力学知识在实际工程中的应用
摘要:工程实际中,技术从业人员编写施工方案及技术处理方案等需要技术文件。这些技术文件用到大量力学知识,但是人们习惯沿用这些知识。并不追究这些力学知识与实际工程的联系。也无从谈及力学优化。本文针对这一弊端展开论述,把力学的基本知识与实际工程相联系,教给技术人员如何应用。
关键词:建筑力学 建筑工程 应用
随着人类的进步与发展,人们逐渐从建筑结构和实践中总结经验,发展成力学理论与方法。这些理论和方法又反过来应用于工程中的各个领域当中。建筑结构的发展与力学是息息相关的。可以说,没有可靠的力学和结构分析就没有安全的建筑结构。特别是对于现代的高层、超高层、特殊结构的建筑物、构筑物而言,力学、结构分析就尤其重要。建筑物,特别是大型建筑物具有不可逆性,一旦其结构出现问题,其后果是不可估量的。
如何结合实际情况,选择合理的建筑知识及结构布局,让建筑物的造价控制在合理的范围内,达到结构的安全、耐久、适用。以满足人们生产、生活的正常需要。如何归纳和总结工程实际中所用到的力学知识,并把它们提炼出来,归纳总结实施教学于课堂就是本文需要讨论的问题。
首先,从一个工程实例来说明工程实际中用到的力学知识。
卸料平台方案设计中涉及到的力学计算、悬挂式卸料平台的计算参照简支梁的计算进行。
平台水平钢梁(主梁)的悬挑长度3.5m,悬挑水平钢梁间距(平台宽度)2.7m。
次梁采用18号工字钢,主梁采用18号工字钢,次梁间距2.00m。
容许承载力均布荷载2.00KN/m2,最大堆放材料荷载10.00KN。
1 次梁的计算
次梁选择18号工字钢,长2.7m,间距2m。
1.1 荷载计算
面板自重标准值为0.30KN/m2,
则Q1=0.30×2.00=0.60KN/m
最大容许均布荷载为2.00KN/m2,
则Q2=2.00×2.00=4.00KN/m
工字钢自重荷载Q3=0.24KN/m
则静荷载计算值q=1.2×(Q1+Q2+Q3)=1.2×(0.60+4.00+0.24)=5.80KN/m
活荷载计算值P=1.4×10.00=14.00KN
1.2 内力计算
内力按照集中荷载P与均布荷载q作用下的简支梁计算,计算简图如下。
■
则最大弯矩M为
M=■+■=5.80×2.702/8+14.00×2.70/4
=14.74KN・m
1.3 抗弯强度计算
σ=■≤[f]
其中γx取1.05,[f]=205.00N/mm2,Wx=185cm2。
则σ=14.74×106/(1.05×185000.00)
=75.87N/mm2 满足要求!
1.4 整体稳定性计算
σ=■≤[f]
其中¢b查表得到¢b=1.51。由于¢b大于0.6,按照规范规定,其值用¢b,查表得到其值为0.867。
则σ=14.74×106/(0.867×185000.00)
=91.85N/mm2 满足要求!
2 主梁的计算
主梁选择18号工字钢,间距2.70m。
2.1 荷载计算
栏杆自重标准值Q1=0.14KN/m,工字钢自重荷载Q2=0.24KN/m
则荷载计算值q=1.2×(Q1+ Q2)
=1.2×(0.14+ 0.24)=0.45KN/m
各次梁集中荷载取次梁支座力,经计算分别为
P1=1.2×(0.30+2.00)×1.00×2.70/2+1.2×0.24×2.70/2=4.11KN
P2=1.2×(0.30+2.00)×2.00×2.70/2+1.2×0.24×2.70/2+14.00/2=14.84KN
2.2 内力计算
卸料平台的主梁按照集中荷载P和均布荷载q作用下的简支梁计算。
■
悬挑卸料平台主梁计算简图
经过简支梁的计算得到
①A支座处的支座反力为RA=10.47KN(钢丝绳位置支撑反力)。
②均布荷载下最大弯矩值:
Mmax1=1/8×ql2=1/8×0.45×3.52=0.689KN・m
集中荷载下最大弯矩值:
Mmax2=3/3.5×14.84=12.72KN・m
则最大弯矩:
Mmax=Mmax1+Mmax2=0.689+12.72
=13.409KN・m
2.3 抗弯强度计算
σ=■≤[f]
其中γx取1.05
则σ=13.409×106/(1.05×185000)
=69.03N/mm2 满足要求!
2.4 整体稳定性计算(主次梁焊接成整体此部分可以不计算)
σ=■≤[f]
其中¢b查表得到¢b=1.15。由于¢b大于0.6,按照规范规定,其值用¢b′,查表得到其值为0.807。
则σ=13.409×106/(0.807×185000.00)
=89.82N/mm2 满足要求!
3 钢丝拉绳计算
钢丝拉绳的轴力Ru在竖直方向的分力与A支座的支座反力相等,即Rc=Rusinθ=RA=10.47KN
则Ru=10.47/sin49.5°=13.77KN
■
3.1 选择6×19钢丝绳,钢丝绳公称抗拉强度1550MPa,直径15mm。
3.2 钢丝绳的容许拉力按照下式计算:
[Fg]=■
其中Fg查表为134.5KN,а为0.85,K取8.0。
[Fg]=0.85×134.5/8=14.3KN
Ru=13.77KN 所以选用1根15mm钢丝绳满足要求。
从上述实例我们能得到如下结论:
①结构计算简图的简化
第一,结构的简化。
第二,结点的简化。
第三,支座的简化。
第四,荷载的简化。
②结构内力的求解及内力图的画法
建筑结构的内力主要包括:轴向拉力和压力、剪切力、扭矩、弯矩。其中弯剪最常见,也是最重要的内力形式。
③如何应用结构内力的计算结果
第一,弯矩包络图配置钢筋。
第二,由计算得到的内力最大值,选择截面尺寸。
第三,由已知的材料特性,确定其最大受力能力。
4 结论
要求学生弄懂最基本的力学原理,然后明白建筑结构如何转化为力学模型,用基本力学原理计算结构受力,最终解决实际工程问题。
参考文献:
[1]赵爱民.建筑力学[M].武汉理工大学出版社,2004.
[2]梁春光.建筑力学[M].武汉理工大学出版社,2004.
[3]周任,徐广舒.建筑力学[M].机械工业出版社,2012.
作者简介:
郝光普(1981-),男,河北邢台人,就职于河北建材职业技术学院,讲师,长期从事于建筑工程类课程教学与建筑设计研究。