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1、结构力学中南大学中南大学12:31第十三章第十三章 结构弹性稳定结构弹性稳定13-1 概述概述13-2 用静力法确定临界荷载用静力法确定临界荷载13-3 具有弹性支座压杆的稳定具有弹性支座压杆的稳定13-4 用能量法确定临界荷载用能量法确定临界荷载13-5 变截面压杆的稳定变截面压杆的稳定1313-6 6 剪力对临界荷载的影响剪力对临界荷载的影响1313-7 7 组合压杆的稳定组合压杆的稳定结构力学中南大学中南大学12:3113-8 弹性介质上弹性介质上压杆的稳定压杆的稳定13-9 圆环及拱的稳定圆环及拱的稳定1313-10 10 窄条梁窄条梁的稳定的稳定1313-11 11 用矩阵位移法计算
2、刚架的稳定用矩阵位移法计算刚架的稳定结构力学中南大学中南大学12:3113-1 概述概述一一. .第一类稳定问题第一类稳定问题( (分支点失稳分支点失稳) )lEIEIP P-临界荷载临界荷载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P PP P 不稳定平衡状态在任意不稳定平衡状态在任意微小外界扰动下失去稳微小外界扰动下失去稳定性称为失稳定性称为失稳( (屈曲屈曲).).两种平衡状态两种平衡状态: :轴心受压和弯曲、压缩。轴心受压和弯曲、压缩。- - 第一类稳定问题第一类稳定问题完善体系完善体系结构力学中南大学中南大学12:31二二. .第二类稳定问题第二类稳定问题( (极值点失稳极
3、值点失稳) )偏心受压偏心受压三三. .分析方法分析方法大挠度理论。大挠度理论。 第二类稳定问题第二类稳定问题P PP P有初曲率有初曲率小挠度理论。小挠度理论。静力法静力法能量法能量法四四 . .稳定自由度稳定自由度 在稳定计算中在稳定计算中, ,一个体系产生弹性变形时一个体系产生弹性变形时, ,确定其变形状态所需的确定其变形状态所需的独立几何参数的数目独立几何参数的数目, ,称为稳定自由度。称为稳定自由度。非完善体系非完善体系P P1 1个自由度个自由度P PP P2 2个自由度个自由度无限自由度无限自由度结构力学中南大学中南大学12:3113-2. 用静力法确定临界荷载用静力法确定临界荷
4、载一一. .一个自由度体系一个自由度体系小挠度、小位移情况下：小挠度、小位移情况下：P Pl1 1抗转弹簧抗转弹簧A-稳定方程（特征方程）稳定方程（特征方程）-临界荷载临界荷载结构力学中南大学中南大学12:31二二. .N自由度体系自由度体系（以（以2 2自由度体系为例）自由度体系为例）-稳定方程稳定方程-临界荷载临界荷载lAP PlB-失稳形式失稳形式P P1 11.6181.618结构力学中南大学中南大学12:31三三. .无限自由度体系无限自由度体系P Pl挠曲线近似微分方程为挠曲线近似微分方程为QP PQ或或令令通解为通解为由边界条件由边界条件得得稳定方程稳定方程结构力学中南大学中南大
5、学12:31P PlQP PQ得得稳定方程稳定方程经试算经试算结构力学中南大学中南大学12:3113-3. 具有弹性支座压杆的稳定具有弹性支座压杆的稳定P PlP P1 1练习练习: :简化成具有弹簧支座的压杆简化成具有弹簧支座的压杆P PllP PlP PP Pk结构力学中南大学中南大学12:31P PlAyyxQP PQ挠曲线近似微分方程为挠曲线近似微分方程为令令通解为通解为边界条件边界条件稳定方程稳定方程解方程可得解方程可得nl的最小正根的最小正根结构力学中南大学中南大学12:31P PlAyyxQP PQ稳定方程稳定方程解方程可得解方程可得nl的最小正根的最小正根lEIEIP P若若若
6、若P Pl结构力学中南大学中南大学12:31lEIEIP P若若若若P PlP PlP P结构力学中南大学中南大学12:31例例: :求图示刚的临界荷载求图示刚的临界荷载. .正对称失稳正对称失稳反对称失稳反对称失稳正对称失稳时正对称失稳时1 1结构力学中南大学中南大学12:31例例: :求图示刚的临界荷载求图示刚的临界荷载. .正对称失稳正对称失稳反对称失稳反对称失稳反对称失稳时反对称失稳时0 01 1原结构的临界荷载为原结构的临界荷载为: :结构力学中南大学中南大学12:3113-4 用能量法确定临界荷载用能量法确定临界荷载一一. 势能原理势能原理2.2.外力势能外力势能1.1.应变能应变
7、能弯曲应变能弯曲应变能P P拉压应变能拉压应变能P PP P剪切应变能剪切应变能 外力从变形状态退回到无位移的外力从变形状态退回到无位移的原始状态中所作的功原始状态中所作的功. .y(x)q(x)3.3.结构势能结构势能结构力学中南大学中南大学12:31结构势能结构势能例例:求图示桁架在平衡状态下的结构势能求图示桁架在平衡状态下的结构势能.EA=常数常数.P P1 1llA解解: :杆件轴力杆件轴力杆件伸长量杆件伸长量A点竖向位移点竖向位移外力势能外力势能应变能应变能结构力学中南大学中南大学12:31结构势能结构势能P P1 1llA杆件轴力杆件轴力杆件伸长量杆件伸长量A点竖向位移点竖向位移外
8、力势能外力势能应变能应变能4.4.势能驻值原理势能驻值原理设设A A点发生任意竖向位移点发生任意竖向位移 是是 的函数的函数. . 杆件伸长量杆件伸长量杆件轴力杆件轴力应变能应变能外力势能外力势能结构势能结构势能结构力学中南大学中南大学12:314.4.势能驻值原理势能驻值原理设设A A点发生任意竖向位移点发生任意竖向位移 是是 的函数的函数. . 杆件伸长量杆件伸长量杆件轴力杆件轴力应变能应变能外力势能外力势能结构势能结构势能 在弹性结构的一切在弹性结构的一切可能位移可能位移中，真实位移中，真实位移使结构势能取驻值。使结构势能取驻值。满足结构位移边界条件的位移满足结构位移边界条件的位移 对于
9、稳定平衡状态对于稳定平衡状态, ,真实位移使结真实位移使结构势能取极小值构势能取极小值. .结构力学中南大学中南大学12:31二二. .能量法确定临界荷载能量法确定临界荷载例一例一: :求图示结构的临界荷载求图示结构的临界荷载. .P PlkyP P解解: :应变能应变能外力势能外力势能结构势能结构势能由势能驻值原理由势能驻值原理得临界荷载得临界荷载结构力学中南大学中南大学12:31例二例二: :求图示结构的临界荷载求图示结构的临界荷载. . 解解: : 应变能应变能外力势能外力势能结构势能结构势能lP PlP P结构力学中南大学中南大学12:31三三. .瑞利里兹法瑞利里兹法P PlP P应
10、变能应变能外力势能外力势能结构势能结构势能设设将无限自由度化为有限自由度将无限自由度化为有限自由度. .结构势能则为结构势能则为 的多的多元函数元函数, ,求其极值即可求出临界求其极值即可求出临界荷载荷载. .结构力学中南大学中南大学12:31lEIEIP P例例: :求图示体系的临界荷载求图示体系的临界荷载. .解解: :1.1.设设精确解精确解: :结构力学中南大学中南大学12:31例例: :求图示体系的临界荷载求图示体系的临界荷载. .lEIEIP P解解: :2.2.设设精确解精确解: :误差误差:+21.6:+21.6%3.3.设杆中作用集中荷载所引起的位设杆中作用集中荷载所引起的位
11、 移作为失稳时的位移移作为失稳时的位移. .l/2l/2Q令令误差误差:+1.3:+1.3%结构力学中南大学中南大学12:31EIEIGAGAlP P设弯矩和剪力影响所产生的挠度分别为设弯矩和剪力影响所产生的挠度分别为 和和 同时考虑弯矩和剪力对变形的影响时同时考虑弯矩和剪力对变形的影响时的挠曲微分方程的建立的挠曲微分方程的建立:二者共同影响产生的挠度为二者共同影响产生的挠度为近似的曲率为近似的曲率为弯矩引起的曲率为弯矩引起的曲率为截面形状系数截面形状系数矩形截面为矩形截面为1.2圆形截面为圆形截面为1.11挠曲微分方程为挠曲微分方程为13-6 剪力对临界荷载的影响剪力对临界荷载的影响结构力学
12、中南大学中南大学12:31EIEIGAGAlP P挠曲微分方程为挠曲微分方程为对于图示两端铰支的等截面杆对于图示两端铰支的等截面杆,有有令令方程的通解方程的通解边界条件边界条件结构力学中南大学中南大学12:31EIEIGAGAlP P对于图示两端铰支的等截面杆对于图示两端铰支的等截面杆,有有令令方程的通解方程的通解边界条件边界条件稳定方程稳定方程结构力学中南大学中南大学12:31EIEIGAGAlP P稳定方程稳定方程不计剪变的欧拉临界力不计剪变的欧拉临界力修正系数修正系数欧拉临界应力欧拉临界应力对于三号钢对于三号钢,比例极限为比例极限为200MPa.若取若取结论结论:实体实体杆件中杆件中,剪
13、力对临界荷剪力对临界荷 载的影响很小载的影响很小,可略去不计可略去不计.不计剪力对临界荷不计剪力对临界荷 载的影响载的影响所得到的临界荷载是大还是小所得到的临界荷载是大还是小?结构力学中南大学中南大学12:3113-7 组合压杆的稳定组合压杆的稳定缀条式缀条式缀板式缀板式肢杆肢杆缀条缀条缀板缀板组合压杆的临界荷载比组合压杆的临界荷载比截面和柔度相同的实体截面和柔度相同的实体压杆的小压杆的小, ,节间数目较多节间数目较多时可用上节推出的实体压杆时可用上节推出的实体压杆的临界荷载计算公式作近似计算的临界荷载计算公式作近似计算. .结构力学中南大学中南大学12:31一一. .缀条式组合压杆缀条式组合
14、压杆z不计肢杆轴变不计肢杆轴变. .-水平缀条截面积水平缀条截面积. .-斜杆截面积斜杆截面积. .结构力学中南大学中南大学12:31zI 的计算的计算: :I 为两根肢杆的截面对为两根肢杆的截面对z轴的惯性矩轴的惯性矩.设一根肢杆的截面积为设一根肢杆的截面积为A,对自身形心轴的惯性矩为对自身形心轴的惯性矩为I1结构力学中南大学中南大学12:31z若略去横杆影响若略去横杆影响, ,两侧都有缀条两侧都有缀条, ,则上式为则上式为若写成欧拉问题基本形式若写成欧拉问题基本形式结构力学中南大学中南大学12:31若写成欧拉问题基本形式若写成欧拉问题基本形式若用若用 r 代表两肢杆截面对整个截面形心轴代表两肢杆截面对整个截面形心轴z z的回转半径的回转半径, ,即即并且并且, ,一般一般 为为 , ,故可取故可取并引入长细比并引入长细比若采用换算长细比若采用换算长细比 , ,则有则有结构力学中南大学中南大学12:31若用若用 r 代表两肢杆截面对整个截面形心轴代表两肢杆截面对整个截面形心轴z z的回转半径的回转半径, ,即即并且并且, ,一般一般 为为 , ,故可取故可取并引入长细比并引入长细比若采用换算长细比若采用换算长细比 , ,则有则有上式既是钢结构规范中推荐的缀条式组合压杆换算长细比的公式上式既是钢结构规范中推荐的缀条式组合压杆换算长细比的公式. .
