杆件强度、刚度、稳定性计算

建筑力学问题简答 五 杆件的强度 刚建筑力学问题简答 五 杆件的强度 刚 度和稳定性计算度和稳定性计算 125125 构件的承载能力 指的是什么 构件的承载能力 指的是什么 答 构件满足强度 刚度和稳定性要求的能力称为构件的承载能力 1 足够的强度 即要求构件应具有足够的抵抗破坏的能力 在荷载作用下不致于发生 破坏 2 足够的刚度 即要求构件应具有足够的抵抗变形的能力 在荷载作用下不致于发生 过大的变形而影响使用 3 足够的稳定性 即要求构件应具有保持原有平衡状态的能力 在荷载作用下不致于 突然丧失稳定 126126 什么是应力 正应力 切应力 什么是应力 正应力 切应力 答 内力在一点处的集度称为应力 垂直于截面的应力分量称为正应力或法向应力 用 表示 相切于截面的应力分量称 切应力或切向应力 用 表示 127127 应力的单位如何表示 应力的单位如何表示 答 应力的单位为 Pa 1 Pa 1 N m2 工程实际中应力数值较大 常用 MPa 或 GPa 作单位 1 MPa 106Pa 1 GPa 109Pa 128128 应力和内力的关系是什么 应力和内力的关系是什么 答 内力在一点处的集度称为应力 129129 应变和变形有什么不同 应变和变形有什么不同 答 单位长度上的变形称为应变 单位纵向长度上的变形称纵向线应变 简称线应变 以 表示 单位横向长度上的变形称横向线应变 以 表示横向应变 130 什么是线应变 什么是线应变 答 单位长度上的变形称纵向线应变 简称线应变 以 表示 对于轴力为常量的等 截面直杆 其纵向变形在杆内分布均匀 故线应变为 l l 拉伸时 为正 压缩时 为负 线应变是无量纲 无单位 的量 131131 什么是横向应变 什么是横向应变 答 拉 压 杆产生纵向变形时 横向也产生变形 设杆件变形前的横向尺寸为 a 变 形后为 a1 则横向变形为 aaa 1 横向应变 为 a a 杆件伸长时 横向减小 为负值 杆件压缩时 横向增大 为正值 因此 拉 压 杆的线应变 与横向应变 的符号总是相反的 132132 什么是泊松比 什么是泊松比 答 试验证明 当杆件应力不超过某一限度时 横向应变 与线应变 的绝对值之 比为一常数 此比值称为横向变形系数或泊松比 用 表示 是无量纲的量 各种材料的 值可由试验测定 133133 胡克定律表明了应力和应变的什么关系 又有什么应用条件 胡克定律表明了应力和应变的什么关系 又有什么应用条件 答 它表明当应力不超过某一限度时 应力与应变成正比 胡克定律的应用条件 只 适用于杆内应力未超过某一限度 此限度称为比例极限 134134 胡克定律是如何表示的 简述其含义 胡克定律是如何表示的 简述其含义 答 1 胡克定律内力表达的形式 EA lF l N 表明当杆件应力不超过某一限度时 其纵向变形与杆件的轴力及杆件长度成正比 与杆件 的横截面面积成反比 2 胡克定律应力表达的形式 E 是胡克定律的另一表达形式 它表明当应力不超过某一限度时 应力与应变成正比 比例系数 E 称为材料的弹性模量 从式 4 6 知 当其他条件相同时 材料的弹性模 量越大 则变形越小 这说明弹性模量表征了材料抵抗弹性变形的能力 弹性模量的单位 与应力的单位相同 EA 称为杆件的抗拉 压 刚度 它反映了杆件抵抗拉伸 压缩 变形的能力 EA 越大 杆件的变形就越小 需特别注意的是 1 胡克定律只适用于杆内应力未超过某一限度 此限度称为比例极限 在第三节将作 进一步说明 2 当用于计算变形时 在杆长 l 内 它的轴力 FN 材料 E 及截面面积 A 都应是常数 135135 何谓形心 何谓形心 答 截面的形心就是截面图形的几何中心 136136 如何判断形心的位置 如何判断形心的位置 答 当截面具有两个对称轴时 二者的交点就是该截面的形心 据此 可以很方便的 确定圆形 圆环形 正方形的形心 只有一个对称轴的截面 其形心一定在其对称轴上 具体在对称轴上的哪一点 则需 计算才能确定 137137 具有一个对称轴的图形 其形心有什么特征 具有一个对称轴的图形 其形心有什么特征 答 具有一个对称轴的图形 其形心一定在其对称轴上 具体在对称轴上的哪一点 则需计算才能确定 138138 简述形心坐标公式 简述形心坐标公式 答 建筑工程中常用构件的截面形状 一般都可划分成几个简单的平面图形的组合 叫 做组合图形 例如 T 形截面 可视为两个矩形的组合 若两个矩形的面积分别是 A1和 A2 它们的形心到坐标轴 z 的距离分别为 y1和 y2 则 T 形截面的形心坐标为 21 2211 AA yAyA yC 更一般地 当组合图形可划分为若干个简单平面图形时 则有 i ii C A yA y 式中 yC 组合截面在 y 方向的形心坐标 Ai 组合截面中各部分的截面面积 yi 组合截面中各部分的截面在 y 方向的形心坐标 同理可得 i ii C A zA z 139139 何谓静矩 何谓静矩 答 平面图形的面积 A 与其形心到某一坐标轴的距离的乘积称为平面图形对该轴的静 矩 一般用 S 来表示 即 Cy Cz zAS yAS 即平面图形对 z 轴 或 y 轴 的静矩等于图形面积 A 与形心坐标 yC 或 zC 的乘积 当坐 标轴通过图形的形心时 其静矩为零 反之 若图形对某轴的静矩为零 则该轴必通过图 形的形心 140140 组合图形的静矩该如何计算 组合图形的静矩该如何计算 答 对组合图形 同理可得静矩的计算公式为 Ciiy Ciiz zAS yAS 式中 Ai为各简单图形的面积 yCi zCi为各简单图形形心的 y 坐标和 z 坐标 式表明 组合 图形对某轴的静矩等于各简单图形对同一轴静矩的代数和 141141 何谓惯性矩 何谓惯性矩 答 截面图形内每一微面积 dA 与其到平面内任意座标轴 z 或 y 的距离平方乘积的总和 称为该截面图形对 z 轴或 y 轴的惯性矩 分别用符号 Iz和 Iy表示 即 A y A z dAzI dAyI 2 2 不论座标轴取在截面的任何部位 y2和 z2恒为正值 所以惯性矩恒为正值 惯性矩常 用单位是 m4 米 4 或 mm4 毫米4 142142 试算出矩形 圆形的惯性矩 试算出矩形 圆形的惯性矩 答 1 矩形截面 2 2 3 22 12 h h A z bh dybydAyI 同理可求得 12 3h b Iy 对于边长为 a 的正方形截面 其惯性矩为 12 4 a II yz 2 圆形截面 图示圆形截面 直径为 d 半径为 R 直径轴 z 和 y 为其对称轴 取微面积 dyyRdA 22 2 积分得圆形截面的惯性矩为 R RA z dR dyyRydAyI 644 2 44 2222 同理可求得 64 4 d Iy 143143 试说出平行移轴公式每个量的计算方法 试说出平行移轴公式每个量的计算方法 答 1 平行移轴公式 AaII zz 2 1 同理得 AbII yy 2 1 公式说明 截面图形对任一轴的惯性矩 等于其对平行于该轴的形心轴的惯性矩 再 加上截面面积与两轴间距离平方的乘积 这就是惯性矩的平行移轴公式 144144 组合图形惯性矩的计算分哪几个步骤 组合图形惯性矩的计算分哪几个步骤 答 组合图形对某轴的惯性矩 等于组成它的各个简单图形对同一轴惯性矩之和 1 求组合图形形心位置 2 求组合图与简单图形两轴间距离 3 利用平行移轴公式计算组合图形惯性矩 145145 低碳钢拉伸时 其过程可分为哪几个阶段 低碳钢拉伸时 其过程可分为哪几个阶段 答 根据曲线的变化情况 可以将低碳钢的应力 应变曲线分为四个阶段 弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段 146146 为什么说屈服强度与极限强度是材料强度的重要指标 为什么说屈服强度与极限强度是材料强度的重要指标 答 屈服强度与极限强度是材料强度的重要指标 1 当材料的应力达到屈服强度 s时 杆件虽未断裂 但产生了显著的变形 势必 影响结构的正常使用 所以屈服强度 s是衡量材料强度的一个重要指标 2 材料的应力达到强度极限 b时 出现颈缩现象并很快被拉断 所以强度极限 b 也是衡量材料强度的一个重要指标 147147 什么是试件拉断后的延伸率和截面收缩率 什么是试件拉断后的延伸率和截面收缩率 答 1 延伸率 试件拉断后 弹性变形消失 残留的变形称为塑性变形 试件的标 距由原来的 l 变为 l1 长度的改变量与原标距 l 之比的百分率 称为材料的延伸率 用符号 表示 0 0 1 100 l ll 2 截面收缩率 试件拉断后 断口处的截面面积为 A1 截面的缩小量与原截面积 A 之比的百分率 称为材料的截面收缩率 用符号 表示 0 0 1 100 A AA 148148 试比较试比较塑性塑性材料与材料与脆性材料脆性材料力学性能有何不同 力学性能有何不同 答 塑性材料的抗拉和抗压强度都很高 拉杆在断裂前变形明显 有屈服 颈缩等报 警现象 可及时采取措施加以预防 脆性材料其特点是抗压强度很高 但抗拉强度很低 脆性材料破坏前毫无预兆 突然 断裂 令人措手不及 149149 许用应力的涵义是什么 许用应力的涵义是什么 答 任何一种构件材料都存在着一个能承受应力的固有极限 称极限应力 用 0表 示 为了保证构件能正常地工作 必须使构件工作时产生的实际应力不超过材料的极限应 力 由于在实际设计计算时有许多不利因素无法预计 构件使用时又必须留有必要的安全 度 因此规定将极限应力 0缩小 n 倍作为衡量材料承载能力的依据 称为许用应力 以 符号 表示 n 0 n 为大于 l 的数 称为安全因数 150150 轴向拉伸 压缩 正应力计算公式是什么 并解释每个量的物理意义 轴向拉伸 压缩 正应力计算公式是什么 并解释每个量的物理意义 答 如用 A 表示杆件的横截面面积 轴力为 FN 则杆件横截面上的正应力为 A FN 正应力的正负号规定为 拉应力为正 压应力为负 151151 轴向拉伸 压缩 杆的最大应力出现在什么截面 轴向拉伸 压缩 杆的最大应力出现在什么截面 答 当杆件受几个轴向外力作用时 由截面法可求得最大轴力 FNmax 对等直杆来讲 杆件的最大正应力算式为 A FN max max 最大轴力所在的横截面称为危险截面 由式 4 18 算得的正应力即危险截面上的正应力 称为最大工作应力 152152 简述轴向拉伸 简述轴向拉伸 压缩压缩 的强度计算的强度计算 答 对于轴向拉 压杆件 为了保证杆件安全正常地工作 就必须满足下述条件 max 上式就是拉 压杆件的强度条件 对于等截面直杆 还可以将公式改为 A FN max 153153 轴向拉伸 压缩 杆的强度条件可以解决哪三类问题 轴向拉伸 压缩 杆的强度条件可以解决哪三类问题 答 在不同的工程实际情况下 可根据上述强度条件对拉 压杆件进行以下三方面的 计算 1 强度校核 如已知杆件截面尺寸 承受的荷载及材料的许用应力 就可以检验杆件是否安全 称 为杆件的强度校核 2 选择截面尺寸 如已知杆件所承受的荷载和所选用的材料 要求按强度条件确定杆件横截面的面积或 尺寸 则可将公式改为 maxN F A 3 确定允许荷载 如已知杆件所用的材料和杆件横截面面积 要求按强度条件来确定此杆所能容许的最 大轴力 并根据内力和荷载的关系 计算出杆件所允许承受的荷载 则可将公式改为 AFN max 154154 平面弯曲的受力特征和变形特征是什么 平面弯曲的受力特征和变形特征是什么 答 平面弯曲的受力特征 梁弯曲时 横截面上一般产生两种内力 剪力和弯矩 与剪力对应的应力为切应力 与弯矩对应的应力为正应力 梁的横截面由中性轴将其分为上下两部分 一部分受拉 另 一部分受压 平面弯曲的变形特征 梁的侧面画上与梁轴线平行的水平纵向线和与纵向线垂直的竖直线 1 各竖直线段仍为直线 不过相互间转了一个角度 2 各纵向水平直线变为曲线 但仍与竖直线垂直 3 向下凸一边的纵向线伸长 且越靠近梁下边缘伸长越多 向里凹进的一边的纵向 线缩短 且越靠近梁的上边缘的缩短越多 155155 梁发生纯弯曲变形后 可看到哪些现象 根据上述试验现象 可作出哪些分析和 梁发生纯弯曲变形后 可看到哪些现象 根据上述试验现象 可作出哪些分析和 假设 假设 答 梁变形后 可看到下列现象 1 各竖直线段仍为直线 不过相互间转了一个角度 2 各纵向水平直线变为曲线 但仍与竖直线垂直 3 向下凸一边的纵向线伸长 且越靠近梁下边缘伸长越多 向里凹进的一边的纵向 线缩短 且越靠近梁的上边缘的缩短越多 根据上述试验现象 可作出如下分析和假设 1 平面假设 梁的横截面在变形后仍为一个平面 且与变形后的梁轴线垂直 只是 转了一个角度 2 单向受力假设 由于梁上部各层纵向纤维缩短 下部各层纵向纤维伸长 中间必 有一层纵向纤维既不伸长也不缩短 这层纤维称为中性层 中性层与横截面的交线称为中 性轴 156156 在推导梁的正应力计算公式时 要从几个方面去考虑 在推导梁的正应力计算公式时 要从几个方面去考虑 答 在推导梁的正应力计算公式时 要从几何变形方面 应力与应变的物理关系 静 力条件三方面去考虑 157157 简述梁弯曲时横截面上任意一点的正应力计算公式 并说明其含义 简述梁弯曲时横截面上任意一点的正应力计算公式 并说明其含义 答 梁弯曲时横截面上任意一点的正应力计算公式 z I yM 此式表明 横截面上任意一点的正应力 与该截面上的弯矩 M 和该点到中性轴的距 离量 y 成正比 与横截面对中性轴的惯性矩 Iz成反比 正应力沿截面高度成直线变化 离 中性轴愈远正应力愈大 中性轴上的正应力等于零 梁的横截面由中性轴将其分为上下两 部分 一部分受拉 另一部分受压 158 正应力公式的适用条件如何 正应力公式的适用条件如何 答 正应力公式的适用条件 1 在公式推导过程中运用了虎克定律 因此只有在材料处于弹性范围时该式才适用 2 在非纯弯曲情况下 即横截面同时存在弯矩和剪力时 由于剪力对正应力的影响很 小 因此 对非纯弯曲的情况该式仍可适用 3 公式虽按矩形截面梁推导出来 但对具有对称轴的其它截面 如 T 形 工字形 圆形等也都适用 4 公式是在平面弯曲情况下推导出来的 但非平面弯曲的情况就不适用了 159159 何谓抗弯刚度 何谓抗弯刚度 答 EIz表示梁抵抗弯曲变形的能力 称为梁的抗弯刚度 160160 正应力强度条件可以计算哪三类问题 正应力强度条件可以计算哪三类问题 答 梁的正应力强度计算公式即 z W Mmax max 式中 弯曲时材料的许用正应力 可在有关规范中查到 利用公式的强度条件 可进行以下三个方面的计算 1 强度校核 z W Mmax 2 选择截面尺寸 max M Wz 3 计算允许荷载 z WM max 161161 提高梁抗弯强度的途径有哪些 提高梁抗弯强度的途径有哪些 答 提高梁抗弯强度的途径 1 选择合理的截面形状 1 根据抗弯截面模量与截面面积的比值选择截面 工字形 槽形截面比矩形截面 A Wz 合理 矩形截面比圆形截面合理 2 根据材料特性选择截面 对于抗拉和抗压强度相等的塑性材料 一般采用对称于中性轴的截面 如矩形 工字 形 圆形等截面 使得上 下边缘的最大拉应力和最大压应力相等 同时达到材料的许用 应力值 比较合理 对于抗拉和抗压强度不相等的脆性材料 最好选择不对称于中性轴的截面 如 T 字形 槽形 平放 等截面 使得截面受拉 受压的边缘到中性轴的距离与材料的抗拉 抗压的许 用应力成正比 2 合理安排梁的受力状态 以降低弯矩最大值 1 合理布置梁的支座 以简支梁受均布荷载作用为例 若将两端支座各向中间移动 0 2l 则最大弯矩将减小为 前者的 1 5 梁的截面尺寸就可大大地减小 2 适当增加梁的支座 由于梁的最大弯矩与梁的跨度有关 所以适当增加梁的支座 可以减小梁的跨度 从 而降低最大弯矩值 在可能的条件下 将集中荷载分散布置 可以降低梁的最大弯矩 3 采用变截面梁 为了充分利用材料 应当在弯矩较大处采用较大的截面 弯矩较小处采用较小的截面 使梁的各截面不相同 这种横截面沿着轴线变化的梁称为变截面梁 若使每一横截面上的 最大正应力都恰好等于材料的许用应力 这样的梁称为等强度梁 等强度梁的 Wz和 M 成正比变化 162162 简述梁的切应力强度计算公式 简述梁的切应力强度计算公式 答 梁的切应力强度条件为 bI SF z zQmax max max 式中 许用切应力 S zmax 一截面中性轴以上 或以下 的面积对中性轴的静矩 163163 在梁的强度计算中 如何考虑正应力和切应力两个强度条件 在梁的强度计算中 如何考虑正应力和切应力两个强度条件 答 在梁的强度计算中 必须同时满足正应力和切应力两个强度条件 但在一般情况 下 梁的强度计算由正应力强度条件控制 因此通常先按正应力强度条件选择梁的截面尺 寸 然后根据需要作切应力强度条件校核 对于细长梁 按正应力强度条件设计 一般都 能满足切应力强度条件要求 就不必再作切应力强度校核 但在以下几种情况下 需作切 应力强度校核 1 梁的跨度较小或在支座附近作用着较大荷载时 梁内可能出现弯矩较小而剪力很 大的情况 2 某些组合截面梁 当腹板宽度很小 横截面上的切应力数值很大时 3 木梁 在横力弯曲时 横截面中性轴上切应力较大 根据切应力的特点 梁的中 性层上也产生相同值的切应力 由于木梁在顺纹方向的抗剪能力较差 有可能使木梁发生 顺纹方向的剪切破坏 164164 组合变形的计算主要利用什么原理 组合变形的计算主要利用什么原理 答 杆件组合变形时的强度计算方法是前面在求内力时曾经介绍过的叠加法 即先将 荷载分解成只产生基本变形时的荷载 并分别计算各基本变形所产生的应力 然后根据叠 加原理将所求截面的应力相应地叠加 最后根据叠加结果建立强度条件 165165 压杆的稳定平衡和不稳定平衡指的是什么 如何区别 压杆的稳定平衡和不稳定平衡指的是什么 如何区别 答 稳定平衡状态 如某物体由于某种原因使其偏离它原来的平衡位置 而当这种 原因消除后 它能够回到其原来的位置 也就是说这种平衡状态是经得起干扰的 是稳定 的平衡状态 不稳定平衡状态 如某物体由于某种原因使其稍微偏离它原来的平衡位置 而这种 原因消除后 它不但不能回到其原来的位置 而且继续增大偏离 显然 这种平衡状态是 经不起干扰的 是不稳定的平衡状态 166166 什么叫柔度 它与哪些因素有关 什么叫柔度 它与哪些因素有关 答 为压杆的长细比或柔度 为无量纲的量 i l 长细比柔度 与压杆两端的支承情况 杆长 截面形状和尺寸等因素有关 它表示压 杆的细长程度 长细比大 压杆细长 临界应力小 临界力也小 杆件容易丧失稳定 反 之 长细比小 压杆粗而短 临界应力大 临界力也大 压杆就不容易丧失稳定 所以 长细比是影响压杆稳定的重要因素 167167 何谓临界力 何谓临界力 答 压杆稳定或不稳定与所受的轴向压力的大小有关 设压杆稳定与不稳定的临界状 态时所承受的轴向压力为临界压力或临界力 用符号 FPcr表示 168168 影响临界力的因素有哪些 影响临界力的因素有哪些 答 影响压杆的临界力的因素很多 主要有杆件的长度 截面形状及大小 杆件的材 料以及杆件两端的支承情况等因素 169169 简述欧拉公式及长度系数的常见取值 简述欧拉公式及长度系数的常见取值 答 当材料处于弹性阶段时 细长压杆的临界力可用欧拉推导出的公式计算 2 2 l EI FPcr 式中 E 材料的弹性模量 I 截面的最小惯性矩 l 杆件的长度 长度系数 其按压杆两端的支承形式而定 两端铰支为 1 两端固定为 0 5 一端固定 一端铰支为 0 7 一端固定 一端自由为 2 170170 欧拉公式的适用范圈如何 欧拉公式的适用范圈如何 答 欧拉公式的适用范圈 欧拉公式是在假定材料处于弹性范围内并服从虎克定律的前提下推导出来的 因此 压杆在失稳前的应力不得超过材料的比例极限 P 即 PP E 2 用 P来表示欧拉公式的适用范围 当 P时欧拉公式适用 当 P时欧拉公 式不适用 这时压杆的临界应力采用经验公式来计算 我国根据试验得出经验公式为抛物 线公式 即 2 0 k cr 其中 0 k 都是和材料有关的参数 如 Q235 钢 P 123 2 00668 0 235 cr 16Mn 钢 P 109 2 014 0 343 cr 171171 压杆的稳定条件如何表示 压杆的稳定条件如何表示 答 压杆的稳定条件 就是压杆的实际压应力不可超过材料的许可临界应力 st 即 st N A F 式中 FN 轴向压力 A 杆件的横截面面积 折减系数 其值随长细比而变化 且是一个小于或等于 1 的数 上式通常写成 A FN 172172 什么叫折减系数 什么叫折减系数 答 在压杆的稳定条件中 系数 称为折减系数 其值随长细比而变 st 化 且是一个小于或等于 1 的数 常用材料的折减系数值列表 供计算时查用 173173 稳定性和强度有什么不同 稳定性和强度有什么不同 答 稳定性是要求构件应具有保持原有平衡状态的能力 在荷载作用下不致于突然丧 失稳定 强度是要求构件应具有足够的抵抗破坏的能力 在荷载作用下不致于发生破坏 174174 稳定条件的应用有哪三种情况 稳定条件的应用有哪三种情况 答 稳定条件的应用 有如下三种情况 1 稳定校核 对已知压杆的实际应力是否超过压杆稳定的许用应力进行验算 称为稳定校核 2 确定许可荷载 将公式变换成 FN A 以计算压杆许可承受的压力 3 选择截面 将公式换成 用来选择压杆的截面尺寸 但是在截面尺寸尚未确定的情况 N F A 下 长