Chapter14结构的极限荷载.ppt

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Chapter14结构的极限荷载

第十四章 结构的极限荷载 §14-1 概述 19世纪中叶开始,随材料力学兴起,采用容许应力法计算结构强度-弹性计算方法,属于材料力学方法。 所有构件的最大工作应力 材料极限应力 脆性材料 塑性材料 K-安全系数 由塑性材料(如结构碳钢)制成的超静定结构,某构件的某个截面的局部应力达到屈服应力 此时截面还能承受更大荷载,截面的部分材料进入塑性状态,但结构还没有破坏。 按照容许应力法,以个别截面的局部应力(危险截面的危险应力)衡量整个结构的承载能力, 保守,不合理,不经济 安全系数也不能反映整个结构的承载能力。 20世纪三、四十年代,建立和发展了极限荷载方法: 以结构进入塑性阶段,到最后丧失承载能力的极限状态作为结构破坏的标志。塑性分析方法 结构在极限状态承受的荷载-极限荷载 K-安全系数 按极限荷载方法设计结构,比容许应力方法更加合理、经济 安全系数K,考虑整个结构所能承受的荷载,反映了结构的强度储备。整体考虑,比较合理 局限:只是确定结构最后状态为极限状态。 在给定安全系数下,结构在实际荷载作用下,处于什么工作状态(弹性、部分弹性和塑性)不清楚。 可能大部分杆件仍处于弹性阶段。 弹性分析、塑性分析结合。 20世纪八十年代,在极限荷载方法基础上,考虑材料特性的概率分布特性,发展了以概率理论为基础的极限状态设计方法。现在的结构设计方法 塑性材料?-?关系的简化 o D C A B ? ? 理想弹性 理想塑性 建筑所用钢材,低碳钢、中碳钢,屈服阶段比较长,可采用此理想弹塑性材料的应力-应变关系。 加载:理想弹塑性 卸载:弹性 注意:塑性分析时,叠加原理不适用。各种荷载组合单独计算 比例荷载:所有荷载一次施加于结构,各荷载按同一比例增加。 o D C A B ? ? E §14-2 极限弯距和塑性铰、破坏机构、静定梁的计算 设梁的横截面有一对称轴,承受此对称平面内的竖向荷载作用。荷载增加,截面由弹性状态-塑性状态。 无论那种状态,梁的平截面假设成立。 b)荷载较小,完全弹性阶段, 沿截面高度线性分布 ; ,弯距-屈服弯距 d) 荷载增加, 截面更多部分进入塑性流动阶段,中性轴发生偏移 e)整个截面应力都达到屈服应力,弯距达到截面所能承受的最大值-极限弯距Mu (-) (+) (-) (+) σs (-) (+) (-) (+) σs σs σs σs 形心轴 等分截面轴 对称轴 A1 A2 a1 a2 (a) (b) (c) (d) (e) 此时截面弯距不能继续增大,弯曲变形可任意增大,相当于该截面出现了一个铰-塑性铰 塑性铰和普通铰的区别: 1)普通铰不能承受弯距,塑性铰承受极限弯距Mu 2)普通铰是双向铰,两个方向都可以转动; 塑性铰是单向铰,沿弯距方向转动。 3)普通铰与外力无关; 而塑性铰与外力有关,弯距减小时,材料恢复弹性,塑性铰消失。 受拉和受压部分截面面积分别为A1和A2。梁轴力为零 截面上受拉和受压部分面积相等,此时中性轴为等分截面轴。两部分的合力 组成一力偶,该截面的极限弯矩Mu S1和S2为A1和A2对等分截面轴的静矩 塑性截面系数 截面形状系数 矩形 圆形 工字形 结构出现若干塑性铰,成为几何可变或瞬变体系-破坏机构。此时结构丧失承载能力,达到极限状态。 对于静定梁,出现一个塑性铰,即成为破坏机构。等截面梁,塑性铰首先出现在 处 l/2 l/2 Pu 等截面简支梁,跨中弯矩最大,此处出现塑性铰,形成破坏机构。 或者 变截面梁,塑性铰出现在 处。 §14-3 单跨超静定梁的极限荷载 与静定梁不同,超静定梁具有多余约束,出现一个塑性铰,仍然几何不变,还可以承受更大荷载。 只有出现更多的塑性铰,变成几何可变或瞬变体系-破坏机构时,才丧失承载能力。 如一端固定一端铰支的等截面梁: A端先达到极限弯距Mu,出现塑性铰;荷载增加,跨中C也达到极限弯距Mu,出现塑性铰; 几何可变的机构 l/2 l/2 A C B P Mu Mu Mu Pu θ θ 2θ 由平衡条件 得 极限荷载的计算,无须考虑弹塑性变形发展过程,只要确定结构最后破坏机构的形式(各塑性铰处的弯距=极限弯距),可由平衡条件求出极限荷载。静力法 计算机构平衡问题,可以利用虚功原理求解极限荷载。 机动法 Pu θ θ 2θ Mu Mu 机构中所有力的虚功之和为零 同样得 §14-4 比例加载时有关极限荷载的几个定理 确定极限荷载时,结构和荷载比较简单,破坏机构容易确定。如果结构和荷载比较复杂,破坏机构较难确定。 有关比例加载的几个定理有助于确定极限荷载。 比例加载:作用于结构上的各个荷载按同一比例增加。 ?P1,?P2,…;?M1,?M2

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