Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Расчет крепи капитальных горных выработок

..pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
16.09 Mб
Скачать

в требовании симметричности нагрузки относительно оси начала отсчета угла 0 . Это ограничение, существенно упрощая решение*, не делает его менее общим, так как решение легко может быть рас­ пространено и на случай несимметричной нагрузки.

Коэффициенты разложения рядов (18.1) и (18.2) в общем случаене являются произвольными, а связаны условиями равновесия. Потребуем, чтобы проекции всех сил на оси а; и у (рис. 74) и сумма, моментов относительно центра были равны нулю:

} \Pa)Ri -

РШК„) sin © + (qa,Ri - q(a,R 0) cos @]d@= 0;

 

(i8 -3>

j [(PtuRi -

PWR 0)cos © - (q(1>Ri — qwRo)sin 0] dQ = 0;

0

2K

 

 

j (q(1>Rl-q(0>Ba0)de = 0

 

0

Подставляя в эти уравнения выражения (18.1) и (18.2) после пре­ образований, нетрудно установить, что первое и третье условие удо­ влетворяются тождественно^ а вто­ рое приобретает вид:

(р ? > - 9 Ш ) R ± = { р т _ ? с « } л о>

( 1 8 . 4 )

 

В наиболее распространенном слу­

 

чае, когда

рассматриваемое кольцо

 

является промежуточным слоем мно­

 

гослойной крепи, внутренний контур

 

сечения которой свободен

от напря­

 

жений, из условия (18.4) следует, что

 

во всех слоях, начиная с внутреннего,

 

соблюдается соотношение

 

 

 

 

 

 

Рис. 74.

Схема к расчету кругового*

=

(7 = 0 , 1 ,

. ) .

( 1 8 . 5 )

кольца

Напряженное состояние кольца. Представим граничные условия

для рассматриваемого кольца в следующем виде:

 

при r = R }

(/ = 0,1)

 

о ,— *тг0 = PU)iqul

(18.6)

Преобразуем тригонометрические

ряды (18.1) и (18.2)

в ряды

по степеням е согласно известным соотношениям:

 

cos к0 = у (eihQ+ e~ikQ)\

 

t

 

(18.7)

sin &0 = у (eikQе~т )

 

151

и подставим полученные выражения в условия (18.6). В результате граничные условия приобретают следующий вид:

 

ar— ixrQ= 2

■4*Vh0,

(18.8)

 

 

 

к=-со

 

 

где

= j (pi/} д(кП)

при к >

0;

 

 

-4ft5 = (p{k

+

q№)

при к < 0;

 

 

Ар=р<<>,

А < $ = р р ; А[» = 0.

 

Воспользуемся далее известным соотношением для компонентов

напряжений в упругой области

[126]:

 

 

 

<Jr— Пгэ = Ф +

Ф - * 1е(гФй+ Ч'),

(18.9)

где Ф и ?

— функции Колосова комплексной переменной я, связан­

ной с полярными координатами зависимостями

 

 

z = reie;

z = re-*0.

(18.10)

.Дальнейшая задача заключается в отыскании функций Колосова, которые в данном случае однозначны (не содержат логарифмических членов) и не зависят от коэффициента Пуассона и модуля упругости материала кольца.

Представим функции Колосова в виде рядов по степеням z

Ф (г) = £ ahzb;

Ч'(а) = 2 bkzh

(18.11)

- 0 0

- С О

 

и подставим их в выражение (18.9) с учетом равенств (18.10). Полу­ ченное выражение подставим в граничные условия (18.8), которые

ъ результате

этого приобретут следующий

вид:

 

 

00

_

 

 

оо

 

 

2 1 ( 1 - * ) akrk+ a.kr~k — Ьа_27 *~2] e£fte =

2 A % tk*

 

 

при г= Д ,. (/ = 0, 1).

 

 

 

(18.12)

Сравнение членов, не зависящих

от 0 ,

дает два уравнения:

 

а0+ а 0- Ъ :гВ ?=ри >

(/ =

0,

1).

 

(18.13)

Сравнение

членов при ет дает (при к =

± 1 ,

± 2 ,

. .)

(1 -

/с) акЩк + a_ltRl - Ьк. ^ ~ 2 = А{Р

(/ =

0, 1).

(18.14)

152

Далее проделаем следующую операцию. Умножим: уравнения (18.14) на и вычтем из второго (/ = 1) первое (/ = 0). В резуль­ тате получим

(1 - к) (R\ - R%) ak+ (Д и л - R*-*)

=

=

(18.15)

Изменим в этом уравнении знак индекса к и возьмем сопряженные' значения коэффициентов а, тогда

(1 + ft) (R\ - Ro)a_k + (i? f2fe - R*+*k) ak = A%*Rl+k - Ai%'R20+k. (18.16)

Уравнения (18.15) и (18.16) составляют систему, из которой можно*

определить коэффициенты ак и а_к функции Ф (z). Нетрудно устано­ вить, что эта система разрешима при к Ф 0 и к =f* 1.

При к = 0 (задача Ляме) оба уравнения сливаются в одно:

(Л1! - Ло) К + а0) = p ^ R l - р<*>R 5

(18.17).

Отсюда

 

 

а0“1~ ао=

рР Щ - рР'Щ

(18.18)

R I-R *

Поскольку функция Ф (z) определяется с точностью до мнимой: постоянной, то можно принять

__

1

Pfi1)c2 — PQ0)

а0

-

2

5TZ1

Из уравнений (18.13) непосредственно следует

h

-2

/^ (1 )

~С0)\ Л 1

 

\Ро

—Ро ) 7а—1 *

При /с = 1 функция Колосова (18.11) имеет вид:

ф (z) = axz + a^z"1.

Найдем комплексный потенциал

(18.19>

(18.20)

(18.21>

ср (z) = J Ф (z) dz =

-у -+ ах In z + С.

(18.22>

Но, как отмечалось выше, в нашей задаче логарифмического члена быть не может, так как главный вектор внешних усилий равен нулю. Следовательно, а_г = 0. Из уравнения (18.16) найдем

1

/>j1)c3 — рО»

(18.23)

0,1 ~

Ro

с4 — 1

 

Подставляя это значение в уравнения (18.14),

получим

b-s = R \ ^

CD. - р[0)с

(18.24)

С&—‘1

153

При к ^ 2 система уравнений (18.15) и (18.16) разрешима. •Зная коэффициенты Ф (z)Tиз уравнения (18.14) нетрудно определить коэффициенты функции Ч' (z). Приведем окончательные выражения:

аь = -щ ; {Р?'ск (Л+ ft) -

fff’c* (к + 2 - g„) -

/ Г (кс2*'2 +

gk) +

 

+ 9H (fc +

2)ca*-s -& ]} ;

 

 

a .k =

£ - {-p £ > (кс* +

ft) -

[<*-

2) caft- f t ]

+

 

+ Рк°'ск~а(к +

c*gk) -f q<g'ck- * ( k ~ 2 — ^ c 2)};

(18.25)

 

{-к р £ > c«(k + c*qk) +

q£>ck [A2 _ c*gk (к -

2)] +

+

Ы °’ (*c2ft + ft) + ^ 0> P — 2) ft — kzc*]}\

 

f_k_2 =

{ - M .u(ft +- fee**'"*)-

gi" [fcV*-2 ~(k + 2)gk]+

4- kptf'c*-3 (gk +

&)— gL0)cfe"2 [(/c 4- 2) & — /с2)},

 

тде

k

 

 

 

 

 

 

ft = - i z r ;

=

(c2— 1 )I s iкгс2к~2].

 

Напряженное состояние кольца определяется известными выра­

жениями:

 

 

____

 

 

 

 

ог + 0 &= 2 [Ф (z) + Ф(7)1 = Re [Ф («)];

(18.26)

ст9 — ar 4 - 2iTre — 2 [гФ* (z) 4- XF (z)] e*19.

Знак Re здесь означает, что берется вещественная часть. Подставляя в эти выражения значения функций Колосова (18.11) и пользуясь для разделения вещественных и мнимых частей формулой Моавра

 

е±ые __coS /с0 -4- 1sjn /с@?

(18.27)

окончательно получаем:

 

Огк) =

[—(к —2) akrk + (к + 2) a_kr~!e — Ьк^ гк~2— b_ft_2r~*_a1 cos кв;

 

 

(18.28)

Ов1=

[(* 4- 2) акгк— (к — 2) a.*r-ft4- bk_„rh~2+ Ь_к_гг~к~Ц cos /св;

 

= 1 к (акгк4- а .кг~к) 4- Ьк_2гкт2 — Ь_к. 2г~к~2]sin Ш (к

0),

где значения коэффициентов определяются выражениями (18.19), (18.20), (18.23) - (18.25).

Очевидно, суммарные напряжения в кольце при нагрузках (18.1)

и (18.2)

 

Оц = 2> о(1?\

(18.29)

&=0

 

*154

Рассмотрим наиболее характерные частные значения напряже­ нии.

При к = 0: oJP

=

[cVo1)- K

, ± (P <o1,- H w) 5 - ] ;

(18.30)

на внутреннем контуре кольца (при г =

Д 0):

 

of?--

- i — [2<*Pp

- p

+

1)р Н ;

(18.31)

 

Ог0) =Ро0>;

т<»в'=

0;

 

 

на наружном контуре кольца (при г = Hj):

 

Og>:

75= 1 ^

1)рв“ —2р И ;

(18.32)

 

о^ - р *.1»; т<вв> =

0.

 

 

При ft = 1:

( . c 3 p p > — о ш — _ L _

° r U o

C4 — 1

 

c3jy<D — p ( 0 )

° p - ( 3 - k

c 4 — 1

TfMir

C4 — 1

 

Д ?

r3

+* L

3

r s

Rl

r 3

B p ( i ) _

c p (0 )

 

 

C4 — 1

 

 

p f 1 ’ —

CjD}«)

(18.33)

 

c 4

1

.

p m _

c p ( 0)

 

 

 

 

 

 

C4 — 1

 

на внутреннем контуре кольца

(при г = i?0):

 

 

 

о)1*= pj®’ cos 0;

 

 

 

 

о’о1’ "

4e3p(1>— (3+e4) pi0>

cos 0;

(18.34)

 

 

C4 — 1

 

 

 

^r0==pio,sin®;

 

 

 

на наружном контуре кольца (при г = i?i):

 

 

 

 

а£° = рр* cos

 

 

 

 

 

„ „ , _ №

н ^

= м

е . соав

(18.35)

 

 

 

С4—1

 

 

 

 

т,'.1^ = р[и sin 0.

 

 

 

При ft >

2 на внутреннем контуре кольца

(г = Д 0):

 

°© ’ =

{ - 2 W c * (c°fe ~

1) +

2rf»«* [2c*ft -

ft (c2ft + 1)] +

 

+ P?’ (c- ~

1) fen + fe2c8ft-a) - 2 # ' [ft (cik + 1 ) - 2&c2fe~2]} cos ft©;

(18.36)

 

off = pi®’ cos ft0;

=

qjt}sin ft©;

 

155

на наружном контуре (при г =

Д х):

 

<#> = -Щ-[(с2 - 1 ) k-cik~2+

gft] + 2#> [gk (C*k + 1) - 2fcc2*j -

2kpj?)ck~2gk (c2 — 1) + 2qk}ck~2 [/c(c*teH-1)

2gk]} cosШ; (18.37)

Ork} = piil ,cos /c0;

x ' ^ ^ ^ s i n

/сб.

В частном случае при к = 2 тангенциальные нормальные напря­

жения на внутреннем контуре кольца (г = R 0)

составляют

°в9’ = -

(Со — 1)Г

(с2 + 1 ) -

4д?*] с2- Р Г

[(с2 + 1)2 +

4с2] +

 

+

2<?а0) 1(с2 + 1)2 - 2]} cos 20.

 

(18.38)

Деформированное

состояние

кольца.

Перемещения

в кольце

при нагрузках (18.1),

(18.2) определим

из следующего

известного

в теории

упругости соотношения:

 

 

 

 

2G (и +

iv) — е“10 [кср (z) —ztp* (z) — я|э (z)],

(18.39)

в которое входят комплексные потенциалы, связанные с функциями Колосова (18.11) зависимостями:

Отсюда:

ф (z) =

J ф (z) dz;

ф (z) =

J 4я (z) dz.

(18.40)

ф (2)=-2

 

 

 

 

 

 

(18.41)

 

 

 

со * +

I z*+1+

с;

 

 

^ (2 )= 2 т т

г 2*+1+С1

 

 

Представим перемещения в виде рядов:

 

 

 

оо

 

оо

 

 

 

u =

2 w * c

o s / c 0v =; 2 ivhsin№,

(18.42)

 

fi-О

 

ft-1

 

 

тогда с учетом выражений (18.7) можно записать

 

 

 

и + 1В = 2

B u e ih Q

,

(18.43)

где

 

 

- с о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вк = Щ ! * - ;

В .к = * * = р - (А > 0),

 

 

 

 

 

2

 

 

Подставим значения комплексных потенциалов ср (z) и я|> (z) (18.41) ;в уравнение (18.39) с учетом выражений (18.42) и (18.43). Приравни­ вая коэффициенты цри одинаковых степенях е, получаем:

и . JL. v .

усL

a,iГ

r k+1

_ а

,7

“ fe+1

JЬ~к~2-

j

J>

.

Щ « vk —

Q [К к+1

*

ъ-й

I

/с+1

>

 

щ —Vk=

. г

-

 

 

 

 

,

 

r*-1]

(18.44)

— -g- [и - g j - r-fc+1 +

akrkn +

 

 

 

 

(* =

0 ,2 ,3 ,

..)•

 

 

 

 

Окончательные выражения для перемещений получим, подставляя в уравнения (18.44) значения коэффициентов ak и \ (18.19), (18.20), (18.23) - (18.25).

При к = 0

“ ■ " - /.с ( / . - 1 )

К

’ [ < - < . - 1 > + * ( Л ) * ] - , Г

[ я - Ц - 2 ( Л ! . ) !] } ;

на внутреннем контуре кольца

(при г =

Д 0)

(18.45)

 

“о =

4g f f _ i )

IPo1^ 2 (к + 1 ) - р Г

(и -

1 + 2с2)];

(18.46)

на наружном контуре (при г =

R t)

 

 

 

и«= 4 ё > - 1 ~

(« — !) + 2]

 

(Н +1)}.

(18.47)

При к = 1

смещения на внутреннем контуре кольца

(г = Д 0):

“ i +

-

2G

И " » *

( я + 1 ) — г '! ’ ( я + с*)|;

(18.48)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-G W = W |р“ с’ - р" ’+ С|:

 

 

на наружном контуре (при г =

7?a):

 

 

 

“i +® i =

2g (f/-TT) fpi” (ис4 + !) - P i° >c (* + !)];

(18.49)

“i -

=

g (H J T )- [Pil)c3 ~

Pim + C],

 

 

 

где С -г- постоянная интегрирования (жесткое перемещение кольца).

При к ^ 2

смещения на внутреннем контуре кольца

(г =

Д 0) со­

ставляют:

 

 

 

 

 

щ +

»k = 2 (A.+^

g-д - {Рк'ск (к + g,t) - q № k (k + 2 - g k) —

- 1 С (kc*k-*-\-gk +

Dk) + qV>[(k + 2)c*k-* ~ g k- D

k]};

(18.50)

Uk- V* =

2 w = b m

W

M * ^ * * * ) - ^ u r * - ( * - 2) c2Ai -

-p * w [C*k~* (к + c°-gk)-£>*] + q\? [c2ft-3 (2 — * + &c2) -

Z)*]},

157

отсюда

Uk

AG (A-2— 1) O h {^ P k 1>c* 1 & (1 + c aft) +

f t ( c2 + 1 ) ] —

qu'ck [—k? (ctb — l)+ ft (cafe + 1 ) + 2gkc2] —p£*> [2fc2caft-a+

kgk (1 + c2ft)-f-

+ ft (cs* — 1)

2Z>fe] -f- qj?> [7c [2c2ft“a + gk (c2k - 1)

- 2Dk} +

gk (c2ft 4-1)]}.

 

 

 

(18.51)

Смещения на наружном контуре кольца (при г — R x) составляют:

 

Пк + У* = T G(k + l)D k ДО” Р + ft) с*к~

D k\ -

 

—(/A1*[cik (к +

2 - f t ) + ДА]-рЛ"с* (Тсс2*'2+ g ft) +

ql*'ck [(* + 2) c ^ - f o ] ) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(18.52)

uk~ v k= 2G(V-Z i)D k W ” lftc* + ft +

~ #

’lft -

(A■- 2) ca*+

Dk\ -

отсюда

 

- p l n < * *

( к

+ c * g k ) +

q p c * - * (c 2 g k - к +

2 )},

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

иЬ ~

4C (/.-2—1) Dk

 

+

^cft (c*ft + 1) — ft (c*fc — 1) + 2^ftl —

 

-

qP> [A: [2c8*-

ft (c** - 1 ) +

2Dk\ + gk (c* + 1)] -

 

 

 

- kp\?'ck~*[7c (c* + 1 ) + gk (c2 + 1 )] +

 

 

где

 

+ Як°'ск-21 к2 (caft- 1 ) +

к (csfe + 1 ) + 2^]},

(18.53)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно,

суммарные

смещения

кольца

при

нагрузках

(18.1)

и (18.2)

составляют:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОО

 

 

 

ОО

 

 

 

 

 

и = 2

ukcos А0;

v = 2 vKsin А©.

 

(18.54)

 

 

/i=0

 

 

 

й -1

 

 

 

Напряженно-деформированное состояние упругой плоскости с кру­ глым отверстием. Рассматривая упругую плоскость с круглым отверстием как бесконечно толстое кольцо (Д х -> оо)у на основании вышеизложенного нетрудно получить следующие выражения для напряжений и смещений на контуре отверстия (при г = R 0):

 

Ое0> = 2р£°°) —Ро0);

(18.55)

(*е} = - ( - 4 р<°°> +

- 2giM) cos 20;

(18.56)

o ek)< =

(pl?>-2 q j* i)cosk&

(А > 3);

(18.57)

«о =

Й ~

(« + ! ) -

2Ро0,1;

(18.58)

«2 =

[6р£°°>(х + 1 ) - p'2w (Зк +1) + ?20) (Зк— 1)]; (18.59)

“* +

"*------2(Г+1Гб (^ 0) +

< ) :

 

 

 

 

(18.60)

Uk ~ vk = -

2 & = Ц в

(^ 0)~

^

uft = - 46( f c i )

(P H

(* + 1 ) (х +

1 ) - 2

] - g£w [(/с+ 1 ) (и + 1 ) - 2ft]}.

 

 

 

 

(18.61)

Представляет интерес напряженно-деформированное состояние упругой плоскости, в которой отверстие образуется после приложе­ ния нагрузки на бесконечности. Вследствие линейности напряжения в плоскости остаются такими же, как и в предыдущем случае, и на

контуре выреза определяются

выражениями (18.55) — (18.57). Что

касается

перемещений,

то они,

согласно принципу

И. В. Родина

(см. § 6),

вызываются

снимаемыми напряжениями,

т. е. напряже­

ниями, равными действовавшим в плоскости по контуру отверстия до его образования и противоположно направленными. Для опре­ деления перемещений рассматривается эквивалентная расчетная схема — упругая плоскость с отверстием, свободная от напряжений на бесконечности и нагруженная снимаемыми напряжениями по контуру отверстия.

Пусть плоскость загружена на бесконечности усилиями:

 

Р = Роот) + Р*т) cos 2®;

(18.62)

 

q = —p(°°>sin 20,

 

 

неэквивалентно нагружению усилиями Q и XQ (см. рис. И ), причем

 

pico)=<?1 ^

;

 

(18.63)

В этом случае снимаемые нагрузки составляют!

 

 

Рси = Pim>—pim) cos 20;

(18.64)

 

tfai =

 

sin 20.

 

 

 

 

 

Перемещения на контуре отверстия получим на основании выра­

жений (18.58) и

(18.59):

 

 

 

 

 

u0 =

- l t ( P i m)-

Ро'У,

(18.65)

 

 

= w

-

Р

( 3х+ *

> + ~ ы

(18-66>

В этих формулах учтен отпор, создаваемый крепью и составляющий:

pC«= p«®)+ p(o,GOa20;

(18.67)

qm = q<j0) sin 20.

159

В заключение заметим, что при представлении радиальных нагрузок рядом по sin кВ, а касательных — рядом по cos кВ, можно ис­ пользовать полученные выше соотношения, при этом следует изме­ нить знак при qk и у на противоположный, а функции sin кВ заменить на cos кВ и наоборот.

§ 19. РАСЧЕТ СОСТАВНЫХ КОЛЕЦ

Общие решения задачи о расчете упругих составных колец рас­ смотрены в работах С. Г. Михлина [122], Г. Н. Савина [152], Д. В. Вайнберга [38]. В общем случае при неравномерной нагрузке расчет составного кольца заклю­ чается в решении системы ура­

внений, следующих из

условий

на

контактах слоев.

Исключе­

ние

составляет предложенный

Д. В. Вайнбергом метод началь­ ных параметров, согласно кото­ рому задача сводится к последо­ вательному определению парамет­ ров нагрузок и перемещений на контактах слоев.

Ниже изложен метод расчета составного кругового кольца при произвольных нагрузках, прило­ женных к наружному и внутрен­ нему контурам, заключающийся в определении компонентов напря­ жений на контактах слоев с по­ мощью коэффициентов передачи нагрузок, вычисляемых по рекурентным формулам. Расчет каж­ дого слоя при известных условиях

на контактах производится по формулам предыдущего параграфа. Рассмотрим кольцо S, ограниченное концентрическими окруж­

ностями Ь ь и Ln радиусов R 0 и R n (Д 0 < R n) с центром в начале ко­

ординат. Кольцо состоит из

п концентрических слоев

S £ (1 ^ i ^

^ п), вложенных без зазора друг в друга (рис. 75).

 

Рассмотрим два сопряженных слоя S£TnSi+l. На контакте между

ними возникают напряжения:

 

р а >=

2 /^ * cos кВ;

 

* .

( 1 9 - 1 )

= 2

к

причем коэффициенты разложения при i = 0 и i — п заданы (на­ грузки на контурах L 0 и Ьп).

т

Соседние файлы в папке книги