§8-5 梁的刚度计算
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(1)梁的抗弯强度作用在梁上的荷载不断增加时正应力的发展过程可分为三个阶段,以双轴对称工字形截面为例说明如下:梁的抗弯强度按下列公式计算:单向弯曲时(5-3)双向弯曲时(5-4)式中:Mx、My——绕x轴和y轴的弯矩(对工字形和H形截面,x轴为强轴,y轴为弱轴);Wnx、Wny——梁对x轴和y轴的净截面模量;——截面塑性发展系数,对工字形截面,;对箱形截面,;对其他截面,可查表得到;f ——钢材的抗弯强度设计值。
为避免梁失去强度之前受压翼缘局部失稳,当梁受压翼缘的外伸宽度b与其厚度t之比大于,但不超过时,应取。
需要计算疲劳的梁,按弹性工作阶段进行计算,宜取。
(2)梁的抗剪强度一般情况下,梁同时承受弯矩和剪力的共同作用。
工字形和槽形截面梁腹板上的剪应力分布如图5-3所示。
截面上的最大剪应力发生在腹板中和轴处。
在主平面受弯的实腹式梁,以截面上的最大剪应力达到钢材的抗剪屈服点为承载力极限状态。
因此,设计的抗剪强度应按下式计算(5-5)式中:V——计算截面沿腹板平面作用的剪力设计值;S——中和轴以上毛截面对中和轴的面积矩;I——毛截面惯性矩;tw——腹板厚度;fv——钢材的抗剪强度设计值。
图5-3 腹板剪应力当梁的抗剪强度不满足设计要求时,最常采用加大腹板厚度的办法来增大梁的抗剪强度。
型钢由于腹板较厚,一般均能满足上式要求,因此只在剪力最大截面处有较大削弱时,才需进行剪应力的计算。
刚度(Stiffness)是描述材料或结构在受到外力作用时抵抗变形的能力。
对于线性弹性材料,刚度可以通过应力(Stress)与应变(Strain)之间的比例关系来计算,这个比例常数被称为弹性模量(Elastic Modulus)。
对于一维情况(例如拉伸或压缩),刚度计算公式为:
[ K = \frac{\sigma}{\epsilon} ]
其中:
( K ) 是刚度(N/m 或Pa)
( \sigma ) 是应力(N/m²或Pa)
( \epsilon ) 是应变(无量纲)
对于二维情况(例如梁的弯曲),刚度计算公式可能会涉及到弯矩(M)和曲率(κ):
[ EI = \frac{M}{\kappa} ]
其中:
( EI ) 是梁的弯曲刚度(N·m²)
( M ) 是弯矩(N·m)
( \kappa ) 是曲率(1/m)
对于三维情况(例如杆的扭转),刚度计算公式为:
[ GJ = \frac{T}{\phi} ]
其中:
( GJ ) 是杆的扭转刚度(N·m²)
( T ) 是扭矩(N·m)
( \phi ) 是扭转角(rad)
请注意,以上公式仅适用于线性弹性材料,并且在弹性范围内有效。
对于非线性材料或超出弹性范围的情况,刚度可能会发生变化,并且需要使用更复杂的模型来描述材料的力学行为。
此外,对于复杂的结构或组件,刚度可能需要通过有限元分析(FEA)或其他数值方法来计算。
这些方法可以考虑材料的非线性、几何非线性以及多种加载条件。