压杆稳定的概念

1、压杆稳定的概念构件除了强度、刚度失效外，还可能发生稳定失效。例如，受轴向压力的细长杆, 当压力超过一定数值时，压杆会由原来的直线平衡形式突然变弯（图 15-1a），致使结构丧失承载能力；又如，狭长截面梁在横向载荷作用下，将发生平面弯曲， 但当载荷超过一定数值时，梁的平衡形式将突然变为弯曲和扭转（图15-1b）；受均匀压力的薄圆环，当压力超过一定数值时，圆环将不能保持圆对称的平衡形 式，而突然变为非圆对称的平衡形式（图 15-1C）。上述各种关于 平衡形式的突由于构件的失稳往往是突然发生的，因而其危害性也较大。历史上曾多次发生因 构件失稳而引起的重大事故。 如 1907 年加拿大劳伦斯河上， 跨

2、长为 548 米的奎 拜克大桥，因压杆失稳，导致整座大桥倒塌。近代这类事故仍时有发生。因此， 稳定问题在工程设计中占有重要地位。“稳定”和“不稳定”是指物体的平衡性质而言。例如，图15-2a 所示处于凹面的球体，其平稳是稳定的，当球受到微小干扰，偏离其平衡位置后，经过几次摆 动，它会重新回到原来的平衡位置。图 15-2b 所示处于凸面的球体，当球受到微 小干扰，它将偏离其平衡位置，而不再恢复原位，故该球的平衡是不稳定的。受压直杆同样存在类似的平衡性质问 题。例如，图 15-3a 所示下端固定、上 端自由的中心受压直杆，当压力-小于某一临界值-时， 杆件的直线平衡形式 是稳定的。此时，杆件若受到

3、某种微小 干扰，它将偏离直线平衡位置， 产生微 弯 （15-3b） ;当干扰撤除后，杆件又回 到原来的直线平衡位置（图 15-3C ）。但当压力超过临界值-时，撤除干扰然变化，统称为稳定失效，简称为失稳或屈曲壳结构及薄壁容器等，在有压力存在时，都可能发生失稳0（b）（C）（d）图15-3压杆的平衝形式与临抖力的关系后，杆件不再回到直线平衡位置，而在弯曲形式下保持平衡（图 15-3d ），这表明原有的直线平衡形式是不稳定的。 使中心受压直杆的直线平衡形式，由稳定平 衡转变为不稳定平衡时所受的轴向压力，称为临界载荷，或简称为临界力，用 表示。为了保证压杆安全可靠的工作，必须使压杆处于直线平衡形式，

4、因而压杆是以临 界力作为其极限承载能力。可见，临界力的确定是非常重要的。本章主要讨论中心受压直杆的稳定问题。 研究确定压杆临界力的方法，压杆的稳 定计算和提高压杆承载能力的措施。 15-2细长压杆的临界力根据压杆失稳是由直线平衡形式转变为弯曲平衡形式的这一重要概念，可以预 料,凡是影响弯曲变形的因素，如截面的抗弯刚度五，杆件长度和两端的约束 情况，都会影响压杆的临界力。确定临界力的方法有静力法、能量法等。本节采 用静力法，以两端铰支的中心受压直杆为例，说明确定临界力的基本方法。两端铰支中心受压的直杆如图 15-4a 所示。设压杆处于临界状态，并具有微弯的平衡形 式，如图 15-4b 所示。建立

5、，-坐标系，任 意截面（丿）处的内力（图 15-4C）为：二匸也k2= + Fv =0令 ；，得微分方程：”（a），此方程的通解为：v = 4 sin尢Seos利用杆端的约束条件，二 I： ，得“1，可知压杆的微弯挠曲线为正弦函1.两端铰支压杆的临界力在图示坐标系中，根据小挠度近似微分方程数:v = Asinkx(b)利用约束条件,-11，得:-这有两种可能：一是二-，即压杆没有弯曲变形，这与一开始的假设（压杆处于微弯平衡形式）不符；二是n,1、2、3。由此得出相应于p临界状态的临界力表达式：S o实际工程中有意义的是最小的临界力值，即-时的值:（15-1）此即计算压杆临界力的表达式，又称为欧

6、拉公式。因此，相应的也称为欧拉临界力。此式表明，二与抗弯刚度（五）成正比，与杆长的平方（）成反 比。压杆失稳时，总是绕抗弯刚度最小的轴发生弯曲变形。因此，对于各个方向 约束相同的情形（例如球铰约束），式（15-1）中的应为截面最小的形心主轴 惯性矩。将 ，代入式（）得压杆的挠度方程为”处，有最大挠度= /o关系曲线如图 15-5 中的水平线所示，这是 由于采用挠曲线近似微分方程求解造成的；如 采用挠曲线的精确微分方程，则得-曲线 如图 15-5 中 AC所示。这种心曲线称为压杆的平衡路径，它清楚显示了压杆的稳定性及失稳后的特性。可以看出，当1时，压杆只有一条平衡路径 OA,它对应着直线平衡形式

7、。当二时，其平衡路径出现两个分支（AE 和 AC），其中一个分支（AE）对应着直线平衡形式，另一个分支（AC）对应着弯 曲平衡形式。前者是不稳定的，后者是稳定的。如 AE 路径中的 D点一经干扰将在上述分析中，-的值不能确定，其与的综合起来，可以得到欧拉公式的一般形式为(紗(15-2)达到 AC 路径上同一 值的人点，处于弯曲平衡形式，而且该位置的平衡是稳 定的。平衡路径出现分支处的 值即为临界力，故这种失稳称为 分支点失 稳。分支点失稳发生在理想受压直杆的情况。对实际使用的压杆而言，轴线的初曲率、压力的偏心、材料的缺陷和不均匀等因 素总是存在的，为非理想受压直杆。对其进行实验或理论分析所得平

8、衡路径如图15-5 中的 OFGH 曲线，无平衡路径分支现象，一经受压（无论压力多小）即处于弯曲平衡形式，但也有稳定与不稳定之分。当压力匕亠.，处于路径 OFG段上的任一点，如施加使其弯曲变形微增的干扰，然后撤除，仍能恢复原状（当 处于弹性变形范围），或虽不能完全恢复原状（如已发生塑性变形）但仍能在原 有压力下处于平衡状态，这说明原平衡状态是稳定的。而下降路径 GH 段上任一 点的平衡是不稳定的，因一旦施加使其弯曲变形微增的干扰， 压杆将不能维持平 衡而被压溃。压力二称为失稳极值压力，它比理想受压直杆的临界力 ；小，且随压杆的缺陷（初曲率、压力偏心等）的减小而逐渐接近o 因的计算比较简单，它对

9、非理想受压直杆的稳定计算有重要指导意义， 故本书的分析是以理 想受压直杆为主。2 .其他约束情况压杆的临界力用上述方法，还可求得其他 约束条件下压杆的临界力， 结果如下:15-6b)1P阳_ _3 ）一端固定、一端铰支的压杆（图 15-6C），:式中，厂称为相当长度。称为长度系数，它反映了约束情况对临界载荷的影1） 一端固定、一端自由的压P迪杆(图 15-6a)B B k.2）两端固定的压杆（图15-6苹糾杆蛾矜壮的怎腐央隠后們挽曲理刑状响：两端铰支二 一端固定、一端自由二；两端固定宀1 ?； 一端固定、一端铰支- o由此可知，杆端的约束愈强，则八值愈小，压杆的临界力愈高；杆端的约束愈弱，则值

10、愈大，压杆的临界力愈低。事实上，压杆的临界力与其挠曲线形状是有联系的，对于后三种约束情况的压杆， 如果将它们的挠曲线形状与两端铰支压杆的挠曲线形状加以比较，就可以用几何类比的方法，求出它们的临界力。从 15-6 中挠曲线形状可以看出：长为的一端固定、另端自由的压杆，与长为 J 的两端铰支压杆相当；长为的两端固定压杆（其挠曲线上有 A、E 两个拐点，该处弯矩为零），与长为 0.51 的两端铰 支压杆相当；长为-的一端固定、另端铰支的压杆，约与长为-的两端铰支压 杆相当。需要指出的是，欧拉公式的推导中应用了弹性小挠度微分方程，因此公式只适用 于弹性稳定问题。另外，上述各种八值都是对理想约束而言的，

11、实际工程中的约束往往是比较复杂的，例如压杆两端若与其他构件连接在一起，则杆端的约束 是弹性的，值一般在 0.5 与 1 之间，通常将 值取接近于 1。对于工程中常 用的支座情况，长度系数 可从有关设计手册或规范中查到。15-3压杆的临界应力如上节所述，欧拉公式只有在弹性范围内才是适用的。 为了判断压杆失稳时是否 处于弹性范围，以及超出弹性范围后临界力的计算问题，必须引入临界应力及柔 度的概念。压杆在临界力作用下，其在直线平衡位置时横截面上的应力称为临界应力，用表示。压杆在弹性范围内失稳时，则临界应力为：住盘= =- -=-=A 3%3 斤（15-3）,式中几称为柔度，i 为截面的0惯性半径，即

12、：,（15-4） 式中 I 为截面的最小形心主轴惯性矩，A 为截面面积。柔度又称为压杆的长细比。它全面的反映了压杆长度、约束条件、截面尺寸和形状对临界力的影响。柔度1在稳定计算中是个非常重要的量，根据所处的范围，可以把压杆分为三类：（一）细长杆（“：）話=空 疗当临界应力小于或等于材料的比例极限时，即：，压杆发生弹性失稳。若令：（15-5）。则“；时，压杆发生弹性失稳。这类压杆又称为大柔度杆。对于不同的材料，因弹性模量 E 和比例极限各不相同，的数值亦不相同。例如 A3 钢，書，一，用式（15-5）可算得厂 。（二）中长杆（这类杆又称中柔度杆。这类压杆失稳时，横截面上的应力已超过比例极限， 故

13、属 于弹塑性稳定问题。对于中长杆，一般采用经验公式计算其临界应力， 如直线公式：f （15-6）式中 a、b 为与材料性能有关的常数。当-:时，其相应的柔度 为中长杆 柔度的下限，据式（15-6）不难求得:例如 A 3 钢，兰二甘二， ，丄込，代入上式算得（三）粗短杆（” i ）这类杆又称为小柔度杆。 这类压杆将发生强 度失效，而不是失稳。故：厂一：。上述三类压杆临界应力与1的关系，可画出&曲线如图 15-7 所示。该图称为压杆的临界应力图。需要指出的是，对于中长杆和粗短杆，不同的工程设计中，可能采用不同的经验 公式计算临界应力，如抛物线公式l- 7*（和人也是和材料有关的常 数）等，

14、请读者注意查阅相关的设计规范。表 15-1 常用材料的 a、b 和 值材料a (MPa)4A3 钢迅=緒倔已3041.12102优质碳钢迅=306 MPa4612.56895铸铁332.21.45470木材28.70.1908015-4压杆的稳定计算工程上通常采用下列两种方法进行压杆的稳定计算。1 .安全系数法15-7张杆的请齐必力图为了保证压杆不失稳，并具有一定的安全裕度，因此压杆的稳定条件可表示为 ：P （ 15-7）式中为压杆的工作载荷，；是压杆的临界载荷，|是稳定安全系数。由于压 杆存在初曲率和载荷偏心等不利因素的影响。-值一般比强度安全系数要大些, 并且越大，值也越大。具体取值可从有

15、关设计手册中查到。在机械、动力、冶金等工业部门，由于载荷情况复杂，一般都采用安全系数法进行稳定计算。2 .稳定系数法压杆的稳定条件有时用应力的形式表达为(15-8)式中的，为压杆的工作载荷，为横截面面积，-：；为稳定许用应力。t7= 甘说卫（15-9），其中时称为稳定系数，它由下式确定:式中二为强度计算中的危险应力，由临界应力图（图 15-7）可看出，厂 ， 且.一，故宀为小于 1 的系数，也是柔度八的函数。表 9.2 所列为几种常用 工程材料的 对应数值。对于柔度为表中两相邻值之间的，可由直线内 插法求得。由于考虑了杆件叫一%，它总是小于强度许用应力于是式（15-8）又可表达为：的初曲率和载

16、荷偏心的影响， 即使对于粗短杆，仍应 在许用应力中考虑稳定系数八。在土建工程中，一般按稳定系数法进行稳定计算。还应指出，在压杆计算中，有时会遇到压杆局部有截面被削弱的情况， 如杆上有 开孔、切糟等。由于压杆的临界载荷是从研究整个压杆的弯曲变形来决定的， 局 部截面的削弱对整体变形影响较小， 故稳定计算中仍用原有的截面几何量。 但强 度计算是根据危险点的应力进行的，故必须对削弱了的截面进行强度校核， 切即 ：山（15-10）， 式中的是横截面的净面积。表 15-2 压杆的稳定系数3 号钢16Mn 钢铸铁木材01.0001.0001.001.00100.9950.9930.970.99200.98

17、10.9730.910.97300.9580.9400.810.93400.9270.8950.690.87500.8880.8400.570.80600.8420.7760.440.71700.7890.7050.340.60800.7310.6270.260.48900.6690.5460.200.381000.6040.4620.160.311100.5360.3840.261200.4660.3250.221300.4010.2790.181400.3490.2420.161500.3060.2130.141600.2720.1880.121700.2430.1680.111800.2

18、180.1510.101900.1970.1360.092000.1800.1240.08?5-5提高压杆承载能力的措施压杆的稳定性取决于临界载荷的大小。由临界应力图可知，当柔度减小时,则临界应力提高，而 一，所以提高压杆承载能力的措施主要是尽量减小压杆 的长度，选用合理的截面形状，增加支承的刚性以及合理选用材料。现分述如下:1 减小压杆的长度减小压杆的长度，可使降低，从而提高了压杆的临界载荷。工程中，为了减小 柱子的长度，通常在柱子的中间设置一定形式的撑杆， 它们与其他构件连接在一 起后，对柱子形成支点，限制了柱子的弯曲变形，起到减小柱长的作用。对于细 长杆，若在柱子中设置一个支点，则长度减小一半，而承载能力可增加到原来的 4 倍。压杆的承载能力取决于最小的惯性 矩 I，当压杆各个方向的约束条件相 同时，使截面对两个形心主轴的惯性 矩尽可能大，而且相等，是压杆合理 截面的基本原则。因此，薄壁圆管(图15-8a)、 正方形薄壁箱形截面(图 15-8b是理想截面，它们各个方向的惯性 矩相同，且惯性矩比同等面积的实心杆大得多。但这种薄壁杆的壁厚不能过薄， 否则会出现局部失稳现象。对于型钢截面(工字钢、槽钢、角钢等)，由于它们 的两个形心主轴惯性矩相差较大，为了提高这类型钢截面压杆的承载能力，工程 实际中常用几个型钢，通过缀板组成一个组合截面，如图(1