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梁 (结构)

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简支静定梁,在均布荷载下的弯曲变形

是主要承受和与其中心轴垂直之荷载的水平结构构件。其形变模式主要是弯曲变形。负载对梁施加的力会使得梁的支撑点有反作用力,反作用力和负载作用在梁上,会产生梁上的剪力以及弯矩,也会因而产生内部的应力、应变以及梁的形变。梁的特性包括其支撑的方式、截面形状、平衡条件、长度以及材质。

梁传统上用来描述建筑或土木工程的结构元素,但在更小结构如卡车或汽车大梁,机器框架和其他机械或结构系统中所包含的梁,也可以用类似的结构力学方法来分析设计。

概述

梁主要用来承载垂直重力作用,但也可以承载水平方向作用力(如:地震)。梁将承受的荷载转移至或其他梁,后者再将荷载转移至受压构件

类型

梁的承载能力主要有截面形式、长度材料决定。当代建筑中的梁,主要是钢筋混凝土木材。钢梁最常见的形式是工字钢(或者是指宽翼缘的H型钢),通常被用于钢结构房屋和桥梁中。其他常见的钢梁形式:结构钢(Structural steel)、空心截面结构钢管英语Pipe (material)(常用于海洋石油平台,不易腐蚀)。

梁按照支承条件区分。不同的约束条件就会有不同的稳定状态和变形。两端铰接的梁称为简支梁(Simply supported);一端固定,一端自由的梁称为悬臂梁;简支梁外伸,越过支点,称为外伸梁。

结构特性

转动惯量

物体关于给定轴的转动惯量,表现为要使其绕轴发生角运动,需要多大的力矩。因而,影响转动惯量的不只是物体的质量,还有物体离轴的距离。

简单方梁(A)与工字钢(B)的刚度图比较。工字钢的翼缘部分离轴的距离是方梁上下部分的3倍,因而转动惯量是方梁的9倍(工字钢腹板部分忽略不计)

梁中的应力

不同荷载作用时,梁的内部有拉、压和剪切应力。通常,在重力作用下,梁发生向下的微小弯曲变形,因为梁上部受压,下部受拉。在梁的中间,既不受拉也不受压的部分称为中性轴。在支点处,梁承受剪应力。 预应力混凝土梁中,混凝土始终承受压应力; 高强度钢筋先被拉长,然后浇筑混凝土,当混凝土凝固,达到强度要求时,钢筋的约束被释放,混凝土受到巨大的压应力,发生向上的变形;当外部荷载作用时,向上的变形与外部荷载向下的变形抵消,从而提高承载能力。预应力混凝土梁常用于大型桥梁。

结构分析的主要工具是欧拉方程。其他用来确定梁挠度的数学方法有虚功法和挠度斜坡法 工程师是在确定挠度感兴趣,因为光束可 能与直接接触,如脆性材料玻璃 。 梁挠度也最小化的审美原因。 一个明显下垂的光束,即使结构安全,很不雅观,要避免。 一个严厉的梁(高弹性模量和高面积二阶矩 )产生偏转较少。工程师关心梁的挠度问题,因为梁可能与脆断性材料,如玻璃,直接接触。减小挠度还有审美上的原因。一个明显下垂的梁,即使结构上安全,也很不雅观,应该避免。

确定梁力(梁内力的力量施加在横梁上的支持)的数学方法,包括弯矩分配法挠度法英语Flexibility method直接刚度法英语Direct stiffness method

提高梁的刚度(弹性模量截面二次轴距)可以减小挠度。

一般形状

大多数钢筋混凝土建筑中的梁是矩形截面,但最有效的简支梁截面是I形或H型(工字钢与H型钢)。

但I型只是一个方向弯曲时的最优截面。双向弯曲梁的最优截面是箱型,而任意方向弯曲的最优截面是管型。

最优指的是相同横截面积(单位材料量每米),相同荷载下,更少的变形

其他截面形式,如L型钢,C型钢用在特定的场合下。

参见

扩展阅读

外部链接