工程力学压杆稳定课件

11-111-111-111-1 压杆的稳定概念压杆的稳定概念压杆的稳定概念压杆的稳定概念11-2 11-2 11-2 11-2 细长压杆临界压力的欧拉公式细长压杆临界压力的欧拉公式细长压杆临界压力的欧拉公式细长压杆临界压力的欧拉公式11-3 11-3 11-3 11-3 欧拉公式的使用范围欧拉公式的使用范围欧拉公式的使用范围欧拉公式的使用范围 临界应力总图临界应力总图临界应力总图临界应力总图11-4 11-4 11-4 11-4 压杆的稳定计算压杆的稳定计算压杆的稳定计算压杆的稳定计算11-5 11-5 11-5 11-5 提高压杆稳定性的措施提高压杆稳定性的措施提高压杆稳定性的措施提高压杆稳定性的措施第十一章第十一章 压杆稳定压杆稳定111-1 压杆的稳定概念第十一章 压杆稳定1压杆压杆压杆压杆工程中把承受轴向压力的直杆称为压杆工程中把承受轴向压力的直杆称为压杆.工程实例液压缸顶杆液压缸顶杆2压杆工程中把承受轴向压力的直杆称为压杆.工程实例液压缸顶杆2木结构中的压杆木结构中的压杆脚手架中的压杆脚手架中的压杆3木结构中的压杆脚手架中的压杆3桁架中桁架中的压杆的压杆4桁架中的压杆4(a)(b)拉压杆的强度条件为拉压杆的强度条件为：=FNA第一节第一节 压杆的稳定概念压杆的稳定概念(a):(a):木杆的横截面为矩形（木杆的横截面为矩形（1 1 2 2cm),cm),高为高为3 3cmcm，当荷载重量为，当荷载重量为6kN6kN时杆还不致破坏。时杆还不致破坏。(b)(b)：木：木杆的横截面与杆的横截面与(a)(a)相同，高相同，高为为1.41.4m m(细长压杆）细长压杆），当压力为当压力为0.10.1KNKN时杆被压弯，时杆被压弯，导致破坏。导致破坏。(a)和和(b)竟相差竟相差60倍，为什么倍，为什么？细长压杆的破坏形式：突然产生显著的细长压杆的破坏形式：突然产生显著的弯曲变形而使结构丧失工件能力，并非因强弯曲变形而使结构丧失工件能力，并非因强度不够，而是由于压杆不能保持原有直线平度不够，而是由于压杆不能保持原有直线平衡状态所致。这种现象称为失稳。衡状态所致。这种现象称为失稳。问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出5(a)(b)拉压杆的强度条件为：FN第一节 稳定问题稳定问题:主要针对细长压杆主要针对细长压杆课堂小实验:横截面为26mm1mm的钢尺,求其能承受的 Fmax=?6 稳定问题:主要针对细长压杆课堂小实验:横截面为261983年年10月月4日，高日，高54.2m、长、长17.25m、总重总重565.4KN大型脚大型脚手架局部失稳坍塌，手架局部失稳坍塌，5人死亡、人死亡、7人受伤人受伤。71983年10月4日，高7 20002000年年1010月月2525日上午日上午1010时许南京电视台演播厅工程封顶，由于脚手时许南京电视台演播厅工程封顶，由于脚手架失稳，模板倒塌，造成架失稳，模板倒塌，造成6 6人死亡，人死亡，3535人受伤，其中一名死者是南京电视人受伤，其中一名死者是南京电视台的摄象记者台的摄象记者。8 2000年10月25日上午10时许南京电视台演播厅工程封 稳定平衡稳定平衡 随遇平衡随遇平衡 不稳定平衡不稳定平衡 （临界状态临界状态）失失 稳：稳：不稳定的平衡物体在任意微小的外界干扰下的变不稳定的平衡物体在任意微小的外界干扰下的变化或破坏过程。化或破坏过程。稳定性：稳定性：平衡物体在其原来平衡状态下抵抗干扰的能力。平衡物体在其原来平衡状态下抵抗干扰的能力。小球平衡的三种状态小球平衡的三种状态 稳定平衡稳定平衡 随遇平衡随遇平衡 不稳定平衡不稳定平衡 （临界状态临界状态）稳定平衡稳定平衡 随遇平衡随遇平衡 不稳定平衡不稳定平衡 （临界状态临界状态）9 稳定平衡 随101011111212受压直杆平衡的三种形式受压直杆平衡的三种形式 稳定平衡稳定平衡 随遇平衡随遇平衡 不稳定平衡不稳定平衡 （临界状态临界状态）稳定平衡稳定平衡 随遇平衡随遇平衡 不稳定平衡不稳定平衡 （临界状态临界状态）稳定平衡稳定平衡 随遇平衡随遇平衡 不稳定平衡不稳定平衡 （临界状态临界状态）13受压直杆平衡的三种形式 稳定平衡 电子式万能电子式万能试验机上的压杆试验机上的压杆稳定实验稳定实验14 电子式万能试验机上的第二节第二节 细长压杆临界压力的欧拉公式细长压杆临界压力的欧拉公式一、两端铰支细长压杆的临界载荷一、两端铰支细长压杆的临界载荷当达到临界压力时，压杆处于微弯状态下的平衡。当达到临界压力时，压杆处于微弯状态下的平衡。FcrFNyy15第二节 细长压杆临界压力的欧拉公式一、两端铰支细长压杆的临考察微弯状态下局部压杆的平衡考察微弯状态下局部压杆的平衡:M(x)=Fcr y(x)M(x)=EId x2d2y二阶常系数线性奇次微分方程二阶常系数线性奇次微分方程FcrFNyy微分方程的解微分方程的解:y=Asinkx+Bcoskx边界条件边界条件:y(0)=0 ,y(l)=00 A+1 B=0sinkl A+coskl B=0B=0sinkl A=016考察微弯状态下局部压杆的平衡:M(x)=Fcr y 若 A=0，则与压杆处于微弯状态的假设不符，因此可得：FcrFNyy0 A+1 B=0sinkl A+coskl B=0B=0sinkl A=0sinkl=0（n=0、1、2、3）17 若 A=0，则与压杆处于微弯状态的假设不两端铰支细长压杆的临界载荷两端铰支细长压杆的临界载荷的欧拉公式的欧拉公式最小临界载荷最小临界载荷:屈曲位移函数屈曲位移函数 :临界载荷临界载荷:临界力临界力 F c r 是微弯下的最小压是微弯下的最小压力，故取力，故取 n=1。且杆将绕惯性矩最小。且杆将绕惯性矩最小的轴弯曲。的轴弯曲。18两端铰支细长压杆的临界载荷的欧拉公式最小临界载荷:屈二、支承对二、支承对压杆临界载荷的影响压杆临界载荷的影响一端自由一端自由一端固定一端固定一端铰支一端铰支一端固定一端固定两端固定两端固定两端铰支两端铰支19二、支承对压杆临界载荷的影响一端自由一端铰支两端固定两端铰支临界载荷欧拉公式的一般形式临界载荷欧拉公式的一般形式:一端自由，一端固定一端自由，一端固定 :2.02.0一端铰支，一端固定一端铰支，一端固定 :0.70.7 两端固定两端固定 :0.50.5 两端铰支两端铰支 :1.01.020临界载荷欧拉公式的一般形式:一端自由，一端固定:欧拉欧拉欧拉欧拉临界力公式临界力公式临界力公式临界力公式中的 Imin 如何确定？定性定性确定确定 Imin21欧拉临界力公式中的 Imin 如何确定？定性确定 Imin例：例：图示细长圆截面连杆，长度，直径,材料为Q235钢，E200GPa.试计算连杆的临界载荷 Fcr.解：解：1、细长压杆的临界载荷2、从强度分析22例：图示细长圆截面连杆，长度，直径,材解：1一、临界应力与柔度一、临界应力与柔度临界应力的欧拉公式压杆的柔度（长细比）压杆的柔度（长细比）压杆容易失稳压杆容易失稳惯性半径惯性半径第三节第三节 欧拉公式的使用范围欧拉公式的使用范围 临界应力总图临界应力总图柔度是影响压杆承载能力的综合指标。柔度是影响压杆承载能力的综合指标。23一、临界应力与柔度临界应力的欧拉公式压杆的柔度（长细（细长压杆临界柔度）（细长压杆临界柔度）二、欧拉公式的适用范围二、欧拉公式的适用范围例：例：Q235钢钢，欧拉公式的适用围欧拉公式的适用围:，称大柔度杆（细长压杆称大柔度杆（细长压杆 ）ppEspl2=24（细长压杆临界柔度）二、欧拉公式的适用范围例：Q235钢，1 1、大柔度杆（细长压杆）采用欧拉公式计算。、大柔度杆（细长压杆）采用欧拉公式计算。临界压力：临界压力：临界压应力：临界压应力：P 细长压杆。细长压杆。三、临界应力总图三、临界应力总图：临界应力与柔度之间的变化关系图。临界应力与柔度之间的变化关系图。251、大柔度杆（细长压杆）采用欧拉公式计算。临界压力：临界压应P 细长压杆。细长压杆。s 直线型经验公式2 2：中柔度杆（中长压杆）采用经验公式计算。：中柔度杆（中长压杆）采用经验公式计算。直线型经验公式直线型经验公式 是与材料性能有关的常数。26Pl细长压杆。sl直线型经验公式2：中柔度杆（中长压杆）材料a(MPa)b(MPa)硅钢5773.7410060铬钼钢9805.29550硬铝3722.14500铸铁331.91.453松木39.20.19959 直线公式适合合金钢、铝合金、铸铁与松木等中柔度压杆。直线型经验公式直线型经验公式 是与材料性能有关的常数。27材料a(MPa)b(MPa)硅钢5773.7410060铬钼P 细长压杆。细长压杆。s 直线型经验公式3 3：小柔度杆（短粗压杆）只需进行强度计算。：小柔度杆（短粗压杆）只需进行强度计算。28Pl细长压杆。sl直线型经验公式3：小柔度杆（短粗压杆）P 细长压杆。细长压杆。s 直线型经验公式中柔度杆粗短杆大柔度杆细长杆细长杆发生弹性屈曲发生弹性屈曲(p)中长杆中长杆发生弹塑性屈曲发生弹塑性屈曲(s p)粗短粗短杆杆不发生屈曲，而发生屈服不发生屈曲，而发生屈服 (s)临界应力总图临界应力总图a29Pl细长压杆。sl直线型经验公式中柔度杆粗短杆大柔度杆细临界应力总图临界应力总图b细长压杆细长压杆在我国在我国钢结构构规范中采用的抛物范中采用的抛物线经验公式公式为 对于对于 的非的非细长杆，杆，临界界应力采用力采用抛物抛物线公式公式进行行计算。算。中柔度杆中柔度杆30临界应力总图b细长压杆在我国钢结构规范中采用的抛物线经验 抛物线公式适合于结构钢与低合金钢等制做的中柔度压杆。抛物线公式适合于结构钢与低合金钢等制做的中柔度压杆。四、注意问题四、注意问题：1、计算临界力、临界应力时，先计算柔度，判断所用公式。2、对局部面积有削弱的压杆，计算临界力、临界应力时，其截面面积和惯性距按未削弱的尺寸计算。但进行强度 计算时需按削弱后的尺寸计算。抛物线型经验公式抛物线型经验公式31 抛物线公式适合于结构钢与低合金钢等制做的中柔临界力计算的步骤临界力计算的步骤32临界力计算的步骤32例：例：一压杆长L=1.5m，由两根 56566 等边角钢组成，两端 铰支，角钢为Q235钢，试用欧拉公式或经验公式求临界压 力（cr=304-1.12 ）。解：查表：一个角钢：两根角钢图示组合之后33例：一压杆长L=1.5m，由两根 56566 等边角钢组所以，应由经验公式求所以，应由经验公式求临界压力。临界压力。cr=304-1.12=304-1.1289.3=204（MPa）临界压力临界压力34所以，应由经验公式求临界压力。cr=304-1.12=3 例例 两端铰支压杆的长度两端铰支压杆的长度L=1.2m，材料为，材料为Q235钢，钢，E=200GPa，s=240MPa，p=200MPa。已知截面的面积。已知截面的面积 A=900mm2，若截面的形状分别，若截面的形状分别为圆形、正方形、为圆形、正方形、d D=0.7 的空心圆管。试分别计算各杆的临界力。的空心圆管。试分别计算各杆的临界力。解解 （1）圆形截面）圆形截面直径直径 惯性半径惯性半径 柔度柔度 因为因为 ，所以属细长压杆，用欧拉公式计算临界力，所以属细长压杆，用欧拉公式计算临界力35 例 两端铰支压杆的长度L=1.2m，材料为 （2）正方形截面正方形截面截面边长截面边长 因为因为 ，所以属细长压杆，用欧拉公式计算，所以属细长压杆，用欧拉公式计算临界力。临界力。柔度计算柔度计算36 （2）正方形截面 因为 （3）空心圆管截面空心圆管截面 因为因为 ，所以，所以 得得 D=47.410-3m ，d=33.1810-3m 因为因为 ，所以属中长压杆，用直线公式计算临界力。，所以属中长压杆，用直线公式计算临界力。惯性矩惯性矩柔度计算柔度计算37 （3）空心圆管截面得 例例 图中所示之压杆，其直径均为图中所示之压杆，其直径均为d d，材料都是，材料都是Q235Q235钢，但二者长度和约束钢，但二者长度和约束条件不相同。试求：条件不相同。试求：1.1.那一根杆的临界荷载较大？那一根杆的临界荷载较大？2.2.计算计算d d160mm160mm，E E206GPa206GPa时，二杆的临界荷载。时，二杆的临界荷载。解解 1.1.计算柔度判断两杆的临界荷载计算柔度判断两杆的临界荷载两端铰支压杆的临界荷载小于两端两端铰支压杆的临界荷载小于两端固定压杆的临界荷载固定压杆的临界荷载。38例 图中所示之压杆，其直径均为d，材料都是Q235钢，但2.2.计算各杆的临界荷载计算各杆的临界荷载392.计算各杆的临界荷载39解解:例例:有一千斤顶有一千斤顶,材料为材料为A3A3钢钢.螺纹内径螺纹内径d=5.2cmd=5.2cm，最大高度，最大高度l=50cml=50cm,求临界载荷求临界载荷 .(.(已知已知 )柔度:惯性半径:A3钢:可查得F 0 0 y 木柱失稳将在垂直于屏幕平面内绕木柱失稳将在垂直于屏幕平面内绕 y y 轴失稳。轴失稳。在垂直于屏幕平面（在垂直于屏幕平面（xzxz）内绕）内绕 y y 轴失稳时轴失稳时(b)(a)42 两端固定 y=0.5 z y z z p p 应采用欧拉公式计算应采用欧拉公式计算 木柱的临界力木柱的临界力为为选用计算公式选用计算公式(b)(a)43z p 应采用欧拉公式计算 木柱的临界 例例截面为截面为120200mm的矩形木柱，材料的的矩形木柱，材料的弹性模量弹性模量E=1104Mpa。其支承情况为：在。其支承情况为：在xoz平面失稳（即绕平面失稳（即绕y y 轴失稳）时柱的两端可视为轴失稳）时柱的两端可视为固定端（图固定端（图a a）；在）；在xoy平面失稳（即绕平面失稳（即绕 z z 轴轴失稳）时，柱的两端可视为铰支端（图失稳）时，柱的两端可视为铰支端（图b b）。试）。试求该木柱的临界力。求该木柱的临界力。解：解：(1)(1)计算绕计算绕y y轴失稳时的柔度轴失稳时的柔度 y=0.5（两端固定）（两端固定）44 例截面为120200mm的矩形木柱，材料的弹性(2)计算绕计算绕z轴失稳时的柔度轴失稳时的柔度 z=1（两端铰支）（两端铰支）(3)计算临界力计算临界力 从上面计算可知：从上面计算可知：zy（绕（绕z失稳）失稳）45(2)计算绕z轴失稳时的柔度 z=1（两端铰支）(3)计maxp，可由欧拉公式计算临界力，可由欧拉公式计算临界力 该柱将可能在该柱将可能在xoy平面失稳（绕平面失稳（绕z轴）。轴）。46maxp，可由欧拉公式计算临界力 该柱将可能在xoy平1 1、安全系数法、安全系数法:一、稳定条件一、稳定条件稳定安全系数；稳定安全系数；稳定许用压力。稳定许用压力。稳定许用压应力。稳定许用压应力。2 2、折减系数法、折减系数法:许用应力；许用应力；折减系数，与压杆的柔度和材料有关。折减系数，与压杆的柔度和材料有关。第四节第四节 压杆的稳定计算压杆的稳定计算471、安全系数法:一、稳定条件稳定安全系数；稳定许用压力。注意：强度的许用应力和稳定的许用应力的区别注意：强度的许用应力和稳定的许用应力的区别.强度的许用应力只与材料有关；稳定的许用应力强度的许用应力只与材料有关；稳定的许用应力不仅与材料有关，还与压杆的支承、截面尺寸、截面不仅与材料有关，还与压杆的支承、截面尺寸、截面形状有关。形状有关。二、稳定计算二、稳定计算1)1)校核稳定性；校核稳定性；2)2)设计截面尺寸；设计截面尺寸；3)3)确定外荷载。确定外荷载。1 1、安全系数法、安全系数法:48注意：强度的许用应力和稳定的许用应力的区别.应用上式的稳定条件，能够解决压杆下列三方面的问题。应用上式的稳定条件，能够解决压杆下列三方面的问题。验算压杆的稳定性验算压杆的稳定性 确定容许荷载确定容许荷载 选择压杆的截面尺寸和形状选择压杆的截面尺寸和形状 由于上式中，由于上式中，A和和 都是未知的，所以需采用逐次渐近法进行计算。都是未知的，所以需采用逐次渐近法进行计算。2 2、折减系数法、折减系数法:先算出先算出 查表得查表得 稳定条件：稳定条件：先算出先算出 查表得查表得 49应用上式的稳定条件，能够解决压杆下列三方面的问题。验算压 a aBC BC 杆绕杆绕y y失稳时，失稳时，B B 端端可视为铰支，长度系数为：可视为铰支，长度系数为：例例结构受力如图示，结构受力如图示，BC杆采用杆采用No18工字钢工字钢(Iz=1660cm4,iz=7.36cm,Iy=122cm4,iy=2cm,A=30.6cm2)。材料的弹性模量。材料的弹性模量 E=2105 Mpa，比例极限，比例极限 ，稳定安全系数，稳定安全系数 nW=3。试确定容许荷载。试确定容许荷载G。解解（一）求（一）求maxmax50 aBC 杆绕y失稳时，B 端 例结构受力如图示即可能首先绕即可能首先绕 y 轴失稳轴失稳（二）确定（二）确定BC杆的临界荷载杆的临界荷载 BC杆的临界力可用欧拉公式计算杆的临界力可用欧拉公式计算 b bBC BC 杆绕杆绕z z失稳时，失稳时，B B 端可视为自由端，长度系数为：端可视为自由端，长度系数为：51即可能首先绕 y 轴失稳（二）确定BC杆的临界荷载 BC杆（三）确定结构的容许荷载（三）确定结构的容许荷载 BC杆能承受的容许荷载为：杆能承受的容许荷载为：结构的容许荷载结构的容许荷载:52（三）确定结构的容许荷载 BC杆能承受的容许荷载为：结构的解：解：折减系数法折减系数法1、最大柔度x y平 面 内，z=1.0z y平 面 内，y=2.0例例：图示起重机，图示起重机，AB 杆为圆松木，长杆为圆松木，长 L=6m，=11MPa，直径为：，直径为：d=0.3m，试试求此杆的许用压力。（求此杆的许用压力。（xy 面两端视为铰支；面两端视为铰支；xz 面一端视为面一端视为固定，一端视为自由）固定，一端视为自由）A AF1BWWF2xyzo53解：折减系数法1、最大柔度xy平面内，z=1.0zy平面2、求折减系数3、求许用压力A AF1BWWF2542、求折减系数3、求许用压力AF1BWF254例：例：一等直压杆长一等直压杆长 L=3.4 m，A=14.72 cmA=14.72 cm2 2，I=79.95 cmI=79.95 cm4 4，E E=210 GPa=210 GPa，F F=60 kN=60 kN，材料为，材料为A A3 3钢，两端为铰支座。试进钢，两端为铰支座。试进行稳定校核。行稳定校核。1)nw=2；2)=140 MPa。解：解：1)安全系数法安全系数法：55例：一等直压杆长 L=3.4 m，A=14.72 cm2，2)折减系数法折减系数法查表查表:=140，=0.349；=150，=0.306。562)折减系数法查表:=140，=0.349；=1 解：解：（一）由平衡条件解出两杆内力与（一）由平衡条件解出两杆内力与荷载荷载 P P 的关系。的关系。例例ABAB、AC AC 杆材料相同为低碳钢，直径为杆材料相同为低碳钢，直径为 d d=6cm,=6cm,lABAB=3m,=3m,lACAC=2m=2m，.考虑图示平面内稳定时，结构考虑图示平面内稳定时，结构的容许荷载的容许荷载FF。查查 表得：表得：（二）用折减系数法求容许荷载（二）用折减系数法求容许荷载P a由由AB杆确定容许荷载杆确定容许荷载P1。57 解：（一）由平衡条件解出两杆内力与荷载 P 的关系。AB杆的容许荷载为：杆的容许荷载为：代入代入(1)后得：后得：查查 表得：表得：58AB杆的容许荷载为：代入(1)后得：查 b由由AC杆确定容许荷载杆确定容许荷载F2。采用插入法确定采用插入法确定 ：（见图：（见图）AC杆的容许荷载为：杆的容许荷载为：59b由AC杆确定容许荷载F2。采用插入法确定 ：（c比较比较F1 和和F2确定确定F=162KN（取小者）（取小者）代入代入(2)后得：后得：60c比较F1 和F2确定F=162KN（取小者）提高压杆稳定性的措施，可从决定压杆临界力的各种因素去考虑。第五节第五节 提高压杆的稳定的措施提高压杆的稳定的措施一、材料方面材料方面对于对于的细长压杆，临界应力的细长压杆，临界应力 由于各种钢材的E大致相等，所以选用优质钢材与普通钢材并无很大差别。采用高强度优质钢在一定程度上可以提高中长压杆的稳定性。对于短粗杆，本身就是强度问题，采用高强度材料则可相应提高强度，其优越性自然是明显的。61 提高压杆稳定性的措施，可从决定压杆临界力的各种二、柔度方面柔度方面压杆的柔度（长细比）压杆的柔度（长细比）柔度越小，稳定性就越好，为了减小柔度，在可能的情况下可采取如下一些措施：1、改善支承情况改善支承情况 压杆两端固定得越牢固，临界应力就大。所以采用 值小的支承情况，可以提高压杆的稳定性。两端铰支(图a)的细长压杆，若在杆件中点增加一支承(图b)，则计算长度为原来的一半，柔度相应减小一半，而其临界应力则是原来的4倍。2、减小杆的长度减小杆的长度62二、柔度方面压杆的柔度（长细比）柔度越小，稳三、整个结构的综合考虑三、整个结构的综合考虑3、选择合理的截面选择合理的截面 如果截面面积一定时，应设法增大惯性矩 I。工程中的压杆常采用空心截面或组合截面。例如，同样截面的实心圆杆改成空心圆杆。又如，由四根角钢组成的立柱，角钢应分散放置在截面的四个角（见图a），而不是集中放置在截面的形心附近（见图b）。当压杆在各个弯曲平面内的约束条件相同时，则压杆的失稳发生在最小刚度平面内。因此，当截面面积一定时，应使 ，而且还要尽量使 值大些（例如，空心圆等），从而提高其抗失稳的能力。如压杆在两个弯曲平面内的约束条件不同，这就要求在两个弯曲平面内的柔度相等或相近，从而达到在两个方向上抵抗失稳的能力一样或相近的目的。63三、整个结构的综合考虑3、选择合理的截面 如例：例：图示立柱，图示立柱，L=6m，由两根，由两根10号槽型号槽型A3钢组成，下端固钢组成，下端固定，上端为球铰支座，试问定，上端为球铰支座，试问 a=？时，立柱的？时，立柱的临界压力最大临界压力最大值为多少？值为多少？解解：1 1、对于单个对于单个1010号槽钢，号槽钢，形心在形心在C C1 1点。点。两根槽钢图示组合之后两根槽钢图示组合之后:（z1）64例：图示立柱，L=6m，由两根10号槽型A3钢组成，下端固定（z1）2 2、求临界力求临界力：大柔度杆，由欧拉公式求临界力大柔度杆，由欧拉公式求临界力。a=4.32cm当当时最为合理：时最为合理：65（z1）2、求临界力：大柔度杆，由欧拉公式求临界力。a=4.