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第4章结构构件的强度刚度稳定性教程
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结构构件的强度、刚度及稳定性
起重机械钢结构作为主要承重结构,由许许多多构件连接而成,常见构件有轴心受力构件、受弯构件及偏心受压构件。承载能力计算包括强度、刚度和稳定计算。稳定问题包括整体稳定和局部稳定,在连续反复载荷作用下,尚需要计算疲劳强度。本章介绍轴心受压构件、受弯构件及偏心受压构件的强度、刚度、整体稳定性及局部稳定性的计算。
轴心受力构件的强度、刚度及整体稳定
轴心受力构件的强度
轴心受力构件的强度按下式计算:
(4-1)
式中: —构件净截面面积, mm2;
—轴心受力构件的载荷, N;
—材料的许用应力,N/mm2。
轴心受力构件刚度
构件过长而细,在自重作用下会产生较大的挠度,运输和安装中会因刚度较差而弯扭变形,在动力载荷作用下也易产生较大幅度的振动。且对于轴心受压构件,刚性不足容易产生过大的初弯曲和自重等因素产生下垂挠度,对整体稳定性产生不利影响。为此,必须控制构件的长细比不超过规定的许用长细比,构件的刚度按下式计算:
(4-2)
式中:—构件的计算长度,mm;
—许用长细比,《起重机设计规范》GB/T 3811-2008规定结构构件容许长细比见表4-1;
—构件截面的最小回转半径,mm。
(4-3)
式中: —构件毛截面面积,mm2;
-构件截面惯性矩,mm4;
表4-1结构构件容许长细比
构件名称受拉构件受压构件主要承载结构件对桁架弦杆180150对整个结构200180次要承载结构件(主桁架的其他弦杆、辅助桁架的弦杆)250200其他构件350300轴心受压构件整体稳定性
理想轴心受压构件
轴心受压构件的截面形状和尺寸有种种变化,构件丧失整体稳定形式有三种可能:弯曲屈曲、弯扭屈曲和扭转屈曲。对于双轴对称的截面(如工字形),易产生弯曲屈曲;对于单轴对称的截面(如槽形),易产生弯扭屈曲;对于十字形截面,易产生扭转屈曲。
理想轴心受压构件是指构件是等截面、截面型心纵轴是直线、压力的作用线与型心纵轴重合、材料完全均匀。
早在18世纪欧拉对理想轴心压杆整体稳定进行了研究,得到了著名的欧拉临界力公式。
图4-1所示为轴心受压构件的计算简图,据此可以建立构件在微曲状态下的平衡微分方程:
(4-4)
图4-1轴心受压构件的屈曲平衡
解此方程,可得到临界载荷,又称欧拉临界载荷:
(4-5)
式中:—压杆计算长度,当两端铰支时为实际长度,mm;
—材料的弹性模量,N/mm2;
—压杆的毛截面惯性矩,mm4。
由式(4-5)可得轴心受压构件的欧拉临界应力为:
(4-6)
式中:—轴心受压构件的长细比;
—构件毛截面面积,mm2。
当轴心压力小于时,构件处于稳定的直线平衡状态,此时构件只产生均匀的压缩变形。当构件受到某种因素的干扰,如横向干扰力、载荷偏心等,构件发生弹性弯曲变形。干扰消除后,构件恢复到直线平衡状态。当外力继续增大至某一数值时,构件的平衡状态曲线呈分支现象,既可能在直线状态下平衡,也可能在微曲状态下平衡,此类具有平衡分支的稳定问题称为第一类问题。当外力再稍微增加,构件的弯曲变形就急剧增加,最终导致构件丧失了稳定,或称为压杆屈曲。此时的压力称为临界压力。
图4-3 关系曲线
图4-2切线模量
必须指出的是,欧拉临界应力公式的推导,是以压杆的材料为弹性的,且服从胡克定律为基础。也就是说只有对按式(4-6)算出的临界应力不超过压杆材料的比例极限的长细杆有效。但对于粗短的压杆,外载荷达到临界载荷之前,轴向应力将超过弹性极限,而处于非弹性阶段。这时弹性模量E不再保持常数,而是应力的函数,称切线模量。1947年香莱(Shanley)通过与欧拉公式相类似的推导,得到两端铰支的截面轴心压杆非弹性阶段的屈曲临界力,称为切线模量临界应力:
(4-7)
切线模量表示在钢材应力应变曲线上的临界应力处的斜率(图4-2)。
在非弹性阶段的切线模量临界应力为:
(4-8)
由此可见,当,材料处于弹性阶段时,用式(4-6)计算临界应力;当,临界应力超过了比例极限,材料处于弹塑性阶段,用公式(4-8)计算临界应力,如图4-3中虚曲线为欧拉临界应力延长线已经不适用
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