Строительная механика и металлические конструкции подъёмно-транспортных и строительно-дорожных машин

 

Федеральное агентство морского и речного транспорта                                                                          
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»                                                                         

Московская государственная академия водного транспорта – филиал                                                

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего 

образования  «Государственный университет морского и речного флота  

имени адмирала С.О. Макарова»

Факультет Эксплуатация инфраструктуры водного транспорта                                                                  

Кафедра «Портовых подъемно-транспортных машин и робототехники (ППТМиР)»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

по «Строительная механика и металлические конструкции 
подъёмно-транспортных и строительно-дорожных машин»

Москва 2018г.

УДК 624.04 

Кокорева О.Г. Строительная механика и металлические конструкции 
подъёмно-транспортных и строительно-дорожных машин. Учебное 
пособие.— М.: Альтаир-МГАВТ, 2018.— 160 с.

В учебном пособии приводятся краткие теоретические сведения, а также методы 

расчета стержневых конструкций на статические, подвижные, динамические нагрузки.
Рассматриваются неразрезные многопролетные балки, фермы, как статически определимые,
так и неопределимые системы. 

Учебное пособие развивает у студентов способность сравнивать по критериям оценки 

проектируемые узлы и агрегаты с учетом требований надежности, технологичности, 
безопасности, охраны окружающей среды и конкурентоспособности (ПК-9). При этом 
студент должен знать материалы, применяемые при изготовлении подъемно-транспортных и 
строительных дорожных машин, уметь выбирать рациональные формы и конструктивные 
решения узлов металлоконструкций подъемно-транспортных и строительных дорожных 
машин, владеть способностью к самостоятельному изучению новых конструкций и методов 
их расчетов на прочность, жесткость, колебания и устойчивостью. 

Учебное пособие формирует у студентов способность проводить теоретические и 

экспериментальные 
научные 
исследования 
по 
поиску 
и 
проверке 
новых 
идей 

совершенствования 
средств 
механизации и 
автоматизации 
подъемно-транспортных, 

строительных и дорожных работ (ПСК-2.2). Студент должен знать основы расчета 
металлоконструкций на прочность, жёсткость, устойчивость и колебания по допускаемым 
напряжениям и предельным состояниям, уметь грамотно применять все вышеизложенные 
знания к расчету реальных конструкций, владеть навыками применения  расчета на 
компьютере и готовых программ для расчетов стержневых систем и листовых 
металлоконструкций при оценке напряженно-деформированного состояния.

Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС. Предназначены для обучающихся 

по специальности 23.05.01 «Наземно-транспортные технологические средства (НТТС)». 

Рецензенты: доцент, к.т.н. Никулин К.С.; доцент, к.т.н. Ганшкевич А.Ю.

Рекомендовано к изучению учебно-методическим советом МГАВТ.

Рассмотрены и рекомендованы к использованию в учебном процессе и изданию

кафедрой Портовых подъемно-транспортных машин и робототехники МГАВТ (протокол №6
от 19.02.2018г.).

 

Ответственность за оформление и содержание представленных к изданию 

материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебно-методические 
материалы. 

© МГАВТ, 2018

© Кокорева О.Г., 2018

Оглавление

Предисловие
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 5

1.Введение
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 7

2.Статические определимые балки .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.20

2.1.Основные понятия простых и многопролетных балок .
.
.
.
.
.
.
.
.20

2.2.Расчет многопролетной шарнирной балки
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.21

3.Расчет сооружений на продвижную нагрузку .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.28

3.1.Понятие о линиях влияния .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.28

3.2.Построение линий влияния для балки на двух опорах .
.
.
.
.
.
.
.
.23

3.3.Построение линий влияния в консольной балке
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.33

3.4.Построение линий влияния для двухопорной балки с консолями
.
.
.
.34

3.5.Построение линий влияния для многопролетной шарнирной балки
.
.
.35

3.6.Опеределение с помощью линий влияния усилий от заданной

неподвижной нагрузки .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.37

4.Расчет плоских ферм .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.42

4.1.Понятие ферм .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.42

4.2.Кинематический и статический анализы ферм .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.46

4.3.Примеры кинематического анализа ферм .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.46

4.4.Определение усилий в стержнях ферм .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.48

4.5.Линии влияния в стержнях ферм .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.61

4.6.Определение перемещений в фермах.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.71

4.7.Квазиоптимальное проектирование ферм .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.74

5.Расчет статически неопределимых стержневых систем .
.
.
.
.
.
.
.
.79

5.1.Понятие статически неопределимых систем .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.79

5.2.Определение степени статической неопределимости

в стержневых системах
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.82

5.3.Сущность метода сил .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.87

5.4.Расчет статически неопределимой неразрезной балки методом сил
.
.
.97

5.5.Расчет статически неопределимой фермы по методу сил .
.
.
.
.
.
. 103

5.6.Расчет статически неопределимых шпренгельных балок .
.
.
.
.
.
. 111

6.Расчет статически неопределимых систем методом перемещений (МП)
. 126

6.1.Основные понятия .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 126

6.2.Определение реактивных усилий в типовых статически

неопределенных балках отединичных перемещений .
.
.
.
.
.
.
.
.
. 132

6.3.Определение реактивных усилий в типовых балках 

от внешней нагрузки
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 139

6.4.Расчет надрезных балок методом перемещений
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 142

Список литературы .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 157

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Строительная механика —
наука о расчете в целом инженерных 

сооружений и конструкций на прочность, жесткость и устойчивость — в этом 
ее отличие от сопротивления материалов, где рассматриваются отдельные 
элементы или простейшие конструкции. Строительная механика базируется на 
математике, физике, теоретической механике, сопротивлении материалов и 
вместе с этим создает фундамент для изучения специальных профильных 
дисциплин и расчета сложных современных строительных сооружений,
разнообразных конструкций не только в строительной отрасли, но и в 
горнодобывающей,
нефтегазовой,
энергетической 
отраслях,
в 

самолетостроении,
кораблестроении и др.
Строительная механика как 

прикладная наука возникла из потребностей строительства, но она непрерывно 
развивается,
совершенствуется,
и сегодня она вышла за рамки своего 

начального предназначения — расчета строительных конструкций. Достижения 
науки и техники,
производства,
сферы быта и обслуживания требуют 

внедрения более совершенных конструкций, сооружений как по дизайну, так и 
по надежности и экономичности. Внедрение высотных зданий, подземных 
сооружений, скоростных дорог, транспортных средств, летательных аппаратов,
надводных и подводных конструкций, различной космической техники и т. д.
требует развития методов расчета и высокой профессиональной инженерной 
подготовки.
Поэтому овладение навыками расчетов,
изучаемых в курсе 

«Строительная механкика», весьма важно в инженерии. 

Круг задач, изучаемых в строительной механике, широк, и в связи с этим 

происходит 
выделение 
новых 
разделов,
которые 
практически 
стали 

самостоятельными 
дисциплинами:
строительная 
механика 
корабля,

строительная механика ракетной и космической техники,
строительная 

механика 
машиностроительных 
конструкций,
строительная 
механика 

самолетов, динамика и устойчивость сооружений и конструкций. Естественно,
процесс развития строительной механики не закончен,
она непрерывно 

совершенствуется и углубляется. С интенсивным внедрением ЭВМ этот 
процесс будет преобразовываться еще, т. к. именно строительная механика,
базируясь на ЭВМ, позволяет инженеру устанавливать все внутренние силы и 
деформации в сооружении и таким образом искать рациональные формы 
конструкции при минимальных затратах.
При этом проектант может 

промоделировать все процессы деформирования конструкции и еще на стадии 
ее проектирования предусмотреть мероприятия, исключающие возниконовение 

опасного 
состояния 
при 
эксплуатации.
Для 
обеспечения 
прочности,

устойчиовости, жесткости конструкций наиболее важным является определение 
внутренних усилий,
которое и является главной задачей строительной 

механики. По внутренним усилиям можно определить размеры сечений 
элементов, оценить прочность, жесткость и устойчивость конструкций. 

Строительная механика — это ключ, дающий инженеру возможность 

создания уникальных надежных конструкций, отличающихся своей легкостью,
экономичностью и смелым дизайном. 

В данном пособии приведены основы расчета конструкций различных 

типов на разные виды нагрузок. Материал изложен доступно и научно 
обоснован.
В 
пособии 
рассмотрены 
многочисленные 
примеры,

которыепозволят студентам самостоятельно овладеть проверенными практикой 
методами расчета. 
 

1. ВВЕДЕНИЕ 

 

Задачи строительной механики 

Строительство 
различных 
сооружений 
(мостов,
тоннелей,

гидротехнических 
плотин 
и др.),
а 
также 
жилых,
общественных 
и 

промышленных зданий ведется по проектам, в которых указываются размеры 
как самого сооружения, так и отдельных его частей. Размеры всех элементов 
определяются путем расчетов, которые излагаются в курсах: 

 

–  сопротивление материалов, 

–  строительная механика, 

–  теория упругости, 

–  теория устойчивости. 

Важное место среди них занимает строительная механика, в которой 

изучаются принципы и методы расчета деформируемых систем, состоящих из 
стержней, а также из пластин и оболочек. При создании методов расчета в 
строительной 
механике 
широко 
используются 
основные 
принципы 

теоретической механики и сопротивления материалов. 

Целью расчетов, проводимых с помощью методов строительной механики,

является определение внутренних усилий в отдельных элементах конструкций,
а также перемещений различных точек системы от действующих на 
сооружение нагрузок. По найденным внутренним усилиям конструкторы 
определяют 
требуемые 
размеры 
элементов,
которые 
обеспечивают 

необходимую прочность при наименьшей затрате материала.
Найденные 

перемещения отдельных точек дают представление об изменении формы той 
или иной системы, т. е. о ее жесткости. Цель расчета на жесткость состоит в 
том, чтобы не допустить больших перемещений, прогибов, горизонтальных 
отклонений, обеспечив тем самым требуемые эксплуатационные показатели 
объекта. 

Кроме расчетов на прочность и жесткость проводятся дополнительные 

расчеты на устойчивость всего сооружения и отдельных его частей, а также 
изучаются колебания конструкций,
чтобы предупредить возникновение 

резонанса, приводящего иногда к разрушению сооружения. 

Таким образом,строительная механика есть наука о принципах и методах 

расчета сооружений на прочность,жесткость и устойчивость при статических и 
динамических 
воздействиях.

Допущения в строительной механике 

Основные допущения, принятые в строительной механике для расчета 

упругих систем, те же, что и в сопротивлении материалов, с той лишь разницей,
что они относятся не к отдельному элементу, а ко всему сооружению в целом. 


Материал сооружения обладает совершенной упругостью, т. е. после 

прекращения действия нагрузки деформации полностью исчезают; 

 перемещения точек сооружения малы по сравнению с размерами самого 

сооружения (расчет сооружений по недеформированной схеме); 


перемещения точек сооружения прямо пропорциональны силам,

вызывающим эти перемещения (соблюдается закон Р. Гука); 

 справедлив принцип независимости действия сил: результат действия на

сооружение группы сил не зависит от последовательности нагружения ими 
сооружений и равен сумме результатов действия каждой из сил в отдельности. 

Понятие расчетной схемы сооружения 

Большинство сооружений имеют сложные соединения составляющих их 

элементов. Расчет такого сооружения как единого целого оказывается весьма 
сложным. Для расчета прибегают к упрощениям, сознательно отказываясь от 
целого ряда сравнительно маловажных факторов, и оперируют упрощенными 
схемами сооружений, называемыми расчетными схемами. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.1 

Расчетная 
схема 
представляет 
собой 
упрощенное 

изображениедействительного 
сооружения.
Выбор 
расчетной 
схемы 
—

ответственная задача. Расчетная схема должна позволить сделать расчет 
сооружения по степени сложности практически приемлемым и в то же время 
должна обеспечить расчету достаточную достоверность и точность. 

 

В
качестве простейшего примера рассмотрим составление расчетной 

схемы для однопролетного моста, представляющего собой стержневую систему 
(рис. 1.1, а). Расчетная схема (рис. 1.1,б) представляет собой простую балку на 
двух опорах. Вес дорожного покрытия, перил и собственный вес несущих 
элементов воздействуют на балку в виде распределенной нагрузки с 
интенсивностью q. 

На рис. 1.2,а показан более сложный пример – рамный мост, для которого 

расчетная схема изображена на рис. 1.2,б. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.2 

На рис. 1.3 показана расчетная схема фермы, в которой отдельные 

элементы (стержни) соединены между собой в узлах с помощью шарниров. На 
практике встречаются, главным образом, фермы, у которых стержни жестко 
скреплены в узлах с помощью сварки, заклепок, болтов. В отдельных случаях,
например в железобетонных фермах, узлы изготавливаются одновременно с 
самими элементами и составляют с ними одно целое. Тем не менее, в 
расчетных схемах ферм обычно предполагается наличие идеальных шарниров в 
узлах. 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3 

 

Классификация расчетных схем 

Классифицировать расчетные схемы сооружений можно по следующим 

признакам: 

 

1. По расположению осей элементов и нагрузок: 
плоские,когда все стержни и нагрузки расположены в однойплоскости 

(рис.1.4); 
 

 

 

 

 

 

Рис. 1.4 

 
 
 
 
 
 
 
 

 

Рис 1.6. 

пространственные,когда стержни расположены в разныхплоскостях (рис. 

1.5,а) или когда нагрузки действуют не в плоскости сооружения (рис. 1.5,б). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.7 

 

2.По виду элементов, образующих сооружение: 

стержневые системы (рис. 1.4, 1.5),которые составлены изэлементов,

имеющих небольшие размеры поперечных сечений по сравнению с их длиной; 
 

тонкостенные 
сооружения,составленные 
из 

элементов,толщинакоторых мала по сравнению с другими размерами (рис. 1.6), 
– это плиты 
 

(рис. 1.6, а) и оболочки (рис. 1.6, б, в). 

 

- массивы –сооружения,имеющие все размеры одного порядка: 
 

массивные фундаменты, подпорные стенки, плотины (рис. 1.7,а,б). 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.8 

 

3. По направлению опорных реакций: 
 

- балочные,у которых при действии вертикальной нагрузки 

возникаюттолько вертикальные реакции опор (рис. 1.4); 
 

распорные,в которых при действии вертикальных нагрузоквозникают 

наклонные реакции (рис. 1.8), — это арки (рис. 1.8,а), рамы (рис. 1.8, 
 

б)и другие. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.8 

 
 
 
 
 
 

4. В зависимости от методов расчета, расчетная схема может быть: 
 

- статически определимой; 
 

- статически неопределимой. 
 

5. По кинематическому признаку: 
 

геометрически неизменяемые,изменение формы которыхпроисходит 

вследствие деформации отдельных элементов (рис. 1.8,а,б); 
 

- мгновенно изменяемые:такие системы допускают бесконечномалые 

перемещения без деформации элементов (рис 1.9,а,б); 
 

геометрически изменяемые,изменение формы которыхпроисходит 

без деформации элементов (рис. 1.9,в), – механизмы. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.9 

 

Мгновенно изменяемые и геометрически изменяемые системы не могут 

быть приняты как расчетные схемы сооружений.