Кроме способов определения перемещений сечений балок, основанных на интегрировании дифференциального уравнения упругой линии, существуют более удобные для практических целей энергетические методы. Одним из них является способ определения прогибов и углов поворотов сечений при упругих деформациях балок с помощью интеграла Мора. Этот интеграл может быть получен различными путями, и, в частности, исходя из условия равенства работы внешних сил А и потенциальной энергии U, накопленной в деформированной балке.

Определим, например, прогиб в точке С оси балки, нагруженной некоторой системой внешних поперечных сил и пар. Для упрощения промежуточных выкладок представим всю эту нагрузку одной сосредоточенной силой Р (рис. 8.27). Обозначим через δ_PP прогиб балки в точке приложения силы Р, а через δ_CP - искомый прогиб от этой силы в точке С.

При статическом приложении к балке сила Р произведет работу

.

Потенциальная энергия деформации для первого состояния балки, если пренебречь влиянием перерезывающих сил Q на прогибы, может быть подсчитана по формуле (8.22), т. е.

Составляя баланс энергий A=U, получаем

Поступим далее следующим образом. Снимем с балки всю заданную нагрузку и приложим статически в сечении С в направлении искомого прогиба вспомогательную силу, равную по величине единице измерения силы, например, 1Н. От этой единичной нагрузки в сечениях балки возникнут изгибающие моменты M_z¹, а точка C в процессе деформации балки пройдет путь δ_C1 (см. рис. 8.27). Баланс энергий во втором состоянии балки запишется так

Рис. 8.27

Рассмотрим третье состояние, когда к балке, уже нагруженной вспомогательной единичной силой, прикладывается еще и заданная нагрузка Р (см. рис. 8.27). Эта нагрузка вызовет дополнительные деформации балки, причем согласно принципу независимости действия сил дополнительные прогибы будут такими же, как и в первом из рассмотренных состояний балки, когда она нагружена только силой Р. Поэтому работа внешних сил, если подсчитывать ее в последовательности их приложения,

У последнего слагаемого множитель 1/2 отсутствует потому, что к моменту приложения заданной нагрузки единичная сила достигла уже своего конечного значения и в процессе перемещения δ_CP величины своей не изменяет (рис. 8.28).

Изгибающие моменты в сечениях балки в ее третьем состоянии равны суммам изгибающих моментов M_z от заданных нагрузок и M_z¹ от единичной силы, а потенциальная энергия деформации

Рис. 8.28.

Баланс энергий в третьем состоянии

Учитывая выражения для балансов энергий в первом и втором состояниях, получаем

Чтобы левая часть равенства представляла собой непосредственно искомый прогиб балки, нужно разделить обе части этого равенства на вспомогательную единичную силу или считать ее безразмерной. В обоих случаях получаем для определения прогибов балки выражение

где M_z¹ имеет размерность длины.

Задача определения угла поворота сечения С приводит к тому же выражению (8.43). Отличие заключается в том, что в этом случае в сечении С надо прикладывать в направлении искомого углового перемещения единичный момент, а под δ_CP понимать угол поворота сечения в радианах.

В выражении (8.43) интеграл должен быть распространен на всю длину балки. Если балка имеет п участков с различными аналитическими выражениями для изгибающих моментов M_z(x) и M_z¹(x), то в правой части будет стоять сумма интегралов по всем п участкам.

Итак, прогибы и углы поворотов сечений балок могут быть найдены из равенства, называемого интегралом Мора:

где M_z(x) - изгибающий момент в текущем сечении балки от заданной нагрузки; M_z¹(x) - изгибающий момент в том же сечении от единичной силы, если ищется прогиб, и единичного момента, если ищется угол поворота сечения.

Для определения M_z¹(x) надо снять с балки заданную нагрузку (но не удалять опоры) и приложить в том сечении, перемещение которого ищется, в направлении этого перемещения единичную силу или пару. Моменты M_z(x) и M_z¹(x) надо подставлять в интеграл Мора с их знаками. Положительный знак в окончательном выражении означает, что сечение перемещается по направлению приложенной единичной нагрузки, а отрицательный знак показывает, что перемещение происходит в противоположном направлении.

Пример 8.7