结构稳定理论课件
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127第2章 受压构件的稳定2.1 轴心受压构件的稳定轴心压杆就其自身的截面形状和尺寸而言,有较长细的杆,也有较中短的杆,这可用长细比i l /0=λ来表达。
对于长细比大的长细压杆,可以认为是在弹性范围内失稳;对于长细比小的中短杆件,则可能是在弹塑性范围内失稳。
因此,应该分别按弹性范围和弹塑性范围来分析理想轴心压杆的临界荷载。
2.1.1 理想轴心压杆的弹性稳定用理想轴心压杆的欧拉荷载E P 除以杆件的截面积A ,可得轴心压杆欧拉临界应力22202)/(λππσE i l E A P E cr===,式中i 为回转半径,AIi =。
由此可计算出应力值为材料比例极限p σ时的长细比p λ,并以此作为长细杆和中短杆的分界;压杆的长细比大于p λ时称为长细杆或大柔度杆,长细比小于p λ时称为中短杆或小柔度杆。
对于理想轴心压杆来说,长细杆是在弹性范围内工作的,所以压杆的稳定分析为弹性稳定问题。
通过弹性压杆的静力平衡条件,可以建立理想轴心压杆的平衡微分方程式,解平衡微分方程则可求得轴心压杆的临界荷载。
下面来看几个边界条件不同的理想轴心压杆的弹性稳定分析。
1)一端固定一端铰接的压杆 (1)用静力法求解如图2-1所示一端固定一端铰接的等截面轴心受压弹性直杆,设其已处于新的曲线平衡形式,则取任意截面的弯矩为)(x l Q Py M -+-=式中Q 为上端支座反力。
由y EI M ''-=,压杆挠曲线的平衡微分方程为:)(x l Q Py y EI -+-='' 图2-1一端固定一端铰接压杆128即 )(x l EIQ y EI P y -=+'' (2.1) 令EIPk =2,则有 )(22x l PQk y k y -=+'' (2.2) 此微分方程的通解为)(sin cos x l PQkx B kx A y -++= (2.3) 式中A 、B 为积分常数,Q /P 也是未知的。
第1章结构稳定概述工程结构或其构件除了应该具有足够的强度和刚度外,还应有足够的稳定性,以确保结构的安全。
结构的强度是指结构在荷载作用下抵抗破坏的能力;结构的刚度是指结构在荷载作用下抵抗变形的能力;而结构的稳定性则是指结构在荷载作用下,保持原有平衡状态的能力。
在工程实际中曾发生过一些由于结构失去稳定性而造成破坏的工程事故,所以研究结构及其构件的稳定性问题,与研究其强度和刚度具有同样的重要性。
1.1 稳定问题的一般概念结构物及其构件在荷载作用下,外力和内力必须保持平衡,稳定分析就是研究结构或构件的平衡状态是否稳定的问题。
处于平衡位置的结构或构件在外界干扰下,将偏离其平衡位置,当外界干扰除去后,仍能自动回到其初始平衡位置时,则其平衡状态是稳定的;而当外界干扰除去后,不能自动回到其初始平衡位置时,则其平衡状态是不稳定的。
当结构或构件处在不稳定平衡状态时,任何小的干扰都会使结构或构件发生很大的变形,从而丧失承载能力,这种情况称为失稳,或者称为屈曲。
结构的稳定问题不同于强度问题,结构或构件有时会在远低于材料强度极限的外力作用下发生失稳。
因此,结构的失稳与结构材料的强度没有密切的关系。
结构稳定问题可分为两类:第一类稳定问题(质变失稳)—结构失稳前的平衡形式成为不稳定,出现了新的与失稳前平衡形式有本质区别的平衡形式,结构的内力和变形都产生了突然性变化。
结构丧失第一类稳定性又称为分支点失稳。
第二类稳定问题(量变失稳)—结构失稳时,其变形将大大发展(数量上的变化),而不会出现新的变形形式,即结构的平衡形式不发生质的变化。
结构丧失第二类稳定性又称为极值点失稳。
无论是结构丧失第一类稳定性还是第二类稳定性,对于工程结构来说都是不能容许的。
结构失稳以后将不能维持原有的工作状态,甚至丧失承载能力,而且其变形通常急剧增加导致结构破坏。
因此,在工程结构设计中除了要考虑结构的116强度外,还应进行其稳定性校核。
1.1.1 第一类稳定问题首先以轴心受压杆来说明第一类稳定问题。
1.理想压杆:受压杆件两端铰支荷载作用于形心轴,杆轴线沿杆长完全平直,横截面双轴对称且沿杆长均匀不变,杆件无初应力,材料符合胡=胡克定律2.极限状态:承载能力极限状态和正常使用极限状态。
3.保守力:如果力在它作用的任意可能位移上所做的功与力作用点移动路径无关,只依赖与移动的起点和终点。
4.势能驻值原理与最小势能的区别:势能驻值原理方法比较简单,但从教学角度δp=0只是平衡条件,它不表示从稳定平衡过度到不稳定平衡的临界条件,而最小势能原理方法更加严密。
(势能驻值原理:虚位移,基本条件δp=0)5.伽辽金法瑞利-里兹法的区别:①瑞利里兹法只需要满足几何边界条件即可,而伽辽金法需要满足几何边界条件,力学边界条件;②伽辽金法直接与微分方程相联系,而瑞利里兹法需要写出体系的总势能。
6.计算长度系数μ,将非两端铰支的理想轴心压杆构件,临界荷载公式换算成相当于两端铰支理想轴心压杆构件,求解临界荷载的形式的所利用的计算长度,几何意义:杆件绕由曲线上两反弯点的间距7.自由度:用来表示约束条件允许的体系,可能变形时所必须的独立几何参数的数目。
8.柱子曲线:临界应力δcr与长细比的关系曲线,可作为轴心受压构件设计的依据。
9.残余应力:降低比例极限,使柱子提前出现弹塑性屈曲,当超过比例极限后,残余应力使杆件应力应变曲线,同时减小了截面的有效面积和有效惯性矩,从而降低了刚度和稳定性。
10.翘曲:非圆形截面的杆件扭转时,截面处绕杆件轴线转动外,截面上个点还会发生不同的轴向位移而使截面出现凹凸,不像圆截面杆件那样扭转后不保持平面。
11.影响弯曲荷载Mor的因素:①截面的形状,尺寸。
②截面的残余应力。
③初始几何缺陷。
④荷载类型及其作用特点。
⑤构件端部和侧向支撑条件。
12.梁的弯曲屈曲5个假设:①构件为各向同性完全弹性体,②弯曲和扭转时,构件截面形状不变,③小变形(侧面)。
④构件为等截面无截面。
⑤主弯矩作用平面内刚度很大,屈曲前变形对弯扭屈曲的影响的忽略。
结构稳定理论
Theory of Stability 李波
教材
陈骥. 钢结构稳定理论与设计(第五版). 科学出版社,2011
绪论
一.实践中的稳定现象
二.结构正常工作的条件是什么?
三.本课程的主要任务
四.为什么钢结构特别强调稳定性?
五.结构中稳定问题的类型
六.稳定问题的特点
七.稳定问题的求解方法
一.实践中的稳定现象
一.实践中的稳定现象
一.实践中的稳定现象
二.结构正常工作的条件是什么?
足够的强度;足够的刚度;足够的稳定性强度Strength :材料抵抗破坏的能力不会因材料的应力被超过而破坏
刚度Stiffness :材料抵抗变形的能力不会因结构的变形过大而失效
稳定Stability :结构维持其原有平衡形式的能力不会产生与原受力状态不符的另外的较大变形而破坏
三.本课程的主要任务
1.结构中几类受力构件(存在受压区)弹性平面变位的稳定理论;
2.考虑初始缺陷对稳定性能的影响;
3.结合规范介绍应用稳定理论解决钢结构设计中的稳定性问题
四.为什么钢结构特别强调稳定性
1.高强度材料的结构与低强度材料的结构相比;
2.薄壁结构与厚实结构相比;
3.主要受压的结构与主要受拉的结构相比
五.结构中稳定问题的类型
1. 平衡分岔失衡
自动
恢复
五.结构中稳定问题的类型
1. 平衡分岔失衡
P E
P E P E 无法自
动恢复v
五.结构中稳定问题的类型
2. 极值型失稳P
e 1
P v
e 2
五.结构中稳定问题的类型
3. 跃越失稳
六.稳定问题的特点
1. 必须考虑变形对荷载效应的影响
针对已变形的结构来分析它的平衡,二阶分析; 针对未变形的结构来分析它的平衡,一阶分析。
P
E P E
P E
2. 整体性的特点
结构的稳定性:结构的稳定不能就某个杆件去孤立地分析,而应当考虑其他杆件对它的约束作用,这种约束作用是要从结构的整体分析来确定。
六.
稳定问题的特点
F F
3.
多样性的特点 失稳的形态多种多样
六.稳定问题的特点
4. 叠加原理不再适用
叠加原理应用的前提是:
材料符合胡克定律;
六.稳定问题的特点
结构的变形很小,用一阶分析来计算。
稳定分析要进行二阶分析,所以叠加原理不再适用。
七.稳定问题的求解方法
1.平衡法
根据已产生了微小变形(失稳时的变形形态)后的结构的受力条件建立平衡方程,进行求解。
2.能量法
基于能量原理进行求解。
3.动力法
小扰动下,根据结构振动特性来确定。
七.稳定问题的求解方法例1:图示下端铰接,上端具有弹性支承的刚性杆。
抗位移的弹簧常数为k ,杆的长度为l ,在上端作用有F 集中荷载P 。
求其临界荷载l
θ
七.稳定问题的求解方法P 00.00=θ05.00=θcr P P
θ10.00=θ20
.00=θ30
.00=θ02π0θθ。