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材料力学

剪力弯矩图

由反力与切断得 V·M 图,dM/dx = V,最大 M = 设计关键点

上一讲见过弯曲应力 σ = MyI。可是那个弯矩在梁的每个位置都不一样。桥的正中和支座附近,不可能承担同样的负担。要设计梁,先得知道内力怎样铺在整根梁上。内力有两种。沿着面滑开的剪力 V,以及让它弯曲的弯矩 M。把这两者沿梁的长度画出来,就是剪力图和弯矩图,简称 V·M 图。两者并不是各干各的。M 的斜率正是 V,V 的斜率是分布载荷。图上 M 最大的那一点,就是梁会断的地方。B3 的应力,到这里才变成整根梁的故事。 同一根梁,每个位置的负担都不同。

先把舞台搭好。两端用支座托住的简支梁上,放一个集中载荷。要托住载荷,两个支座必须向上推,那个力就是反力。平衡决定反力。上下力的和是 0,对任一点的转动之和也是 0。于是靠近载荷的支座承受得更多,这是符合直觉的结果。把载荷往左移,左边的反力变大,右边变小。准确地说,R1 = P(L−a)L,R2 = P·aL。先求出这些反力,是所有梁分析的起点。 近的支座承受更多,这是平衡的结果。

现在把前面做过的想象切断再拿出来。在梁的某个位置在心里切开,只看左边那一段。这一段要保持平衡,切面上必须有两种内力。平衡上下力的剪力 V,以及挡住转动的弯矩 M。把左边这段上的力,也就是反力和到那里为止的载荷收拢,写下平衡,那个位置的 V 和 M 就出来了。移动切断的位置,每换一个地方,V 和 M 都变。内力是位置的函数,所以每个切开的截面都有自己的 V(x)、M(x)。A1 的切断,在梁上就这样沿长度走。

不是只在一处切断,而是从梁的一头走到另一头,把 V 记下来,那张图就是剪力图。只有集中载荷的梁,形状很简单。载荷与载荷之间 V 不变,一过载荷就掉下那个载荷那么多,是一级级的台阶。移动载荷的位置,左段的高度是 +R1,右段的高度是 −R2,在载荷点跳过 P。这个台阶的面积和弯矩连着,那是下一幕的事。先记住,剪力图是支座和载荷做成的台阶。V 的跳跃,就是载荷所在的地方。

现在是弯矩图。简支梁上有集中载荷时,M 在两端是 0,在载荷点打出一个尖顶,是一个三角形。和剪力图并排放,就看见一条藏着的规则。M 的斜率正是 V。dM/dx = V。V 为正的左段,M 以恒定斜率上升;V 为负的右段,就下降。而 V 变成 0 的地方,这里就是载荷点,M 打出顶点。移动载荷的位置,V 的台阶一动,M 三角形的顶也跟着动。靠这个关系,只知道 V,就能用积分画出 M。因为 V 图的面积就是 M 的变化。 斜率一变号,顶点就出现。

这些之所以要紧,是因为有上一讲的弯曲。B3 里弯曲应力是 σ = MS,与弯矩成正比。所以梁上最危险的地方,是 M 最大的地方。那里应力最大,会先屈服或先断。画 V·M 图的真正理由就是这个。要找的是那个最大的 M。只知道这个值,就能用 σmax = MmaxS 立刻判断截面撑不撑得住。移动载荷的位置,顶点跟着走,载荷正好在正中时 Mmax 最大。设计者假定最不利的载荷位置,取出那个 Mmax,再按它来选截面。图上的那一点,决定整根梁的命运。

实际应用要设计梁,就得知道沿整段长度的内力分布。先用平衡求出反力,再用想象的切断得到每个位置的剪力 V 和弯矩 M。沿梁的长度画出来,就是 V·M 图。两者被微分捆在一起。dM/dx = V,dV/dx = −w。所以剪力图的面积是弯矩的变化,在 V=0 的地方 M 取极值。梁分析的目标,归根是找到 Mmax 那一点,再把它放进 σmax = MmaxS 来定截面。工程里,这张图是设计梁、楼板和桥梁大梁的标准第一步。下一讲看这个剪力 V 在截面里面怎样分布,进入 τ = VQIt。 那一点决定截面。后面的检查都挂在这里。
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