一般情况下,梁横截面上的剪力和弯矩是随梁横截面位置的变化而连续变化的,把剪力和弯矩可表示为截面坐标x的函数
以上两式称为梁的剪力方程和弯矩方程。
2.剪力图和弯矩图
与绘制轴力图和转矩图一样,也可以绘制梁各横截面上的剪力FQ和弯矩M随梁横截面位置参数x变化的曲线,分别称为梁的剪力图和弯矩图。
例2-4-2 简支梁如图2-4-11所示,在C处作用一集中力F,列出此梁的剪力方程和弯矩方程,并画剪力图和弯矩图。
图2-4-11 例2-4-2图
解:(1)求支座反力。由平衡方程得
(2)列梁的剪力方程和弯矩方程。以梁的左端A点为坐标原点。由于集中力F作用在C点,梁在AC和CB段内的剪力和弯矩不能用同一方程来表示,应分段考虑。在AC段内取距梁左端A点为x1的任意截面,以x1截面左侧梁确定该截面上的剪力方程和弯矩方程分别为
同理,在CB段内取距梁左端A点为x2的任意截面,以x2截面左侧梁确定该截面上的剪力方程和弯矩方程分别为
(3)画剪力图。由剪力方程知,剪力图为分段的水平线,如图2-4-11(b)所示。
(4)画弯矩图。由弯矩方程知,弯矩图为分段的斜直线,如图2-4-11(c)所示。
AC段:当x1=0时,M1=0;当x1=a时,
CB段:当x2=a时,;当x2=l时,M2=0。
据以上数据可画出弯矩图[见图2-4-11(c)]。由图可见,在集中力作用处(C截面),其左、右两侧横截面上弯矩相同,Mmax=,而剪力图沿力的方向发生突变,突变幅值等于集中力F的大小。
例2-4-3 简支梁如图2-4-12所示,在C点作用一集中力偶MO,列出此梁的剪力方程和弯矩方程,画剪力图和弯矩图。
图2-4-12 例2-4-3图
解:(1)求支座反力。由平衡方程得
(2)列梁的剪力方程和弯矩方程。以梁的左端A点为坐标原点。由于集中力偶MO作用在C点,将梁分为AC和CB两段,分别在两段内取截面x1,x2,根据截面左侧梁上的外力列出剪力方程和弯矩方程。
AC段:
(3)画剪力图。整个梁上各截面剪力均为,故剪力图为水平线,如图2-4-12(b)所示。(www.xing528.com)
(4)画弯矩图。
AC段:当x1=0时,M1=0;当x1→a时,即在C点稍左的截面处,M1=-
CB段:当x2→a时,即在C点稍右的截面处,;当x2=l时,M2=0。
据以上数据可画出弯矩图[见图2-4-12(c)]。由图可见,在C截面处弯矩图发生突变,突变幅值为MO。
例2-4-4 简支梁如图2-4-13所示,作用均布载荷q,列出梁的剪力方程和弯矩方程,画剪力图和弯矩图。
图2-4-13 例2-4-4图
解:(1)求支座反力。由平衡方程得
(2)列剪力方程和弯矩方程为
(3)画剪力图。由剪力方程知,剪力图为斜直线。确定直线的两个端点:当x→0时,;当x→l时,,即可画出剪力图[见图2-4-13(b)]。
(4)画弯矩图。由弯矩方程知,弯矩图为抛物线,要绘出此曲线至少需要确定三个点:x=0,M=0;x=l/2,M=ql2/8;x=l,M=0。由此可画出弯矩图[见图2-4-13(c)]。
由图可见,在两支座内侧横截面上剪力的绝对值最大,其值为;在梁中点横截面上,剪力FQ=0,弯矩最大,其值为
3.弯矩、剪力和载荷集度间的微分关系
梁上的弯矩、剪力和载荷集度间存在着普遍的规律(证明从略):弯矩方程的一阶导数等于剪力方程,而剪力方程的一阶导数等于载荷集度,即
利用这些微分关系可以对梁的剪力图、弯矩图进行绘制和检查,由导数的性质可知:
(1)无分布载荷作用的梁段上,即q(x)=0,由式(b)知,FQ(x)=常数,即此段梁截面上的剪力为一常数,剪力图为水平线;再由式(a)知,M(x)为x的线性函数,即弯矩图为斜直线,且直线的斜率为FQ(x)=常数。
(2)有均布载荷作用的梁段上,若均布载荷方向向下,q(x)=-q,由式(b)知,FQ(x)为x的线性函数,剪力图为斜直线,且直线的斜率为负;再由式(a)可知M(x)为x的二次函数,即弯矩图为抛物线(凹向向下)。若均布载荷方向向上,q(x)=+q,FQ(x)为斜直线,且直线的斜率为正,M(x)为抛物线(凹向向上),且在剪力等于零的截面,弯矩有极值。
(3)在集中力作用处,剪力图沿力的方向发生突变,突变幅度等于集中力的大小,弯矩图有折点。
(4)在集中力偶作用处,剪力图没有变化,弯矩图发生突变,突变的幅度等于集中力偶的大小,集中力偶顺时针转向时,弯矩图向上突变,否则,弯矩图向下突变。
例2-4-5 如图2-4-14所示,外伸梁AD上作用有均布载荷q,集中力偶MO=3qa2/2,集中力F=qa/2,用简便方法画出该梁的剪力图和弯矩图。
图2-4-14 例2-4-5图
解:(1)求支座反力。由平衡方程得
集中力、集中力偶及均布载荷的始末端将梁分为AC、CB、BD三段。
(2)画剪力图。从梁的左端开始,A点处有集中力,剪力图沿力方向向上突变FA=3qa/4;AC段无载荷作用,剪力值保持为常量;C点处作用有集中力偶,剪力值不受影响;B点处有集中力,剪力图沿力实际方向向下突变FB=qa/4;BD段有均布载荷q作用,剪力图为斜直线,B点右侧临界截面(记作B+)的剪力FQB+=qa/2,D点左侧临近截面(记作D-)的剪力FQD-=-qa/2,此两点连线即BD段的剪力图;D点有集中力F=qa/2,剪力图沿力的方向向上发生突变qa/2回到坐标轴。由此得到图2-4-14(b)所示的剪力图。
(3)画弯矩图。从梁的左端开始,AC段无载荷作用,弯矩图为斜直线,确定A+、C-两截面的弯矩值分别为MA+=0、MC-=3qa2/4,此两点连线即AC段的弯矩图;C点处有逆时针旋转的力偶,弯矩图向下突变MO=3qa2/2,则MC+=3qa2/4-3qa2/2=-3qa2/4;CB段无载荷作用,弯矩图为斜直线,确定C+、B-两截面的弯矩值分别为MC+=-3qa2/4、MB-=0,此两点连线即CB段的弯矩图;B点处有集中力FB,弯矩图出现转折;BD段有均布载荷q作用,弯矩图为抛物线,其凹向与均布载荷同向向下,确定B+、E、D-各截面的弯矩值分别为MB+=0、ME=qa/2×a/2-qa/2×a/4=qa2/8、MD-=0,通过这三点的弯矩值画出抛物线,即得图2-4-14(c)所示的弯矩图。
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