杆件的应力和强度计算.ppt

1 第八章杆件的应力和强度计算 8 1应力的概念 8 2轴向拉压杆的应力和强度计算 8 3材料的力学性质 8 4平面弯曲的应力和强度计算 8 5组合变形构件的强度计算 2 建筑力学 8 1应力的概念 应力是反映截面上各点处分布内力的集度 一 应力的概念 如图B点处的应力为 将应力分解为垂直于截面和相切于截面的两个分量 垂直于截面的应力分量称为正应力 用 表示 与截面相切的应力分量称为剪应力 用 表示 3 建筑力学 应力的符号规定 正应力以拉为正 压为负 当剪应力使隔离体有绕隔离体内一点顺时针转动趋势时 该剪应力为正 反之为负 量纲 力 长度2 N m2 Pa通常用MPa N mm2 106Pa有些材料GPa kN mm2 109Pa工程上用kg cm2 0 1MPa 4 建筑力学 8 2轴向拉压杆应力和强度计算 一 横截面上的应力 求应力 先要找到应力在横截面上的分布情况 应力是内力的集度 而内力与变形有关 所以可以由观察杆件变形来确定应力在截面上的分布规律 平面假设 变形前为平面的横截面 变形后仍保持为平面 且垂直于杆轴线 设想杆件由无数根平行于轴线的纵向纤维组成 观察到如下现象 1 横向线缩短 但仍保持为直线 且仍互相平行并垂直于杆轴线 2 纵向线仍保持与杆轴线平行 5 建筑力学 平面假设 作用在杆横截面上的内力为 正应力的计算公式为 正应力的正负号与轴力FN相同 拉为正 压为负 式中 FN 轴力 A 杆件的横截面面积 6 建筑力学 例图所示为一民用建筑砖柱 上段截面尺寸为240 240mm 承受荷载FP1 50kN 下段370 370mm 承受荷载FP2 100kN 试求各段轴力和应力 解 1 求轴力 2 求应力 7 建筑力学 二 强度计算 强度条件 式中 称为最大工作应力 称为材料的许用应力 杆件横截面上的轴力 A 杆件的危险截面的横截面面积 对等直杆来讲 轴力最大的截面就是危险截面 对轴力不变而截面变化的杆 则截面面积最小的截面是危险截面 8 建筑力学 若拉压杆材料的容许拉应力 1 和容许压应力 y 的大小不相等 则杆件必须同时满足下列两个强度条件 根据上述强度条件 可以进行三种类型的强度计算 1 强度校核 在已知荷载 杆件截面尺寸和材料的容许应力的情况下 验算杆件是否满足强度要求 若 则杆件满足强度要求 否则说明杆件的强度不够 9 建筑力学 2 截面选择 在已知荷载 材料的容许应力的情况下 由 来确定杆件的最小横截面面积 3 确定容许荷载 在已知杆件的截面面积和材料容许应力的情况下 由来求出杆件的最大荷载值 10 建筑力学 例 一直径d 14mm的圆杆 许用应力 170MPa 受轴向拉力FP 2 5kN作用 试校核此杆是否满足强度条件 解 满足强度条件 11 建筑力学 例钢木组合屋架的尺寸及计算简图如图所示 已知钢的容许应力 120MPaF 16kN 试选择钢拉杆DI的直径 解 1 首先应求出钢拉杆的轴力 采用截面法 将桁架沿m m截面截开 画出截面以左部分受力图 见图b 列出左边部分的平衡条件 即 mA F 0 2 计算钢拉杆DI的直径 所以选D 10mm 12 建筑力学 8 3材料的力学性质 为了解决构件的强度和变形问题 必须了解材料的一些力学性质 而这些力学性质都要通过材料实验来测定 工程材料的种类虽然很多 但依据其破坏时产生变形的情况可以分为脆性材料和塑性材料两大类 脆性材料在拉断时的塑性变形很小 如铸铁 混凝土和石料等 而塑性材料在拉断时能产生较大的变形 如低碳钢等 这两类材料的力学性质具有明显不同的特点 通常以低碳钢和铸铁作为代表进行讨论 试验条件及试验仪器 1 试验条件 常温 20 静载 及其缓慢地加载 标准试件 2 试验仪器 万能材料试验机 变形仪 常用引伸仪 13 建筑力学 14 建筑力学 一 拉伸时材料的力学性质 1 应力 应变曲线 讨论低碳钢 Q235钢 试件的拉伸图如图a 为了消除试件的横截面尺寸和长度的影响 将拉伸图改为 曲线 下面根据 曲线来介绍低碳钢拉伸时的力学性质 低碳钢拉伸试件从加载开始到最后破坏的整个过程 大致可以分为四个阶段 1 弹性阶段 Ob段 b点所对应的应力称为材料的弹性极限 a点所对应的应力叫做比例极限 15 建筑力学 2 屈服阶段 cd段 当应力超过弹性极限之后 应变增加很快 而应力保持在一个微小的范围内波动 这种现象称为材料的屈服 在曲线上表现为一段近于水平的线段 c点所对应的应力称为屈服极限 或流动极限 用 s来表示 3 强化阶段 de段 材料经过屈服阶段后 其内部的组织结构有了调整 使其又增加了抵抗变形的能力 在曲线上表现为应力随着应变的增加 这种现象称为材料的硬化 最高点e所对应的应力称为材料的强度极限 用 b来表示 4 颈缩阶段 ef段 应力超过 b之后 试件开始出现非均匀变形 可以看到在试件的某一截面开始明显的局部收缩 即形成颈缩现象 如图 曲线开始下降 最后至f点 试件被拉断 16 建筑力学 颈缩现象 2 材料的延伸率和截面收缩率 延伸率 截面收缩率 工程上常把 5 的材料称为塑性材料 而把 5 的材料称为脆性材料 和 是衡量材料塑性性能的两个主要指标 和 值越大 说明材料的塑性越好 17 建筑力学 3 弹性模量和泊松比 弹性材料在受力和变形过程中 其应力和应变成正比关系 这就是虎克定律 弹性模量 应力和应变的比值 叫做弹性模量 用E来表示 泊松比 横向线应变与纵向线应变的比值称为泊松比 用来表示 4 冷作硬化 若使材料应力超过屈服阶段并在进入强化阶段后卸载 则当再度加载时 材料的比例极限和屈服极限都将有所提高 同时 其塑性变形能力却有所降低 这种现象称为材料的冷作硬化 工程中常用冷作硬化的方法来提高钢筋和钢丝的屈服强度 并把它们称为冷拉钢筋和冷拔钢丝 18 建筑力学 二 压缩时材料的力学性质 铸铁压缩强度极限 4 6 19 建筑力学 8 4平面弯曲梁的应力与强度计算 梁在垂直于杆轴线的外荷载作用下 在横截面上一般要产生两种内力 弯矩和剪力 从而 在横截面上将存在两种应力 正应力和剪应力 一 梁的正应力与强度计算 为了使研究问题简单 下面以矩形截面梁为例 先研究纯弯梁横截面上的正应力 纯弯梁 是指受力弯曲后 横截面上只有弯矩而没有剪力的梁 如图所示AB梁的CD段 20 建筑力学 1 梁的弯曲变形现象及应力计算假设 观察到以下变形现象 1 变形前互相平行的纵向线在变形后都变成了弧线且靠上部的纵向线缩短了 靠下部的纵向线伸长了 2 变形前垂直于纵向线的横向线 变形后仍为直线 且它们相对转动了一个角度后仍与弯曲了的纵向线正交 21 建筑力学 根据上述现象 作如下假设 梁变形前的截面在变形后仍为一平面 只是绕截面内的某一轴旋转了一个角度 并且依然与弯曲后的杆件轴线垂直 梁在纯弯曲时的平面假设 单向受力假设 假设各纵向纤维之间互不挤压 于是各纵向纤维均处于单向受拉或受压的状态 梁在弯曲变形时 上面部分纵向纤维缩短 下面部分纵向纤维伸长 必有一层纵向纤维既不伸长也不缩短 保持原来的长度 这一纵向纤维层称为中性层 中性层与横截面的交线称为中性轴 见下图 推论 22 建筑力学 中性轴将横截面分为受压和受拉两个区域 2 梁的正应力计算公式 式中M 截面的弯矩 Iz 截面对中性轴的惯性矩 y 欲求应力的点到中性轴的距离 正应力与M和y成正比 与Iz成反比 正应力沿截面高度呈直线分布 如图所示 距中性轴愈远就愈大 在中性轴上正应力等于零 23 建筑力学 1 对于梁的某一横截面来说 最大正应力发生在距中性轴最远的地方 其值为 2 对于等截面梁 最大正应力发生在弯矩最大的截面上 其值为 Wz 抗弯截面系数 Wz与梁的截面形状有关 Wz愈大 梁中的正应力愈小 矩形截面 圆形截面 24 建筑力学 3 强度条件 1 当梁材料的抗拉和抗压的能力相同时 其正应力强度条件 2 当梁材料的抗拉抗压能力不同时 应分别对拉应力和压应力建立强度条件 25 建筑力学 根据强度条件 可解决下列工程中常见的三类问题 已知外力 截面形状尺寸 许用应力 校核梁的强度 已知外力 截面形状 许用应力 设计梁的截面尺寸 已知截面形状尺寸 许用应力 求许可载荷 26 建筑力学 例 两矩形截面梁 尺寸和材料的许用应力均相等 但放置如图 a b 按弯曲正应力强度条件确定两者许可载荷之比FP1 FP2 27 建筑力学 解 28 建筑力学 例外伸梁受力作用及其截面如图所示 已知材料的容许拉应力 L 30MPa 容许压应力 y 70MPa 试校核梁的正应力强度 解1 画弯矩图 B截面有最大负弯矩 C截面有最大正弯矩 2 确定中性轴位置及计算截面对中性轴的惯性矩 29 建筑力学 3 强度校核 B截面强度校核 该截面弯矩为负值 最大拉应力发生在截面的上边缘 最大压应力发生在截面的下边缘 30 建筑力学 C截面强度校核 该截面的弯矩为正值 最大压应力发生在截面的上边缘 最大拉应力发生在截面的下边缘 所以梁的强度不够 C截面的弯矩绝对值虽不是最大 但因截面受拉边缘距中性轴较远 而求得的最大拉应力较B截面大 所以当截面不对称于中性轴时 对梁的最大正弯矩与最大负弯矩截面都要进行强度校核 确保梁的强度足够 31 建筑力学 二 矩形截面梁的剪应力计算及剪应力强度条件 1 矩形截面梁的剪应力计算公式 假设 1 截面上各点剪应力的方向都平行于截面上剪力的方向 2 剪应力沿截面宽度均匀分布 即距中性轴等距离各点处的剪应力相等 梁上任一截面中cc线上的剪应力计算公式为 32 建筑力学 式中 FQ 为截面的剪力 Sz 为面积A 对中性轴的面积矩 A 是过欲求应力点的水平线与截面边缘间的面积 b 为截面的宽度 Iz 为截面对中性轴的惯性矩 剪力和面积矩均为代数量 在计算剪应力时 可用绝对值代入 剪应力的方向可由剪力的方向来确定 即 与FQ方向一致 进一步的分析表明 矩形截面梁中的剪应力沿截面高度按二次抛物线规律分布 在截面上下边缘处 剪应力为零 在中性轴处 剪应力最大 为截面平均剪应力的1 5倍 33 建筑力学 2 梁的剪应力强度条件 在进行梁的强度计算时 必须同时满足正应力和剪应力强度条件 但在一般情况下 梁的强度计算大多是由正应力强度条件控制的 因此 在选择截面时 一般都是先按正应力强度条件来计算 然后再用剪应力强度条件进行校核 矩形截面的最大剪应力 圆截面的最大剪应力 对于工字形和T形截面 剪应力主要集中在腹板上 翼缘处的剪应力很小 最大剪应力也发生在中性轴上 34 建筑力学 例 圆形截面梁受力如图所示 已知材料的许用应力 160MPa 100MPa 试求最小直径dmin 解 1 求内力 2 由正应力强度条件 3 由剪应力强度条件 35 建筑力学 8 5组合变形构件的强度计算 在实际工程结构中 杆件的受力情况是比较复杂的 往往不是发生单一的基本变形 而是同时发生两种或两种以上的基本变形 这类变形称为组合变形 本节将介绍组合变形下杆件的应力和强度的计算方法 主要介绍偏心弯曲和斜弯曲情形 偏心弯曲 斜弯曲 36 建筑力学 一 斜弯曲 1 正应力的计算 梁发生斜弯曲时 梁上将同时存在有正应力和剪应力 由于剪应力一般都很小通常多不考虑 下面介绍梁斜弯曲时正应力的计算方法 如图所示为一斜弯曲梁 在FP作用下 k点处的正应力为 应力的正负号可采用直观法来断定 首先根据FPy和FPz单独作用下判断出 和 的正负号 然后就可判断出 的正负号 37 建筑力学 2 正应力强度条件 若材料的抗拉抗压强度相等 梁斜弯曲时的强度条件为 根据这一强度条件 同样可以进行强度校核 截面设计和确定许可荷载 在运用上式进行截面设计时 由于存在Wz和Wy两个未知量 可以先假设一个Wz Wy之值 对于矩形截面 Wz Wy h b 一般取1 2 2 工字形截面 Wz Wy 8 10 槽钢截面 Wz Wy 6 8 38 建筑力学 例跨长为3m的矩形截面木檩条 受集度为q 800N m的均布荷载的作用 檩条材料的容许应力 12MPa 试按正应力强度条件选择此檩条的截面尺寸 见下图 解 1 先将q分解为沿对称轴y和z的两个分量 39 建筑力学 再分别求出qy和qz产生的最大弯矩 它们位于檩条的跨中截面上 此两个弯矩的值为 2 根据强度条件 先假设截面的高宽比Wy Wz h b 1 5 由 得 b 6 79 10 2m h 1 5b 0 102m 故选用70mm 100mm的矩形截面 40 建筑力学 二 拉伸 压缩 与弯曲 当杆件上同时作用有横向力和轴向力时 横向力将使杆件弯曲 轴向力将使杆件发生伸长或缩短 因而杆件的变形为拉伸 压缩 与弯曲的组合变形 1 正应力的计算 在FN FP共同作用下横截面上任一点的正应力为 的正负可根据FN来判定 的正负可根据梁的弯曲变形来判定 41 建筑力学 2 正应力强度条件 三 偏心拉伸 压缩 如图一偏心受拉杆件 平行于杆件轴线的拉 压 力FP的作用点不在截面的形心主轴上 而是位于到z y轴的距离分别为ey和ex的任一点处 这类偏拉伸 压缩 称为双向偏心拉伸 压缩 42 建筑力学 例如图所示的偏心受压杆 已知h 300mm b 200mm FP 42kN 偏心距ey 100mm ez 80mm 试求AA截面上的A B