第五章规范.doc

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第五章规范

第五章 杆件系统的压屈 桥梁和许多结构工程都可以看作是由杆件系统所组成。如各种桁架桥,刚架桥,塔桅结构、框架结构都是由许多杆件联结而成,杆件可以是互相刚接或互相铰接,它们可以组成平面结构也可以组成空间结构。 杆件系统屈曲主要是指整个系统的平衡失去稳定性,而不是其中个别压杆发生屈曲。前者是整体失稳,后者是局部失稳。但是,在桁架或框架结构中,压杆总是与相邻的杆件在节点相连接,所以其中个别压杆的屈曲可以说是局部杆件系统的稳定问题。 在稳定分析中,我们常把杆件称为杆件单元或杆单元,杆件的联结点称为节点。杆单元可以是自然杆件或者是人为地划分得更小的杆件,以适应计算的需要。对于曲杆结构,例如拱肋,是由曲杆单元组成,但实用上人们常把它模拟成折线结构,近似地由一些直杆作成。本章将以直杆杆件系统为例讨论杆件系统的稳定,但其原理也均适用于由其它构件所组成的构件系统。 §5—l 杆件系统压屈的基本原理 二类失稳—杆系屈曲基本假定 杆件系统的杆件如果只有轴向力(例如承受节点荷载),那末当外力达到临界荷载时,就会发生图5一1b中曲线a那样的平衡分支屈曲,一般的杆件系统,杆内都有弯矩,这时各节点的变位.将随荷载的增加而加大,如果杆件是由理想弹性材料做成,那末当荷载接近临界荷载时,变形也会迅速增加,结构发生分支屈.曲(图5一lb中曲线b)。 图5一1框架的平面屈曲 曲线说明: a.节点荷载作用下的情况b.非节点荷载作用下的情况c.第二类失稳情况 实际上的结构杆件材料都有一定的弹塑性和强度极限,当荷载小于时,一部分材料已进入弹塑性状态或者到达强度极限而被破坏,这时结构的变形就如曲线c表示的那样发展,这就是所谓第二类失稳。 本章将讨论理想弹性材料的第一类失稳问题,显然,由此得出的杆系结构的临界荷载都比实际丧失结构承载力的荷载为大,因而是极限承载力的上限。 为简化计算,我们作下列假定: 1.杆系是由理想弹性材料做成; 2.屈曲变形很小,不考虑杆系几何尺寸的变化。 上列二点假定表明,我们所讨论的是杆件系统在弹性小变形范围内的平衡分支稳定问题。 杆件系统的屈曲计算原理与一般的内力计算大同小异。相同的是,都是利用变形连续条件(力法)或平衡条件(变形法)来建立方程式;不同的是在屈曲计算中,.必须考虑杆内轴力N对横向变形的影响,而且我们感兴趣的并不是任意荷载作用下结构的变位值,而是当外荷.载增大λ倍后,结构发生随遇平衡时的荷载=λP值。 随着计算工具的发展,求解高阶线性特征方程组并无困难,因而有限元方法得到普遍的采用。基于变位法的有限元方法能够适应各种形状的结构,既可以构造平面结构也可以组拼空间结构;杆件之间可以是刚接也可以是铰接,还可以和其他构件单元组合,组成真实的结构模型,因而这个方法已经逐渐取代了传统的力法、变形法和其他的近似方法。 本章将主要地介绍杆件稳定计算的有限元方法。一些结构,如框架、拱桥等,形状比较规则,有可能导出很简单的稳定计算公式,因而在以后章节中还要介绍它们的计算原理和方法。 §5—2杆单元刚度分析 单元节点位移—等效节点力—单元刚度拒阵演引 杆系结构被离散为许多杆单元,它们通过节点而相互联结,如果知道各个杆件单元的力和位移的关系,则不难推出结构的力和位移的关系。因而对杆单元作刚度分析是必要的。 .图5一2平面杆单元的坐标系 图5—2表示平面杆系的结构坐标系,i、v,水平位移和节点转角θ,二个节点的全部位移可用下式表示: {}=, {}=, {}= (5—1) 如果用局部坐标系来表达杆单元力与位移的关系,则位移为 =,=,= (5—2) 以下将用局部坐标系:来表达杆单元力与位移的关系,然后不难把它们转到结构坐标系上来。 图5一3杆单元的受力情况 图5一3是杆单元的受力情况,杆上除横向荷载q作用之外,还有轴向力N作用于杆内,此时的节点荷载记为 =, =,= (5—3) 用最小势能原理,可以求出节点荷载与节点变位及与外荷载之间的关系。 不考虑剪应变的作用,杆内任一点的正应变应为 =?y+ (5—4) 式中,第一项是由轴向力引起的应变。第二项是由弯矩引起的应变,它与所在点到断面形心的距离y有关。第三项是杆的弯曲变形所引起的应变,它反映了弯曲变形与轴向变形的耦连关系,在通常的结构分析时,我们略去了这一项,但是在稳定计算中,正是这一项反映了结构不稳定的因素,因而必须计入。 杆件单元的应变能由下式给出 U=

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