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弹性地基上梁的计算

土建工程中上部结构与地基连接的梁式构件(称为弹性地基上的梁或基础梁)的计算。水利工程的水闸、船闸等建筑物中,一般都设有基础梁或基础板。基础梁计算的关键在于求解地基反力。它一旦被求出,其余的计算就与普通梁一样。围绕着地基反力的求解,先后提出了下列几种假设。反力直线分布假设 假设基础梁与地基之间的压力按直线分布。这就使计算大为简化。

土建工程中上部结构与地基连接的梁式构件(称为弹性地基上的梁或基础梁)的计算。水利工程的水闸、船闸等建筑物中,一般都设有基础梁或基础板。基础梁计算的关键在于求解地基反力。它一旦被求出,其余的计算就与普通梁一样。围绕着地基反力的求解,先后提出了下列几种假设。

反力直线分布假设 假设基础梁与地基之间的压力按直线分布。这就使计算大为简化。但这一假设没有考虑基础梁与地基之间的相对弹性,故计算结果与实际情况不大符合。由于计算简单,在一些小型建筑物的设计中,或在初步设计中,有时还被采用。

文克勒假设 假设每单位面积上所受的压力与地基沉陷成正比。这一假设可以用于变宽度的基础梁,也可用于任何形状的基础板。但按此假设,沉陷只发生在地基的受压部分。实际上,沉陷也发生在受压范围以外。

半无限大弹性体假设 假设地基是半无限大理想弹性体,采用弹性力学中半无限大弹性地基的沉陷公式来计算地基的沉陷。显然一般土壤与理想弹性体是有区别的。土壤是颗粒体,而且不能或几乎不能承受拉力。因此,必须土壤中没有拉应力发生时,这个土壤地基才能当做连续体看待。

中厚度假设 假设地基是中等厚度的弹性层(有限压缩层),用弹性力学导出地基的沉陷公式。

按照后两种假设计算基础梁时,必须把问题区分为平面问题和空间问题,前者又必须区分为平面应力问题和平面形变问题。如果地基是均匀整岩,或是很厚的均匀土层,才能用半无限大弹性体假设来计算。如果可压缩土层的厚度和基础的最大水平尺寸同阶大小,则须按照中厚度地基假设来计算。如果地基的可压缩层较薄,与基础的最大水平尺寸相比,成为一个很薄的垫层,那就可以按照文克勒假设来计算。

基础梁的计算通常有两种方法:一种是导出基础梁的基本方程(微分方程和积分方程),然后求解这些方程。在文克勒假设下,基本方程成为四阶线性常系数的微分方程,可以用初参数法求解。用这种解法所得的成果,已编制成许多计算用表,可以查用。另一种是把基础梁和地基之间连续接触变换为连杆联系,把基础梁变换为弹性支座上的连续梁,然后用结构力学中的力法、位移法或混合法进行计算。这种方法称为连杆法。

连杆法是将全梁分为几个区段,各区段的长度都是c,并在每一区段的中心安置一根铅直连杆与地基相连,如图,为了组成几何不变体系,必须再加一根水平连杆,但是它的内力等于零。应用结构力学中的分析方法求出各个连杆的内力,就不难计算基础梁的内力和位移。由于我们只在n个点把基础梁与地基相连,所以计算结果将是近似的。安置的连杆愈多,计算愈精确,但工作量愈大。连杆法适用于常截面和变截面梁,并适用于各种地基模型。在中厚度假设下的计算成果,已编制出计算表,可以参考。对于成层地基、各向异性地基、有缝隙地基、以及空间问题、基础板问题、动力计算问题等,可以采用有限单元法,这些也是60年代以来所研究的课题。

连杆法计算简图