细长的受
压杆当压力达到一定值时,受压杆可能突然弯曲而破坏,即产生
失稳现象。由于受压杆失稳后将丧失继续承受原
设计荷载的能力,而失稳现象又常是突然发生的,所以,结构中受压杆件的失稳常造成严重的后果,甚至导致整个结构物的倒塌。工程上出现较大的
工程事故中,有相当一部分是因为受压构件失稳所致,因此对受压杆的稳定问题绝不容忽视。所谓压杆的稳定,是指受压杆件其
平衡状态的稳定性。当压力P小于某一值时,直线状态的平衡为稳定的,当P大于该值时,便是不稳定的,其界限值P↓(1j)称为
临界力。当压杆处于不稳定的平衡状态时,就称为丧失稳定或简称失稳。显然,承载结构中的受压杆件绝对不允许失稳。由于杆端的支承对杆的变形起约束作用,且不同的支承形式对杆件变形的约束作用也不同,因此,同一受压杆当两端的支承情况不同时,其所能受到的临界力值也必然不同。工程中一般根据杆件支承条件用“
计算长度”来反映压杆稳定的因素。不同材料的压杆,在不同支承条件下,其
承载力的
折减系数也不同,所用的名称也不同,钢压杆叫
长细比,
钢筋混凝土柱叫
高宽比,砌体墙、柱叫
高厚比,但这些都是考虑压杆稳定问题。
早在
文艺复兴时期,伟大的艺术家、科学家和工程师
达·芬奇对压杆做了一些开拓性的研究工作。
荷兰物理学教授穆申布罗克(Musschenbroek P van)于1729年通过对于木杆的受压实验,得出“压曲载荷与杆长的平方成反比的重要结论”。
众所周知,细长杆
压曲载荷公式是数学家欧拉首先导出的。他在1744年出版的
变分法专著中,曾得到细长
压杆失稳后
弹性曲线的精确描述及压曲载荷的
计算公式。1757年他又出版了《关于柱的承载能力》的论著(工程中习惯将压杆称为柱),纠正了在1744年专著中关于矩形截面
抗弯刚度计算中的错误。而大家熟知的两端铰支压杆压曲载荷公式是拉格朗日(Lagrange J L)在欧拉近似
微分方程的基础上于1770年左右得到的。1807年英国
自然哲学教授杨(Young T)、1826年
纳维先后指出
欧拉公式只适用于细长压杆。1846年拉马尔(Lamarle E)具体讨论了欧拉公式的适用范围,并提出超出此范围的压杆要依*
实验研究方可解决问题的正确见解。关于大家熟知的非细长杆压曲载荷
经验公式的提出者,则众说纷纭,难于考证。一种说法是
瑞士的台特迈尔(Tetmajer L)和
俄罗斯的雅辛斯基(Ясинский Φ С)都曾提出过有关压杆
临界力与
柔度关系的经验公式,雅辛斯基还用过许可
应力折减系数计算稳定许可应力。
当细长杆件受压时,却表现出与
强度失效全然不同的性质。例如一根细长的竹片受压时,开始轴线为直线,接着必然是被压弯,发生颇大的
弯曲变形,最后折断。与此类似,
工程结构中也有很多受压的细长杆。例如
内燃机配气机构中的
挺杆(图一),在它推动
摇臂打开
气阀时,就受压力作用。又如磨床液压装置的
活塞杆(图二),当驱动工作台向右移动时,
油缸活塞上的压力和工作台的阻力使活塞杆受到压缩。同样,内燃机(图三)、
空气压缩机、
蒸汽机的连杆也是受压杆件。还有,
桁架结构中的抗压杆、建筑物中的柱也都是压杆。现以图四所示两端
铰支的细长压杆来说明这类问题。设压力与杆件轴线重合,当压力逐渐增加,但小于某一
极限值时,杆件一直保持直线形状的平衡,即使用微小的侧向
干扰力使其暂时发生轻微弯曲(图四a),干扰力解除后,它仍将恢复直线形状(图四b)。这表明压杆直线形状的平衡是稳定的。当压力逐渐增加到某一极限值时,压杆的直线平衡变为不稳定,将转变为曲线形状的平衡。这时如再用微小的侧向干扰力使其发生轻微弯曲,干扰力解除后,它将
保持曲线形状的平衡(图四c),不能恢复原有的直线形状。上述压力的极限值称为
临界压力或临界力,记为Fcr。压杆丧失其直线形状的平衡而过渡为曲线平衡,称为丧失稳定,简称失稳,也称为屈曲。
杆件失稳后,压力的微小增加将引起弯曲变形的显著增大,杆件已丧失了
承载能力。这是因失稳造成的失效,可以导致整个机器或结构的损坏。但细长压杆失稳时,应力并不一定很高,有时甚至低于
比例极限。可见这种形式的失效,并非强度不足,而是稳定性不够。
除压杆外,其他构件也存在
稳定失效问题。例如在内压作用下的圆柱形
薄壳,壁
内应力为
拉应力,这就是一个强度问题。
蒸汽锅炉、圆柱形
薄壁容器就是这种情况;但如圆柱形薄壳在均匀外压作用下,壁内应力变为
压应力(图五),则当外压到达
临界值时,薄壳的圆形平衡就变为不稳定,会突然变成由
虚线表示的长圆形。与此相似,板条或
工字梁在最大抗弯刚度平面内弯曲时,会因载荷达到临界值而发生
侧向弯曲(图六)。薄壳在
轴向压力或扭矩作用下,会出现局部折皱。这些都是稳定性问题。