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前面的各个章节讨论了各类结构在外因作用下内力和位移的计算方法。在结构设计中内力计算要确定结构是否有足够的强度,位移计算要确定结构是否有足够的刚度。 工程设计的实践证明,在不少情况下,仅以以上两种计算,来判断结构的可靠性是不够的。对于由柔性杆件和压弯杆件所组成的结构,例如,梁、桁架、拱、薄壁结构等,尤其如此。即是说:结构可能强度安全但是稳定不安全。 从现在的结构设计的发展趋势看,趋向于轻质的大跨形式(近代工程的优化设计),对结构的稳定性要求非常严格,结构设计必须考虑三个方面:强度、刚度和稳定。 §12-1 两类稳定问题概述 在材料力学课中大家已经对“压杆的稳定问题”进行过讨论,在此,我们对杆件结构的各种稳定问题作进一步的讨论。 在结构设计中,应当对结构进行强度验算和稳定验算。强度验算是最基本的必不可少的,而稳定验算则是在某些情况下显得重要。如薄壁结构(与厚壁结构相比)、高强度材料的结构(与低强度材料的结构-砖石结构、混凝土结构相比)、主要受压的结构(与主要受拉的结构相比)容易丧失稳定,稳定验算对这些结构显得更为重要。 一、结构的三种平衡状态 结构的三种平衡状态(从稳定性角度考察):稳定平衡状态、不稳定平衡状态和中性平衡状态。 解释:设结构处于某个平衡状态,受到轻微干扰而稍微偏离其原来位置。 1、稳定平衡状态:当干扰消失后,如结构回到原来位置,则原来的平衡状态称为稳定平衡状态。 2、不稳定平衡状态:当干扰消失后,结构继续偏离,不能回到原来位置,则原来的平衡状态称为不稳定平衡状态。 3、中性平衡状态:结构由稳定平衡到不稳定平衡过渡的状态称为中性平衡状态。 二、结构稳定计算理论 1、小挠度理论 采用小挠度理论计算可以用比较简单的方法得到基本正确的结论。工程上通常采用小挠度理论进行计算。 2、大挠度理论 大挠度理论是比较复杂的理论,利用其计算可以得到更为精确的结论。但是,计算的难度相当大,用到比较高深的数学知识。 三、结构的失稳 结构失稳:随着荷载的增大,结构的原始平衡状态可能由稳定平衡状态转变为不稳定平衡状态。这时原始平衡状态丧失其稳定性,简称失稳。 失稳的两种基本形式:分支点失稳、极值点失稳。 1、分支点失稳 (1) 基本情况:图a所示的简支压杆的完善体系(理想体系),杆件轴线是理想的直线(没有初曲率),荷载FP是理想的中心受压荷载(没有偏心)。 (3)过程分析 当FP1FPcr=?2EI/l2时,压杆只是单纯受压。不发生弯曲变形(挠度?=0),压杆处于直线形式的平衡状态(称为原始平衡状态)。其FP-?曲线用直线OAB表示,称为原始平衡路径。 当FP2FPcr=?2EI/l2时,原始的平衡形式不再是唯一的平衡形式,压杆既可处于直线形式的平衡状态,还可处于弯曲形式的平衡状态。亦即是说:这时存在两种形式的平衡状态。 (4) 分支点 分支点:两条平衡路径I和II的交点称为分支点。 分支点的意义:分支点B将原始平衡路径I分为两段:OB段上的点属于稳定平衡。BC段上的点属于不稳定平衡。 分支点失稳:具有原始平衡路径由稳定平衡转为不稳定平衡特征的失稳形式称为分支点失稳。 临界荷载和临界状态:分支点对应的荷载称为临界荷载,分支点对应的状态称为临界状态。 (5) 分支点失稳现象举例(见下图a、b、c) 特征:在分支点P=Pcr处,原始平衡形式由稳定转为不稳定,并出现新的平衡形式。 2、极值点失稳 (1) 基本情况:非完善体系。压杆具有初曲率和承受偏心荷载(图a、b)。 按大挠度理论:其FP-?曲线见图c的曲线OBC。 (3) 极值点和极值点失稳 B点为极值点,在极值点荷载达到极大值。在极值点前的曲线段OB,其平衡状态是稳定的;在极值点后的曲线段BC,其相应的荷载反而下降,平衡状态是不稳定的;在极值点处,平衡路径由稳定平衡转变为不稳定平衡。 一般说来,非完善体系的失稳形式是极值点失稳。 (4)特例 扁拱式结构失稳时可能伴随有“跳跃”现象。 这里我们设想通过一个控制机构进行加载,FP值可为正值或负值(图c)。 极值点B以后,平衡路径由虚线BCD表示,荷载的代数值减少,C点的FPC=0,在D点出现下极限点,FPD=-FPcr。BCD线上的点对应于不稳定平衡。 §12-2 两类稳定问题计算简例 主要内容: (1) 用单自由度体系说明两类失稳问题的具体分析方法; (2) 分析完善体系的分支点失稳问题; (3) 分析非完善体系的极值点失稳问题; (4) 用大挠度理论得出精确结果; (5) 用小挠度理论得出近似结果。 一、单自由度完善体系的分支点失稳 基本情况:单自由度完善体系。 图a所示的刚性压杆,承受中心压力FP,底端A为铰支座,顶端B有水平弹簧支承,其刚度系数为k。 (1) 按大挠度理论分析 原始平衡形式(图a):杆AB处于竖直位置时,体系能
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