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1 第九章压杆稳定 2 9 1压杆稳定性的概念 实际的受压杆件 实际的受压杆件由于 其轴线并非理想的直线而存在初弯曲 2 作用于杆上的轴向压力有 偶然 偏心 3 材料性质并非绝对均匀 因此在轴向压力作用下会发生弯曲变形 且由此引起的侧向位移随轴向压力的增大而更快地增大 第九章压杆稳定 3 对于细长的压杆 大柔度压杆 最终会因为弹性的侧向位移过大而丧失承载能力 对于中等细长的压杆 中等柔度压杆 则当侧向位移增大到一定程度时会在弯 压组合变形下发生强度破坏 压溃 对于实际细长压杆的上述力学行为 如果把初弯曲和材质不均匀的影响都归入偶然偏心的影响 则可利用大柔度弹性直杆受偏心压力作用这一力学模型来研究 第九章压杆稳定 4 图a为下端固定 上端自由的实际压杆的力学模型 为列出用来寻求F d关系所需挠曲线近似微分方程而计算横截面上的弯矩时 需把侧向位移考虑在内 即M x F e d w 这样得到的挠曲线近似微分方程EIzw F e d w 和积分后得到的挠曲线方程便反映了大柔度杆偏心受压时侧向位移的影响 第九章压杆稳定 a 5 按照这一思路求得的细长压杆在不同偏心距e时偏心压力F与最大侧向位移d的关系曲线如图b所示 第九章压杆稳定 b 由图可见虽然偶然偏心的程度不同 e3 e2 e1 但该细长压杆丧失承载能力时偏心压力Fcr却相同 其它杆端约束情况下细长压杆的F d关系曲线其特点与图b相同 6 抽象的细长中心受压直杆 由图b可知 当偶然偏心的偏心距e 0时 细长压杆的F d关系曲线就逼近折线OAB 而如果把细长压杆抽象为无初弯曲 轴向压力无偏心 材料绝对均匀的理想中心压杆 则它的F d关系曲线将是折线OAB 第九章压杆稳定 7 由此引出了关于压杆失稳 buckling 这一抽象的概念 当细长中心压杆上的轴向压力F小于Fcr时 杆的直线状态的平衡是稳定的 当F Fcr时杆既可在直线状态下保持平衡 d 0 也可以在微弯状态下保持平衡 也就是说F Fcr时理想中心压杆的直线平衡状态是不稳定的 压杆在轴向压力Fcr作用下会丧失原有的直线平衡状态 即发生失稳 Fcr则是压杆直线状态的平衡由稳定变为不稳定的临界力 criticalforce 第九章压杆稳定 8 从另一个角度来看 此处中心受压杆的临界力又可理解为 杆能保持微弯状态时的轴向压力 显然 理想中心压杆是有偶然偏心等因素的实际压杆的一种抽象 第九章压杆稳定 9 细长中心受压直杆失稳现象 第九章压杆稳定 10 压杆的截面形式及支端约束 压杆的临界力既然与弯曲变形有关 因此压杆横截面的弯曲刚度应尽可能大 图a为钢桁架桥上弦杆 压杆 的横截面 图b为厂房建筑中钢柱的横截面 在可能条件下还要尽量改善压杆的杆端约束条件 例如限制甚至阻止杆端转动 第九章压杆稳定 11 9 2细长中心受压直杆临界力的欧拉公式 本节以两端球形铰支 简称两端铰支 的细长中心受压杆件 图a 为例 按照对于理想中心压杆来说临界力就是杆能保持微弯状态时的轴向压力这一概念 来导出求临界力的欧拉 L Euler 公式 第九章压杆稳定 a 12 在图a所示微弯状态下 两端铰支压杆任意x截面的挠度 侧向位移 为w 该截面上的弯矩为M x Fcrw 图b 杆的挠曲线近似微分方程为 第九章压杆稳定 b a 上式中负号是由于在图示坐标中 对应于正值的挠度w 挠曲线切线斜率的变化率为负的缘故 13 令k2 Fcr EI 将挠曲线近似微分方程 a 改写成 该二阶常系数线性微分方程 b 的通解为 b c 第九章压杆稳定 此式中有未知量A和B以及隐含有Fcr的k 但现在能够利用的边界条件只有两个 即x 0 w 0和x l w 0 显然这不可能求出全部三个未知量 这种不确定性是由F Fcr时杆可在任意微弯状态下 d可为任意微小值 保持平衡这个抽象概念所决定的 事实上 对于所研究的问题来说只要能从 c 式求出与临界力相关的未知常数k就可以了 14 将边界条件x 0 w 0代入式 c 得B 0 于是根据 c 式并利用边界条件x l w 0得到 第九章压杆稳定 c a 注意到已有B 0 故上式中的A不可能等于零 否则 c 式将成为w 0而压杆不能保持微弯状态 也就是杆并未达到临界状态 由此可知 欲使 c 成立 则必须sinkl 0 15 满足此条件的kl为 或即 由于意味着临界力Fcr 0 也就是杆根本未受轴向压力 所以这不是真实情况 在kl 0的解中 最小解kl p相应于最小的临界力 这是工程上最关心的临界力 第九章压杆稳定 由kl p有 亦即 16 从而得到求两端铰支细长中心压杆临界力的欧拉公式 此时杆的挠曲线方程可如下导出 前已求得B 0 且取kl p 以此代入式 c 得 第九章压杆稳定 注意到当x l 2时w d 故有A d 从而知 对应于kl p 亦即对应于Fcr p2EI l2 挠曲线方程为 可见此时的挠曲线为半波正弦曲线 17 需要指出的是 尽管上面得到了A d 但因为杆在任意微弯状态下保持平衡时d为不确定的值 故不能说未知量A已确定 事实上 在推导任何杆端约束情况的细长中心压杆欧拉临界力时 挠曲线近似微分方程的通解中 凡与杆的弯曲程度相关的未知量总是不确定的 第九章压杆稳定 a 18 思考 在上述推导中若取kl 2p 试问相应的临界力是取kl p时的多少倍 该临界力所对应的挠曲线方程和挠曲线形状又是怎样的 第九章压杆稳定 19 9 3不同杆端约束下细长压杆临界力的欧拉公式 压杆的长度因数 现在通过二个例题来推导另一些杆端约束条件下求细长中心压杆临界力的欧拉公式 第九章压杆稳定 20 例题9 1试推导下端固定 上端自由的等直细长中心压杆临界力的欧拉公式 并求压杆相应的挠曲线方程 图中xy平面为杆的弯曲刚度最小的平面 亦即杆最容易发生弯曲的平面 第九章压杆稳定 21 解 根据该压杆失稳后符合杆端约束条件的挠曲线的大致形状可知 任意x横截面上的弯矩为 杆的挠曲线近似微分方程则为 这里 等号右边取正号是因为对应于正值的 d w 亦为正 将上式改写为 第九章压杆稳定 22 并令有 此微分方程的通解为 从而亦有 根据边界条件x 0 w 0得Ak 0 注意到不会等于零 故知A 0 从而有w Bcoskx d 再利用边界条件x 0 w 0得B d 于是此压杆的挠曲线方程成为 第九章压杆稳定 23 至此仍未得到可以确定隐含Fcr的未知量k的条件 为此 利用x l时w d这一关系 从而得出 从式 a 可知d不可能等于零 否则w将恒等于零 故上式中只能coskl 0 满足此条件的kl的最小值为kl p 2 亦即从而得到求此压杆临界力的欧拉公式 b 亦即 第九章压杆稳定 24 以kl p 2亦即k p 2l 代入式 a 便得到此压杆对应于式 b 所示临界力的挠曲线方程 第九章压杆稳定 25 例题9 2试推导下端固定 上端铰支的等直细长中心压杆临界力的欧拉公式 并求该压杆相应的挠曲线方程 图 a 中的xy平面为杆的最小弯曲刚度平面 第九章压杆稳定 a 26 解 1 在推导临界力公式时需要注意 在符合杆端约束条件的微弯状态下 支座处除轴向约束力外还有无横向约束力和约束力偶矩 在推导临界力公式时这是很重要的一步 如果在这一步中发生错误 那么得到的结果将必定是错误的 第九章压杆稳定 b 图b示出了该压杆可能的微弯状态 与此相对应 B处应有逆时针转向的约束力偶矩MB 并且根据整个杆的平衡条件 MB 0可知 杆的上端必有向右的水平约束力Fy 从而亦知杆的下端有向左的水平约束力Fy 27 2 杆的任意x截面上的弯矩为 从而有挠曲线近似微分方程 上式等号右边的负号是因为对应于正值的w 为负而加的 第九章压杆稳定 b 28 令k2 Fcr EI 将上式改写为 亦即 第九章压杆稳定 此微分方程的通解为 从而亦有 式中共有四个未知量 A B k Fy 29 对于此杆共有三个边界条件 由边界条件x 0 w 0得A Fy kFcr 又由边界条件x 0 w 0得B Fyl Fcr 将以上A和B的表达式代入式 a 有 第九章压杆稳定 a 再利用边界条件x l w 0 由上式得 30 由于杆在微弯状态下保持平衡时 Fy不可能等于零 故由上式得 满足此条件的最小非零解为kl 4 49 亦即 从而得到此压杆求临界力的欧拉公式 亦即 第九章压杆稳定 31 3 将kl 4 49 亦即k 4 49 l代入式 c 即得此压杆对应于上列临界力的挠曲线方程 利用此方程还可以进一步求得该压杆在上列临界力作用下挠曲线上的拐点在x 0 3l处 图b 第九章压杆稳定 b 32 压杆的长度因数和相当长度 第九章压杆稳定 33 表9 1中列出了几种典型的理想杆端约束条件下 等截面细长中心受压直杆的欧拉公式 从表中可见 杆端约束越强 压杆的临界力也就越高 表中将求临界力的欧拉公式写成了同一的形式 式中 m称为压杆的长度因数 它与杆端约束情况有关 ml称为压杆的相当长度 equivalentlength 它表示某种杆端约束情况下几何长度为l的压杆 其临界力相当于长度为ml的两端铰支压杆的临界力 表9 1的图中从几何意义上标出了各种杆端约束情况下的相当长度ml 第九章压杆稳定 34 运用欧拉公式计算临界力时需要注意 当杆端约束情况在各个纵向平面内相同时 例如球形铰 欧拉公式中的I应是杆的横截面的最小形心主惯性矩Imin 当杆端约束在各个纵向平面内不同时 欧拉公式中所取用的I应与失稳 或可能失稳 时的弯曲平面相对应 例如杆的两端均为如图所示柱形铰的情况下 第九章压杆稳定 35 对应于杆在xy平面内失稳 杆端约束接近于两端固定 对应于杆在xz平面内的失稳 杆端约束相当于两端铰支 而取用的临界力值应是上列两种计算值中的较小者 第九章压杆稳定 36 思考 图a b所示细长中心压杆均与基础刚性连接 但图a所示杆的基础置于弹性地基上 图b所示杆的基础则置于刚性地基上 试问两压杆的临界力是否均为 为什么 并由此判断压杆的长度因数m是否可能大于2 第九章压杆稳定 37 9 4欧拉公式的应用范围 临界应力总图 欧拉公式应用范围 在推导细长中心压杆临界力的欧拉公式时 应用了材料在线弹性范围内工作时的挠曲线近似微分方程 可见欧拉公式只可应用于压杆横截面上的应力不超过材料的比例极限sp的情况 按照抽象的概念 细长中心压杆在临界力Fcr作用时可在直线状态下维持不稳定的平衡 故其时横截面上的应力可按scr Fcr A来计算 亦即 第九章压杆稳定 38 式中 scr称为临界应力 为压杆横截面对于失稳时绕以转动的形心主惯性轴的惯性半径 ml i为压杆的相当长度与其横截面惯性半径之比 称为压杆的长细比 slenderness 或柔度 记作l 即 根据欧拉公式只可应用于scr sp的条件 由式 a 知该应用条件就是 第九章压杆稳定 39 可见就是可以应用欧拉公式的压杆最小柔度 对于Q235钢 按照E 206GPa sp 200MPa 有 通常把l lp的压杆 亦即能够应用欧拉公式求临界力Fcr的压杆 称为大柔度压杆或细长压杆 而把l lp的压杆 亦即不能应用欧拉公式的压杆 称为小柔度压杆 第九章压杆稳定 40 图中用实线示出了欧拉公式应用范围内 l lp 的scr l曲线 它是一条双曲线 称为欧拉临界力曲线 简称欧拉曲线 需要指出的是 由于实际压杆都有初弯曲 偶然偏心和材质不匀 所以从实验数据来分析 可以应用欧拉公式求临界力的最小柔度比这里算得的lp要大一些 第九章压杆稳定 41 研究小柔度压杆临界力的折减弹性模量理论 工程中的绝大部分压杆为小柔度压杆 不能应用欧拉公式 研究小柔度压杆 l lp 临界应力的理论很多 此处介绍的折减弹性模量理论是其中之一 现先以矩形截面小柔度钢压杆在xy平面内失稳为例来探讨 第九章压杆稳定 42 第九章压杆稳定 a 图a所示为钢在压缩时的s e曲线 当加载过程中应力s超过比例极限时 材料在某一应力水平下的弹性模量可应用切线模量Es 而卸载时 材料的弹性模量由卸载规律可知 它与初始加载时的弹性模量E相同 43 1 横截面上应力的变化情况 按抽象的概念 小柔度中心压杆与大柔度中心压杆一样 当F Fcr时杆既可在直线状态下保持平衡 也可在微弯状态下保持平衡 小柔度压杆在直线状态下保持平衡时其横截面上的应力是均匀的 其值为scr Fcr A 图b 第九章压杆稳定 b 44 当压杆在此应力水平下发生微弯时 中性轴一侧 图b中z轴右侧 横截面上产生附加拉应力 使原有的压应力scr减小 故属于减载 附加弯曲拉应力为st Ey r x 第九章压杆稳定 b 中性轴另一侧横截面上产生附加应力 使原有的压应力scr增大 故属于加载 附加弯曲压应力为sc Esy r x 因为E Es 故微弯时中性轴不通过横截面形心 它离左边缘的距离为h1 离右边缘的距离为h2 45 2 中性轴的具体位置 根据压杆由于微弯产生的正应力在横截面上不应组成合力有 即应有 亦即要求 第九章压杆稳定 b 46 这就要求 注意到h1 h2 h 由上式可解得 第九章压杆稳定 b 47 3 横截面上弯矩M x 与曲率r x 的关系 根据有 第九章压杆稳定 b 上式中 Iz 1 bh13 3和Iz 2 bh23 3都是z轴一侧的矩形对z轴的惯性矩 48 由上式可得 为了表达方便 用I来表示bh3 12 于是有 为将上式表达为一般弯曲问题中的形式 引入折减弹性模量Er 第九章压杆稳定 b 49 于是有 亦即 或者说 挠曲线的近似微分方程为 对于非矩形截面的小柔度压杆 其折减弹性模量可类似于上面所述的方法求得 而挠曲线方程的形式仍如式 c 所示 第九章压杆稳定 c 50 4 小柔度压杆的临界力和临界应力表达式 小柔度压杆的挠曲线近似微分方程 c 与大柔度压杆的w M x EI完全一致 可见对不同杆端约束下各种截面形状的小柔度压杆都有如下公式 临界力 临界应力 第九章压杆稳定 51 压杆的临界应力总图 临界应力总图是指同一材料制作的压杆 其临界应力scr随柔度l变化的关系曲线 第九章压杆稳定 在l lp的部分 有欧拉公式scr p2E l2表达scr l关系 但在压杆柔度l很小时 由于该理论存在的不足 计算所得scr可能会大于材料的屈服极限ss 故取scr ss 在l lp的范围内可利用折减弹性模量理论公式scr p2Er l2表达scr l关系 52 此外 该理论公式中有与截面形状相关的折减弹性模量Er 故l lp范围内的scr l曲线实际上还因截面形状而有所不同 第九章压杆稳定 53 9 5实际压杆的稳定因数 为保证实际压杆具有足够的稳定性 在稳定计算中需纳入稳定安全因数nst 取稳定条件 stabilitycondition 为 式中 s st scr nst为压杆的稳定许用应力 亦即 第九章压杆稳定 由于scr与压杆的柔度l有关 而且考虑到不同柔度的压杆其失稳的危险性也有所不同 故所选用的稳定安全因数nst也随l变化 因此 s st是一个与压杆柔度的关系比较复杂的量 54 为了应用方便 将稳定许用应力 s st写为材料的强度许用应力 s 乘以一个随压杆柔度l变化的稳定因数j j l 即 我国钢结构设计规范根据对常用截面形式 尺寸和加工工艺的96根钢压杆 并考虑初曲率和加工产生的残余应力所作数值计算结果 在选取适当的安全因数后 给出了钢压杆稳定因数j与柔度l的一系列关系值 该规范按钢压杆中残余应力对临界应力的影响从小到大分为a b c三类截面 大多数钢压杆可取作b类截面压杆 表9 3为Q235钢b类截面中心压杆随柔度l变化的稳定因数j 第九章压杆稳定 55 表9 3Q235钢b类截面中心受压直杆的稳定因数j 第九章压杆稳定 56 思考 1 已知Q235钢的 s 170MPa E 206GPa 表9 3中列出有l 120的b类截面中心压杆的相应值j 0 437 试推算其所采用的稳定安全因数nst的值 2 已知Q235钢的ss 240MPa 试推算取用 s 170MPa时的强度安全因数n的值 第九章压杆稳定 57 第九章压杆稳定 58 解 1 确定组合截面形心和形心主惯性轴 图c所示组合截面的形心离角钢短肢的距离显然就是y0 35 7mm 并落在对称轴y轴上 根据y轴为对称轴可知 图c中所示通过组合截面形心的y轴和z轴就是该组合截面的形心主惯性轴 2 计算组合截面的形心主惯性矩 第九章压杆稳定 59 可见 在组合截面对于所有形心轴的惯性矩中 Imax Iz Imin Iy 按通常的说法就是z轴为强轴 而y轴为弱轴 3 计算压杆的柔度 此压杆两端为球形铰支座 在各个纵向平面内对杆端的约束相同 故失稳时横截面将绕弱轴y轴转动 压杆的柔度应据此计算 第九章压杆稳定 60 4 计算压杆的稳定许用应力 按b类截面中心压杆 由表9 3查得l 97时j 0 575 从而得 第九章压杆稳定 61 9 6压杆的稳定计算 压杆的合理截面 根据上节中所述 中心压杆的稳定条件可以表达为 需要注意的是 式中A所表示的横截面面积 即使当压杆被钉孔等局部削弱时也还采用不考虑削弱的毛面积 因为压杆的稳定性取决于整体的抗弯能力 受局部削弱的影响很小 这与强度计算中必须以横截面被钉孔等削弱后的净面积为依据是有所不同的 第九章压杆稳定 62 在稳定计算中如需按稳定条件选择压杆的横截面尺寸 那么由于查表确定稳定因数j时需要依据与截面尺寸相关的柔度l 所以要用试算法 压杆的临界应力随柔度的减小而增大 因而当杆端约束在各纵向平面内相同时 压杆的合理截面应是 对两个形心主惯性轴的惯性半径相等的截面 亦即两个形心主惯性矩相等 Imax Imin 的截面 在横截面面积相同的条件下 对形心主惯性轴的惯性半径尽可能大的截面 亦即形心主惯性矩尽可能大的截面 第九章压杆稳定 63 对于杆端约束在压杆各纵向平面内不同的情况 其横截面以使压杆在各纵向平面内的柔度l相同或接近相同为合理 图示截面中 对于杆端约束在各纵向平面内相同的压杆来说 正方形截面较矩形截面合理 圆截面合理 且空心圆截面较实心圆截面更合理 图e所示组合截面其两个槽钢的形心间距离h以能使Iy等于或稍大于Iz者为合理 第九章压杆稳定 64 例题9 4图示为简易起重装置 其扒杆 图中的斜杆 为平均直径d 300mm的红松 长度l 6m 顺纹抗压强度许用应力 s 10MPa 试求该扒杆所能承受的许可压力值 第九章压杆稳定 65 解 1 我国规范的有关规定 我国木结构设计规范中对木制压杆 按树种的弯曲强度分两类给出稳定因数j的计算公式 红松属于树种强度TC13级 13 表示弯曲强度为13MPa 该等级所属分类的稳定因数计算公式为 时 时 第九章压杆稳定 66 2 扒杆的柔度 该扒杆在轴向压力作用下如果在图示平面内失稳 则由于其上端受水平钢丝绳的约束而基本上不能产生侧向位移而只能转动 其下端由于销钉的约束也只能转动 故扒杆大致相当于两端铰支压杆 长度因数可取为m 1 扒杆在垂直于图示平面的方向 其上端通常没有任何约束 而下端由于受销钉约束基本上不能转动而可视为固定端 故长度因数可取为m 2 第九章压杆稳定 67 比较扒杆在两个相互垂直平面内的长度因数m 并注意到这是圆截面杆可知 决定该扒杆许可压力的是垂直于图示平面内的稳定性 从而有 第九章压杆稳定 3 稳定因数及许可压力 因l 91 故按下式计算稳定因数 从而有许可压力 68 例题9 5厂房的钢柱由两根槽钢组成 并由缀板和缀条联结成整体 承受轴向压力F 270kN 根据杆端约束情况 该钢柱的长度因数取为m 1 3 钢柱长7m 材料为Q235钢 强度许用应力 s 170MPa 该柱属于b类截面中心压杆 由于杆端连接的需要 其同一横截面上有4个直径为d0 30mm的钉孔 试为该钢柱选择槽钢号码 第九章压杆稳定 69 解 1 按稳定条件选择槽钢号码 为保证此槽钢组合截面压杆在xz平面内和xy平面内具有同样的稳定性 应根据ly lz确定两槽钢的合理间距h 现先按压杆在xy平面内的稳定条件通过试算选择槽钢号码 假设j 0 50 得到压杆的稳定许用应力为 因而按稳定条件算得每根槽钢所需横截面面积为 第九章压杆稳定 70 由型钢表查得 14a号槽钢的横截面面积为A 18 51cm2 18 51 10 4m2 而它对z轴的惯性半径为iz 5 52cm 55 2mm 下面来检查采用两根14a号槽钢的组合截面柱其稳定因数j是否不小于假设的j 0 5 第九章压杆稳定 注意到此组合截面对于z轴的惯性矩Iz和面积A都是单根槽钢的两倍 故组合截面的iz值就等于单根槽钢的iz值 于是有该组合截面压杆的柔度 71 由表9 3查得 Q235钢b类截面中心压杆相应的稳定因数为j 0 262 显然 前面假设的j 0 5这个值过大 需重新假设j值再来试算 重新假