在建筑工程结构力学中,设某细长
杆件,承受
轴向应力(
压应力)P,当轴向应力P增加到一定程度P'(小于许压应力)时,
压杆的直线平衡状态开始失去稳定,产生弯曲变形,这个力具有临界的性质,因此称为临界力。临界力大小与
杆件的材料、长度、
截面形状尺寸以及杆端的约束情况有关。
计算公式
P'=π2EI/L2 即:P等于3.14的平方乘以E 和I 与L的平方之比。
式子中P表示临界力;E表示
弹性模量; I 表示
惯性矩临界力Pij的大小与下列因素有关:
1、
压杆的材料:钢柱的P比木柱大,因为钢柱的
弹性模量E大。
2、压杆的截面形状与大小:截面大不易
失稳,因为
惯性矩大。
3、压杆长度L:压杆长度大,P临界力小,易失稳。
案例解析
1、同一长度的压杆,截面积及材料均相同,仅两端支承条件不同,则一端固定,一端自由杆的临界力最小。
2、受压杆在下列支承情况下,若其他条件相同,临界力最大的是两端固定
3、受压物件,两端铰支,临界力为50kN,若将物件改为两端固定,则其临界力为500kN。
临界力和欧拉公式
杆件所受压力逐渐增加到某个限度时,压杆将由稳定状态转化为不稳定状态。这个压力的限度称为临界力。它是压杆保持直线稳定形状时所能承受的最小压力。
为了计算压杆的稳定性,就要确定临界力的大小。通过实验和理论推导,压杆临界力与各个因素有关:
(1)压杆的材料,临界力与材料的弹性模量E成正比;
(2)压杆横截面的形状和尺寸,临界力与压杆
横截面的轴
惯性矩成正比;
(3)压杆的长度,临界力与长度的平方成反比;
(4)压杆两端的支座形式有关,用支座系数表示。
当已知压杆的材料、尺寸和支座形式时,即可由欧拉公式求得临界力根据欧拉公式,若要提高细长杆的稳定性,可从下列几方面来考虑:
(1)合理选用材料:
临界力与
弹性模量E成正比。钢材的E值比铸铁、铜、铝的大,压杆选用
钢材为宜。合金钢的E值与碳钢的E值近似,细长杆选用合金钢并不能比
碳钢提高稳定性,但对短粗杆,选用合金钢可提高工作能力。
(2)合理选择截面形状:
临界力与截面的轴惯性矩成正比。应选择大的截面形状,如圆环形截面比圆形截面合理,型钢截面比矩形截面合理。并且尽量使压杆横截面对两个互相垂直的中性轴的惯性矩相近。
临界力与杆长平方成反比。在可能的情况下,减小杆的长度或在杆的中部设置支座,可大大提高其稳定性。
临界力与支座形式有关。固定端比铰链支座的稳定性好,钢架的立柱,其柱脚与底板的联系形式,能提高立柱受压时的稳定性。
压杆的临界应力
欧拉公式只有在弹性范围内才是适用的。为了判断
压杆失稳时是否处于弹性范围,以及超出
弹性范围后临界力的计算问题,必须引入临界应力及柔度的概念。
压杆在临界力作用下,其在直线平衡位置时横截面上的应力称为临界应力,压杆在弹性范围内失稳时,则临界应力为
柔度与长细比的比值。
表1为常用材料的应力计算值:
分析临界力的步骤
1、分析临界状态:
一般采用极端分析法,即把问题中的物理量推向极值,就会暴露出物理过程,常见的有A.发生相对滑动;B.绳子绷直;C.与接触面脱离。
所谓临界状态一般是即将要发生质变时的状态,也是未发生质变时的状态。此时物体所处的运动状态常见的有:A.平衡状态;B.
匀变速运动;C.
圆周运动等。
2、找出临界条件:
上述临界状态其对应临界条件是:
(1)相对滑动与相对静止的临界条件是
静摩擦力达最大值;
(2)绳子松弛的临界条件是绳中拉力为零;
(3)相互接触的两个物体将要脱离的临界条件是相互作用的
弹力为零。
3、列出状态方程:
将临界条件代到状态方程中,得出临界条件下的状态方程。
4、联立方程求解:
有些临界问题单独临界条件下的状态方程不能解决问题,则需结合其他规律联立方程求解。