Прогибы, углы поворота и изгибающие моменты типовых балок

Справочная таблица формул сопромата для типовых балок постоянного сечения: консоль, шарнирно опёртая балка, балка с двумя защемлениями и балка с защемлением и шарниром под сосредоточенной силой, моментом, равномерно распределённой и треугольной нагрузкой. Максимальный изгибающий момент, прогиб, угол поворота, реакции опор, принцип суперпозиции и допустимые прогибы.

Рекламный блок «после калькулятора» (ads/after-calc.html)

Формулы справедливы для балок постоянного сечения из линейно-упругого материала при малых прогибах. Обозначения: L — пролёт, P — сосредоточенная сила, q — интенсивность распределённой нагрузки (Н/м), M0 — сосредоточенный момент, E — модуль упругости, I — момент инерции сечения относительно нейтральной оси, EI — жёсткость при изгибе. Для произвольных нагрузок и опор с построением эпюр воспользуйтесь калькулятором расчёта балки на изгиб.

Консоль (защемление слева, свободный конец справа)

НагрузкаMmax (в заделке)Прогиб конца fУгол поворота конца θ
Сила P на концеPLPL³ / (3EI)PL² / (2EI)
Сила P на расстоянии a от заделкиPaPa²(3L − a) / (6EI)Pa² / (2EI)
Равномерная нагрузка q по всей длинеqL² / 2qL⁴ / (8EI)qL³ / (6EI)
Треугольная нагрузка, q у заделки, 0 на концеqL² / 6qL⁴ / (30EI)qL³ / (24EI)
Треугольная нагрузка, 0 у заделки, q на концеqL² / 311qL⁴ / (120EI)qL³ / (8EI)
Момент M0 на концеM0M0L² / (2EI)M0L / (EI)

Реакции заделки: вертикальная сила равна суммарной нагрузке, реактивный момент — Mmax.

Шарнирно опёртая балка (на двух опорах)

НагрузкаРеакцииMmaxfmaxθ на опорах
Сила P в серединеP/2, P/2PL / 4PL³ / (48EI)PL² / (16EI)
Сила P на расстоянии a от левой опоры (b = L − a)Pb/L, Pa/LPab / L (под силой)под силой: Pa²b² / (3EIL)θA = Pab(L + b) / (6EIL)
Две силы P на расстоянии a от опорP, PPa (между силами)Pa(3L² − 4a²) / (24EI)Pa(L − a) / (2EI)
Равномерная нагрузка qqL/2, qL/2qL² / 85qL⁴ / (384EI)qL³ / (24EI)
Треугольная нагрузка от 0 до qqL/6, qL/3qL² / (9√3) ≈ 0,0642 qL² при x = L/√3≈ 0,00652 qL⁴ / EI при x ≈ 0,519L7qL³ / (360EI), 8qL³ / (360EI)
Момент M0 на правой опоре±M0/LM0M0L² / (9√3 EI) при x = L/√3M0L / (6EI) слева, M0L / (3EI) справа

При силе не в середине максимальный прогиб находится не под силой, а ближе к середине пролёта: при a > b он равен Pb(L² − b²)3/2 / (9√3 EIL) в точке x = √((L² − b²)/3) от левой опоры.

Рекламный блок «внутри статьи» (ads/in-article.html)

Балка с двумя защемлёнными концами

НагрузкаМомент в заделкахМомент в пролётеfmax
Сила P в серединеPL / 8PL / 8PL³ / (192EI)
Равномерная нагрузка qqL² / 12qL² / 24qL⁴ / (384EI)

Балка с защемлением и шарнирной опорой

НагрузкаРеакции (заделка, шарнир)Момент в заделкеНаибольший момент в пролётеfmax
Сила P в середине11P/16, 5P/163PL / 165PL / 32 (под силой)PL³ / (48√5 EI) ≈ 0,00932 PL³ / EI на расстоянии L/√5 от шарнира
Равномерная нагрузка q5qL/8, 3qL/8qL² / 89qL² / 128 на расстоянии 3L/8 от шарнираqL⁴ / (185EI) на расстоянии ≈ 0,4215L от шарнира

Защемление уменьшает прогиб: при равномерной нагрузке балка с двумя заделками прогибается в 5 раз меньше шарнирной, а с одной заделкой — примерно в 2,4 раза меньше. Но в заделке возникает момент, а реальные «жёсткие» заделки всегда немного податливы, поэтому в расчётах их идеальность лучше не переоценивать.

Принцип суперпозиции

Для линейно-упругой балки прогибы, углы, моменты и реакции от нескольких нагрузок складываются. Например, шарнирная балка с равномерной нагрузкой q и силой P посередине прогибается на f = 5qL⁴/(384EI) + PL³/(48EI).

Пример

Деревянная балка перекрытия 50×200 мм (сосна, E = 10 ГПа) пролётом 4 м, нагрузка 1,5 кН/м. Момент инерции I = bh³/12 = 0,05·0,2³/12 = 3,33·10⁻⁵ м⁴. Прогиб f = 5·1500·4⁴/(384·10¹⁰·3,33·10⁻⁵) ≈ 0,015 м = 15 мм, то есть L/267. Момент M = 1500·16/8 = 3 кН·м, момент сопротивления W = bh²/6 = 3,33·10⁻⁴ м³, напряжение σ = M/W = 9 МПа.

Допустимые прогибы

Типичные предельные значения (точные — по СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия» с учётом пролёта и назначения):

ЭлементПредельный прогиб
Балки перекрытий, видимые снизу (пролёт 3–6 м)L/150 – L/200
Перекрытия под оштукатуренным потолком или плиткойL/250 – L/350
Подкрановые балкиL/400 – L/600
Валы и оси машин (под шестернями)0,0002–0,0003 L
Консоли (вылет Lк)как для пролёта 2Lк
Рекламный блок «внизу страницы» (ads/bottom.html)