第八章 弯曲变形
8.1 基本概念与基本假设
挠曲线
梁在弯曲变形后,其轴线变成一条光滑连续的曲线,称为挠曲线(或弹性曲线)。用 表示梁轴线上各点的竖向位移(挠度),以向下为正(或向上,视约定而定),则挠曲线方程即为 。
转角
梁横截面绕中性轴转动的角度称为转角,用 表示。在小变形条件下,转角等于挠曲线在该点的切线与梁轴线的夹角,即
转角通常以顺时针为正(或逆时针,需统一约定)。
弯曲变形的基本假设
- 小变形假设:梁的变形远小于其尺寸,挠曲线近似为水平线,因此可近似用 且忽略轴向位移。
- 线弹性假设:材料服从胡克定律,应力与应变成正比,弹性模量 为常数。
- 平面截面假设:梁的横截面在变形后仍保持为平面,且仍垂直于变形后的轴线(欧拉-伯努利梁理论)。
- 忽略剪切变形:仅考虑弯曲引起的变形,剪应力对挠度的影响忽略不计(适用于细长梁)。
8.2 挠曲线近似微分方程
挠曲线近似微分方程
在纯弯曲或横力弯曲(忽略剪力影响)情况下,梁的挠曲线 满足以下二阶线性常微分方程:
其中 为梁截面上的弯矩(以使梁下凸为正), 为材料的弹性模量, 为截面对中性轴的惯性矩。乘积 称为梁的抗弯刚度。
若采用符号约定(弯矩符号与挠度符号一致),上式即为挠曲线的近似微分方程。更精确的表达式(考虑大变形)为
但在小变形条件下,因 ,可简化为上述线性方程。
由该方程可直接导出转角与挠度的关系:
其中 由梁的边界条件(支座约束)确定。
8.3 积分法求弯曲变形
8.3.1 边界条件与连续条件
边界条件
梁的支座处对挠度和转角的限制条件称为边界条件。常见形式如下:
- 固定端:(即 )。
- 铰支座(固定铰或可动铰):,转角自由。
- 自由端:无约束,弯矩和剪力为零,即 ,对应 (若采用四阶微分方程)。
连续条件
在梁的分段点(如集中力、集中力偶作用处或截面突变处),挠度 和转角 必须连续(即 和 在分段点两侧的值相等),以保证挠曲线是一条光滑连续曲线。
8.3.2 积分法步骤
- 分段写出弯矩方程 (需根据载荷情况分段)。
- 对每一段积分两次,得到含积分常数的挠度和转角表达式。
- 利用边界条件和连续条件确定所有积分常数。
- 代入后即得各段的转角方程和挠曲线方程。
- 若需求最大挠度或转角,可令 求极值点,再计算对应值。
8.4 叠加法求弯曲变形
叠加原理
对于线弹性小变形梁,当梁上同时作用多个载荷时,梁的挠度(或转角)等于各个载荷单独作用时所产生的挠度(或转角)的代数和。即
其中 分别为第 个载荷单独作用时引起的位移。
使用条件:
- 材料服从胡克定律(线弹性)。
- 变形很小,挠曲线近似微分方程线性。
- 载荷与位移成线性关系。
8.4.1 常用叠加结果(简支梁、悬臂梁)
为了方便查用,以下列出几种典型载荷下的最大挠度和最大转角(取 为常数):
8.5 简单超静定梁
超静定梁
支座反力数目多于独立平衡方程数目的梁称为超静定梁。其未知力(包括反力、内力)不能仅由静力平衡方程完全确定,需补充变形协调条件。
8.5.1 求解思路(变形比较法)
- 解除多余约束,将超静定梁转化为静定基(基本系统)。
- 在多余约束处施加相应的多余未知力(反力或力矩),使其变形与原结构一致。
- 利用叠加法或积分法,列出多余约束处的变形协调方程(位移或转角等于已知值,通常为 0)。
- 联立平衡方程与协调方程,解出所有未知反力。
- 一旦所有反力求出,后续内力、应力、变形计算同静定梁。
变形协调方程的一般形式
设 表示在 处单位力(或单位力偶)作用下在 处产生的位移(或转角),则对于有 个多余约束的超静定梁,协调方程可写为:
其中 为多余未知力, 为外载荷在 处产生的位移, 为原结构在 处的已知位移(通常为 0)。
8.5.2 常见超静定梁示例
- 一端固定、另一端铰支的梁:有一个多余约束(铰支处的竖向反力为多余未知力)。
- 两端固定的梁:有两个多余约束(两端分别有一个多余反力偶和竖向反力)。
- 连续梁:多跨连续梁,中间支座处有多个多余约束。
本章小结
- 弯曲变形的核心是挠曲线微分方程 ,它是所有分析方法的基础。
- 积分法通用但计算量大,适用于任意载荷;叠加法利用线性性质,快速简便。
- 超静定梁需结合变形协调条件,通过变形比较法或力法求解。
- 实际工程中,需控制梁的最大挠度不超过许用值,以保证刚度要求。