1、延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系第第5 5章章 轴向拉伸和压缩轴向拉伸和压缩延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系本章主要研究轴向拉伸和压缩的概念、内本章主要研究轴向拉伸和压缩的概念、内力计算、横截面和斜截面上的应力、变形计算、力计算、横截面和斜截面上的应力、变形计算、强度计算、材料在轴向拉伸和压缩时的力学性强度计算、材料在轴向拉伸和压缩时的力学性质、应力集中的概念，以及剪切挤压的实用计质、应力集中的概念，以及剪切挤压的实用计算。算。本章提要本章提要延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系轴向拉伸和压缩的概念轴向拉伸和压缩的
2、概念在工程实际中，产生轴向拉伸或压缩的杆件很多。如图5.1所示的三角架中的BC杆是轴向拉伸的实例；图5.2所示的三角架中的AB杆是轴向压缩的实例。由以上实例可见，当杆件受到与轴线重合的拉力（或压力）作用时，杆件将产生沿轴线方向的伸长（或缩短），这种变形称为轴向拉伸或压缩，如图5.3所示。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.1 延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.2 延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.3延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系轴向拉伸和压缩时的内力轴向拉伸和压缩时的内力
3、图5.4(a)所示的杆件，受一对轴向拉力P的作用。为了求出横截面m-m上的内力，可运用截面法。将杆件沿m-m横截面截开，取左端为研究对象，弃去的右端对左端的作用以内力代替（图5.4(b)）。由于外力与轴线重合，所以内力也必在轴线上，这种与杆件重合的内力称为轴力，用N来表示。由左端的平衡方程Fx=0,N-P=0N=P轴力轴力延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系【例5.1】杆件受力如图5.5(a)所示，试分别求出1-1、2-2、3-3截面上的轴力。【解】（1）计算1-1截面的轴力假想将杆沿1-1截面截开，取左端为研究对象，截面上的轴力N1按正方向假设，受力图如图5.5(b)
4、所示。由平衡方程Fx=0,N1-P=0N1=P(拉力）（2）计算2-2截面的轴力假想将杆沿2-2截面截开，取左端为研究对象，截面上的轴力N2按正方向假设，受力图如图5.5(c)所示。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系由平衡方程Fx=0,N2+2P-P=0N2=P-2P=-P(压力）（3）计算3-3截面的轴力假想将杆沿3-3截面截开，取左端为研究对象，截面上的轴力N3按正方向假设，受力图如图5.5(d)所示。由平衡方程Fx=0,N3-2P+2P-P=0N3=2P-2P+P=P(拉力)延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系计算截面的轴力，亦可选取右端
5、为研究对象。根据以上求解过程，可总结出计算轴力的以下规律：（1）某一截面的轴力等于该截面左侧（或右侧）所有外力的代数和。（2）与截面外法线方向相反的外力产生正值轴力，反之产生负值轴力。（3）代数和的正负，就是轴力的正负。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.4延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.5延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.5延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系为了形象而清晰地表示轴力沿轴线变化的情况，可按一定的比例，用平行于杆轴线的x坐标表示杆件横截面的位置，以与之垂直的坐
6、标表示横截面上的轴力，这样的图形称为轴力图。通常两个坐标轴可省略不画，而将正值轴力画在x轴的上方，负值轴力画在x轴的下方。轴力图轴力图延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系【例5.2】杆件受力如图5.6(a)所示，试作其轴力图。【解】（1）计算约束反力取AE杆为研究对象，其受力图如图5.6(b)所示。由平衡方程Fx=0,80+30-20-40-R=0R=50kN（2）计算各段的轴力AB段：考虑AB段内任一截面的左侧，由计算轴力的规律可得NAB=R=50kN延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系BC段：同理，考虑左侧NBC=R-80=50-80=-30
7、kNCD段：考虑右侧NCD=30-20=10kNDE段：考虑右侧NDE=-20kN（3）画轴力图由各段轴力的计算结果，按一定比例可作出其轴力图如图5.6(c)所示。从图上可看出最大轴力在AB段，其值Nmax=50kN。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.6延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系轴向拉伸和压缩时横截面上的应力轴向拉伸和压缩时横截面上的应力取一等截面直杆，在其表面画两条垂直于杆轴的横线ab和cd，并在两条横线间画两条平行于杆轴的纵向线。然后在杆两端加上一对轴向拉力，使杆件产生拉伸变形（图5.7）。从杆件表面可观察到：ab和cd直线
8、分别平移至a1b1和c1d1位置，仍为直线且和杆轴垂直；两条纵向线伸长，且伸长量相等，并仍然与杆轴平行。根据观察到的表面现象，可作出平面假设：变形前为平面的横截面，变形后仍为平面，但沿轴线发生了平移。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系根据平面假设可知，任意两横截面间的各纵向线的伸长（或缩短）均相同。由材料的均匀连续性假设可知，横截面上的内力是均匀分布的，即各点的应力相等（图5.8）。设杆件横截面的面积为A，横截面上的轴力为N，则该横截面上的正应力为=N/A的正负号与轴力相同，当N为正时，也为正，称为拉应力；当N为负时，也为负，称为压应力。延安大学西安创新学院建筑工程系
9、延安大学西安创新学院建筑工程系【例5.3】一阶梯形直杆受力如图5.9(a)所示。已知横截面面积为A1=400mm2，A2=300mm2，A3=200mm2，试求各横截面上的应力。【解】（1）计算轴力，画轴力图此题杆件所受外力与例5.2相同，只是直杆换成了阶梯杆。由例5.2知N1=50kN，N2=-30N，N3=10kN,N4=-20kN。轴力图如图5.9(b)所示。（2）计算各段的正应力AB段：AB=N1/A1=125MPa(拉应力)BC段：BC=N2/A2=-100MPa(压应力)CD段：CD=N3/A2=33.3MPa(拉应力)DE段：DE=N4/A3=-100MPa(压应力)延安大学西安
10、创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.7延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.8延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.9延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系轴向拉（压）杆斜截面上的应力轴向拉（压）杆斜截面上的应力图5.10(a)表示一直杆受轴向拉力P的作用，其横截面积为A，则横截面上的正应力=N/A设与横截面成角的m-m斜截面的面积为A，由几何关系有A=A/cos由截面法（图5.10(b)）可求得m-m斜截面上的轴力为N=N=P。斜截面上的应力斜截面上的应力延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安
11、创新学院建筑工程系由于各纵向线变形相同，故斜截面上各点处应力p也相同（图5.10(c)），则m-m斜截面上的应力为p=N/A=N/Acos=cosp的方向与轴力方向一致，将p分解为垂直于斜截面的正应力和相切于斜截面的剪应力(图5.10(d)=pcos=cos2=psin=cossin=/2sin2延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.10延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系轴向拉伸和压缩时的变形虎克定律轴向拉伸和压缩时的变形虎克定律设直杆原长为l，直径为d。在轴向拉力（或压力）P作用下，变形后的长度为l1，直径为d1，如图5.11所示。(1)
12、绝对变形轴向拉伸（或压缩）时，杆件长度的伸长（或缩短）量，称为纵向绝对变形，以l表示，即l=l1-l拉伸时，l0；压缩时，l0。纵向变形纵向变形延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系(2)相对变形绝对变形与杆件的原始长度有关，不能反映杆件的变形程度。为了度量杆件的变形程度，需要计算单位长度内的变形量。单位长度上的变形称为相对变形或线应变，以表示，即=l/l线应变是无量纲的量，其正负号规定与绝对变形相同。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系(1)绝对变形杆件轴向拉伸（或压缩）时，横向尺寸的缩小（或增大）量，称为横向绝对变形，以d表示，即d=d1-d拉
13、伸时，d0；压缩时，d0。(2)相对变形单位横向尺寸上的变形称为横向相对变形或横向线应变，以1表示，即1=d/d横向变形横向变形延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系横向线应变与线应变之比的绝对值称为泊松比或泊松系数，以表示，即=|1/|由于1与的符号总是相反，故有1=-泊松比无量纲，其值与材料有关。工程中常用材料的泊松比值见表5.1。泊松比泊松比延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系表表5.1 常用材料的常用材料的E、G、值值 材 料 名 称E(GPa)G(GPa)低 碳 钢19621678.5800.250.33合 金 钢18621675820.
14、240.33灰 铸 铁78.414744.10.230.27铜及其合金72.512739.245.10.310.42铅及硬铝70.626270.33木材（顺纹）9.811.80.551 混 凝 土14.334.30.160.18延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系实验表明，当杆的应力不超过某一限度时，杆件的绝对变形与轴向荷载成正比，与杆件的长度成正比，与杆件横截面面积成反比。这一关系是英国科学家虎克在1678年发表的，故称为胡克定律，即lPl/A由于l还与材料的性能有关，引入与材料有关的比例常数E，则有l=Pl/EA由于杆件只在两端受轴向荷载P，有N=P，则l=Nl/E
15、A比例常数E称为弹性模量。虎克定律虎克定律延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系材料弹性模量越大，则变形越小，所以E表示了材料抵抗拉伸或压缩变形的能力，是材料的刚度指标。对杆件来说，EA值越大，则杆件的绝对变形l越小，所以EA称为杆件的抗拉（压）刚度。将=N/A，=l/l代入式（5.6），虎克定律又可表示为=E上式表明：当应力未超过某一极限时，应力与应变成正比。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系由于无量纲，故E的单位与的单位相同，常用GPa表示。利用虎克定律时，需注意公式的适用范围：（1）杆的应力没有超过某一极限；（2）单向拉伸（或压缩）的情况；
16、（3）在l长度内，N、E、A均为常量;否则，需分段计算。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系【例5.4】图5.12(a)所示阶梯形钢杆。所受荷载P1=30kN，P2=10kN。AC段的横截面面积AAC=500mm2，CD段的横截面面积ACD=200mm2，弹性模量E=200GPa。试求：（1）各段杆横截面上的内力和应力；（2）杆件内最大剪应力；（3）杆件的总变形。【解】（1）计算支反力以杆件为研究对象，受力图如图5.12(b)所示。由平衡方程Fx=0,P2-P1-RA=0RA=P2-P1=(10-30)kN=-20kN 延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院
17、建筑工程系（2）计算各段杆件横截面上的轴力AB段：NAB=RA=-20kN(压力)BD段：NBD=P2=10kN(拉力)（3）画出轴力图，如图5.12(c)所示。（4）计算各段应力AB段：AB=NAB/AAC=-40MPa(压应力)BC段：BC=NBD/AAC=20MPa(拉应力)CD段：CD=NBD/ACD=50MPa(拉应力）延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系（5）计算杆件内最大剪应力最大正应力发生在CD段，则最大剪应力也发生在CD段，其值为max=/2=25MPa（6）计算杆件的总变形由于杆件各段的面积和轴力不一样，则应分段计算变形，再求代数和。l=lAB+lB
18、C+lCD=0.015mm整个杆件伸长0.015mm。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系【例5.5】图5.13所示桁架，AB和AC杆均为钢杆，弹性模量E=200GPa，A1=200mm2，A2=250mm2，P=10kN。试求节点A的位移（杆AB长度l1=2m）。【解】（1）受力分析取节点A为研究对象，设杆1、2的轴力分别为N1和N2，其方向如图5.13(a)。由平衡方程Fy=0和Fx=0得两杆的轴力分别为N1=P/sin30=2P=20kN(拉力)N2=N1cos30=1.73P=17.3kN(压力)（2）计算杆件变形杆1沿轴线方向的伸长量为延安大学西安创新学院建筑
19、工程系延安大学西安创新学院建筑工程系l1=AA1=N1l1/E1A1=1mm杆2沿轴线方向的缩短量为l2=AA2=N2l2/E2A2=0.6mm(3)节点A的位移由于AB杆的伸长和AC杆的缩短，使节点A位移到A点。变形后的A点，是以B点为圆心，（l1+l1)为半径所作圆弧，与以C点为圆心，（l2+l2)为半径所作圆弧的交点。但是，在小变形条件下，l1和l2与杆的原长度相比较小，上述圆弧可近似用其切线代替，如图5.13(b)所示。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系因此，节点A的水平位移H和垂直位移V分别为H=AA2=l2=0.610-3m=0.6mmV=AA3=AE+E
20、A3=3mm节点A的总位移A为A=H2+V2=3.06mm 延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.12延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.13延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系材料在拉伸和压缩时的力学性质材料在拉伸和压缩时的力学性质材料在拉伸和压缩时的力学性质，又称机械性能，是指材料在受力过程中在强度和变形方面表现出的特性，是解决强度、刚度和稳定性问题不可缺少的依据。材料在拉伸和压缩时的力学性质，是通过试验得出的。拉伸与压缩试验通常在万能材料试验机上进行。拉伸与压缩试验的过程：把由不同材料按标准制成的试件装夹到
21、试验机上，试验机对试件施加荷载，使试件产生变形甚至破坏。材料的拉伸和压缩试验材料的拉伸和压缩试验延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系拉伸试验时采用标准试件（图5.14），规定圆截面标准试件的工作长度l（也称标距）与其截面直径d的比例为：长试件：l=10d；短试件：l=5d。材料在拉伸时的力学性质材料在拉伸时的力学性质图5.14延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系以A3钢为例，来讨论低碳钢的机械性质。将A3钢做成的标准试件装夹在万能试验机的两个夹头上，缓慢地加载，直到使试件拉断为止。在拉伸的过程中，自动绘图器将每瞬时荷载与绝对伸长量的关系绘成Pl曲
22、线图，如图5.15所示。试件的拉伸图与试件的几何尺寸有关。为了消除试件几何尺寸的影响，将拉伸图的纵坐标除以试件的横截面面积A，横坐标除以标距l，则得到应力应变曲线，称为应力-应变图或-图，如图5.16所示。低碳钢的拉伸试验低碳钢的拉伸试验延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系(1)-图的四个阶段 弹性阶段与a点对应的应力，即应力与应变成正比的最高限，称为材料的比例极限，以p表示。由图中几何关系可知tan=/=E(常数)材料受外力后变形，卸去外力后变形全部消失的这种性质称为弹性。因为Oa阶段材料的变形是弹性变形，所以Oa阶段称为弹性阶段。与a对应的应力称为弹性极限，用e表示
23、。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系 屈服阶段当应力达到b1点的相应值时，应力不再增加而应变却在急剧地增长，材料暂时失去了抵抗变形的能力，这种现象一直延续到c点。如果试件是经过抛光的，这时可以看到试件表面出现许多与试件轴线成45角的条纹，称为滑移线。这种应力几乎不变，应变却不断增加，从而产生显著变形的现象，称为屈服现象，b1c阶段称为屈服阶段。在应力波动中，与b1点对应的应力称为上屈服极限，与b2点对应的应力称为下屈服极限。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系 强化阶段图中cd段曲线缓慢地上升，表示材料抵抗变形的能力又逐渐增加，这一阶段称为强化
24、阶段。曲线最高点d所对应的应力称为强度极限，以b表示。A3钢的强度极限约为b=400MPa。强度极限是衡量材料强度的另一个重要指标。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系 颈缩阶段在强度极限前试件的变形是均匀的。在强度极限后，即曲线的de段，变形集中在试件某一局部，纵向变形显著增加，横截面面积显著减小，形成颈缩现象，如图5.17所示。由于局部横截面面积显著减小，试件最后被拉断。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系(2)冷作硬化将试件预加载到强化阶段内的k点，然后缓慢卸载，曲线将沿着与Oa近似平行的直线回到O1点（图5.16）。O1k1是消失了的弹性
25、应变，而OO1是残留下来的塑性应变。若卸载后重新加载，应力应变曲线将沿着O1kde变化。比较O1kde和Oab1cde可知，重新加载时，材料的比例极限和屈服极限得到提高，而塑性变形降低，这种现象称为冷作硬化。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系(3)材料的塑性试件拉断后，弹性变形消失了，只剩下残余变形。残余变形标志着材料的塑性。材料的塑性，可用试件被拉断后的残余相对伸长百分率来表示，即=(l1-l)/l100%材料的塑性，还可以用试件拉断后的横截面面积残余相对收缩百分率来表示,即=(A-A1)/A100%延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.
26、15延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.16延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.16延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.17延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系铸铁可作为脆性材料的代表，其-图如图5.18所示。从铸铁的-图可以看出，铸铁没有明显的直线部分，但因直到拉断时其变形非常小。因此，一般规定试件在产生0.1%的应变时，所对应的应力范围为弹性变形，并认为这个范围内服从虎克定律。铸铁拉伸时无屈服现象和颈缩现象，断裂是突然出现的。断口与轴线垂直，塑性变形很小。衡量铸铁的惟一指标是强
27、度极限b。铸铁的拉伸试验铸铁的拉伸试验延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.18延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系以低碳钢作为塑性材料的代表，其压缩时的-图如图5.19中的实线所示。为了便于比较材料在拉伸和压缩时的力学性质，在图中还以虚线绘出了低碳钢在拉伸时的-图。比较图5.19中低碳钢在拉伸和压缩时的-曲线可知，比例极限、屈服极限和弹性模量等参数在拉伸和压缩时是相同的。在压缩时的-图中，无强度极限。材料在压缩时的力学性质材料在压缩时的力学性质低碳钢的压缩试验低碳钢的压缩试验延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.
28、19延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系以铸铁作为脆性材料的代表，其压缩时的-图如图5.20中的实线所示，它与拉伸时的-图（虚线）相似。值得注意的是，压缩时强度极限比拉伸时的强度极限高34倍，最后试件是沿与轴线成4550角的斜面破坏的。铸铁的压缩试验铸铁的压缩试验延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.20延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系(1)塑性材料破坏时有显著的塑性变形，断裂前有的出现明显的屈服现象；而脆性材料在变形很小时突然断裂，无屈服现象。(2)塑性材料拉伸时的比例极限、屈服极限和弹性模量与压缩时相同，说明拉
29、伸和压缩时，具有相同的强度和刚度。而脆性材料则不同，其压缩时的强度和刚度都大于拉伸时的强度和刚度，且抗压强度远远高于抗拉强度。工程中常用材料的力学性质参看表5.2。两类材料力学性质的比较两类材料力学性质的比较延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系表表5.2 工程中常用材料拉伸与压缩时的力学性质工程中常用材料拉伸与压缩时的力学性质 延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系许用应力及安全系数许用应力及安全系数将材料丧失工作能力时的应力，称为极限应力，以0表示。对于塑性材料，0=s，对于脆性材料，0
30、=b。构件的工作应力应小于极限应力，构件在工作时允许产生的最大应力称为许用应力，用表示。许用应力等于极限应力除以一个大于1的系数，此系数称为安全系数,用n表示，即=0/n对于塑性材料=s/ns对于脆性材料=b/nb延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系安全系数的确定，通常要考虑以下因素：（1）载荷的精确性；（2）材料的均匀性；（3）计算方法的准确程度；（4）构件的工作条件及重要性；（5）构件的自重与机动性。一般取ns=1.41.8，nb=2.03.5。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系轴向拉伸和压缩时的强度计算轴向拉伸和压缩时的强度计算要使构件在
31、外力作用下能够安全可靠地工作，必须使构件截面上的最大工作应力max不超过材料的许用应力，即max=N/A式（5.11）称为构件在轴向拉伸或压缩时的强度条件。产生最大正应力的截面称为危险截面。对于等截面直杆，轴力最大的截面即为危险截面。对于变截面直杆，危险截面要结合N和A共同考虑来确定。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系根据强度条件，可以解决强度计算的三类问题：(1)强度校核具体做法是：根据荷载和构件尺寸确定出最大工作应力max，然后和构件材料的许用应力相比较，如果满足式（5.11）的条件，则构件有足够的强度，反之，则构件的强度不够。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大
32、学西安创新学院建筑工程系(2)设计截面尺寸在构件的材料及所受荷载已确定的条件下，和N为已知，把强度条件公式变换为AN/计算出截面面积，然后根据构件截面形状设计截面的具体尺寸。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系(3)确定许可荷载在构件的材料和形状及尺寸已确定的条件下，和A为已知，把强度条件公式变换为NA计算出构件所能承受的最大轴力，再根据静力平衡方程，确定构件所能承受的最大许可荷载。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系【例5.6】图5.21(a)所示的木构架，悬挂的重物为Q=60kN。AB的横截面为正方形，横截面边长为200mm，许用应力=10M
33、Pa。试校核AB支柱的强度。【解】（1）计算AB支柱的轴力取CD杆为研究对象，受力图如图5.21(b)所示，由平衡方程mC(F)=0,SABsin301-Q2=0SAB=2Q/sin301=240kNAB支柱的轴力NAB=SAB=240kN。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系（2）校核AB支柱的强度AB支柱的横截面面积A=200200mm2=40103mm2AB支柱的工作应力=NAB/A=6MPa=10MPa故AB支柱的强度足够。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系【例5.7】三角架由AB和BC两根材料相同的圆截面杆构成（图5.22(a)）。材
34、料的许用应力=100MPa，荷载P=10kN。试设计两杆的直径。【解】（1）计算两杆的轴力用截面法截取结点B为研究对象，受力图为图5.22(b)。由平衡方程Fy=0,NBCsin30-P=0NBC=P/sin30=20kNFx=0,NBCcos30-NAB=0NAB=NBCcos30=17.32kN延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系(2)确定两杆直径由强度条件有A=d2/4N/则d4N/dAB=4NAB/=14.85mm取AB杆的直径dAB=15mm。dBC=4NBC/=15.95mm取BC杆的直径dBC=16mm。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建
35、筑工程系【例5.8】图5.23(a)所示的支架，AB杆的许用应力1=100MPa，BC杆的许用应力2=160MPa，两杆横截面面积均为A=150mm2。试求此结构的许可荷载P。【解】（1）计算杆的轴力与荷载的关系用截面法截取结点B为研究对象，受力图如图5.23(b)。由平衡方程Fx=0,NBCsin30-NABsin45=0Fy=0,NBCcos30+NABcos45-P=0联立求解得P=1.93NABP=1.37NBC延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系（2）计算杆的许可轴力由强度条件有NAB=1A=15kNNBC=2A=24kN(3)计算杆的许可荷载将式（c)、式(
36、d)分别代入(a)、(b)有PAB=1.93NAB=28.95kNPBC=1.37NBC=32.88kN(4)确定结构的许可荷载根据上述计算结果，结构的许可荷载取各杆的较小者，则P=28.95kN延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.21延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.22延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.23延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系应力集中的概念应力集中的概念等直杆轴向拉伸或压缩时，横截面上的正应力是均匀分布的。但由于实际需要，有些零件经常有切口、切槽、油孔、螺纹
37、、带有过渡圆角的轴肩等，导致在这些部位上截面尺寸发生突然变化。实验证明，在这些尺寸突然改变的横截面上，应力并不均匀分布。如开有圆孔的拉杆（图5.24），当其在静荷载作用下，受轴向拉伸时，在圆孔附近的局部区域内，应力的数值急剧增加，而在较远处又逐渐趋于平均。这种因杆件截面形状突然变化而产生的应力局部增大现象，称为应力集中。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系应力集中处的最大应力max与杆横截面上的平均应力之比，称为理论应力集中系数，以表示，即=max/它反映了杆件在静荷载作用下应力集中的程度，是一个大于1的系数。如果截面尺寸变化越急剧、孔越小、角越尖，应力集中就越严重，最
38、大应力max就越大。因此，杆件上应尽可能避免带尖角的孔和槽，在阶梯轴和凸肩处要用圆弧过渡，并且要尽量使圆弧半径大一些。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系在静荷载作用下，应力集中对于塑性材料的强度没有什么影响。这是因为当应力集中处最大应力max到达屈服极限时，材料将发生塑性变形，应力不再增加。当外力继续增加时，处在弹性变形的其他部分的应力继续增大，直至整个截面上的应力都达到屈服极限时，杆件才达到极限状态（图5.25）。由于材料的塑性具有缓和应力集中的作用，应力集中对塑性材料的强度影响就很小。而脆性材料由于没有屈服阶段，应力集中处的最大应力max随荷载的增加而一直上升。当
39、max达到b时，杆件就会在应力集中处产生裂纹，随后在该处裂开而破坏。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.24延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系图5.25延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系连接件的强度计连接件的强度计算算连接构件用的螺栓、销钉、焊接、榫接等 这些连接件，不仅受剪切作用，而且同时还伴随着挤压作用。剪切实用计算剪切实用计算称为剪切面剪切面。在外力作用下，铆钉的mn截面将发生相对错动，延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系在剪切面上与截面相切的内力，如图所示。在剪切面上与截面相切的内
40、力，如图所示。称为称为剪力剪力()QF QFF在剪切面上，假设切应力均匀分布，在剪切面上，假设切应力均匀分布，得到得到名义切应力名义切应力，即：，即：QFA 剪切极限应力，可通过材料的剪切极限应力，可通过材料的剪切破坏试验剪切破坏试验确定。确定。u极限应力极限应力除以安全因数。除以安全因数。即得出材料的许用应力即得出材料的许用应力延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系剪切强度条件表示为：剪切强度条件表示为：剪切计算主要有以下三种：剪切计算主要有以下三种：1 1、剪切强度校核；、剪切强度校核；2、截面设计；、截面设计；3、计算许用荷载、计算许用荷载。QFA例题例题 正方形截
41、面的混凝土柱，其横板，边长为200mm，其基底为边长1m的正方形混凝土板，柱承受轴向压力柱承受轴向压力 100 kNF 设地基对混凝土板的支反力为均匀分布，混凝土设地基对混凝土板的支反力为均匀分布，混凝土的许用切应力的许用切应力 1.5 MPa延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系试设计混凝土板的最小厚度试设计混凝土板的最小厚度为多少时，才不至于使柱穿过混凝土板？为多少时，才不至于使柱穿过混凝土板？解：解：（1）混凝土板的受剪）混凝土板的受剪面面积面面积0.2 m40.8mA（2）剪力计算）剪力计算2Q2332210.2 0.2 m()1 1m100 10 N100 10
42、 N0.04 m()1mFFF延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系33100 10N4 000 N96 10N（3）混凝土板厚度设计）混凝土板厚度设计 3Q96 10 N808001.5Pa800FmmmmMmm（4）取混凝土板厚度）取混凝土板厚度80mm延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系才能在钢板上冲出一个直径18 mmd 的圆孔。5 mm例题例题 钢板的厚度钢板的厚度，其剪切其剪切u400 MPa极限应力极限应力，问要加多大的冲剪力问要加多大的冲剪力F，解：解：（1）钢板受剪面面积钢板受剪面面积Ad （2 2）剪断钢板的冲剪力）剪断钢板的冲
43、剪力QuFFAAuu400 Pa 185FAdMmmmm 3113 10N113 kN延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系160 kNF 150 mmd 251 mmd 82 mmD 例题例题 为使压力机在超过最大压力为使压力机在超过最大压力作用时，重要机件不发生破坏，在压力机冲头内作用时，重要机件不发生破坏，在压力机冲头内装有保险器（压塌块）。设极限切应力装有保险器（压塌块）。设极限切应力u360 MPa，已知保险器（压塌块）中的尺寸已知保险器（压塌块）中的尺寸 试求保险器（压塌块）中的尺寸试求保险器（压塌块）中的尺寸值。值。解：解：为了保障压力机安全运行，应使保险器
44、达为了保障压力机安全运行，应使保险器达到最大冲压力时即破坏。到最大冲压力时即破坏。u1Fd延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系31 u160 10 N2.83 50360PaFmmdmmM利用保险器被剪利用保险器被剪断，以保障主机断，以保障主机安全运行的安全安全运行的安全装置，在压力容装置，在压力容器、电力输送及器、电力输送及生活中的高压锅生活中的高压锅等均可以见到。等均可以见到。延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系挤压实用计算挤压实用计算连接件与被连接件在互相传递力时，接触表面是连接件与被连接件在互相传递力时，接触表面是相互压紧的，接触表面上的
45、总压紧力称为相互压紧的，接触表面上的总压紧力称为挤压力挤压力，相应的应力称为相应的应力称为挤压应力挤压应力()。bs延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系假定挤压应力在计算挤压面上均匀分布，表示为：假定挤压应力在计算挤压面上均匀分布，表示为：bsbsbsFA上式计算得到的上式计算得到的名义挤压应力名义挤压应力与接触中点处的与接触中点处的最大理论挤压应力值相近。最大理论挤压应力值相近。按名义挤压应力公式得到材料的按名义挤压应力公式得到材料的极限挤压应力极限挤压应力 。从而确定了许用挤压应力从而确定了许用挤压应力 。bs挤压强度条件为：挤压强度条件为：bsbsbsbsFA对于
46、塑性材料对于塑性材料：bst(1.72.0)延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系bs试求挤压应力试求挤压应力切应力切应力和拉应力和拉应力200 mmh N,60 kNACF6例题例题 图示木屋架结构端节点图示木屋架结构端节点A A的单榫齿连的单榫齿连400 mml 160 mmh 160 mmb 已知：的作用。及支座A的反力AyFN,ABF弦杆AB的拉力N,ACF接详图。该节点受上弦杆接详图。该节点受上弦杆AC的压力的压力，下下ae使上弦杆与下弦杆的接触面N,ACF力发生挤压；N,ACF的水平分力使下弦杆的端部沿剪切面发生力ec剪切，在下弦杆截面削弱处截面，产生拉伸。延
47、安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系解：（1）求截面的挤压应力截面的挤压应力ae计算挤压面面积：计算挤压面面积：21bs6016011.1coscos30hmmAbmmmm延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系(2)、求、求ed截面的切应力：截面的切应力：3QN,32cos60 10 N cos300.81264 10ACaFFMPAAmm(3)计算下弦杆截面削弱处计算下弦杆截面削弱处ec截面的拉应力截面的拉应力3N,260 10 N cos302.32MPa(20060)160ABecFAmm延安大学西安创新学院建筑工程系延安大学西安创新学院建筑工程系本章结束本章结束
