СтройМех. чI. Статически определимые системы

63

5. ТРЕХШАРНИРНЫЕ АРКИ

Статически определимая трехшарнирная арка образуется двумя криволи-

нейными стержнями, соединенными между собой ключевым шарниром «С» и с основанием – пятовыми шарнирами «А» и «Б» (рис.5.1). Будем рассматривать только простые арки, в которых пятовые шарниры лежат на одном уровне, за-

груженные вертикальной нагрузкой. Расстояние между опорами называется пролетом арки – , а высота от уровня опор до ключевого шарнира – стрелой подъема f. Геометрические характеристики арок вычисляются по следующим формулам.

Для параболических арок:

5.1.Расчет на неподвижную нагрузку

5.1.1.Определение опорных реакций

Рассмотрим трехшарнирную арку с пятовыми шарнирами, расположен-

ными на одном уровне, при действии вертикальной нагрузки (рис. 5.1).

65

Разложим каждую опорную реакцию на две составляющие: одну по на-

правлению линии, соединяющей пятовые шарниры, другую по вертикали. Для определения четырех неизвестных VA , VB , HA и HB составим три уравнения рав-

новесия для всей арки: ΣХ=0; ΣМА=0; ΣМВ=0; и условие шарнирного соединения полуарок ключевым шарниром М Слев 0 или М Справ 0 .

Вертикальные составляющие опорных реакций представляют собой опор-

ные реакции в простой балке при пролете, равном расстоянию между пятовыми шарнирами:

Проектируя все силы на ось Х, убеждаемся, что горизонтальные составляющие реакций равны между собой по абсолютной величине и противоположны по на-

правлению:

момент в сечении С простой балки под ключевым шарниром арки. Получим вы-

ражение для определения распора:

f

5.1.2 .Определение изгибающих моментов

Выразим изгибающий момент в произвольном сечении «х» (рис.5.1):

М х VA x Pi лев (x ai ) H y

66

Таким образом:

5.1.3. Определение поперечных сил

Для вычисления поперечной силы в произвольном сечении «х» будем проек-

тировать все силы, расположенные слева от этого сечения на нормальную ось n.

QX VA cos Pi лев cos H sin (VA Pi лев ) cos H sin

где VA Pi лев QX0 - поперечная сила в сечении балки, расположенном под со-

Для вычисления продольной силы в произвольном сечении х будем проек-

тировать все силы, расположенные слева от этого сечения на касательную ось τ.

Пример 5.1. Для трехшарнирной параболической арки (рис.5.2) вычислить

аналитически внутренние усилия в сечениях и построить эпюры изгибающих

моментов Mх , поперечных Qх и продольных Nх сил. При определении усилий направление осей проекций принято в соответствии с декартовой системой ко-

ординат.

Решение:

1) Определяем координаты намеченных сечений и углы наклона касатель-

ной к оси арки в этих сечениях, используя зависимости (5.1), (5.2)

Полученные значения заносим в таблицу 5.1.

2) Определяем составляющие опорные реакции арки (5.5); (5.6):

MА = 0; (1,4 52)/2 + 3 10 + 1,6 5 17,5 - VB 20 = 0; VB = 9,375 кН,MВ = 0; VА 20 – 1,4 5 17,5 - 3 10 – (1,6 52)/2 = 0; VА = 8,625 кН,MСлев.с. = 0; 8,625 10 - НА 5 – 1,4 5 7,5 = 0; НА = 6,75 кН.

3) Производим проверку найденных составляющих опорных реакций:

67

X = 0; 6,75 – 6,75 = 0, Y = 0; 8,625 – 1,4 5 – 3 – 1,6 5 + 9,375 = 0,MСлев.с. = 0; 8,625 10 – 6,75 5 – 1,4 5 7,5 = 0.

4)Строим балочные эпюры изгибающих моментов и поперечных сил (MХ 0 , QХ 0.) от заданной нагрузки (рис.5.3).

5)Определяем внутренние усилия Mх , Qх и Nх по формулам (5.7)-(5.9) в

сечениях арки. Все вычисления сводим в таблицу 5.1.

6)Строим эпюры изгибающих моментов, поперечных и продольных сил в арке от заданной нагрузки (рис 5.4).

7)Выполняем статическую проверку. Рассматриваем равновесие левой от-

сеченной части трехшарнирной арки относительно сечения 5 и составляем уравнение равновесия:

X = 0; 6,75 – 6,881 0,97 – 0,3 0,242 = 0,

Y = 0; 8,625 – 1,4 5 – 3 + 6,881 0,242 - 0,3 0,97 = 0,M5лев.с. = 0; - 8,625 12,5 + 6,75 4,687 + 1,4 5 10 + 3 2,5 = 0.

Аналогично рассчитываем равновесие правой отсеченной части арки отно-

сительно сечения 6 и составляем уравнения равновесия:

X = 0; - 6,75 + 6,566 0,895 + 1,791 0,447 = 0,

Y = 0; 9,374 – 1,6 5 + 1,791 0,895 - 6,566 0,447 = 0,M6пр.с. = 0; - 1,575 – 1,6 5 2,5 – 6,75 3 3,75 + 9,374 5 = 0.

Пример 5.2. Вычислить значения внутренних усилий в сечениях 1 и 2

трехшарнирной арки (рис.5.5).

Результаты решения:

1) M1 = 1,15 кНм; Q1 = 2,1/ - 2,07 кН; N1 = - 9,05/6,28 кН; M2 = 2,65 кНм; Q2 = - 0,01 кН; N2 = - 7,56 кН.

2) M1 = 0; Q1 = 0,79 кН; N1 = - 25,53 кН;

M2 = 3,75 кНм; Q2 = - 1,19 кН; N2 = - 25,83 кН. 3) M1 = 1,67 кНм; Q1 = 1,16 кН; N1 = - 12,01 кН; M2 = - 11,37 кНм; Q2 = - 2,04 кН; N2 = - 12,31 кН. 4) M1 = - 54,5 кНм; Q1 = 5,99 кН; N1 = - 40 кН; M2 = - 0,96 кНм; Q2 = - 13,03 кН; N2 = - 44 кН.