化工厂的塔设备,塔旁悬挂一再沸器。设沿塔高受风压 q ((N/m)),塔高 H ((m)),塔径 D ((m)),再沸器与主塔中心相距为 e ((m)),主塔重 P_1 ((kN)),再沸器重 P_2 ((kN))。试求地面基础处的支座反力。
化工厂的塔设备,塔旁悬挂一再沸器。设沿塔高受风压 $q$ ($\text{N/m}$),塔高 $H$ ($\text{m}$),塔径 $D$ ($\text{m}$),再沸器与主塔中心相距为 $e$ ($\text{m}$),主塔重 $P_1$ ($\text{kN}$),再沸器重 $P_2$ ($\text{kN}$)。试求地面基础处的支座反力。
题目解答
答案
解析
本题考查静力学中物体的受力分析以及支座反力的计算。解题的关键在于对塔设备整体进行受力分析,分别考虑竖直方向、水平方向的力以及产生的弯矩,然后根据力的平衡条件和力矩平衡条件来求解支座反力。
1. 竖直方向受力分析
在竖直方向上,塔设备受到主塔的重力 $P_1$、再沸器的重力 $P_2$ 以及地面基础处的竖直反力 $R_y$。由于塔设备在竖直方向处于平衡状态,根据竖直方向力的平衡条件,即所有竖直方向的力的代数和为零,可得:
$\sum F_y = 0$
$R_y - P_1 - P_2 = 0$
移项可得竖直反力 $R_y$ 的表达式为:
$R_y = P_1 + P_2$
这里 $P_1$ 和 $P_2$ 的单位是 $kN$,所以 $R_y$ 的单位也是 $kN$。
2. 水平方向受力分析
在水平方向上,塔设备受到沿塔高的风压 $q$ 的作用。风压 $q$ 是均匀分布在塔高 $H$ 上的,其合力大小等于风压强度 $q$ 乘以塔高 $H$,即 $qH$。同时,地面基础处会产生一个水平反力 $R_x$ 来平衡这个风压合力。由于塔设备在水平方向处于平衡状态,根据水平方向力的平衡条件,即所有水平方向的力的代数和为零,可得:
$\sum F_x = 0$
$R_x - qH = 0$
移项可得水平反力 $R_x$ 的表达式为:
$R_x = qH$
当 $q$ 的单位是 $N/m$ 时,$qH$ 的单位是 $N$,而通常支座反力的单位用 $kN$ 表示,因为 $1kN = 10^3N$,所以需要将单位进行换算,即 $R_x = \frac{qH}{10^3}kN$。
3. 弯矩分析
为了计算地面基础处的弯矩 $M$,我们需要考虑各个力对基础处产生的力矩。再沸器的重力 $P_2$ 会产生一个绕基础处的力矩,其大小等于再沸器的重力 $P_2$ 乘以再沸器与主塔中心的距离 $e$,即 $P_2e$。风压 $q$ 均匀分布在塔高 $H$ 上,它对基础处产生的力矩可以通过积分来计算。取塔上距离基础处高度为 $x$ 处的一个微元 $dx$,该微元所受的风压为 $qdx$,它对基础处产生的力矩为 $x\cdot qdx$。对整个塔高 $H$ 进行积分,可得风压产生的总力矩为:
$\int_{0}^{H} xqdx$
根据积分公式 $\int x^n dx = \frac{1}{n + 1}x^{n + 1} + C$($n\neq -1$),可得:
$\int_{0}^{H} xqdx = q\int_{0}^{H} xdx = q\cdot[\frac{1}{2}x^2]_0^H = \frac{1}{2}qH^2$
由于塔设备在基础处的总弯矩为零,即所有力对基础处产生的力矩的代数和为零,可得:
$\sum M = 0$
$M - P_2e - \frac{1}{2}qH^2 = 0$
移项可得弯矩 $M$ 的表达式为:
$M = P_2e + \frac{1}{2}qH^2$
当 $q$ 的单位是 $N/m$ 时,$\frac{1}{2}qH^2$ 的单位是 $N\cdot m$,而通常弯矩的单位用 $kN\cdot m$ 表示,因为 $1kN = 10^3N$,所以需要将单位进行换算,即 $M = P_2e + \frac{qH^2}{2\times 10^3}kN\cdot m$。