简支梁受力分析力矩剪力计算1

第十章弯曲梁的设计

第一节梁平面弯曲的概念和弯曲内力

一、弯曲的概念

工程实际中，存在大量的受弯曲杆件，如火车轮轴，桥式起重机大梁。如图10.L1,图10.1.2所示，这类

杆件受力的共同特点是外力（横向力）与杆轴线相垂直，变形时杆轴线由直线变成曲线，这种变形称为弯

曲变形.以弯曲变形为主的杆件称为梁。

图10.1.1火车轮轴图10.1.2起重机大梁

工程中常见的梁，其横截面通常都有一个纵向对称轴，该对称轴与梁的轴线组成梁纵向对称面。如图

如果梁上所有的外力都作用于梁的纵向对称平面内，则变形后的轴线将在纵向对称平面内变成一条平

面曲线。这种弯曲称为平面弯曲。平面弯曲是弯曲问题中最基本、最常见的，所以，这里只讨论平面弯曲

问题。

二、梁的计算简图及基本形式

梁上的荷载和支承情况比较复杂，为便与分析和计算，在保证足够精度的前提下，需要对梁进行力学

简化。

(一)、梁的简化

为了绘图的方便，首先对梁本身进行简化，通常用梁的轴线来代替实际的梁。

(二)、荷载分类

作用在梁上的载荷通常可以简化为以下三种类型：

1、集中荷载当载荷的作用范围和梁的长度相比较是很小时，可以简化为作用于一点的力，称为

集中荷载或集中力。如车刀所受的切削力便可视为集中力P,如图10.1.4(a)所示，其单位为牛(N)或

千牛(kN)o

2、集中力偶当梁的某一小段内(其长度远远小于梁的长度)受到力偶的作用，可简化为作用在某一截面上的力偶,

称为集中力偶。如图10.1.4(b)所示。它的单位为牛♦米

(N-m)或千牛•米(kN-m)。

3、均布载荷沿梁的长度均匀分布的载荷，称为均布载荷。分布载荷的大小用载荷集度q表示,

均布集度q为常数。如图10.1.4(c)所示。其单位为牛/米(N/m)或千牛/米(k/m)。

(三)、梁的基本形式

按照支座对梁的约束情况，通常将支座简化为以下三种形式：固定较链支座、活动较链支座和固定

端支座。这三种支座的约束情况和支反力已在静力学中讨论过，这里不再重复。根据梁的支承情况，一般

可把梁简化为以下三种基本形式。

1、简支梁梁的一端为固定较链支座，另一端为活动谈键支座的梁称为简支梁。如图10.1.5(a)o

2、外伸梁外伸梁的支座与简支梁一样，不同点是梁的一端或两端伸出支座以外，所以称为外伸梁。

如图10.1.5(b)

3、悬臂梁一端固定，另一端自由的梁称为悬臂梁。如图10.1.5(c)

八卜八

集中力

(a)(a)简支梁

(b)集中力偶(b)夕卜仲梁

二mu』

(c)分布载荷(c)悬臂梁

图10.1.4载荷类图10.1.5梁的类

以上三种梁的未知约束反力最多只有三个,应用静力平衡条件就可以确定这三种形式梁的内力。

三、梁弯曲时的内力——剪力和弯矩计算

作用于梁上的外力以及支承对梁的约束力都是梁的外载荷。支承对梁所产生的约束反力一般都由静力平衡

条件求得。在外载荷的作用下，梁要产生弯曲变形，梁的各横截面内就必定存在相应的内力。求解梁横截

面上内力的方法是截面法。

如图10.1.6所示的简支梁，受集中力片和舄作用。为了求出距A端支座为x处横截面nrm上的内力，首先按静力学中的

平衡方程求出支座反力RA、RB。然后用截面法沿m-m截面假想地把梁截开，并以左边部分为研究对象(图10.1.6(b))。

因为原来梁处于平衡状态，故左段梁在外力及截面处内力的共同作用下也应保持平衡。截面ni-m上必有一个与

截面相切的内力Q来代替右边部分对左边部分沿截面切线方向移动趋势所起的约束作用：又因为R,\与Pi

对截面形心的力矩一般不能相互抵消，为保持这部分不发生转动，在横截面m-m上必有一个位于载荷平面

的内力偶，其力矩为M,来代替右边部分对左边部分转动趋势所起的约束作用。由此可见，梁弯曲时，横

截面上一般存在两个内力因素，其中Q称为剪力，M称为弯矩。

剪力和弯矩的大小可由左段梁的平衡方程确定。

由2Fy=0得&一斤一。二°

。=此一6

由SMC=0得x+[(x-4)=0

M=RAX-/?!(x-a)

式中，C为横截面的形心。

若取右段梁研究，根据作用力与反作用力定律，在m-m截面上也必然有剪力°和弯矩"'，并

且它们分别与Q和M数值相等、方向相反。

剪力和弯矩的正负按梁的变形来确定。凡使所取梁段具有作顺时针转动趋势的剪力为正，反之为负。如图

10.1.7所示。凡使梁段产生上凹下凸弯曲变形的弯矩为正，反之为负。如图10.1.8所示。

＜匕)

图10.1.7剪力的符

综上所述，可得求剪力、弯矩大小和方向的规则:

对于剪刀：梁内任一横截面上的剪刀等于该截面一侧梁上所有横向外力的代数和；正负号由“外力左

上右下，产生的剪力为正“确定。

对于弯矩：梁内任一横截面上的弯矩等于该截面一侧梁上所有外力对截面形心力矩的代数和。正负号

由“外力矩左顺右逆，产生的弯矩为正”确定。

利用上述规则，可以直接根据截面左侧或右侧梁上的外力求出指定截面的剪力和弯矩。

例10.1.1简支梁受集中力〃=力偶m=均布载荷q=4KV/m,如图10.1.9所示，试求I-I

和H-II截面上的剪力和弯矩。

图10.1.9筒支梁

解：（1）求支座反力。

汇储（下）=0,即Px75O-R1x1000—〃，十t/x0.5x250=0

可得七=25()N

EFv=0,即七-P-"().5+%=°

可得&=2750"

（2）计算剪力和弯矩（应取简单的一侧为研究对象）。

I-IQ=RA=250N

%=RAx2(X)=250x0.2=5()N•m

II-IIQ?=qx0.4-=4x0.4-2.75=-1.5kN

-33

A/2=/?flx400-t7x0.4x200=2750x400xlO-4xl0x0.4x0.2=780^-/n

例10.1.2图10.1.10(a)是薄板轧机的示意图。下轧辑尺寸表示在图10.1.10(b)中轧制力约为10"N,

并假定均匀分布在轧轻的CD的范围内。试求轧辑中央截面上的弯矩及截面C的剪力。

图10.1.10剪板机电

解：轧辐可简化为如图10.1.10(c)所示形式。轧制力均匀分布于长度为0.8m的范围内，故轧制力的载

荷集度为

in4

q=---kN/in=12.5xlO"N/〃z

0.8

由于梁上的载荷与约束反力对跨度中点是对称的，所以容易求出两段的约束反力为

in4

FA=FB=—=5xio3^

以截面C左侧为研究对象，求得该截面上的剪力为

in4

i

Fsc=Fa=—=5x\OkN

2

在跨度中点截面左侧的外力为心和一部分均布载荷。以中点截面左侧为研究对象，求得弯矩

为

04

M=入x0.83-qx0.4x卞=315GkN.m

四、剪力图和弯矩图

在一般情况下，剪力和弯矩是随着截面的位置不同而变化的。如果取梁的轴线为x轴，以坐标x表示

横截面的位置，则剪力和弯矩可表示为x的函数，即

Q=Q(x)M=M(x)

上述两函数表达了剪刀和弯矩沿梁轴线的变化规律，故分别称为梁的剪刀方程和弯矩方程。

为了能一目了然地看出梁各截面上的剪力和弯矩沿梁轴线的变化情况，在设计计算中常把各截面上的

剪力和弯矩用图形表示。即取一平行于梁轴线的横坐标x来表示横截面的位置，以纵坐标表示各对应横截

面上的剪力和弯矩，画出剪力和弯矩与X的函数曲线。这样得出的图形叫做梁的剪力图和弯矩图。

利用剪力图和弯矩图，很容易确定梁的最大剪力和最大弯矩，以及梁的危险截面的位置。所以画剪力

图和弯矩图往往是梁的强度和刚度计算中的重要步骤。

剪力图和弯矩图的画法是首先求出梁的支座反力，然后以力和力偶的作用点为分界点，将梁分为几段,

分段列出剪力和弯矩方程。取横坐标X表示截面的位置；纵坐标表示各截面的剪力和弯矩，按方程绘图。

下面通过分析例题说明剪力图和弯矩图的绘制方法及步骤

例10.1.3如图10.1.11(a)所示起重机横梁长/,起吊重量为P。不计梁的自重，试绘制图示

位置横梁的剪力图和弯矩图，并指出最大剪力和最大弯矩所在的截面位置。

.—TTmrnTnTrnWnTTTTTm^色

图10.1.11简支梁受集中力

解（1）绘制横梁的计算简图根据横梁两端A、B轮的实际支承情况，将其简化为简支梁（图10.1.11

（a）o起吊重量为P可简化为作用于沿横梁行走的小车两轮中点所对应的梁的梁截面C处的集中力。

（2）计算A、B两端的支座的约束反力根据静力平衡方程得

3年

（3）建立剪力方程和弯矩方程由于截面C有集中力p作用，梁AC端和BC段上任意截面左段研

究对象的平衡方程不同，故应分别建立两段的剪力方程和弯矩方程。设AC段和BC段的任一截面位置分别

用x表示（图10.1.11（a））,并以左段为研究对象计算剪力和弯矩，则方程为

0<x<a

0<x<a

a<x<l

..口、Pa(l-x)

M=R(l-x)=——-——

2{ia<x<l

（4）绘制剪力图和弯矩图由AC段和BC段剪力方程可知，两段的剪力分别为一正一负的常数,

故剪力图是分别位于x轴上方和下方的两条平行线（图10.1.11（b））。

由两段的弯矩方程可知，弯矩图为两条斜直线，由边界条件可得出斜直线上两点的坐标值：

AC段

_Pab

玉=0,Mi=O.玉=4,~~T~

BC段

Pab

2

x2=a~ix2=l,%=()

于是便得到如图10.1.11(c)所示的横梁的弯矩图。

(5)确定剪力和弯矩的最大值由图10.1.11c,结合剪力方程，可以看出，当。时，BC段各截

面的剪力值最大；当。＜〃时，AC段各截面的剪力值最大。小车行驶时，力P作用点的坐标发生变化，最

大剪力值也随之发生变化。小车接近支座B点或A点时，剪力达到最大值%ma、-尸。

由图10.1.11c,结合弯矩方程，可以分析得出，集中力F作用的C点所在截面处有最大弯矩。当小车

,I

a=b=—

位于梁的中点时，即2处，因乘积ab最大，所以最大弯矩值也最大，为

〃_Pl

max-4

例10.1.4如图10.1.12(a)所示简支梁，在全梁上受集度q的均布载荷。试作此梁的剪力图和

弯矩图。

解：1)求支座反力。

由E%=o及ZMR=O得

FAy=%=

2)列剪力方程和弯矩方程。

取A为坐标轴原点，并在截面x处切开取左段为研究对象，如图10.1.12(b)所示，则

LrTTnTrnirT^TrrrnTrrz.

图10.1.12简支梁受均布

M=2一号喈一号(0<x</)

(10.1.2)

3）画剪力图。

式（10.1.1）表明，剪力R是x的一次函数，所以剪力图是一条斜直线

E'T

4）画弯矩图。

式（10.1.2）表明，穹矩M是x的二次函数，弯矩图是一条抛物线。山方程

qlxqx2

A/(x)=—

2

!_9

既曲线顶点为（2'8）,开口向下，可按下列对应值确定几点。

X01_3/1

42~4

M00

3qP_贮3ql2

8~32~

剪力图与弯矩图分别如图10.1.12(c)、(d)所示。由图可知，剪力最大值在两支座A、B内侧的

=£弯矩的最大值在梁的中点,“24

横截面上，"max

例10.1.5如图10.1.13(a)所示简支梁，在C点处受大小为Me的集中力偶作用。试作其剪力图和弯矩

图。

k一2

解：1)求支反力。

z%=。，H=o,L..........|TlfrrTTnTrrrr^

k

得:图10.1.13简支梁受集中力偶

%=。If=0

2)列出剪力方程和弯矩方程。

M

吊(X)fy=->(0<x</)

因C点处有集中力偶，故弯矩需分段考虑。

AC段

M

M(x)=-FX=-x(0<x<a)

AVI

BC段

M

M(x)=—&(/—x)=d(/—x)(0<^</)

v/

3)画剪力图。

由四力方程知，剪力为常数，故是一水平直线，如图10.1.13(b)所示。

4)画弯矩图。

由弯矩方程知，C截面左右段均为斜直线。

AC段

x=O,M=0;x=a,M=---—

BC段

,,Meb

x=a,M=——,x=l,M=0

弯矩图如图10.1.13(c)所示。如巴则最大弯矩发生在集中力偶作用处右侧横截面上,

分析以上几例即叮得出剪力图和弯矩图规律：

1.梁上没有分布载荷时，剪力图为一水平线，弯矩图为一斜直线。斜率为对应的剪力图的值，剪力为

正时，弯矩图向上倾斜(/);剪力为负时;弯矩图向下倾斜(\)。

2.集中力F作用的截平面上，剪力图发生突变，突变的方向与集中力的作用方向一致；突变幅度等于

外力大小，弯矩图在此面上出现一个尖角。

3.梁上有均布载荷作用时，其对应区间的剪力图为斜直线，均布载荷向下时，直线由左上向右下倾斜

（\），斜线的斜率等于均布载荷的载荷集度q。对应的弯矩图为抛物线，剪力图下斜（\）,弯矩图上凸（^），

反之则相反。剪力图。二°的点其弯矩值最大，抛物线部分的最大值等于抛物线起点至最大值点对应的剪力

2

Afmax=^//8=—x-x-

图形的面积，如图10.1.12(d)所示，222。

4.集中力偶Me作用的截面上，剪力图不变，弯矩图出现突变。Me逆时针时，弯矩图由上向下突变，

Me顺时针口寸，弯矩图由下向上突变。

前面总结了集中力、集中力偶和均布力作用时，剪力图和弯矩图的做图规律，下面我们根据这些规律

快速而;隹确地做出梁的剪力图和弯矩图。

例10.1.6简支梁受6=3%N，6=MN的集中力作用（图I。J*（a））。已知约束反力，

此二2.547,q=1.5左2其他尺寸如图所示。试绘出该梁的剪力图和弯矩图.

2

善

1OCC

图10.1.14

解：（1）绘剪力图。剪力图从零开始,一般自左向右，逐段画出。根据规律可知，因A点有集中力HQ

故在A点剪力图突变，由零向上突变2.5kN,从A点右侧到C点左侧，两点之间无力作用，故剪力图平行

与x轴的直线。因C点有集中力匕故在C点剪力图由2.5kN向下突变3kN,C点左侧的剪力值为2.5kN,C

点右侧的剪力值为一°-5ZN。同样的道理，依次，可完成其剪力图(图10.1.14(b))o需要说明，剪力

图最后应回到零。图中虚线箭头只表示画图走向和突变方向。

(2)绘弯矩图。弯矩图也是从零开始，自左向右边，逐段画出。A点因无力偶作用，故无突变。

因AC段剪力图为x轴的上平行线，故其弯矩图为•条从零开始的上斜线，其斜率为2.5(图10.1.14(c)

中斜率仅为绘图方便而标注)，C点的弯矩值为Z5xl=2.5(XV.m)。

CD段的弯矩图为一条从2.5W•机开始的下斜线，斜率为0.5,故D点的弯矩值为

2.5—05x2=1.5(ZN.“)，同样的道理可画出DB段弯矩图，最后回到零(图10.1.14(c))。

例10.1.7外伸梁受力如图10.1.15(a)所示，M=4kN・m,P=lUkN,R、=《kN,R"=16kN。

其它尺寸如图所示。试绘出梁的剪力图和弯矩图。

CO

图10.1.15

解：

(1)绘剪力图。根据规律画剪力图时可不考虑力偶的影响。因此，绘其剪力图时，从A点零开始，向

下突变6,从6开始画X轴平行线至B点，向上突变16,在画X轴平行线，最后连D点向下突变10而回到

零(图10.L15(b)).

(2)绘弯矩图从A点零开始，画斜率为6的下斜线至C点，因C点有力偶作用，故弯矩图有突

变，根据“顺上逆下”，故向上突变4,在画斜率为6的下斜线至B点，在B点转折，作斜率为10的上斜线

至D点而回到零(图10.1.15(c))o

例10.1.8外伸梁受力如图10.1.16(a)所示，已知例=16/W-〃z,q=2kN/m,p=2KN

约束反力%=7.2KN,RB=14.8KN,试绘出梁的剪力图和弯矩图，并求距A点4m处截面的剪力和弯矩。

解：(1)绘制剪力图。

从A点零开始，向上突变7.2,AC段为x轴的平行线。CB段，剪力图从7.2下斜至B点，斜率为2,故B点左侧的剪力值

为8.8,从8.8向上突变14.8,即到B点右侧。BD段剪力图仍为斜率2的下斜线至D点左侧，因D点有集中力P,故向下

突变回到零(图10.1.16(b))o剪力图

-:―=3.6

中卜0的点可由几何关系求得，如：2(m)o

(2)绘弯矩图。

AC段弯矩图为一条从零开始的斜率为7.2的上斜线。因C点有力偶，故弯矩图在C点

42

图10.1.16

向下突变1.6。CB段剪力图为条下斜线，故对应的弯矩图为条从1.6开始的上弯抛物线，最大值

点应对应于30的点，其值可由对应的三角形面积求得

7.2x—-1.6=11.36

2

B点的值也可由对应的三角形面积求得

8.8x^^-U.36=8

也可暂不求此值，继续绘图，因B,D点无力偶，故弯矩图直接转折上弯至零，最后利用对应的剪力

图梯形面积计算该值

(6+2)x|=8

需要注意，图10.1.16(b)中CB段剪力图能否下斜而过x轴？图10.1.16(c)申的CB段弯矩图能

否上弯而过x轴？都可根据图形几何关系预先测算而定。

(3)求距A点4nl处微面的剪力和弯矩。

该截面剪力和弯矩可由图中几何关系直接求得。由图10.1.16(b)可知，该截面的剪力

(2=2x1.6=3.2(/UV)

由图10.1.16(c)可知，该截面的弯矩

M=11.36-=88(A7V，〃?)

由上述各例可以看出，绘制剪力图和弯矩图的基本过程为：熟记规律，从左至右，从零开始，到点

即停，标值判定(是否突变)，最终回零。

第二节梁的弯曲强度计算

一纯弯曲时梁横截面上的正应力

前面对梁弯曲时横截面上的内力进行了分析讨论。为了进行梁的强度计算，还需要进一步研究横截面

上的应力情况。通常梁的横截面上既有弯矩又有剪力，这种弯曲称为剪切弯曲。若梁的横截面上只有弯矩

而无剪力，则梁的横截面.上仅有正应力而无切应力。这种弯曲称为纯弯曲。梁纯弯曲的强度主要决定于截

面上的正应力，切应力居于次要地位。所以这里只讨论梁在纯弯曲时横截面上的正应力。

要想分析正应力的分布规律并计算正应力，先是通过实验，观察其变形，提出假设。在这个基础上综

合应用几何变形，物理和静力学关系，找出变形及其应力的变化规律而推导出应力计算公式。

(一)、实验观察

取一矩形截面直杆，实验前，在梁的侧面上，画上垂直于梁轴的横向线=1\*ROMANT-=1\*ROMAN

I和=2\*ROMANII-=2\*ROMANII及平行于梁轴的纵向线ab和cd,然后在梁的纵向对称平面内

两端施加集中力偶M,使梁产生纯弯曲。如图10.2.1所示。梁发生弯曲变形后，我们可以观察到以下现象:

1、横向线ac和bd仍是直线且仍与梁的轴线正交，只是相互倾斜了一个角度

2、纵向线ab和cd（包括轴线）都变成了弧线。且ab变成""后缩短了，cd变成c々'后伸长了

中性层

中性轴

根据上述现象，可对梁的变形提出如下假设:

①平面假设：梁弯曲变形时，其横截面仍保持平面，且绕某轴转过r一个微小的角度。

②单向受力假设：设梁由无数纵向纤维组成，则这些纤维处于单向受拉或单向受压状态。

可以看出，梁下部的纵向纤维受拉伸长，上部的纵向纤维受压缩短，其间必有一层纤维既不伸长也不

缩短，这层纤维称为中性层。中性层和横截面的交线称为中性轴。如图10.2.2所示。

（二）、变形的几何关系

由于纯弯曲时，各层纵向纤维受到轴向拉仲和压缩的作用，因此材料的应力和应变的关系应符合拉压

胡克定律

由上式可知，若搞清应力分布规律，必须搞清应变£的变化规律，为此，将变形后的梁中取一微段来进行研究，如图10.2.3

所示。两截面=1\*ROMANI-=1\*ROMAN1和=2\*ROMANII-=2\*ROMANII原来是平行的，现在相互倾

斜了一个微小角度48°图中为中性层，设其曲率半径为"，O'"’到中性层的距离为V形后中性层纤维长度仍为"x

且夕。距中性层为y,则纵向浅的线应变为：

_bed_c'd'-cd_(p+y)dO-pdO_ydO_y

£—————

cdcdpdOpdOp

即梁内任一纵向纤维的线应变8与它到中性层的距离y成正比。

(三)、变形的物理关系

由单向受力假设，当正应力不超过材料的比例极限时，将虎克定律代入上式，得:

er=Es=E—

P(10.2.1)

上式表明了横截面上正应力的分布规律，即：横截面上任一点处的正应力与它到中性轴的距离成正比,

与中性层距离相同的点，正应力相等；距离中性层越远，正应力越大；中性轴上各点的正应力为冬，由此

可得横截面上各点的正应力分布情况，如图10.2.4所示。为了准确计算正应力值，必须确定中性轴的位置

与曲率半径。的大小，而这乂需要通过应力与内力间的静力学关系来解决。

(四)、静力学关系

图10.2.3弯曲变形图10.2.4弯曲正应力的分布规律

梁发生纯弯曲时，横截面上只有弯矩而无剪力，旦弯曲变形时横截面绕中性轴Z转动。所以，横截面上所

有内力合成的结果只有一个对中性轴Z的弯矩M,而沿梁轴线的分量和对横截而对称轴的驾矩均为零。

通过对静力学和截面形心进行分析可得如下结论：

纯弯曲时，横截面的中性轴必须通过截面的形心。

纯弯曲时，中性轴的曲率半径的计算公式为

1_"

PElz(10.2.2)

式中，七/z值越大，则梁弯曲的曲率半径〃越大，中性轴的曲率就越小，也就是梁的弯曲变形越小；反之,

Hz值越小，则梁的弯川|变形越大。因此，"z值的大小反映了梁抵抗弯曲变形的能力，故以z称为梁的弯

曲刚度。将式(10.2.2)带入(10.2.1)中，得到纯弯曲梁横截面上任意•点正应力的计算公式

为：

M-y

o=------

，z(10.2.3)

M——为截面上的弯矩；

一一为截面上所求应力点到中性轴的距离;

〃——为横截面对中性轴Z的惯性矩。

是一个仅与横截面形状和尺寸有关的几何量，可以通过理论计算来求得。一般地，各种平面儿何图

形的/z都求出并列表备用，使用时直接查表即可。

上式是梁纯弯曲时横截面上任一点的正应力计算公式。应用时M及)'均可用绝对值代入，至于所求点

的正应力是拉应力还是压应力，可根据梁的变形情况，由纤维的伸缩来确定，即以中性轴为界，梁变形后

靠凸的一侧受拉应力，靠凹的一侧受压应力。也可根据弯矩的正负来判断，当弯矩为正时，中性轴以下部

分受拉应力，以上部分受压应力，弯矩为负时，则相反。由公式10.2.2可知，横截面上最大正应力发生在

距中性轴最远的各点处。即

M

max

(10.2.4)

令iax

M

cymax=-w-

则%(10.2.5)

Wz称为抗弯截面模量，也是衡量截面抗弯强度的一个几何量，其值与横截面的形状和尺寸有关

式(10.2.2)和(10.2.3)是纯弯曲梁的两个重要公式，前者用于计算梁的变形，后者用于计算梁横

截面上的应力。

弯曲正应力计算公式是梁在纯弯曲的情况下导出来的。对于一般的梁来说，横截面上除弯矩外还有

剪力存在，这样的弯曲称为剪切弯曲。在剪切弯曲时，横截面将发生翘曲，平截面假设不再成立。但较精

确的分析证明，对于跨度/与截面高度力之比%,，的梁，计算其正应力所得结果误差很小。在工程上常

用的梁，其跨高比远大于5,因此，计算式可足够精确地推广应用于剪切弯曲的情况。

例10.2.1如图10.2.5(a)所示矩形截面简支梁。已知：F=5kN,a=180mm,b=30mm,h=60

mm。试分别求将截面竖放和横放时梁截面上的最大正应力。

图10.2.5筒支梁受力

解：1)求支座反力。根据外力平衡条件列平衡方程，可解得支座反力为

H,=5KN

2)画出剪力图和弯矩图，如图10.2.5(b)、(c)所示。可见，在CD段横截面上剪力为零，故CD

段为纯弯曲段，截面上弯矩值为

M“ax=M,=900N-m

M

ma(xJ=----

3)竖放时最大正应力。先由表10.2.1中查得矩形截面的截面弯曲系Wz的计算公式，代入式％y/

即可求出竖放时横截面上的最大正应力为

M_M900

=50x106Pa=50MPa

0.03x0.062

6

同理可求得横放时横截面上的最大正应力为

MM_900

=100xl06Pa=\00MPa

0.06x0.032

~6~

由此例可知：矩形截面梁的横截面放置方位不同，其最大正应力值也不同，即梁的弯曲强度不同，矩

形截面梁的横截面竖放比横放时强度高。

二梁的弯曲强度计算

在进行梁的强度计算时，由于梁上的应力一般是随截面位置的不同而变化的，因此应首先找出最大应

力所在截面，即危险截面以及求出最大应力?皿。一般情况下，对于等截面直梁，其危险点在弯矩最大的

截面上的上下边缘处，即最大正应力所在处。

(一)、强度条件

为了使梁安全可靠的工作，危险点的最大工作应力不能超过梁所用材料的许用应力，强度条件为：

"z(10.2.6)

式中，5小为危险点的应力；

“max、％分别为危险截面的弯矩和拉弯截面系数:

同为梁材料的许用应力。

考虑到材料的力学性质和截面的儿何性质，判定危险点的位置是建立强度条件的主要问题。

（二）、关于危险点的讨论

1、对称截面

若截面对称于中性轴，则称为对称截面，否则称为非对称截面。对于塑性材料，其许用拉应力和许用

压应力相同。对称截面塑性材料的危险点可以选择距中性轴最远端的任一点计算。

对于许用拉应力和许用压应力不同的脆性材料，由于脆性材料的许用压应力大于许用拉应力，所以只

需计算受拉边的最大应力值。

b/max工LI

2、非对称截面

对于塑性材料，危险点一定出现在距中性轴最远处，所以这种情况下只需计算一个危险点。

MrI

5nax=—Znax«kJ

对于脆性材料，需要结合弯矩的正负及截面形状分别计算。如果距中性轴最远处的是受拉边则只需计

算一个危险点；如果距中性轴最远处的是受压边则需要计算两个危险点。

其强度条件为：

12

b.vmL与fm—bj

式中，b/max和分别为最大拉应力和最大压应力；

口』和匕J分别为许用拉应力和许用压应力；

£max和'「max分别是拉应力和压应力一侧最远点到中性轴的距离。

(三)、强度条件三类问题

与拉压强度条件应用相似，弯曲强度条件同样可以用来解决以下三类问题。

①强度校核验算梁的强度是否满足强度条件，判断梁在工作时是否安全。

M

=—W［。］

②截面设计根据梁的最大载荷和材料的许用应力，确定梁截面的尺寸和形状，或选用合适的标准型

钢。

③确定许用载荷根据梁截面的形状和尺寸及许用应力，确定梁可承受的最大弯矩，再由弯矩和载荷

的关系确定梁的许用载荷。

A/cn；［o］

对于非对称截面，需按公式

0-max=—［VmaxLJ

例10.2.2图10.2.6(a)所示，托架为一T形截面的铸铁梁。已知截面对中性轴z的惯性矩

74

/z=1.35xlOAwn,P=4.5kN,铸铁的弯曲许用应力［己］=40MPa,［%］=80MPa,若略去梁的自重影响，

使校核梁的强度。

解：(1)画其受力图(见图10.2.6(b))<,

(2)绘制剪力图(见图10.2.6(c)).

图10.2.6T形铸铁梁

(3)绘制弯矩图(见图10.2.6(d)),并求最大弯矩值

Mnax=P/=4,5X1=4.5(kN.m)

(4)校核强度

y?/mdaXx=7X60=21)(MPa)<[<TJ

I71.35xl0/

二%4.5xlO6

X15O=5(XMP6/)<[(T]

vmax—TJmaxV

lz1.35xlO7

所以此铸铁梁的强度足够。

例10.2.3-矩形截面简支梁(见图10.2.7(a)),b=200mm,〃=3OOw〃z,/=4m,[a]=i0MPao

试求梁能承受的许可均布载荷q。

图10.2.7简支梁

解：（1）求支座反力。

RA=RB=4

(2)绘剪力图(10.2.7(b))o

(3)绘弯矩图（10.2.7（c）），并求最大弯矩。

Mmax=^=*x^=2叭kN・m)

(4)确定许可载荷

Mmax<Wz[cy]

2

bh200x3002=3x106(〃〃/)

%=

因66

66

故2(/xl0<3X10X10

q<\5N/mm

例1024简易吊车梁如图10.2.8（a）所示，已知起吊最大载荷。=503,跨度/=1（）加,若梁材料的许用

应力[o]=180MPa,不计梁的自重，试求：（1）选择工字钢的型号；（2）若选用矩形截面，其高度比为力/〃=2

时，确定截面尺寸；（3）比较两种梁的重量。

解：（1）绘制梁的受力图（10.2.8（b）），求约

束反力。

R*=RB=Q/2

（2）绘制梁的剪力图（10.2.8（c))O

（3）绘制梁的弯矩图（10.2.8（d））,并求最

大弯矩。

QI50x10cz、

=-=-----=125(4N•6)

44图10.2.7

简支梁

（4）选择工字钢型号

图10.2.7简支梁

卬>丝强=125*m=686813687(c/n3)

'㈤182

查表得32a号工字钢Wk692>687cn?,故可选用32a号工字钢，查得其截面面积为67.156cm?。

（5）若采用矩形截面。

Wz=等二*=687（卅）

〃=,生笠=10(加

h=2b=20(52)

A=bh=200(C7?Z2)

(6)比较两梁的重量。在材料和长度相同的条件下，梁的重量之比等于截面面积之比，

出二旦=2.98

A167.156

即矩形截面的梁的重量是工字钢截面梁的2.98倍。

第三节拉伸(压缩)与弯曲组合的强度计算

前面讨论了杆件在拉伸(压缩)、和弯曲变形时的强度和刚度计算。但在工程实际中，许多构件受到

外力作用时，将同时产生两种或两种以上的基本变形。例如建筑物的边柱，机械工程中的夹紧装置，皮带

轮传动轴等。我们把杆件在外力作用下同时产生两种或两种以上的基本变形称为组合变形。工程中许多受

拉(压)构件同时发生弯曲变形，称为拉(压)弯组合变形。处理组合变形问题的基本方法是叠加法，先

将组合变形分解为基本变形，再分别考虑在每一种基本变形情况下产生的应力和变形，最后再叠加起来。

组合变形强度计算的步骤一般如下：

(1)外力分析将外力分解或简化为几种基本变形的受力情况；

(2)内力分析分别计算每种基本变形的内力，画出内力图，并确定危险截面的位置；

(3)应力分析在危险截面上根据各种基本变形的应力分布规律，确定出危险点的位置及其应力状态。

(4)建立强度条件将各基本变形情况下的应力会加，然后建立强度条件进行计算。

下面举例说明拉(压)弯组合变形的强度计算。

30°

i5m、miizin

225XNm

s)

例1031悬臂吊车的计算简图如图10.3.1a所示，横梁AC用工字钢制成。已知最大吊重P=15kN,a=30°,

梁的许用应力LLlOOMPa,试选择工字钢型号。

图10.3.1横梁AC的内力及应用

解：(1)外力分析：取横梁AB为研究对象，受力分析如图10.3.1(b)所示。当小车移到点C时，梁处

于最不利的受力状态，此时由平衡条件知：

773sin。-P/.=0

由IX=°r

T=j15x4....

-------------=48oAN

ls\nasin30°x2.5

得AB

由Z"=°和2母=°,可解出:

HA=HB=Tcosa=4\.51kN

RA=Rf{-P=Ts\na-P=9kN

将外力分解两组，分别产生两种基本功变形，一组由山、山产生的压缩变形（图10.3.1C）,一组由国、

冗、P产生的弯曲变形（fflio.3.ie）o

（2）内力分析：分别绘制轴力图（ffil0.3.1d）和弯矩图（ffi10.3.1g）o由内力图可知，B截面为危险

截面，其上的内力值绝对值分别为：

N=41.57AN

Mmax=Px1.5=15x1.5=2.25ZN•析

（3）应力分析：B截面由轴向力产生的压应力/和由弯矩产生的正应力。〃分布如图io.3.if所示，其

中。为叠加后的应力分布。可见，危险点在B截面的下边缘处，为压应力。最大压应力值为:

NMmax=41570।22500

bmax=b+b=—+

A%AWz

（4）选择工字钢型号：因为上式中的横截面面积A和抗弯截面模量Wz均为未知数，一般情况下需

先按弯曲正应力条件选择截面，再按组合变形进行校核。由弯曲条件得

l%>=""I。—=225x1()6,/=225c?〃3

，[a]100xIO6

查型钢表选取20a工字钢，其A=35.5cm2,Wz=237cm\按组合变形校核强度:

4157022500

=-----------------H.....................-=\06.6MPa>[a]

max35.5xl0-4237x10-6

在工程中，如果"x不超过的5%,一般是允许的。这里(bmaxT./匕］=66%,偏于不安全。重新

选取20b号工字钢，其A=39.5cm2,Wz=250cm\则

4157022500

H-------------万=\00.5MPa

39.5x10250x106

只超过M的0.25%,故选用20b号工字钢能满足梁的要求。

例10.3.2小型压力机的铸铁框架如图10.3.2所示。已知材料的许用拉应刀口』二30许

用压应力匕Jd60仞。"。试按立柱的强度确定压力机的最大许可压力P。立柱的截面尺寸如图，其中。为

:

形心，Zo=7.5cm,Iy=5310cm,面积A=15X10