拉压杆强度计算例题分析
例题1 例题1图（a ）所示的屋架，受均布荷载 q 作用。已知屋架跨度8.4l m =，荷载集度q=10kN ／m ，钢拉杆AB 的直径d=22mm ，许用应力[σ]=170MPa ，试校核该拉杆的强度。
解：（1）求支约束力。取整体为研究对象，受力如例题1图（b ）所示。由平衡方程(F)0
A M =∑
、(F)0
B M =∑
求得支座约束力为
331
10108.44210(N 2Ay By F F ==???=?）
（2）求拉杆AB 的轴力。 用截面法截取左半个屋架作为隔离体，如例题1图(c)所示，由平衡方程得：
C
M
=∑
022
4A y N A B l l
l
F F h q ?
-?-??=
46.310(N)NAB F =?
（3）求拉杆AB 横截面上的正应力。由应力计算公式得：
42
226.310(N)165.7(MPa)3.1422(mm )44NAB AB
F d σπ?===?
（4）校核杆件强度。比较最大工作压力与材料许用应力，得
max 165.7MPa<[]=170MPa σσ=
杆件满足强度条件。
例题2 例题2图（a ）为三角形托架，其AB 杆由两个等边角钢组成。已知F=75kN ，
[σ]=160MPa ，试选择等边角钢型号。
解：（1）求AB 杆轴力。取B 结点为脱离体，受力如例题2图（c ）所示，由平衡条件得:
0Fy 0
Fx =∑=∑ 0
45sin 0
45cos =-=-F F F F CB N CB N NAB
解联立方程得：
75106.11(kN)75(kN)
N CB N AB F F F =====
（2）设计截面。由强度条件得：
32max
7510(N)
468.7(mm )
[]160(MPa)N
F A σ?≥==
例题2图
从附录Ⅰ型钢表查得3mm 厚的4号等边角钢的截面面积为2.359cm2=235.9mm2。用两个相同的角钢[如例题2图（c ）所示]，其总面积为2×235.9=471.8mm2＞A=468.7mm2，就能满足要求。
例题3 例题3图（a ）所示桁架，由BC 杆与BA 杆组成，在结点B 承受荷载F 作用。已知BC 杆与BA 杆的横截面面积均为A=100mm2 ，许用拉应力为
[]M P a t 200=σ ，许用压力为[]MPa c 150=σ，试计算荷载
F 的最大允许值，即许用荷
载[F]。
解：（1）轴力分析。取结点B 为研究对象，受力如例题3图(b)所示，根据结点B 的平衡条件得：
0=∑x
F
045cos 21=--N N F F
=∑y
F
045sin 1=-F F N 联合求解得
F F N 21= 即 F F t N 2,1= ① F F N -=2 即 F F c N =,2 ② （2）确定荷载F 的许用值。由BC 杆1的强度条件可得 []1.1A F t t N σ≤ 将式①代入上式可得
[]12A F t σ≤
由杆1的强度条件所确定的许用荷载为
[][])
(1014.142
1002002
311N A F t ?=?==σ
由BA 杆的强度条件可得 []2.2A F c c N σ≤ 将式②代入上式可得
[]2A F c σ≤ 由杆2的强度条件所确定的许用荷载为
[][])(10151001503
22N A F c ?=?==σ 结构中所有各杆的许用荷载的最小值即为结构的许用荷载。因此，此结构的许用荷载为[]kN F 14.14=。
例题3图
例题4 例题4图（a ）所示结构中，BC 和CD 都是圆截面钢杆，直径均为d=20mm ，许用应力[σ]=160MPa 。求此结构的许可荷载[F]。
解：（1）求BC 、CD 杆的内力。取结点C 为脱离体，受力如例题4图（b ）所示。由平衡条件确定两杆轴力与荷载F 的关系：
解方程得： 0.518NCD F F = 0.73
2NCB F F = 由此可见，CD 杆所受力比CB 杆小，而两杆的材料及截面尺寸又均相同，若CD 杆的强度得到满足，则CB 杆的强度也一定足够，故CD 杆为危险杆件。
（2）确定许可荷载。由强度条件得：
[]2
40.732N CD F F
A d σσπ?=
=≤
223[]
3.1420160
[]68.610(N)68.6(kN)
40.73240.732d F πσ??===?=??
故许可荷载[F]=68.6kN 。
例题4图
0sin30sin 4500cos30cos450
x N CD N CB y N CD N CB F F F F F F F ∑=-=∑=+-=
杆件的强度、刚度和稳定性计算 1.构件的承载能力，指的是什么？ 答：构件满足强度、刚度和稳定性要求的能力称为构件的承载能力。 (1)足够的强度。即要求构件应具有足够的抵抗破坏的能力，在荷载作用下不致于发生破坏。 (2)足够的刚度。即要求构件应具有足够的抵抗变形的能力，在荷载作用下不致于发生过大的变形而影响使用。 (3)足够的稳定性。即要求构件应具有保持原有平衡状态的能力，在荷载作用下不致于突然丧失稳定。 2.什么是应力、正应力、切应力？应力的单位如何表示？ 答：内力在一点处的集度称为应力。 垂直于截面的应力分量称为正应力或法向应力，用σ表示；相切于截面的应力分量称切应力或切向应力，用τ表示。 应力的单位为Pa。 1 Pa=1 N／m2 工程实际中应力数值较大，常用MPa或GPa作单位 1 MPa=106Pa 1 GPa=109Pa 3.应力和内力的关系是什么？ 答：内力在一点处的集度称为应力。 4.应变和变形有什么不同？ 答：单位长度上的变形称为应变。单位纵向长度上的变形称纵向线应变，简称线应变，以ε表示。单位横向长度上的变形称横向线应变，以ε/表示横向应变。 5.什么是线应变？什么是横向应变？什么是泊松比？ 答：（1）线应变 单位长度上的变形称纵向线应变，简称线应变，以ε表示。对于轴力为常量的等截面直杆，其纵向变形在杆内分布均匀，故线应变为 l l? = ε （4-2） 拉伸时ε为正，压缩时ε为负。线应变是无量纲（无单位）的量。 （2）横向应变 拉(压)杆产生纵向变形时，横向也产生变形。设杆件变形前的横向尺寸为a，变形后为a1，则横向变形为 a a a- = ? 1 横向应变ε/为
课时授课计划 第二十六次课 【教学课题】：§4-3 轴向拉伸与压缩的强度条件 【教学目的】：掌握轴向拉伸与压缩的强度条件及应用，虎克定律。【教学重点及处理方法】：强度条件及应用。 处理方法：详细讲解 【教学难点及处理方法】：虎克定律。 处理方法：结合例题分析讲解 【教学方法】: 讲授法 【教具】：三角板 【时间分配】：引入新课5min 新课80 min 小结、作业5min
第二十六次课 【提示启发引出新课】 材料力学研究的对象是等截面的直杆。杆件在外力的作用下可能发生四种基本变形：拉伸或压缩，剪切，扭转和弯曲。本次课讨论轴向拉伸与压缩。 【新课内容】 4．5拉(压)杆的强度计算 4．5．1许用应力和安全系数 任何工程材料能承受的应力都是有限度的。 极限应力——材料丧失正常工作能力时的应力。 塑性材料：当应力达到屈服点后，将发生明显的塑性变形，从而影响构件安全正常地工作，所以塑性变形是塑性材料破坏的标志。 极限应力:屈服强度σs(或屈服强度σ0.2 ) 脆性材料:没有明显的塑性变形，断裂是脆性材料破坏的标志。 极限应力:抗拉强度σb和抗压强度σby 构件的工作应力必须小于材料的极限应力。
许用应力[σ]——构件安全工作时，材料允许承受的最大应力。 许用应力等于极限应力除以大于l 的系数n 塑性材料的安全系数取 1.2～2.5，脆性材料的安全系数取2.0～3.5。 4．5．2强度计算 强度条件——最大工作应力不超过材料的许用应力。 强度计算——应用强度条件式计算 (1)校核强度 已知外力F 、横截面积A 和许用应力[σ]，计算出最大工作应力，检验是否满足强度条件，从而判断构件是否能够安全可靠工作。 (2)设计截面 已知外力F 、许用应力[σ]，由A≥F N ／[σ]计算出 截面面积A ，然后根据工程要求的截面形状，设计出构件的截面尺寸。 (3)确定许可载荷 已知构件的截面面积A 、许用应力[σ]，由F Nmax ≤A [σ]计算出构件所能承受的最大内力F Nmax ，再根据内力与外力的 关系，确定出构件允许的许可载荷值[F]。
2-4. 图示结构中，1、2两杆的横截面直径分别为10mm 和20mm ，试求两杆内 的应力。设两根横梁皆为刚体。 解：（1）以整体为研究对象，易见A 处的水平约束反力为零； （2）以AB 为研究对象 由平衡方程知 0===A B B R Y X （3）以杆BD 由平衡方程求得 KN N N N Y KN N N m C 200 10 01001101 0212 11==--===?-?=∑∑ （4）杆内的应力为 1
MPa A N MPa A N 7.6320 41020127104101023 2222 3111=???== =???==πσπσ 2-19. 在图示结构中，设AB 和CD 为刚杆，重量不计。铝杆EF 的l 1=1m ，A 1=500mm 2， E 1=70GPa 。钢杆AC 的l 2=，A 2=300mm 2，E 2=200GPa 。若载荷作用点G 的垂直位移不得超过。试求P 的数值。 解：（1）由平衡条件求出EF 和AC 杆的内力 P N N N P N N AC EF AC 4 3 32 2112===== （2）求G 处的位移 2 2221111212243)ΔΔ23 (21)ΔΔ(21Δ21ΔA E l N A E l N l l l l l l A C G + =+=+== （3）由题意 kN P P P A E Pl A E Pl mm l G 1125.2300 102001500500107010009212143435.23 3222111≤∴≤???+????=??+??≤ 2-27. 在图示简单杆系中，设AB 和AC 分别是直径 为20mm 和24mm 的圆截面 杆，E=200GPa ，P=5kN ，试求A 点的垂直位移。
第16章压杆稳定 16.1 压杆稳定性的概念 在第二章中，曾讨论过受压杆件的强度问题，并且认为只要压杆满足了强度条件，就能保证其正常工作。但是，实践与理论证明，这个结论仅对短粗的压杆才是正确的，对细长压杆不能应用上述结论，因为细长压杆丧失工作能力的原因，不是因为强度不够，而是由于出现了与强度问题截然不同的另一种破坏形式，这就是本章将要讨论的压杆稳定性问题。 当短粗杆受压时(图16-1a)，在压力F由小逐渐增大的过程中，杆件始终保持原有的直线平衡形式，直到压力F达到屈服强度载荷F s(或抗压强度载荷F b)，杆件发生强度破坏时为止。但是，如果用相同的材料，做一根与图16-1a所示的同样粗细而比较长的杆件(图16-1b)，当压力F比较小时，这一较长的杆件尚能保持直线的平衡形式，而当压力F逐渐增大至某—数值F1时，杆件将突然变弯，不再保持原有的直线平衡形式，因而丧失了承载能力。我们把受压直杆突然变弯的现象，称为丧失稳定或失稳。此时，F1可能远小于F s(或F b)。可见，细长杆在尚未产生强度破坏时，就因失稳而破坏。 图16－1 失稳现象并不限于压杆，例如狭长的矩形截面梁，在横向载荷作用下，会出现侧向弯曲和绕轴线的扭转(图16-2)；受外压作用的圆柱形薄壳，当外压过大时，其形状可能突然变成椭圆(图16-3)；圆环形拱受径向均布压力时，也可能产生失稳(图16-4)。本章中，我们只研究受压杆件的稳定性。
图16-3 所谓的稳定性是指杆件保持原有直线平衡形式的能力。实际上它是指平衡状态的稳定性。我们借助于刚性小球处于三种平衡状态的情况来形象地加以说明。 第一种状态，小球在凹面内的O点处于平衡状态，如图16-5a所示。先用外加干扰力使其偏离原有的平衡位置，然后再把干扰力去掉，小球能回到原来的平衡位置。因此，小球原有的平衡状态是稳定平衡。 第二种状态，小球在凸面上的O点处于平衡状态，如图16-5c所示。当用外加干扰力使其偏离原有的平衡位置后，小球将继续下滚，不再回到原来的平衡位置。因此，小球原有的干衡状态是不稳定平衡。 第三种状态，小球在平面上的O点处于平衡状态，如图16-5b所示，当用外加干扰力使其偏离原有的平衡位置后，把干扰力去掉后，小球将在新的位置O1再次处于平衡，既没有恢复原位的趋势，也没有继续偏离的趋势。因此。我们称小球原有的平衡状态为随遇平衡。 图16-5 图16-6 通过上述分析可以认识到，为了判别原有平衡状态的稳定性，必须使研究对象偏离其原有的平衡位置。因此。在研究压杆稳定时，我们也用一微小横向干扰力使处于
剪切、挤压练习题一 1、齿轮与轴由平键连接,已知轴的直径d=70mm ， 键的尺寸为b ×h ×L=20 ×12 ×100mm ，传递的扭转力偶矩Me=2kN.m ，键的许用切应力为[τ]= 60MPa ，许用挤压应力为[bs]= 100MPa.试校核键的强度. 2、一销钉连接如图所示，已知外力 F=18kN,被连接的构件 A 和 B 的厚度分别为 t=8mm 和t1=5mm ,销钉直径 d=15mm , 销钉材料的许用切应力为 [τ] = 60MPa ,许用挤压应力为 [δS]= 200MPa .试校核销钉的强度. Me d F Me d F A t1 F F A t t1 B d
3、一铆钉接头用四个铆钉连接两块钢板. 钢板与铆钉材料相同. 铆钉直径 d =16mm ，钢板的尺寸为 b =100mm ，t =10mm ，F = 90kN ，铆钉的许用应力是 [τ] =120MPa ，[δS] =120MPa ，钢板的许用拉应力 [δ]=160MPa. 试校核铆钉接头的强度. 4. 如图所示螺栓连接，已知钢板的厚度t ＝10mm ，螺栓的许用切应力[τ]=100MPa ，许用挤压应力[σ]=200MPa ，F=28kN ，试选择该螺栓的直径。 F F t t F F b
5.如图所示，某轮用平键与轴联接。已知轴的直径d=70mm ，键的尺寸为 b=20mm,h=12mm,l =100mm ，传递的转矩M=1.5kN ·m ，键的许用切应力[τ]=60MPa ，许用挤压应力[σ] =100MPa ，试校核键的强度 6、 两轴用凸缘联轴器相连接，在直径D ＝150mm 的圆周上均匀地分布着四个螺栓来传递力偶M 。已知M=3KN.m ,凸缘厚度t=10mm ，螺栓材料为Q235钢，其许用拉应力[σ]=105MPa ,凸缘厚度t=10mm 。设计螺栓直径d 。 剪切面m-m
项目三轴向拉伸与压缩 一、填空题： 1、内力是由引起的杆件内个部分间的。 2、求内力的基本方法是。 3、直杆的作用内力称。其正负号规定为：当杆件受拉而伸长时为正，其方向截面。 4、截面法就轴力的步骤为：、、。 5、轴力图用来表达，画轴力图时用的坐标表示横截面位置，坐标表示横截面上的轴力。 6、轴力图中，正轴力表示拉力，画在轴的。 7、轴力的大小与外力有关。与杆件截面尺寸、材料（有关、无关）。 8、应力是，反应了内力的分布集度。单位，简称。 9、1pa= N/mm2 = N/m2。1Mpa= pa。 10、直杆受轴力作用时的变形满足假设，根据这个假设，应力在横截面上分布，计算公式为。 11、正应力是指。 12、在荷载作用下生产的应力叫。发生破坏是的应力叫。许用应力是工作应力的；三者分别用符号、、表示。 13、当保证杆件轴向拉压时的安全，工作应力与许用应力应满足关系式：。 14、等截面直杆，受轴向拉压力作用时，危险截面发生在处。而变截面杆，强度计算应分别进行检验。 15、轴向拉压杆的破坏往往从开始。 16、杆件在轴向力作用下长度的改变量叫，用表示。 17、胡克定律表明在范围内，杆件的纵向变形与及，与杆件的成正比。 18、材料的抗拉、压弹性模量用表示，反映材料的能力。 19、EA称作材料的，它反映了材料制成一定截面尺寸后的杆件的抗拉、压能力。EA越大，变形越。 20、ε叫作，指单位长度的变形。 21、泊松比又叫，ν= ，应用范围为弹性受力范围。
二、计算题： 1、试计算轴向拉压杆指定截面的轴力。 2、绘制图示杆件的轴力图。
3、求图示结构中各杆的轴力。 4、用绳索起吊管子如图所示。若构件重W=10KN ，绳索的直径d=40mm ，许用应力 [ 30 20KN B 45 C 45
问题解析 问题1、什么是强度？什么是强度条件？ 强度是指构件抵抗破坏的能力。房屋结构的每一个构件承受荷载后都不允许发生破坏。如屋架、立柱、吊车梁、基础梁、承重墙等都不允许发生断裂。这就要求每一个构件应具有足够的抵抗破坏的能力，这种能力称为强度。 强度条件公式为：[]max N A σσ=≤，要注意式中的max σ与[]σ的区别。max N A σ=表示的是在荷载作用下构件的工作应力，这个值只与内力（由外力引起的）和截面尺寸有关，与材料无关。[]N A σ≤是强度条件，是构件能安全承载的依据。式中的[]σ，表示的是所用材料本身的性质，是由实验测定的，不是工作时外力引起的内力。 问题2、2. 图示砖柱。24=a cm ，37=b cm ，31=l m ，42=l m ，501=P kN ，902=P kN 。略去砖柱自重。求砖柱各段的轴力及应力，并绘制轴力图。 解：砖柱受轴向荷载作用，是轴向压缩。 （1）计算柱各段轴力 AB 段： kN P N 5011-=-=（压力） BC 段： 212P P N --= 1409050-=--=kN （压力） （2）画柱的轴力图（b ）。 （3）计算柱各段的应力
AB 段：1－1横截面上的轴力为压力，501-=N kN ， 横截面面积2 41mm 1076.5240240?=?=A ， 则 MPa A N 868.01076.510504 3 111-=??-==σ （压应力） BC 段：2－2横截面上的轴力为压力 1402-=N kN 横截面面积 421069.13370370?=?=A mm 2 则 MPa A N 02.11069.131014043222-=??-==σ （压应力）
120t 级平衡梁计算书 平衡梁受力如下，平衡梁支撑管为φ500×18热轧无缝钢管，所有材质为Q345B ，吊耳板δ=50mm ，材料许用应力为[]2215/N mm σ=，角焊缝抗剪强度设计值2200/w t f N mm =。支撑管截面面积2272.564A cm =，惯性半径17.053i cm =，单位重量为q=213.962kg/m ， 抗弯截面模量3 434344 3.14500462(1)(1)1673.13232500 D d W cm D π?=-=?-=。在受力状态下，需验算支撑管的强度、支撑管的稳定性、吊耳板强度及吊耳板与支撑管处焊缝强度。 图1 平衡梁受力示意图 1. 支撑管强度验算 平衡梁上方受力: 4 216010692820sin 603 2 F F N N ?=== 支撑管水平压力为： 1cos606928200.5346410N F N =?=?= 水平挤压力产生的弯矩为： 1400346410400138564000M N N mm =?=?=? 平衡梁自重产生的弯矩为：
22 2 2.139622000010698100088 ql M N mm ?===? 支撑管最大应力: []2122322 346410138564000106981000/272.546101673.11012.7146.8159.5/215/M M N N mm A W N mm N mm σσ++= +=+??=+=<= 即支撑管强度满足要求。 2. 支撑管稳定性验算 支撑管换算长细比为： 2345201034514223417.053235 x l i λ?==?= 查钢结构设计规范GB-50017-2003附录C-附表C-1可得，支撑管稳定系数为：0.373?= 稳定性验算： []1 2, 22 3 232 22()(10.8) 346410 138564000106981000 346410 1.11420.373272.56410 1.151673.110(10.8)2061027 2.5461034144178/215/mx x Ex M M N N A W N N mm N mm β?γπσ++-+= +???????-?????=+=<= 即支撑管稳定性满足要求。 根据钢结构设计规范GB-50017-2003， 其中：x γ 为截面塑性发展系数，取为1.15； m x β 为等效弯矩系数，取为1.0； '22/(1.1)Ex x N EA πλ= ； 3. 吊耳板与支撑管处焊缝强度验算 22346410 21.5/0.85170/40.7432018 w t e Q N mm f N mm lh τ= ==<=??? 即吊耳板与支撑管处焊缝强度满足要求。
混凝土结构设计原理习题集之四 6 钢筋混凝土受压构件承载力计算 一、填空题： 1．偏心受压构件的受拉破坏特征是______________________________________ ，通常称之 为_____ ；偏心受压构件的受压破坏特征是_________________________________ ， 通常称之为_______ 。 2．矩形截面受压构件截面，当l0/h__ 时，属于短柱范畴，可不考虑纵向弯曲的影响，即 取___ ；当l0/h___ 时为细长柱，纵向弯曲问题应专门研究。 3．矩形截面大偏心受压构件，若计算所得的ξ≤ξb，可保证构件破坏时____ ；x=ξb h0≥2a s′可保证构件破坏时_______ 。 4．对于偏心受压构件的某一特定截面（材料、截面尺寸及配筋率已定），当两种荷载组合同为大偏心受压时，若内力组合中弯矩M值相同，则轴向N越__ 就越危险；当两种荷载组合同为小偏心受压时，若内力组合中轴向力N 值相同，则弯矩M 越__ 就越危险。 5．由于轴向压力的作用，延缓了__ 得出现和开展，使混凝土的__ 高度增加，斜截面受剪承载力有所___ ，当压力超过一定数值后，反而会使斜截面受剪承载力__ 。 6．偏心受压构件可能由于柱子长细比较大，在与弯矩作用平面相垂直的平面内发生_____ 而破坏。在这个平面内没有弯矩作用，因此应按______ 受压构件进行承载力复核，计算时须考虑______ 的影响。 7．矩形截面柱的截面尺寸不宜小于mm，为了避免柱的长细比过大，承载力降低过多，常取l0/b≤，l0/d≤（b为矩形截面的短边，d为圆形截面直径，l0为柱的计算长度）。 8．《规范》规定，受压构件的全部纵向钢筋的配筋率不得小于___ _ ，且不应超过___ 。 9．钢筋混凝土偏心受压构件在纵向弯曲的影响下，其破坏特征有两种类型：_______ 和 _________ ；对于短柱和长柱属于______ ；细长柱属于______ 。二、选择题： 1．在矩形截面大偏心受压构件正截面强度计算中，当x＜2a s′时，受拉钢筋截面面积A s的求法是（） A．对受压钢筋的形心取矩求得，即按x=2a s′求得。 B．要进行两种计算：一是按上述A的方法求出A s，另一是按A s′=0，x为未知，而求出A s，然后取这两个A s值中的较大值。 C．同上述B，但最后取这两个A s值中的较小值。 2．钢筋混凝土柱子的延性好坏主要取决于（）。 A．纵向钢筋的数量B．混凝土强度等级 C．柱子的长细比D．箍筋的数量和形式 3．矩形截面大偏心受压构件截面设计时要令x=ξb h0，这是为了（）。
受压构件承载力计算复习题 一、填空题： 1、小偏心受压构件的破坏都是由于 而造成 的。 【答案】混凝土被压碎 2、大偏心受压破坏属于 ，小偏心破坏属 于 。 【答案】延性 脆性 3、偏心受压构件在纵向弯曲影响下，其破坏特征有两 种类型，对长细比较小的短柱属于 破坏，对长细比较大的细长柱，属于 破坏。 【答案】强度破坏 失稳 4、在偏心受压构件中，用 考虑了纵向弯曲的 影响。 【答案】偏心距增大系数 5、大小偏心受压的分界限是 。 【答案】b ξξ= 6、在大偏心设计校核时，当 时，说明s A '不屈 服。 【答案】s a x '2 7、对于对称配筋的偏心受压构件，在进行截面设计时， 和 作为判别偏心受压类型的唯一依据。
【答案】b ξξ≤ b ξξ 8、偏心受压构件 对抗剪有利。 【答案】轴向压力N 9、在钢筋混凝土轴心受压柱中，螺旋钢筋的作用是使截面中间核心部分的混凝土形成约束混凝土，可以提高构件的______和______。 【答案】承载力 延性 10、偏心距较大，配筋率不高的受压构件属______受压情况，其承载力主要取决于______钢筋。 【答案】大偏心 受拉 11、受压构件的附加偏心距对______受压构件______受压构件影响比较大。 【答案】轴心 小偏心 12、在轴心受压构件的承载力计算公式中，当f y <400N ／mm 2 时，取钢筋抗压强度设计值f y '＝______；当f y ≥400N ／mm 2时，取钢筋抗压强度设计值f y '＝______N ／mm 2。 【答案】f y 400 二、选择题： 1、大小偏心受压破坏特征的根本区别在于构件破坏时，（ ）。 A 受压混凝土是否破坏 B 受压钢筋是否屈服 C 混凝土是否全截面受压 D 远离作用力N 一侧钢筋是否屈服
第16 章压杆稳定 16.1 压杆稳定性的概念 在第二章中，曾讨论过受压杆件的强度问题，并且认为只要压杆满足了强度条件，就能保证其正常工作。但是，实践与理论证明，这个结论仅对短粗的压杆才是正确的，对细长压杆不能应用上述结论，因为细长压杆丧失工作能力的原因，不是因为强度不够，而是由于出现了与强度问题截然不同的另一种破坏形式，这就是本章将要讨论的压杆稳定性问题。 当短粗杆受压时（图16-1a），在压力F 由小逐渐增大的过程中，杆件始终保持原有的直线平衡形式，直到压力F 达到屈服强度载荷F s （或抗压强度载荷F b），杆件发生强度破坏时为止。但是，如果用相同的材料，做一根与图16-1a 所示的同样粗细而比较长的杆件（图16-1b），当压力F 比较小时，这一较长的杆件尚能保持直线的平衡形式，而当压力F 逐渐增大至某—数值F1时，杆件将突然变弯，不再保持原有的直线平衡形式，因而丧失了承载能力。我们把受压直杆突然变弯的现象，称为丧失稳定或失稳。此时，F1可能远小于F s （或F b）。可见，细长杆在尚未产生强度破坏时，就因失稳而破坏。 图16－1 失稳现象并不限于压杆，例如狭长的矩形截面梁，在横向载荷作用下，会出现侧向弯曲和绕轴线的扭转（图16-2）；受外压作用的圆柱形薄壳，当外压过大时，其形状可能突然变成椭圆（图 16-3）；圆环形拱受径向均布压力时，也可能产生失稳（图16-4）。本章中，我们只研究受压杆件的稳定性。
所谓的稳定性是指杆件保持原有直线平衡形式的能力。实际上它是指平衡状态的 稳定性。我们借助于刚性小球处于三种平衡状态的情况来形象地加以说明。 第一种状态，小球在凹面内的 O 点处于平衡状态，如图 16-5a 所示。先用外加干 扰力使其偏离原有的平衡位置，然后再把干扰力去掉，小球能回到原来的平衡位置。 因此，小球原有的平衡状态是稳定平衡。 第二种状态，小球在凸面上的 O 点处于平衡状态，如图 16-5c 所示。当用外加干 扰力使其偏离原有的平衡位置后， 小球将继续下滚， 不再回到原来的平衡位置。 因此， 小球原有的干衡状态是不稳定平衡。 第三种状态，小球在平面上的 O 点处于平衡状态，如图 16-5b 所示，当用外加干 扰力使其偏离原有的平衡位置后，把干扰力去掉后，小球将在新的位置 O 1 再次处于平 衡，既没有恢复原位的趋势，也没有继续偏离的趋势。因此。我们称小球原有的平衡 状态为随遇平衡。 图 16-5 图 16-6 通过上述分析可以认识到，为了判别原有平衡状态的稳定性，必须使研究对象偏 离其原有的平衡位置。因此。在研究压杆稳定时，我们也用一微小横向干扰力使处于 图 16-3
第四章轴向拉伸和压缩 一、填空题 1、杆件轴向拉伸或压缩时，其受力特点是：作用于杆件外力的合力的作用线与杆件轴线相________。 2、轴向拉伸或压缩杆件的轴力垂直于杆件横截面，并通过截面________。 4、杆件轴向拉伸或压缩时,其横截面上的正应力是________分布的。 7、在轴向拉，压斜截面上，有正应力也有剪应力，在正应力为最大的截面上剪应力为________。 8、杆件轴向拉伸或压缩时，其斜截面上剪应力随截面方位不同而不同，而剪应力的最大值发生在与轴线间的夹角为________的斜截面上。 9、杆件轴向拉伸或压缩时，在平行于杆件轴线的纵向截面上，其应力值为________。 10、胡克定律的应力适用范围若更精确地讲则就是应力不超过材料的________极限。 11、杆件的弹必模量E表征了杆件材料抵抗弹性变形的能力，这说明杆件材料的弹性模量E值越大，其变形就越________。 12、在国际单位制中，弹性模量E的单位为________。 13、在应力不超过材料比例极限的范围内，若杆的抗拉（或抗压）刚度越________，则变形就越小。 15、低碳钢试样据拉伸时，在初始阶段应力和应变成________关系，变形是弹性的，而这种弹性变形在卸载后能完全消失的特征一直要维持到应力为________极限的时候。 16、在低碳钢的应力—应变图上，开始的一段直线与横坐标夹角为α，由此可知其正切tgα在数值上相当于低碳钢________的值。 17、金属拉伸试样在屈服时会表现出明显的________变形，如果金属零件有了这种变形就必然会影响机器正常工作。 18、金属拉伸试样在进入屈服阶段后，其光滑表面将出现与轴线成________角的系统条纹，此条纹称为________。 19、低碳钢试样拉伸时,在应力-应变曲线上会出现接近水平的锯齿形线段,若试样表面磨光,则在其表面上关键所在可看到大约与试样轴线成________倾角的条纹,它们是由于材料沿试样的________应力面发生滑移而出现的。 20、使材料试样受拉达到强化阶段，然后卸载，在重新加载时，其在弹性范围内所能随的最大荷载将________，而且断裂后的延伸率会降低，此即材料的________现象。 21、铸铁试样压缩时，其破坏断面的法线与轴线大致成________的倾角。 22、铸铁材料具有________强度高的力学性能，而且耐磨，价廉，故常用于制造机器底座，床身和缸体等。 25、混凝土，石料等脆性材料的抗压强度远高于它的________强度。 26、为了保证构件安全，可靠地工作在工程设计时通常把________应力作为构件实际工作应力的最高限度。 27、安全系数取值大于1的目的是为了使工程构件具有足够的________储备。 28、设计构件时，若片面地强调安全而采用过大的________，则不仅浪费材料而且会使所设计的结构物笨重。 29、正方形截而的低碳钢直拉杆，其轴向向拉力3600N，若许用应力为100Mpa，由此拉杆横截面边长至少应为________mm。
第16章压杆稳定 压杆稳定性的概念 在第二章中，曾讨论过受压杆件的强度问题，并且认为只要压杆满足了强度条件，就能保证其正常工作。但是，实践与理论证明，这个结论仅对短粗的压杆才是正确的，对细长压杆不能应用上述结论，因为细长压杆丧失工作能力的原因，不是因为强度不够，而是由于出现了与强度问题截然不同的另一种破坏形式，这就是本章将要讨论的压杆稳定性问题。 当短粗杆受压时(图16-1a)，在压力F由小逐渐增大的过程中，杆件始终保持原有的直线平衡形式，直到压力F达到屈服强度载荷F s(或抗压强度载荷F b)，杆件发生强度破坏时为止。但是，如果用相同的材料，做一根与图16-1a所示的同样粗细而比较长的杆件(图16-1b)，当压力F比较小时，这一较长的杆件尚能保持直线的平衡形式，而当压力F逐渐增大至某—数值F1时，杆件将突然变弯，不再保持原有的直线平衡形式，因而丧失了承载能力。我们把受压直杆突然变弯的现象，称为丧失稳定或失稳。此时，F1可能远小于F s (或F b)。可见，细长杆在尚未产生强度破坏时，就因失稳而破坏。 图16－1 失稳现象并不限于压杆，例如狭长的矩形截面梁，在横向载荷作用下，会出现侧向弯曲和绕轴线的扭转(图16-2)；受外压作用的圆柱形薄壳，当外压过大时，其形状可能突然变成椭圆(图16-3)；圆环形拱受径向均布压力时，也可能产生失稳(图16-4)。本章中，我们只研究受压杆件的稳定性。
图16-3 所谓的稳定性是指杆件保持原有直线平衡形式的能力。实际上它是指平衡状态的稳定性。我们借助于刚性小球处于三种平衡状态的情况来形象地加以说明。 第一种状态，小球在凹面内的O点处于平衡状态，如图16-5a所示。先用外加干扰力使其偏离原有的平衡位置，然后再把干扰力去掉，小球能回到原来的平衡位置。因此，小球原有的平衡状态是稳定平衡。 第二种状态，小球在凸面上的O点处于平衡状态，如图16-5c所示。当用外加干扰力使其偏离原有的平衡位置后，小球将继续下滚，不再回到原来的平衡位置。因此，小球原有的干衡状态是不稳定平衡。 第三种状态，小球在平面上的O点处于平衡状态，如图16-5b所示，当用外加干扰力使其偏离原有的平衡位置后，把干扰力去掉后，小球将在新的位置O1再次处于平衡，既没有恢复原位的趋势，也没有继续偏离的趋势。因此。我们称小球原有的平衡状态为随遇平衡。 图16-5
拉压杆强度计算例题分析 例题1 例题1图（a ）所示的屋架，受均布荷载 q 作用。已知屋架跨度8.4l m =，荷载集度q=10kN ／m ，钢拉杆AB 的直径d=22mm ，许用应力[σ]=170MPa ，试校核该拉杆的强度。 解：（1）求支约束力。取整体为研究对象，受力如例题1图（b ）所示。由平衡方程(F)0 A M =∑ 、(F)0 B M =∑ 求得支座约束力为 331 10108.44210(N 2Ay By F F ==???=?） （2）求拉杆AB 的轴力。 用截面法截取左半个屋架作为隔离体，如例题1图(c)所示，由平衡方程得： C M =∑ 022 4A y N A B l l l F F h q ? -?-??= 46.310(N)NAB F =? （3）求拉杆AB 横截面上的正应力。由应力计算公式得： 42 226.310(N)165.7(MPa)3.1422(mm )44NAB AB F d σπ?===? （4）校核杆件强度。比较最大工作压力与材料许用应力，得 max 165.7MPa<[]=170MPa σσ= 杆件满足强度条件。 例题2 例题2图（a ）为三角形托架，其AB 杆由两个等边角钢组成。已知F=75kN ，
[σ]=160MPa ，试选择等边角钢型号。 解：（1）求AB 杆轴力。取B 结点为脱离体，受力如例题2图（c ）所示，由平衡条件得: 0Fy 0 Fx =∑=∑ 0 45sin 0 45cos =-=-F F F F CB N CB N NAB 解联立方程得： 75106.11(kN)75(kN) N CB N AB F F F ===== （2）设计截面。由强度条件得： 32max 7510(N) 468.7(mm ) []160(MPa)N F A σ?≥== 例题2图 从附录Ⅰ型钢表查得3mm 厚的4号等边角钢的截面面积为2.359cm2=235.9mm2。用两个相同的角钢[如例题2图（c ）所示]，其总面积为2×235.9=471.8mm2＞A=468.7mm2，就能满足要求。 例题3 例题3图（a ）所示桁架，由BC 杆与BA 杆组成，在结点B 承受荷载F 作用。已知BC 杆与BA 杆的横截面面积均为A=100mm2 ，许用拉应力为 []M P a t 200=σ ，许用压力为[]MPa c 150=σ，试计算荷载 F 的最大允许值，即许用荷 载[F]。 解：（1）轴力分析。取结点B 为研究对象，受力如例题3图(b)所示，根据结点B 的平衡条件得：
九、屋面压型钢板设计与计算 屋面材料采用压型钢板，檩条间距1.5m ，选用YX 型压型钢板，板厚t=㎜，截面形状及尺寸如图 (1)、内力计算 设计荷载： ×+×=㎡ 压型钢板单波线荷载： q x =×=m 中最大弯矩： 2 max 81l q M x = 25.1294.08 1 ??= m KN ?=083.0 (2)、截面几何特性 采用“线性法”计算 D=130㎜ b 1=55㎜ b 2=70㎜ h=㎜ mm h b b L 5.4387.156********=?++=++= mm L b h D y 2.674 .438) 707.156(130)(21=+?=+= mm y D y 8.622.6713012=-=-= )3 2 (2212h hL b b L tD I x -+= mm 773863)7.1564.4387.15632 7055(4.4381308.022=-??+???= 31115162.67773863mm y I W x cx === 32123238 .62773863mm y I W x tx === (3)、有效截面计算 ① 上翼缘：为一均匀受压两边支承板，其应力为： 26max /2.711516 10083.0mm N W M cx cx =?==σ
上翼缘的宽厚比 75.688 .055==t b ，查《钢结构设计与计算》板件的有效宽厚比表1-62得：mm b 498.0611=?= ② 腹板：系非均匀受压的两边支承板，其腹板上、下两端分别受压应力与拉应力作用 2max max /2.7mm N W M cx == σ （压） 2max min /7.6mm N W M tx -== σ （拉） 93.12 .7) 7.6(2.7max min max =--=-= σσσα 腹板宽厚比 1968 .07.156==t h 查《钢结构设计与计算》表1-63知板件截面全部有效。 ③ 下翼缘：下翼缘板件为均匀受拉，故下翼缘截面全部有效。 ④ 有效截面特性计算：由以下计算分析，上翼缘的计算宽度应按有效宽度b e 考虑，因此整个截面的几何特性需要重新计算 D=130㎜ mm b b e 49'1== b 2=70㎜ h=㎜ mm h b b L 4.4327.1562704922'1'=?++=++= mm L b h D y 16.684.432) 707.156(130)(' 2'1=+?=+= mm y D y 84.6116.68130'1' 2 =-=-= )32 (2'2'1'2' h hL b b L tD I x -+= mm 751870)7.1564.4327.1563 2 7049(4.4321308.022=-??+???= 3'1'' 1103116.68751870mm y I W x cx === 3'2'' 1215884.61773863mm y I W x tx === (4)、强度验算
第二章 轴向拉伸和压缩 第一节 轴向拉压杆的内力 1.1 工程实际中的轴向受拉杆和轴向受压杆 在工程实际中，经常有承受轴向拉伸荷载或轴向压缩荷载的等直杆。例如图2-1a 所示桁架的竖杆、斜杆和上、下弦杆，图2-1b 所示起重机构架的各杆及起吊重物的钢索，图2-1c 所示的钢筋混凝土电杆上支承架空电缆的横担结构，BC 、AB 杆，此外，千斤顶的螺杆，连接气缸的螺栓及活塞连杆等都是轴间拉压杆。 钢木组合桁架 d 起重机 图 工程实际中的轴向受拉（压）杆 1.2 轴向拉压杆的内力——轴力和轴力图 b c x 图用截面法求杆的内力
为设计轴向拉压杆，需首先研究杆件的内力，为了显示杆中存在的内力和计算其大小，我们采用在上章中介绍过的截面法。（如图2-2a ）所示等直杆，假想地用一截面m -m 将杆分割为I 和II 两部分。取其中的任一部分（例如I ）为脱离体，并将另一部分（例如II ）对脱离体部分的作用，用在截开面上的内力的合力N 来代替（图2-2b ），则可由静力学平衡条件： 0 0X N P =-=∑ 求得内力N P = 同样，若以部分II 为脱离体（图2-2c ），也可求得代表部分I 对部分II 作用的内力为N ＝P ，它与代表部分II 对部分I 的作用的内力等值而反向，因内力N 的作用线通过截面形心 即沿杆轴线作用，故称为轴力．．。 轴力量纲为［力］，在国际单位制中常用的单位是N （牛）或kN （千牛）。 为区别拉伸和压缩，并使同一截面内力符号一致，我们规定：轴力的指向离开截面时为正号轴力；指向朝向截面时为负号轴力。即拉力符号为正，压力符号为负。据此规定，图2-2所示m-m 截面的轴力无论取左脱离体还是右脱离体，其符号均为正。 1.3 轴力图 当杆受多个轴向外力作用时，杆不同截面上的轴力各不相同。为了形象表示轴力沿杆轴线的变化情况，以便于对杆进行强度计算，需要作出轴力图，通常用平行于杆轴线的坐标表示截面位置，用垂直杆轴线的坐标表示截面上轴力大小，从而给出表示轴力沿截面位置关系的图例，即为轴力图．．． 。 下面用例题说明轴力的计算与轴力图的作法。 例题2-1：变截面杆受力情况如图2-3所示，试求杆各段轴力并作轴力图。 解：（1）先求支反力 固定端只有水平反力，设为X A ，由整个杆平衡条件 0X =∑，－X A +5－3+2＝0，X A ＝5+2－3＝4kN （2）求杆各段轴力 力作用点为分段的交界点，该题应分成AB 、BD 和DE 三段。在AB 段内用任一横截面1-1将杆截开后，研究左段杆的平衡。在截面上假设轴力N 1为拉力（如图2-3(b )）。由平衡条件 0X =∑得 N 1－X A ＝0，N 1＝4kN 。结果为正，说明原假设拉力是正确的。 x x x 1X X X A N 2N 2kN N 图2-3 例题2-1图 c b e
第2章 轴向拉伸和压缩 主要知识点：（1）轴向拉伸（压缩）时杆的内力和应力； （2）轴向拉伸（压缩）时杆的变形； （3）材料在轴向拉伸和压缩时的力学性能； （4）轴向拉压杆的强度计算； （5）简单拉压超静定问题。 轴向拉伸（压缩）时杆的变形 4. 一钢制阶梯杆如图所示。已知沿轴线方向外力F 1=50kN ，F 2=20kN ，各段杆长l 1=100mm ，l 2=l 3=80mm ，横截面面积A 1=A 2=400mm 2，A 3=250mm 2，钢的弹性模量E=200GP a ，试求各段杆的纵向变形、杆的总变形量及各段杆的线应变。 解：（1）首先作出轴力图如图4-11所示， 由图知kN F N 301-=，kN F F N N 2032==。 （2）计算各段杆的纵向变形 m m EA l F l N 56 93311111075.310 40010200101001030---?-=??????-==? m m EA l F l N 5 6 9332222100.210 4001020010801020---?=??????==? (3)杆的总变形量m l l l l 5 3211045.1-?=?+?+?=?。 (4)计算各段杆的线应变 45 1111075.310.01075.3--?-=?-=?=l l ε 45 222105.208.0100.2--?=?=?=l l ε 45 333100.408 .0102.3--?=?=?=l l ε 材料在轴向拉伸和压缩时的力学性能 5. 试述低碳钢拉伸试验中的四个阶段，其应力—应变图上四个特征点的物理意义是什么？ 答：低碳钢拉伸试验中的四个阶段为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。在弹性阶段，当应力小于比例极限σp 时，材料服从虎克定律；当应力小于弹性极限σe 时，材料的变形仍是弹性变形。屈服阶段的最低点对应的应力称为屈服极限，以σs 表示。强化阶段最高点所对应的应力称为材料的强度极限，以σb 表示，它是材料所能承受的最大应力。 m m EA l F l N 5 69333333102.3102501020010801020---?=??????==?
《杆件的四种基本变形及组合变形、 直杆轴向拉、压横截面上的内力》教学设计 剪切变形的受力特点是作用在构件上的横向外 力大小相等、方向相反、作用线平行且距离很近。 剪切变形的变形特点是介于两横向力之间的各 截面沿外力作用方向发生相对错动。 剪切面是指两横向力之间的横截面，破坏常在 剪切面上发生。 扭转变形的受力特点：在垂直于杆轴线的平面 内，作用有大小相等、转向相反的一对力偶。 扭转变形的变形特点：各横截面绕杆轴线发生
2．剪切 【工程实例】如图a所示为一个铆钉连接的简图。钢板在拉力F的作用下使铆钉的左上侧和右下侧受力（图b），这时，铆钉的上、下两部分将发生水平方向的相互错动（图c）。当拉力很大时，铆钉将沿水平截面被剪断，这种破坏形式称为剪切破坏。 3. 扭转 用改锥拧螺钉时，在改锥柄上手指的作用力构成了一个力偶，螺钉的阻力在改锥的刀口上构成了一个方向相反的力偶，这两个力偶都作用在垂直于杆轴的平面内，就使改锥产生了扭转变形，如图a所示。 例如汽车的转向轴（图b）。当驾驶员转动方向盘时，相当于在转向轴A端施加了一个力偶，与此同时，转向轴的B端受到了来自转向器的阻抗力偶。于是在轴AB的两端受到了一对大小相等、转向相反的力偶作用，使转向轴发生了扭转变形。 扭转角的概念，如图
3.2直杆轴向拉、压横截面上的内力内力的概念 轴力的计算 ）轴力 为了显示并计算杆件的内力，通常采用截面法。假设用一个截面m-m （图a ）将杆件“切”成左右两部分，取左边部分为研究对象（图b ），要保持这部分与原来杆件一样处于平衡状态，就必须在被切开处加上，这个内力F N 就是右部分对左部分的作用力。在轴向拉（压）杆中横截面中的内力称为由于直杆整体是平衡的，左部分也是平衡的，对这部分建立平衡方程： =0 0=-N F F 若取右部分为研究对象，则可得 0='-N F F 可以看出，取任一部分为研究对象，都可以得到相同的结果，其实F N 与F ′N 是一对作用力与反作用力，其数值必然相等。
第三节 轴向拉（压）杆的强度计算 教学目的： 1、学习材料在轴向作用力下拉伸、压缩状态下的正应力； 2、理解不同材料的工作应力、极限应力和许用应力值的概念。 3懂得应用轴向拉（压）杆的强度条件进行简单的计算 教学重点难点： 1、理解材料在拉伸、压缩状态下的正应力的计算，理解许用应力的含义，理解轴向拉（压）杆的强度条件内涵。 2、运用轴向拉（压）杆的强度条件计算一般工程力学问题（三种情况下的计算） 学情分析：建筑专业学生由于之前物理和数学知识的不足，再加上学生的学习兴趣不高，对本门学科较为理论性的学习接受能力差，因此教学中多采取实例和实物模型辅助教学的方法，提高本节课的教学成效。 教学教具：粗、细的木杆和钢杆；细绳、细铁丝、粗的铁丝。 教学过程： 新课引入：上节课我们学习了轴向拉、压杆横截面积上的正应力A F N =σ，大家知道不同材料其能承受的最大应力值不一样也反应材料的强度的不同，比如这根细绳和铁丝，那么怎样在工程中选用合适的材料做的杆件或者要对已确定材料的杆件进行校核其强度，才不致于出现安全事故呢？ 举例说明，展示实物，麻绳、细钢丝、粗钢丝。起重机起吊重物你会选择选择什么样绳子呢？是麻绳还是钢丝？是用细的钢丝还是粗一点的钢丝呢？为什吗呢？ 引导回答：同种截面的不同材质的绳子，其能承受的最大拉力是不一样的，即最大的应力值也是不同的，因此能起吊的重量也是不同的，应怎样选择呢？这就是我们今天这节的主要内容。 新课教学： 一、应力的基本概念： 工作应力：杆件在荷载作用下产生的实际应力值，它随杆件荷载的改变的而改变，但随荷载的增加，工作应力跟着增加，但应力的增加是用限度的，当应力超过一定限度，材料就会发生破坏。发生破坏的应力限度就称极限应力，也叫危险应力，用不同材料的 值是不同的，比如麻绳和钢丝； 许用应力：为了能使杆件在安全范围内工作，不仅不能使工作应力达到极限值，还要留用一定安全储备，我们把极限应力值处于大于1的N 作限度为工作应力的最高值，用][σ表示，][σ=N 而N>1的系数 二、轴向拉（压）杆的强度条件和强度计算