角 。
2)线弹性范围工作。
例 5-5 利用叠加原理求图 a所示弯曲刚度为 EI的简
支梁的跨中挠度 wC和两端截面的转角 ?A,?B。
解:可将原荷载看成为图 b所示关于跨中 C截面的正
对称和反对称荷载的叠加 。
q
BA C
x
y
l/2
l
(a)
(b)
+
l
A C B
q/2
A
l/2
C
B
l/2
q/2
q/2
1) 对正对称荷载, 跨中截面 C的挠度和两端的转
角分别为:
? ?
EI
ql
EI
lqw
C 7 6 8
5
3 8 4
25 44
1 ??
? ?
EI
ql
EI
lq
BA 4824
2 33
11 ???? ??
02 ?Cw
2) 对反对称荷载, 跨中截面 C的挠度等于零, 并
可分别将 AC段和 CB段看成为 l/2简支梁, 即有:
? ?? ?
EI
ql
EI
lq
BA 3 8 424
22 33
22 ??? ??
EI
ql
EI
qlwww
CCC 7 6 8
50
687
5 44
21 ?????
EI
ql
EI
ql
EI
ql
AAA 128
3
38448
333
21 ????? ???
EI
ql
EI
ql
EI
ql
BBB 3 8 4
7
3 8 448
333
21 ??????? ???
将相应的位移进行叠加,即得:
(向下)
(顺时针)
(逆时针)
例 5-6 利用叠加原理求图示弯曲刚度为 EI的悬臂梁
自由端 B截面的挠度和转角 。
解:原荷载可看成为图 a和 b两种荷载的叠加, 对应
的变形和相关量如图所示 。
F
l l l
EI
F
A BC D
?B1
F
?C1 wC1w
C1 ?C1?2l直线
wB1(a)
?D1
?B 2
wD1
·F
?D1 BD直线wD1 wB2
(b)
?
EI
Flw
C 3
3
1 ?
EI
Fl
C 2
2
1 ??
EI
Fll
EI
Fl
EI
FlBCww
CCB 3
42
23
323
111 ??????? ?
EI
Fl
CB 2
2
11 ?? ??
对图 a,可得 C截面的挠度和转角为:
由位移关系可得此时 B截面的挠度和转角为:
(向下)
(顺时针)
?B1
F
?C1 wC1w
C1 ?C1?2l直线
wB1(a)
EI
Fll
EI
Fl
EI
FlBDww
DDB 3
14
2
4
3
8 323
222 ??????? ?
EI
Fl
DB
2
12
2?? ??
? ?
EI
lFw
D 3
2 3
2 ?
? ?
EI
lP
D 2
2 2
2 ??
对图 b,可得 D截面的挠度和转角为:
同理可得此时 B截面的挠度和转角为:
(向下)
(顺时针)
?D1
?B 2
wD1
·F
?D1 BD直线wD1 wB2
(b)
?
EI
Fl
EI
Fl
EI
Flwww
BBB
333
21
6
3
14
3
4 ?????
EI
Fl
EI
Fl
EI
Fl
BBB 2
52
2
222
21 ????? ???
将相应的位移进行叠加,即得:
(向下)
(顺时针)
例 5-7 由叠加原理求图示弯曲刚度为 EI的外伸梁 C截
面的挠度和转角以及 D截面的挠度 。
解:可将外伸梁看成是图 a和 b所示的简支梁和悬臂
梁的叠加 。
B C
(b)
F=qa
A EI
D B
qa qa2/2
(a)
A C
a a a
F=qa
BDEI
( 1)对图 a,其又可看成为图 c和 d所示荷载的组合。
+
A
F=qa
(c)
qa2/2(d)
图 c中 D截面的挠度和 B截面的转角为:
? ?
EI
aqaw
D 48
2 3
1 ?
? ?
EI
aqa
B 16
2 2
1 ???
图 d中 D截面的挠度和 B截面的转角为:
EI
qaw
D 16
2 4
2 ?? EI
qa
B 3
3
2 ??
EI
qa
EI
qa
EI
qawww
DDD 2486
444
21 ?????
? ?
EI
qa
EI
qa
EI
aqa
BBB 12316
2 332
21 ?????? ???
将相应的位移进行叠加,即得:
(向下)
(顺时针)
( 2)对图 b,C截面的挠度和转角分别为:
EI
qaw
Cq 8
4
?
EI
qa
Cq 6
3
??
EI
qaa
EI
qa
EI
qaw
C 24
5
12
1
8
434
????
EI
qa
EI
qa
EI
qa
C 4126
333
????
所以,aww BCqC ??? CqBC ??? ??
原外伸梁 C端的挠度和转角也可按叠加原理求得,即:
(向下)
(顺时针)
A C
a a a
F=qa
BDEI
?B
?Cq
?B× a
wCq
例 5-8 利用叠加原理求图示弯曲刚度为 EI的中间铰梁
铰接点 B处的挠度和 B点右截面的转角以及 D截面的挠
度,其中,F=2qa。
解:可在铰接点处将梁分成图 a和 b所示两部分, 并
可求得铰接点处的一对作用力与反作用力为:
qaFFF BB ???? 2
q
A
EI EI
F
B
Ca/2
D
a a
F/2wB
直线
Bw
DF
w /2
+
F/2
wB
q
B C
A F (a)
B C
q
(b)
F/2
B C
图 a和 b中分别给出了两部分的变形情况 。
(c)
并且图 b又可分解为图 c所示两种载荷的组合。
EI
qaw
BBF 3
4
? 8 E I
4qa
w Bq ?
EI
qa
BBF 2
3
???
EI
qa
Bq 6
3
???
( 1)对图 b,可得其 B截面的挠度和转角为:
EI
qa
EI
qa
EI
qwww
BqBFB B 24
11
83
a 444 ?????
EI
qa
EI
qa
EI
qa
BqBFB B 3
2
62
333
????
?
?
???
?
????? ??? 右
进行相应的叠加可得:
(向下)
(逆时针)
EI
qa
EI
qa
EI
qawww
BDFD 48
13
48
11
48
2
2
1 444 ?????
( 2) 图 a可看成为右支座有一定竖直位移 ( 位移量
为 wB) 的简支梁, 此时 D截面的挠度为:
(向下)
F/2wB
直线
Bw
DF
w /2
A F (a)
例 5-9 用叠加原理求图示弯曲刚度为 EI的悬臂梁 B截
面的挠度和转角 。
解:分布荷载可看成为无数微小集中荷载所组成,
求梁的位移也可利用叠加原理 。 任取一个微段 dx。
x dx
l
A B
q0
y
x
q(x)
可将该微段上的均布力看成为作用在 x处的一个
微小集中力,讨论此时自由端的位移,如图 a所示。
x
x
A B
q(x)dx
dwB
l
(a)
xEI xxqEI xxxqxw d3 )(3 d)()(d
33
???
由附录 IV可知该微力作用下 x处梁的位移为:
xl xqxxq d)d( 0?
对图 a所示任意截面 x处取微段 dx,则作用在微
段上的微集中荷载为:
xEI xxqEI xxxqx d2 )(2 d)()(d
22
????
xEI xxqxB d2 )()(dd
2
?? ??
在 x=0,l范围对 q(x)dx的作用进行叠加, 相当于
对上两式在前述范围内积分, 即:
x
EI
xlxxq
xlxxww B
d
6
)3()(
)()(d)(dd
2 ?
?
???? ?
其在 B处产生的挠度和转角分别为:
?? ??? ll BB EI lqxEI xxq0
3
0
2
0 8
d2 )(d ??
EI
lqx
EI
xlxxqww ll
BB 120
11d
6
)3()(d 40
0
2
0
???? ??
? ??? ?m a x
§ 5-4 梁的刚度校核 ?提高梁的刚度的措施
1,梁的刚度校核
保证梁的正常工作除要满足强度条件外,产生的
变形也不能太大,应满足刚度条件,即有:
??
?
??
??
l
w
l
w m a x
??
?
??
?
l
w 与 ? ?? 为许可值,可查设计手册。其中,
例 5-10 图示简支梁,F=40kN,l=4.5m,[σ ]=150MPa,
[w/l]=1/400,E=200GPa,选择工字钢型号。
F
l
解,1、由强度条件选择工字
钢型号:
333
6
m a x
m a x
m a x
m a x
3 0 0103 0 0
1 5 04
105.440
][
][
4
1
cmmm
M
W
W
M
FlM
z
z
???
?
??
??
??
?
?
??
应选 22a工字钢,Wz=309cm3,Iz=3400cm4
2、校核刚度
mm
l
wmm
EI
Fl
w
25.11
4 0 0
][2.11
103 4 0 0102 0 048
4 5 0 01040
48
43
333
m a x
????
????
??
??
选择 22a工字钢。
2) 减少梁的跨度或增加支承 。
2,提高刚度措施
除外加载荷外, 梁的位移 w,?还与梁的弯曲刚
度 EI成反比, 与跨长 l的 n次方成正比, 因此, 提高
刚度的措施有:
1)升高 EI。
各种钢材 E相差不大,主要提高 I,在截面面积
A不变时,尽可能使面积分布远离中性轴。
如工字形、箱形等截面。
如下图所示结构:
超静定梁,
B
A B
A C B
§ 5-5 弯曲应变能
EI
lMl e??
??
或
?lEIM ?e
图示纯弯曲梁,弹性范围内的变形有:
?
?
(b)
O ? ?
M e
M e
(a)
l
εVW ?
?e21 MW ?
则应变能为:
EI
lMMWV
22
1 2e
eε ??? ?
2
ε 2 ?l
EIV ?
可见,满足线性关系。
外力功:
功能转换定律:
或:
? ? x
EI
xMV d
2d
2
ε ?
全梁的弯曲应变能为:
? ??? ?? ll x
EI
xMVV
0
2
0 εε
d2d
? ?xM 需分段列出时,V?分段求,然后求和。
对横力弯曲:弯曲应变能 +剪切应变能
对弯曲应变能, 取 dx段 ( 见左
图 ), dx很小, dM(x)为一阶无
穷小量, 则 dx段上的应变能为
对细长梁,剪切应变能与弯曲应变能相比可忽略。
M(x)+dM(x)M(x)
F(x)S
?d?
dx
例 5-11 求图示弯曲刚度为 EI的悬臂梁内储存的应
变能, 并利用功能原理求 A端的挠度 wA。
解:梁的弯矩方程为:
? ? FxxM ?
梁内的应变能为:
? ?
EI
lFx
EI
xFx
EI
xMV ll
6d2d2
32
0
22
0
2
ε ??? ??
外载 F所作的功为:
AFwW 2
1?
由功能定理有:
εVW ?
x
wA
B
F
A
l
即:
EI
lFFw
A 62
1 32?
最后可得 A端的挠度为:
EI
Flw
A 3
3
?
q ( x )= q
0
x
2
/ l
2
q
0
A B
l
练习题,图示悬臂梁,抗弯刚度 EI为常数,求 θ B和 wB。
x
y
2
5
0
2
4
0
23
2
4
0
2
62
)(
2
)(
3
)(
22
)(
E I l
dxxq
E I l
dxlxq
xl
EI
xdxxq
EI
xdxxq
dw
E I l
dxxq
EI
xdxxq
d
B
B
???
?
?
?
?
?
?
??
EI
lq
dx
E I l
xq
E I l
lxq
dfw
EI
lq
E I l
dxxq
d
l
B
l
B
l
B
l
B
180
13
)
62
(
102
4
0
2
5
0
0
2
4
0
0
3
0
2
4
0
00
????
???
??
?? ??
作业,5-13,5-15,5-18(a)
1、度量梁变形的两个基本位移量:挠度和转角
2、挠曲线近似微分方程 ? ?
xMwEI ????
3、挠曲线近似微分方程的积分
1d))(()(' CxxMxE I w ??? ?
? ? 11dd))(()( DxCxxxMxE I w ???? ? ?
4、积分常数确定
?位移边界条件, ?连续条件, ?光滑条件。
? ?xMwEI ????
5、积分法求解梁位移的思路:
① 建立合适的坐标系;
② 求弯矩方程 M(x) ;
③ 建立近似微分方程:
⑤ 用约束条件或连续条件,确定积分常数;
⑥ 求指定截面的挠度和转角
wEI ? ;EIw④ 积分求 和
§ 5-3 按叠加原理计算梁的挠度和转角
由于,1) 小变形, 轴向位移可忽略;
简单载荷下梁的挠度和转角见附录 IV,必须记住!
因此, 梁的挠度和转角与载荷成线性关系, 可
用叠加原理求复杂载荷作用下梁的挠度和转角 。
2)线弹性范围工作。
例 5-5 利用叠加原理求图 a所示弯曲刚度为 EI的简
支梁的跨中挠度 wC和两端截面的转角 ?A,?B。
解:可将原荷载看成为图 b所示关于跨中 C截面的正
对称和反对称荷载的叠加 。
q
BA C
x
y
l/2
l
(a)
(b)
+
l
A C B
q/2
A
l/2
C
B
l/2
q/2
q/2
1) 对正对称荷载, 跨中截面 C的挠度和两端的转
角分别为:
? ?
EI
ql
EI
lqw
C 7 6 8
5
3 8 4
25 44
1 ??
? ?
EI
ql
EI
lq
BA 4824
2 33
11 ???? ??
02 ?Cw
2) 对反对称荷载, 跨中截面 C的挠度等于零, 并
可分别将 AC段和 CB段看成为 l/2简支梁, 即有:
? ?? ?
EI
ql
EI
lq
BA 3 8 424
22 33
22 ??? ??
EI
ql
EI
qlwww
CCC 7 6 8
50
687
5 44
21 ?????
EI
ql
EI
ql
EI
ql
AAA 128
3
38448
333
21 ????? ???
EI
ql
EI
ql
EI
ql
BBB 3 8 4
7
3 8 448
333
21 ??????? ???
将相应的位移进行叠加,即得:
(向下)
(顺时针)
(逆时针)
例 5-6 利用叠加原理求图示弯曲刚度为 EI的悬臂梁
自由端 B截面的挠度和转角 。
解:原荷载可看成为图 a和 b两种荷载的叠加, 对应
的变形和相关量如图所示 。
F
l l l
EI
F
A BC D
?B1
F
?C1 wC1w
C1 ?C1?2l直线
wB1(a)
?D1
?B 2
wD1
·F
?D1 BD直线wD1 wB2
(b)
?
EI
Flw
C 3
3
1 ?
EI
Fl
C 2
2
1 ??
EI
Fll
EI
Fl
EI
FlBCww
CCB 3
42
23
323
111 ??????? ?
EI
Fl
CB 2
2
11 ?? ??
对图 a,可得 C截面的挠度和转角为:
由位移关系可得此时 B截面的挠度和转角为:
(向下)
(顺时针)
?B1
F
?C1 wC1w
C1 ?C1?2l直线
wB1(a)
EI
Fll
EI
Fl
EI
FlBDww
DDB 3
14
2
4
3
8 323
222 ??????? ?
EI
Fl
DB
2
12
2?? ??
? ?
EI
lFw
D 3
2 3
2 ?
? ?
EI
lP
D 2
2 2
2 ??
对图 b,可得 D截面的挠度和转角为:
同理可得此时 B截面的挠度和转角为:
(向下)
(顺时针)
?D1
?B 2
wD1
·F
?D1 BD直线wD1 wB2
(b)
?
EI
Fl
EI
Fl
EI
Flwww
BBB
333
21
6
3
14
3
4 ?????
EI
Fl
EI
Fl
EI
Fl
BBB 2
52
2
222
21 ????? ???
将相应的位移进行叠加,即得:
(向下)
(顺时针)
例 5-7 由叠加原理求图示弯曲刚度为 EI的外伸梁 C截
面的挠度和转角以及 D截面的挠度 。
解:可将外伸梁看成是图 a和 b所示的简支梁和悬臂
梁的叠加 。
B C
(b)
F=qa
A EI
D B
qa qa2/2
(a)
A C
a a a
F=qa
BDEI
( 1)对图 a,其又可看成为图 c和 d所示荷载的组合。
+
A
F=qa
(c)
qa2/2(d)
图 c中 D截面的挠度和 B截面的转角为:
? ?
EI
aqaw
D 48
2 3
1 ?
? ?
EI
aqa
B 16
2 2
1 ???
图 d中 D截面的挠度和 B截面的转角为:
EI
qaw
D 16
2 4
2 ?? EI
qa
B 3
3
2 ??
EI
qa
EI
qa
EI
qawww
DDD 2486
444
21 ?????
? ?
EI
qa
EI
qa
EI
aqa
BBB 12316
2 332
21 ?????? ???
将相应的位移进行叠加,即得:
(向下)
(顺时针)
( 2)对图 b,C截面的挠度和转角分别为:
EI
qaw
Cq 8
4
?
EI
qa
Cq 6
3
??
EI
qaa
EI
qa
EI
qaw
C 24
5
12
1
8
434
????
EI
qa
EI
qa
EI
qa
C 4126
333
????
所以,aww BCqC ??? CqBC ??? ??
原外伸梁 C端的挠度和转角也可按叠加原理求得,即:
(向下)
(顺时针)
A C
a a a
F=qa
BDEI
?B
?Cq
?B× a
wCq
例 5-8 利用叠加原理求图示弯曲刚度为 EI的中间铰梁
铰接点 B处的挠度和 B点右截面的转角以及 D截面的挠
度,其中,F=2qa。
解:可在铰接点处将梁分成图 a和 b所示两部分, 并
可求得铰接点处的一对作用力与反作用力为:
qaFFF BB ???? 2
q
A
EI EI
F
B
Ca/2
D
a a
F/2wB
直线
Bw
DF
w /2
+
F/2
wB
q
B C
A F (a)
B C
q
(b)
F/2
B C
图 a和 b中分别给出了两部分的变形情况 。
(c)
并且图 b又可分解为图 c所示两种载荷的组合。
EI
qaw
BBF 3
4
? 8 E I
4qa
w Bq ?
EI
qa
BBF 2
3
???
EI
qa
Bq 6
3
???
( 1)对图 b,可得其 B截面的挠度和转角为:
EI
qa
EI
qa
EI
qwww
BqBFB B 24
11
83
a 444 ?????
EI
qa
EI
qa
EI
qa
BqBFB B 3
2
62
333
????
?
?
???
?
????? ??? 右
进行相应的叠加可得:
(向下)
(逆时针)
EI
qa
EI
qa
EI
qawww
BDFD 48
13
48
11
48
2
2
1 444 ?????
( 2) 图 a可看成为右支座有一定竖直位移 ( 位移量
为 wB) 的简支梁, 此时 D截面的挠度为:
(向下)
F/2wB
直线
Bw
DF
w /2
A F (a)
例 5-9 用叠加原理求图示弯曲刚度为 EI的悬臂梁 B截
面的挠度和转角 。
解:分布荷载可看成为无数微小集中荷载所组成,
求梁的位移也可利用叠加原理 。 任取一个微段 dx。
x dx
l
A B
q0
y
x
q(x)
可将该微段上的均布力看成为作用在 x处的一个
微小集中力,讨论此时自由端的位移,如图 a所示。
x
x
A B
q(x)dx
dwB
l
(a)
xEI xxqEI xxxqxw d3 )(3 d)()(d
33
???
由附录 IV可知该微力作用下 x处梁的位移为:
xl xqxxq d)d( 0?
对图 a所示任意截面 x处取微段 dx,则作用在微
段上的微集中荷载为:
xEI xxqEI xxxqx d2 )(2 d)()(d
22
????
xEI xxqxB d2 )()(dd
2
?? ??
在 x=0,l范围对 q(x)dx的作用进行叠加, 相当于
对上两式在前述范围内积分, 即:
x
EI
xlxxq
xlxxww B
d
6
)3()(
)()(d)(dd
2 ?
?
???? ?
其在 B处产生的挠度和转角分别为:
?? ??? ll BB EI lqxEI xxq0
3
0
2
0 8
d2 )(d ??
EI
lqx
EI
xlxxqww ll
BB 120
11d
6
)3()(d 40
0
2
0
???? ??
? ??? ?m a x
§ 5-4 梁的刚度校核 ?提高梁的刚度的措施
1,梁的刚度校核
保证梁的正常工作除要满足强度条件外,产生的
变形也不能太大,应满足刚度条件,即有:
??
?
??
??
l
w
l
w m a x
??
?
??
?
l
w 与 ? ?? 为许可值,可查设计手册。其中,
例 5-10 图示简支梁,F=40kN,l=4.5m,[σ ]=150MPa,
[w/l]=1/400,E=200GPa,选择工字钢型号。
F
l
解,1、由强度条件选择工字
钢型号:
333
6
m a x
m a x
m a x
m a x
3 0 0103 0 0
1 5 04
105.440
][
][
4
1
cmmm
M
W
W
M
FlM
z
z
???
?
??
??
??
?
?
??
应选 22a工字钢,Wz=309cm3,Iz=3400cm4
2、校核刚度
mm
l
wmm
EI
Fl
w
25.11
4 0 0
][2.11
103 4 0 0102 0 048
4 5 0 01040
48
43
333
m a x
????
????
??
??
选择 22a工字钢。
2) 减少梁的跨度或增加支承 。
2,提高刚度措施
除外加载荷外, 梁的位移 w,?还与梁的弯曲刚
度 EI成反比, 与跨长 l的 n次方成正比, 因此, 提高
刚度的措施有:
1)升高 EI。
各种钢材 E相差不大,主要提高 I,在截面面积
A不变时,尽可能使面积分布远离中性轴。
如工字形、箱形等截面。
如下图所示结构:
超静定梁,
B
A B
A C B
§ 5-5 弯曲应变能
EI
lMl e??
??
或
?lEIM ?e
图示纯弯曲梁,弹性范围内的变形有:
?
?
(b)
O ? ?
M e
M e
(a)
l
εVW ?
?e21 MW ?
则应变能为:
EI
lMMWV
22
1 2e
eε ??? ?
2
ε 2 ?l
EIV ?
可见,满足线性关系。
外力功:
功能转换定律:
或:
? ? x
EI
xMV d
2d
2
ε ?
全梁的弯曲应变能为:
? ??? ?? ll x
EI
xMVV
0
2
0 εε
d2d
? ?xM 需分段列出时,V?分段求,然后求和。
对横力弯曲:弯曲应变能 +剪切应变能
对弯曲应变能, 取 dx段 ( 见左
图 ), dx很小, dM(x)为一阶无
穷小量, 则 dx段上的应变能为
对细长梁,剪切应变能与弯曲应变能相比可忽略。
M(x)+dM(x)M(x)
F(x)S
?d?
dx
例 5-11 求图示弯曲刚度为 EI的悬臂梁内储存的应
变能, 并利用功能原理求 A端的挠度 wA。
解:梁的弯矩方程为:
? ? FxxM ?
梁内的应变能为:
? ?
EI
lFx
EI
xFx
EI
xMV ll
6d2d2
32
0
22
0
2
ε ??? ??
外载 F所作的功为:
AFwW 2
1?
由功能定理有:
εVW ?
x
wA
B
F
A
l
即:
EI
lFFw
A 62
1 32?
最后可得 A端的挠度为:
EI
Flw
A 3
3
?
q ( x )= q
0
x
2
/ l
2
q
0
A B
l
练习题,图示悬臂梁,抗弯刚度 EI为常数,求 θ B和 wB。
x
y
2
5
0
2
4
0
23
2
4
0
2
62
)(
2
)(
3
)(
22
)(
E I l
dxxq
E I l
dxlxq
xl
EI
xdxxq
EI
xdxxq
dw
E I l
dxxq
EI
xdxxq
d
B
B
???
?
?
?
?
?
?
??
EI
lq
dx
E I l
xq
E I l
lxq
dfw
EI
lq
E I l
dxxq
d
l
B
l
B
l
B
l
B
180
13
)
62
(
102
4
0
2
5
0
0
2
4
0
0
3
0
2
4
0
00
????
???
??
?? ??
作业,5-13,5-15,5-18(a)