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1、1构件受外荷载而变形构件受外荷载而变形, ,当外荷载卸除而恢当外荷载卸除而恢复的那部分变形称为复的那部分变形称为弹性变形弹性变形；当外载卸除而不能恢复的那部分变形称当外载卸除而不能恢复的那部分变形称为为塑性变形塑性变形。10-1 10-1 塑性变形塑性变形 塑性极限分析的假设塑性极限分析的假设2(4)(4)通常所指的塑性变形通常所指的塑性变形, ,忽忽略了时间因素的影响略了时间因素的影响( (常温、常温、低应变率）。低应变率）。塑性变形的特征塑性变形的特征: :(1)(1)变形的不可恢复性是塑性的基本特征。变形的不可恢复性是塑性的基本特征。(2)(2)应力超过弹性范围后应力超过弹性范围后, ,
2、应力应力- -应变呈非线性关系应变呈非线性关系, , 叠加原理不叠加原理不再适用。再适用。(3)(3)塑性变形与加载历程有关塑性变形与加载历程有关, ,应应力与应变之间不再是单值关系。力与应变之间不再是单值关系。se3在超过屈服荷载以后在超过屈服荷载以后, , 物体内出现了部分塑性变形。物体内出现了部分塑性变形。这部分塑性变形改变了物体内的应力分配这部分塑性变形改变了物体内的应力分配, ,使物体的使物体的其它部分更多地参加到承担外载中去，从而提高了整其它部分更多地参加到承担外载中去，从而提高了整个物体的承载能力。因此，需要进行个物体的承载能力。因此，需要进行塑性极限分析塑性极限分析。 塑性极限
3、分析塑性极限分析受力物体中受力物体中, ,在一般情况下应力分布是不均匀的在一般情况下应力分布是不均匀的, , 如如果单凭弹性分析来进行设计果单凭弹性分析来进行设计, ,材料的利用率可能较低。材料的利用率可能较低。44.4.材料应力应变关系材料应力应变关系为刚性理想塑性或为刚性理想塑性或弹性理想塑性弹性理想塑性 为简化计算，通常对塑性极限分析作如下假设：为简化计算，通常对塑性极限分析作如下假设：1.1.简单加载简单加载2.2.小变形小变形3.3.结构几何形状不变结构几何形状不变(a)(b)5 当结构由于较大塑性变形而成为几何可当结构由于较大塑性变形而成为几何可变结构时，结构达到了极限状态，计算变
4、结构时，结构达到了极限状态，计算结构极限状态下的荷载（极限荷载）称结构极限状态下的荷载（极限荷载）称为为塑性极限分析塑性极限分析。6 使结构处于极限状态的荷载，称为使结构处于极限状态的荷载，称为极限荷载极限荷载，记为，记为 Fu 。10102 2拉压杆系的极限荷载拉压杆系的极限荷载 静定拉压杆系，其中一杆内应力达到材料屈服极限，静定拉压杆系，其中一杆内应力达到材料屈服极限，结构即达极限状态。结构即达极限状态。 超静定拉压杆系，其中多杆应力达到材料屈服极限，超静定拉压杆系，其中多杆应力达到材料屈服极限，结构才达极限状态。结构才达极限状态。 结构内开始出现塑性变形时的荷载，称为结构内开始出现塑性变
5、形时的荷载，称为屈服荷载屈服荷载， 记为记为 Fs 。7例例题题10-110-1 超超静静定定桁桁架架如如图图，三三杆杆的的材材料料相相同同，弹弹性性模模量量为为E。三三杆杆的的横横截截面面面面积积均均为为A，承承受受铅铅垂垂荷荷载载F作用。试求结构的屈服荷载作用。试求结构的屈服荷载 Fs 和极限荷载和极限荷载 Fu 。图图 a图图b b8 几何相容方程几何相容方程 (3) 物理关系物理关系 (4)解解：当当F不不大大时时，三三杆杆均均处处于于弹弹性性状状态态。设设三三杆杆的的轴轴力力分分别别为为 FN1 ，FN2 和和 FN3（图图c c）, ,节节点点A的的静静力力平平衡方程衡方程图图 c
6、 (1) (2)9将（将（4 4）代入（）代入（3 3），并与（），并与（2 2）联立求解，即得）联立求解，即得 (5) (6)杆杆3 3内内的的应应力力大大于于两两侧侧斜斜杆杆的的应应力力。若若增增大大荷荷载载F，则则中中间间杆杆的的应应力力首首先先达达到到材材料料的的屈屈服服极极限限 s ，开开始始产产生生塑塑性性变变形形。这这时时，结结构构的的荷荷载载为为屈屈服服荷荷载载Fs ，由式（由式（5 5）可得到）可得到：10若继续增大荷载，则中间杆的应力保持为若继续增大荷载，则中间杆的应力保持为 s ，两侧，两侧斜杆的应力继续增长。斜杆的应力继续增长。 当荷载大于屈服荷载但小于极限荷载当荷载大
7、于屈服荷载但小于极限荷载( (FsFFu) )时，时，结构处于弹性塑性状态。这时，由静定平衡条件结构处于弹性塑性状态。这时，由静定平衡条件 (7)继续增大荷载，当两侧斜杆内的应力达到屈服极限继续增大荷载，当两侧斜杆内的应力达到屈服极限 s 时时，整整个个结结构构进进入入完完全全塑塑性性状状态态而而达达到到极极限限状状态态。由静力平衡方程，即得到极限荷载为由静力平衡方程，即得到极限荷载为(8)11 若若以以表表示示三三杆杆铰铰接接点点A的的铅铅垂垂位位移移，则则F与与之之间间的关系如图的关系如图d所示。所示。由式（由式（7 7）和（）和（8 8），图图d若若 ，则，则12此时的扭矩称为此时的扭矩
8、称为屈服扭矩屈服扭矩 Ts ，其值为其值为10-3 10-3 等直圆杆扭转时的极限扭矩等直圆杆扭转时的极限扭矩等直圆杆在扭转时，可以看成是由半径从等直圆杆在扭转时，可以看成是由半径从0 的的无数薄壁圆筒相套并在两端焊死的一个超静定系统。无数薄壁圆筒相套并在两端焊死的一个超静定系统。若其横截面上最大切应力达到了若其横截面上最大切应力达到了 s ，则横截面任一直，则横截面任一直径上切应力的变化如图。径上切应力的变化如图。(a)13 若继续增大扭矩，则随着切应变增大，此直径上各若继续增大扭矩，则随着切应变增大，此直径上各点处的切应力将从周围向中心逐渐增大到点处的切应力将从周围向中心逐渐增大到 s 。
9、(b)14 当截面上各点处的切应力均达到当截面上各点处的切应力均达到 s , 整个截面进入完整个截面进入完全塑性状态。这时不需要再增大外力偶矩，圆杆将继全塑性状态。这时不需要再增大外力偶矩，圆杆将继续扭转变形，即扭杆达到极限状态。对应的极限扭矩续扭转变形，即扭杆达到极限状态。对应的极限扭矩为：为：（10-1）由由可见，考虑了材料的塑性，可见，考虑了材料的塑性，同一圆杆所对应的扭矩极限值可以增大同一圆杆所对应的扭矩极限值可以增大33%33%。15如果这时卸载，即荷载从如果这时卸载，即荷载从Tu 变为变为0 0，就相当于反向施，就相当于反向施加外力偶矩加外力偶矩 Me= = Tu ，则可得横截面上
10、的残余应力如，则可得横截面上的残余应力如图。图。16 解解：当达到极限扭矩时当达到极限扭矩时 Tu ，轴横截面每一点处的切，轴横截面每一点处的切应力都达到应力都达到 s （图（图b b），此时），此时(1) 例题例题10-2 试求空心圆截面轴极限扭矩试求空心圆截面轴极限扭矩 Tu 与屈服扭与屈服扭矩矩 Ts 的比值。的比值。例例10-2 图图DOd(a)(b)17式中式中, 。空心圆截面轴的空心圆截面轴的(2)(3)18矩形截面梁受纯弯曲时，可以看成是无数在梁两端焊矩形截面梁受纯弯曲时，可以看成是无数在梁两端焊死的纵向纤维组成的一个超静定系统。若其横截面上死的纵向纤维组成的一个超静定系统。若其
11、横截面上最大正应力达到了最大正应力达到了 s ，则横截面上正应力的变化如，则横截面上正应力的变化如图。图。此时的弯矩称为此时的弯矩称为屈服弯矩屈服弯矩 Ms ，其值，其值为为10104 4 梁的极限弯矩梁的极限弯矩 塑性铰塑性铰(a)19当横截面上各处的正应力均达到当横截面上各处的正应力均达到 s 时，整个截面时，整个截面进入进入完全塑性状态完全塑性状态。若继续增大弯矩，则随着线应变的增大，横截面上各若继续增大弯矩，则随着线应变的增大，横截面上各处正应力将从上下边缘向中性轴逐渐增大到处正应力将从上下边缘向中性轴逐渐增大到 s 。(b)(c)20将横截面上受拉部分的面积记为将横截面上受拉部分的面
12、积记为At ,受压部分的面积受压部分的面积记为记为Ac 。 由静力学关系，可得由静力学关系，可得令令At 对中性轴的静矩为对中性轴的静矩为 Ac对中性轴的静矩为对中性轴的静矩为这时不需要再增大荷载，梁将继续弯曲变形，即梁达这时不需要再增大荷载，梁将继续弯曲变形，即梁达到了极限状态。到了极限状态。21对于具有水平对称轴的横截面，对于具有水平对称轴的横截面，梁的极限弯矩为梁的极限弯矩为则极限弯矩为则极限弯矩为由由可见，考虑了材料塑性，可见，考虑了材料塑性，矩形截面梁对应的弯矩极限值可以增大矩形截面梁对应的弯矩极限值可以增大5050。22几种常用截面的几种常用截面的 Mu/Ms 比值见下表。比值见下
13、表。表表 10-1 10-1 几种常用截面的几种常用截面的 Mu/Ms 比值比值截面形状截面形状1.15-1.171.271.51.7023如果这时卸载，即荷载从如果这时卸载，即荷载从 Mu变为变为0 0，就相当于反向施，就相当于反向施加外力偶矩加外力偶矩 Me =Mu ，则可得到横截面上的残余应力，则可得到横截面上的残余应力如图。如图。24例例10-3 试求圆截面梁的极限弯矩及比值试求圆截面梁的极限弯矩及比值Ws/W 。解解：圆截面对称于中性轴，故圆截面对称于中性轴，故 St=Sc 。由于半。由于半 圆圆形的形心到其直径边的距离为形的形心到其直径边的距离为 2d/3 ，所以，所以极限弯矩为极
14、限弯矩为圆截面的弯曲截面系数圆截面的弯曲截面系数 W= d3/32 ，所以，所以25解得解得解解：因因T T形截面无水平对称轴，形截面无水平对称轴，为了求为了求 St 和和 Sc ，必须先确定，必须先确定中性轴的位置。现以中性轴的位置。现以y y表示翼表示翼缘边到中性轴的距离，由缘边到中性轴的距离，由 At=Ac ，可得，可得例例10-410-4 图图示示T T形形截截面面梁梁的的屈屈服服极极限限 s=235MPa 试试求该梁的极限弯矩。求该梁的极限弯矩。y1605050z例题图例题图20026从而从而则则27塑性铰塑性铰 在横力弯曲时，梁各横截面上的弯矩是不同的，在横力弯曲时，梁各横截面上的
15、弯矩是不同的，最大弯矩所在截面将首先屈服。最大弯矩所在截面将首先屈服。hbl(a)(b) 设一矩形截面的简支梁在跨长设一矩形截面的简支梁在跨长 l 的中点处承受的中点处承受集中荷载集中荷载 F 。28 当力当力 F 增大到某个临界值增大到某个临界值 Fu 时，跨中截面完时，跨中截面完全屈服，其邻近的横截面局部屈服，这时全屈服，其邻近的横截面局部屈服，这时 F 不需继续不需继续增加而跨中截面两侧的两段梁可以绕跨中截面的中性增加而跨中截面两侧的两段梁可以绕跨中截面的中性轴相对旋转，犹如在该截面处安置了一个铰链，通常轴相对旋转，犹如在该截面处安置了一个铰链，通常称为称为塑性铰塑性铰。其最大弯矩其最大
16、弯矩 Mmax=Fl/4 ，位于跨中截面。，位于跨中截面。(c)29当梁卸载时，塑性铰效应也随之消失。当梁卸载时，塑性铰效应也随之消失。得得由由 根据塑性极限分析求得极限荷载，再乘以安全系根据塑性极限分析求得极限荷载，再乘以安全系数得到许用荷载的强度设计方法称为数得到许用荷载的强度设计方法称为极限荷载法极限荷载法。而。而前述弹性极限分析的强度计算方法，称为前述弹性极限分析的强度计算方法，称为容许应力法容许应力法。30例例10-510-5 承受均布荷载作用的矩形截面外伸梁如图承受均布荷载作用的矩形截面外伸梁如图a a所所示。已知梁的尺寸为示。已知梁的尺寸为l=3m,b=60mm,h=120mm, 屈服极限屈服极限 s=235235MPa 。试求梁的极限荷载。试求梁的极限荷载。 解解：先按弹性分先按弹性分析的方法作出梁析的方法作出梁的弯矩图的弯矩图 （图（图c）AB(a)Cqql8128ql182(c)bh(b)得出最大弯矩为得出最大弯矩为31于是得于是得即即 当梁达到极限状态时，其最大弯矩等于极限弯矩，当梁达到极限状态时，其最大弯矩等于极限弯矩，梁上的荷载达到极限值。梁上的荷载达到极限值。32练习题：求图示矩形截面悬臂梁的极限荷载。练习题：求图示矩形截面悬臂梁的极限荷载。材料屈服极限为材料屈服极限为 。33作业：作业：2-2,2-4,2-834
